基于DL/T860协议的通信模拟装置在智能变电站检修和扩建中的应用

黄 昕，杨 宁，孟 楠，任雁铭，唐 喜，高 锐

基于DL/T860协议的通信模拟装置在智能变电站检修和扩建中的应用

黄 昕1，杨 宁2，孟 楠2，任雁铭1，唐 喜1，高 锐1

(1.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085；2.中国电力科学研究院，北京 100192)

智能变电站内二次工作的一大难题是站控层及以下通信系统的维护，包括MMS、GOOSE、SV等DL/T860通信部分。由于维护人员专业技能提高的滞后性，通信技术的快速推广带来了一些维护上的困难，通信系统维护工作中“牵一发而动全身”成为普遍现象。为克服实际工作中不敢检修的现状，提出了通信模拟装置的方案，在保证不出现通信中断的条件下，维护人员可实现检修设备和运行设备的物理隔离，大大提高了检修工作的安全性。在变电站扩建时，被扩建间隔的通信调试需要和变电站运行部分配合，通信模拟装置的使用可大幅减少调试过程中对运行部分的影响，减轻了维护人员的工作压力。

智能变电站；检修；扩建；隔离；通信模拟装置；DL/T860

0 引言

随着DL/T860标准的快速普及，国内智能变电站已投运近千座，密如蛛网的铜质二次信号电缆被光纤取代，变电站二次回路的物理结构得到了一定的简化。在技术进步的同时，变电站二次检修和维护的难题暴露出来。智能变电站内二次物理回路得到简化，但虚拟二次回路的复杂性没有降低。由于虚拟二次回路的不可见性和陌生性，智能变电站的二次检修和维护工作变得更加困难，实际工作中往往是不敢检修二次通信部分[1-3]。

以母线保护的模拟量回路为例，常规保护检修时可以采用退出硬压板、封电流回路的方式保证安全[4]，维护人员可控制检修风险。在智能化条件下，模拟量通过光纤传输，简单的断开光纤会造成母线保护通信中断，通信中断后的风险控制全部由设备实现，检修人员无法直观的控制。采用软压板隔离检修设备和运行设备时，检修设备仍然对运行设备有影响，例如大流量检修报文的冲击会影响运行设备的报文吞吐能力。

在检修工作中，物理隔离的方式最为直观和可靠[5]，为避免物理隔离时产生的通信中断，可使用通信模拟装置替代被检修的设备，从而保证运行设备正常运行。通信模拟装置是现有软压板检修方式的一个补充，解决了检修时的物理隔离问题。

同样的问题还出现在了变电站的扩建工作中。扩建间隔中新的虚拟二次回路需要和运行部分联合调试，扩建工作对运行变电站的影响难以避免。在实际工作中，用户往往采取沿用同一厂家设备的方式来降低风险，但仍然面临设备停产等现实问题。为减小扩建工作带来的影响，可使用通信模拟装置替代真实的变电站运行环境，从而减轻扩建工作对变电站运行部分的影响，充分发挥出DL/T860协议的互操作性。

1 通信模拟装置

通信模拟装置的实现主要依赖于DL/T860协议的互操作性和以太网二层 VLAN协议。在全站的SCD配置文件中，包含了通信双方的全部配置信息，理论上只要解析了SCD文件，就可以模拟出站内任意一台装置的通信报文[6]。二次设备厂家的MMS、GOOSE、SV功能软件一般都是通用模块，在解析了不同的模型文件后，可实现不同的设备功能，例如线路保护和变压器保护的GOOSE插件软件版本是一样的，通过下载不同的CID配置文件，可分别实现线路保护 GOOSE接口和变压器保护GOOSE接口。将这些通用软件模块集成在通信模拟装置中，即可完全模拟实际运行的二次设备。在硬件资源足够强大的条件下，通过解析SCD文件可以同时模拟出全站的通信行为，这为从物理上实现装置级或系统级的“取代”创造了条件[7]。

通信模拟装置不仅需要模拟出实际运行的报文，还需要按照变电站通信拓扑结构对通信报文进行组合，使报文按照实际运行情况分布在不同的端口中。VLAN协议是MAC层的交换协议，对于一个N端口的交换机，可以通过N×N的交换矩阵实现报文在端口上的任意分布。由于采用了静态硬件交换的方式，VLAN协议具有延时固定、拓扑结构固定的特点，十分适合于传输GOOSE、SV等实时性要求高的报文[8]。使用了支持VLAN协议的交换机后，可以很好地解决不同变电站通信拓扑结构差异大的问题。如图1所示，不同性质的报文在通信模拟装置各端口可任意组合，真实模拟变电站交换机端口上的报文。

图1 通信模拟装置报文映射示意图Fig. 1 Frame mapping of communication simulator

通信模拟装置的主要功能是模拟智能变电站装置的通信行为，从检修边界上的以太网端口看过去，通信模拟装置的行为和被模拟的设备完全一致，以线路间隔检修说明通信模拟装置的功能。

如图2所示，运行部分和检修部分存在网络通信关系。线路间隔检修时，如果使用通信模拟装置替代线路间隔设备，通信模拟装置需要实现 MMS服务器功能、GOOSE收发功能、SV发布功能，从而完全模拟间隔内的线路保护、合并单元、智能终端，和运行部分设备通信；如果使用通信模拟装置替代变电站运行部分设备，通信模拟装置需要实现MMS客户端、GOOSE收发功能、SV订阅功能，从而替代变电站运行部分，和被检修的线路间隔进行模拟通信。

图2 线路间隔检修边界示意图Fig. 2 Maintenance margin of line bay

通信模拟装置在模拟 MMS服务器时，由于MMS定时上送和总召的周期都比较长，被模拟的装置数量仅受限于通信模拟装置的内存容量；工程中GOOSE通信中断的判断延时一般为5~20 s，通信模拟装置在GOOSE模拟时容量基本不受CPU处理能力限制。在模拟SV报文时，由于没有实际的采样保持和AD转换过程，SV报文的等间隔精度优于实际的合并单元，SV报文模拟的数量受到FPGA容量的限制，一般不超过5个合并单元，这对于大多数间隔已完全够用。

2 检修方案

常规变电站检修时的安全措施一般采用断开电缆回路的方式，例如断开操作电源、断开出口压板等，这种方法具有安全可靠的优点[9]。智能变电站中采用软压板和检修压板的方式实现安全隔离，依靠装置中的软件功能保证安全[10]。常规站和智能站安全隔离方式对比见图3。

图3 常规站和智能站检修方式示意图Fig. 3 Different maintenance between common substation and smart substation

在使用软压板方式实现检修的安全隔离时，被检设备和运行设备仍然有通信交互关系，在检修中出现异常工况时，被检设备会对运行设备造成一定的冲击。例如智能终端检修时，如果出现断路器跳跃的情况，智能终端将集中发送大量GOOSE变位报文，对运行设备造成影响。又例如更换间隔交换机时，如果形成了以太网逻辑环路并触发广播风暴，检修间隔内的组播报文将以很大的流量冲击运行设备。由于无法安全可靠的设定检修边界，现有智能变电站一般采取整站检修或不检修方式，这给供电安全带来了隐患。

为降低被检设备和运行设备的相互影响，可采用断开物理回路或链路的方式设定检修边界。为减小断开物理回路或链路对运行设备的影响，在检修中使用了通信模拟装置。通信模拟装置具备多种类型的通信接口，可以模拟单个间隔内的全部通信行为。通过读取间隔内设备的CID文件，通信模拟装置可以准确模拟单个间隔装置的通信行为。通信模拟装置的功能和配置见图4。

图4 检修条件下通信模拟装置功能和配置示意图Fig. 4 Configuration of communication simulator under testing

以图5 220 kV智能变电站线路间隔停电检修为例说明这种检修方式，线路间隔中母线刀闸外的一次部分均属于检修范围，检修时需要停运的二次设备包括线路保护装置、线路合并单元、线路智能终端。

图5 一次设备检修范围示意图Fig. 5 Primary testing scope

典型的220 kV智能变电站线路保护装置、线路间隔交换机布置一面屏，母线保护、中央交换机布置一面屏，线路合并单元、线路智能终端就地安装在户外柜内。线路保护采用“直采直跳”方式和线路合并单元、线路智能终端配合，保护间信息通过网络方式传输，其通信结构如图6所示。

图6 220 kV线路间隔网络拓扑图Fig. 6 Topology of 220 kV line bay

在线路间隔停电检修条件下，检修设备包括线路保护装置、线路间隔交换机、线路合并单元、线路智能终端，母线保护仍然处于运行状态。在母线保护上退出线路电流，并将刀闸固定在强制状态。在线路交换机上拔出和中央交换机连接的光纤，并插入到通信模拟装置A上，在户外柜拔出和母线保护连接的SV、GOOSE光纤，并插入到通信模拟装置B上。通信模拟装置A、B中已下载了线路间隔的CID文件，可和母线保护装置直接通信。通信模拟装置A可模拟线路保护装置收发GOOSE报文，为运行中的母线保护装置提供状态信息，维持通信链路有效，避免母线保护装置出现通信中断告警；通信模拟装置B可模拟线路间隔的合并单元和智能终端收发GOOSE、SV报文，过程层的开关量、模拟量信号可在检修前按照运行要求设置，例如断路器设置为分闸状态，间隔电流设置为零，通信模拟装置B将设置好的状态发送给母线保护装置，保证母线保护装置可正常运行。由于母线保护退出了线路间隔的电流，并把刀闸设置在强制状态，线路间隔的通信中断告警在检修条件下不应影响其他间隔的母线保护功能。通信模拟装置A、B实际是从物理上取代了线路间隔的全部设备，接入后也属于运行设备，应按照运行设备要求管理。接入通信模拟装置后以太网通信拓扑结构如图7所示。

图7 接入通信模拟装置后以太网通信拓扑结构图Fig. 7 Topology of communication after linking simulator devices

通信模拟装置的配置文件在变电站投运时已完成校核，在检修时无需再次重新配置，直接下载已验证的配置即可。为保证通信模拟装置完全模拟线路间隔内的报文，在接入通信模拟装置前，可使用报文分析仪获得线路间隔的运行报文和通信模拟装置的模拟报文，并作格式对比确认两者一致。使用了通信模拟装置后，检修设备和运行设备物理上完全隔离，安全性较软压板方式更好。

如果在检修过程中对间隔内的装置进行了升级或更换，可通过对比通信模拟装置和检修后设备发出报文的方式确认升级或更换成功，而无需通过对比配置文本文件的方式检查新配置的合法性。对比配置文本文件的方式仅适用于同厂家设备的更换，且依赖于更换后的设备软件的正确性；对比报文的方式可直接检查配置后的结果，更加直接和可靠，适用于不同厂家、不同型号设备的升级或更换。

3 扩建方案

与变电站的检修工作相比，在扩建时，主要的困难不仅包含安全隔离措施，还包含已运行设备和未投运设备的联合调试。在扩建调试时，安全隔离措施可参考检修工作的方案，但已运行设备的配置修改需要专门的方法和流程。例如扩建一个线路间隔时，扩建线路间隔的信号需要和已运行的母线保护联合调试，直接在运行设备内下载新配置并调试十分危险，容易影响其他间隔的保护功能。扩建中的通信配置工作见图8。

图8 扩建线路间隔的配置工作Fig. 8 Communication configuration in line bay expansion

为减少操作已运行设备的次数，可使用通信模拟装置替代运行设备和新间隔设备调试，通信模拟装置下载了站内SCD配置文件，可模拟站内通信环境，为新间隔的调试提供一个仿真环境。和模拟单个间隔通信不同的是，此时下载到装置内部的是全站的SCD文件，而不是单个间隔的CID文件，新扩建间隔的配置也包含在下载的SCD文件中。扩建条件下通信模拟装置功能和配置见图9。

在通信模拟装置上可频繁修改 SCD配置文件而不对运行设备造成影响。在扩建多个间隔时，这种使用通信模拟装置替代运行设备的方式可显著降低操作运行设备的次数。

图9 扩建条件下通信模拟装置功能和配置示意图Fig. 9 Configuration of communication simulator under expansion

以 220 kV智能变电站扩建线路间隔为例说明这种扩建方式。按照典型的 220 kV智能变电站设计，需要扩建的设备包括一面线路保护屏柜和一面就地安装的线路户外柜，线路保护屏柜中包含线路保护、线路间隔交换机，线路户外柜包含合并单元、智能终端。

完成线路保护柜、线路户外柜的光纤施工后，可在运行的母线保护柜处将扩建间隔的光纤接入通信模拟装置。为实现和运行设备的通信，需要修改全站SCD配置文件，新生成的过程层工程文件可下载到通信模拟装置中，通信模拟装置将按照新的SCD配置文件模拟母线保护等装置收发报文，和扩建间隔的线路保护装置、合并单元、智能终端通信。例如通信模拟装置可发送母线保护跳闸报文，配合线路智能终端调试。从线路间隔向变电站看过去，通信模拟装置扮演的是扩建条件下整个变电站的角色，通信模拟装置从物理上取代了变电站的已投运部分。通信模拟装置此时属于检修设备，按照检修要求管理即可。在过程层工程文件格式统一后，通信模拟装置将具备一定的通用性，使用一台通信模拟装置可对多厂家的设备进行模拟调试。接入通信模拟装置后网络结构如图10所示。

图10 接入通信模拟装置后网络结构图Fig. 10 Structure after linking communication simulator devices

扩建间隔在调试时主要和通信模拟装置配合，调试期间修改配置或工程文件均无需操作运行的母线保护，这大大降低了调试时的安全风险。在完成通信调试后，将通信模拟设备中的工程文件下载到运行的母线保护中，母线保护即可按照调试完毕的配置进行通信。通过对比报文的方式可确认母线保护发布配置无误，为检测母线保护订阅报文的配置无误，需要对运行的各间隔轮流检修测试，这部分工作是扩建时对变电站运行的主要影响。

与传统母线保护扩建工作相比，智能变电站在扩建时的风险主要是由改变运行装置配置引入的。在现阶段可通过增量配置的方式减小更新配置的风险，即将扩建相关的设备模型配置到一个新的二期工程SCD中，二期工程SCD模型文件导出的过程层工程文件属于增量部分。对于新扩建的间隔内装置，例如线路保护，增量部分工程文件包含了运行所需的全部配置；对于母线保护，增量部分工程文件仅包含和扩建间隔的配合关系。为减小操作风险，母线保护装置可在下载增量配置的同时保持原有配置，新旧配置可同时运行在母线保护内部，从而降低对已投运间隔的影响。

增量配置方式虽然可以最大程度上减小对运行间隔的影响，但其增加了管理的复杂程度，装置的配置文件由一个变成了多个。对比传统母线保护应对扩建的方法可以看出，在变电站新建阶段就应将扩建问题考虑进去。传统母线保护装置对外的电缆接口含义明确且具有通用性，在变电站新建时就预留了足够的电缆接口，在智能变电站中也可采用这种思路。智能变电站在新建时就完成备用扩建间隔的通信配置和测试工作，这需要统一过程层装置对外模型接口作为技术支撑。在过程层对外模型接口统一后，可在新建变电站时完成全站终期的通信配置，甚至可在变电站的设计阶段完成过程层信息流的规划，从而推动过程层装置向“即插即用”方向发展。为避免备用订阅端口出现通信中断告警，可通过间隔投退压板屏蔽备用订阅端口通信告警逻辑。

4 结论

智能变电站的维护工作不仅要解决新建站的问题，还要解决存量站的问题。在充分发挥DL/T860互操作性优势的基础上，配合使用灵活、可靠的VLAN交换技术，通信模拟装置可以实现装置级和系统级的物理取代。现有检修手段采用软件方式实现安全隔离，安全性较差。使用了通信模拟装置后，可实现检修设备的物理隔离。在变电站扩建工作中，使用通信模拟装置可以减少操作运行装置的次数，但对于跨间隔的设备仍然有一定的影响。采用增量配置的方式可以降低跨间隔设备在扩建中的配置风险。

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(编辑 葛艳娜)

Application of communication simulator based on DL/T860 in smart substation maintenance and expansion

HUANG Xin1, YANG Ning2, MENG Nan2, REN Yanming1, TANG Xi1, GAO Rui1
(1. Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100085, China; 2.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

The communication maintenance in smart substation is a tough task when performing secondary work related to MMS, GOOSE and SV frames based on DL/T860. The technical capability of the utilities cannot develop as fast as the manufacturer. Some maintenance difficulties came out in newly-built smart substation. The maintenance work in one bay may affect the function of the whole substation. In some area, the risk of maintenance is not under control of the utilities. Communication simulator is mentioned for the safety of secondary testing work. Running part and testing part of substation is separated physically. No communication error warning will appear due to the use of communication simulator. The risk of secondary maintenance is reduced. In the expansion of the substation, the new bay under construction will communicate with the running part, the use of communication simulator will reduce the effect of the new bay to the substation. The working pressure of the utilities drops dramatically.

smart substation; testing; expansion; separation; communication simulator; DL/T860

2016-05-27；

2016-08-29

黄 昕(1979-)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力一次设备智能化及在线监测方面的研究工作；E-mail: huangxin@sf-auto.com

杨 宁(1983-)，男，硕士，工程师，主要从事电力设备状态监测及故障诊断方面的研究工作；E-mail: yangning@ epri.sgcc.com.cn

孟 楠(1985-)，男，本科，工程师，主要从事电力设备状态监测及故障诊断方面的研究工作，E-mail: mengnan@ epri.sgcc.com.cn

10.7667/PSPC161151