一种数字化继电保护装置即插即用系统的构建与实现

张莹，李颖毅，盛海华，方天宇，白云，凌特利

（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.浙江省电力公司，杭州 310007）

0 引 言

近年来，国家在智能变电站建设的投资规模不断增加，智能变电站的数字化保护装置快速增加，数以千计的智能变电站完成建设并投入运行，不可避免的问题是，智能设备的配置差异性也很大，这在一定程度上增加了智能变电站智能设备工程维护的工作量。另一方面，智能设备插件内部目标程序、工程配置和定值参数等多种数据信息同时并存，每个插件由硬件、固件（类似于操作系统+保护程序）、配置文件（描述虚拟二次回路）等三层构成，特别是CID、CCD等配置文件对应于每个装置实例而言具有很大差异性，多模块之间需要相互配合才能实现智能设备的正常工作，正所谓牵一发而动全身。多样化的组成和配合给智能变电站运维带来了前所未有的困难，而运维人员的经验水平参差不齐，由配置整定错误影响保护正确动作的事情时有发生，给电力系统的安全可靠运行带来严重隐患［1］。

如何在插件更换时提供一种简单可靠的运维方法，是一个亟待解决的难题［2］。

针对数字化继电保护装置文件配置复杂，插件更换困难的问题，本文设计了一种由配置管理主站和手持部署终端组成的智能变电站继电保护装置即插即用系统。用于数字化继电保护装置运维的即插即用系统。即插即用系统依托于装置PNP文件构建技术、一键自动备份/恢复技术、配置管理主站的备份管理技术和数据一致性校验技术，在智能变电站运维中实现了数字化继电保护装置插件更换的即插即用，简化了运维手段，提高了运维效率，保证了运维质量。

1 系统总体设计

如图1所示，即插即用系统由配置管理主站、Web终端、手持部署终端和继电保护装置共同组成。

图1 即插即用系统构成图Fig.1 Structure diagram of plug and play system

即插即用系统工作步骤如下：

（1）首先面向智能变电站在配置管理主站上构造全站继电保护装置的实例，明确每个继电保护装置所属的间隔、产品型号和设备身份代码，形成智能变电站工程配置文件；

（2）在智能变电站完成调试准备投运时，使用手持部署终端，对全站的继电保护装置逐一进行整箱数据备份，具体方法是先扫描装置上的设备身份代码电子标签，结合全站工程配置文件，确定装置型号和装置实例，然后通过以太网连接装置调试口，对部署在装置各插件中的目标程序、工程配置以及定值参数进行一键自动备份，整个备份过程是直观可见的，生成备份文件时同步计算其MD5码，作为备份文件一致性的依据；

（3）在完成全站装置的整箱数据备份后，将全站装置的备份文件通过网络一并提交到配置主站进行存储和管理。如图1第2步，运维人员可以通过Web方式登录配置主站，对全站装置的备份文件进行查看和管理，例如查看每个备份文件的提交时间、所含内容、软件版本、定值参数等信息，确保装置备份文件对运维人员是透明的。可控的，如图1第3步；

（4）当装置发生故障需要进行插件更换时，运维人员先使用手持部署终端，通过网络从配置管理主站下载全站的备份文件，到达变电站现场后，先用同型号的备用插件更换掉故障插件，系统自动选择故障装置的备份文件，做到备份文件的选择防误；并对选择的装置备份文件再次进行MD5计算，与备份文件自带的MD5码进行一致性比对［3］，确保装置备份文件是安全可靠的。完成一致性比对后，连接装置调试口，依据备份文件中的目录清单，对装置进行整箱数据恢复，也可以选择只恢复故障插件的数据。在恢复过程中，每完成一个数据模块的写入，都要对写入的数据内容进行一致性校验，确保每个写入的数据模块是正确的，在完成装置所有数据模块的恢复写入后，更换插件后的装置数据与装置投运前的数据就完全一致了，重新上电后，装置即可投入使用，无需重新实验验证，从而达到装置插件更换的即插即用。

2 系统设计关键技术

整个即插即用系统主要包括四项关键技术：PNP文件目录库的建立、数据无损校验技术、装置的通信控制连接和信息作业流程处理。下面逐一进行说明。

2.1 PNP文件目录库的建立方法

手持终端对装置文件进行解析，其基于物理装置--＞插件--＞文件--＞配置的层次结构建立树形视图，最终形成一个包含装置内各项软件信息的文件包。文件包可以将属于单块插件的程序和配置文件通过特定的目录结构组织进行安全压缩［4］。文件结构如图2所示，装置以插件分层，插件信息栏下包含了本插件所有信息数据包，数据包中所含的数据特征描述信息包括文件名称、文件大小、最后备份时间、文件存在标识、读取数据用户名、读取数据用户密码和文件md5校验码，另外还可通过数据特征描述信息确定文件的存取读取路径和装置身份识别认证［5］。软件包将每个插件进行关联存储的方式形成一个层次化的数据管理文件，该文件可用于条件查询、提交、分发等功能，例如当需要读写该数据时，可通过数据特征描述信息查看其读写方式是Ftp、MMS或者是其他规约，通过该种目录构造可更方便的实现装置信息读取或存储［6-7］。当装置或者插件信息损坏需要更换时，手持部署终端通过文件包内的身份识别标识在管理服务器中找到正确的软件配置信息包并一键传输到装置中。

2.2 数据无损校验

即插即用系统在备份/恢复的操作过程中保证装置文件不会被破坏是即插即用系统的关键任务。为保障装置PNP文件目录的完整性和正确性，配置管理系统采用物理隔离和冗余备份，确保全站智能设备的PNP文件不会被破坏。系统通过四重校验保证数据无损性。

图2 手持部署终端系统逻辑架构图Fig.2 Logic structure diagram of handheld terminal deployment system

（1）在一键备份过程中，手持部署终端加载装置的PNP文件目录，依据文件目录中描述的数据模块及其特征信息，通过装置调试口逐个读取装置的数据模块。每读取完一个数据模块，都要计算其MD5校验码，并与装置中对应数据模块的MD5校验码进行比对，比对一致方能认为该数据模块读取成功，并将该MD5码作为特征信息记入PNP文件目录中。加载MD5校验码算法示意图如图3所示，其本质是将数据组合成128位的二进制代码；

图3 MD5算法示意图Fig.3 Schematic diagram of MD5 algorithm

（2）在逐个插件、逐个模块完成数据读取后，再依据PNP文件目录对读取到的全部数据模块进行完整性检查，确保没有数据模块被遗漏；

（3）所有读取到数据模块以及PNP文件目录进行压缩打包的过程中，系统进行算法加密，以确保打包后的PNP文件不会轻易地被破坏；

（4）当同型号的备用装置更坏掉故障装置时，将选择的装置备份文件再次进行MD5码计算，与备份文件自带的MD5码进行一致性比对，正确无误后才连接装置调试口进行文件恢复。这样整箱恢复后的智能设备不需要重新配置和试验，即可投入运行，做到即插即用。

通过以上四重加密校验，保证了装置PNP文件在配置管理系统中的无损电子流转。

2.3 系统通信控制连接

在即插即用系统中，继电保护装置提供数据读写的通信传输方式、特征信息、并在数据目录清单中说明，例如以103规约通用分类传输；CID文件以ftp传输，清单中说明文件的位置、大小、用户等特征信息［8-10］。为了适应继电保护装置的接口多样化，即插即用系统应具备多种通信能力，因此对手持部署终端的设计应全面支持目前主流厂家生产的继电保护装置通讯连接，其应能够广泛兼容智能设备的通信组件，如光纤、以太网、RS232、RS485、USB、CANBUS等通信模块。如图4所示为手持部署终端系统逻辑架构图。

图4 智能设备文件目录构架图Fig.4 Structure diagram of intelligent device file directory

手持终端以安卓4.0为操作系统，基于操作方便、过程透明、安全可靠的设计原则，面向智能设备整箱数据部署进行软件设计。另外由于手持部署终端用于现场操作，人机交互的设计应尽量便于工作人员携带操作，手持部署终端的人机显示界面主要分为通用功能显示、数据传输监视显示、业务调度信息显示三部分。由于菜单模式仅适用于桌面PC而非手持设备，因此部署终端采用树形结构进行界面展示。

2.4 信息作业流程处理

即插即用系统中首要任务便是加载解析智能设备的文件目录，能够自动批量地读取智能设备部署在各插件中的数据模块，并在读取过程中同步进行数据一致性校验，待完成所有模块的读取后，将读取到的数据内容打包生成一个备份文件，完成智能设备的“一键自动备份”，在智能设备生产调试或插件更换时，手持部署终端通过加载智能设备的备份文件，将备份文件中的所有数据模块自动恢复到智能设备各插件的指定位置，在逐一写入数据模块的过程中同步进行数据一致性校验，确保写入的数据内容与备份文件完全一致，完成智能设备的“一键自动恢复”，备份和恢复的流程如图5所示。

图5 即插即用系统一键备份/恢复流程图Fig.5 Flow chart of backup/restore process in plug and play system

在数据恢复过程中需要注意的是，对恢复完成的判断是进行差异化对比，若有差异时系统判断数据没有下装成功，此时进行差异化文件逐个比对重新下装，一致性比对完全一致时才能判断部署结束。

3 工程实现

面向厂站建立即插即用工程管理及应用流程如图6所示。

图6 工程管理示图Fig.6 Schematic diagram of engineering management

首先需要面向全站保护装置类型定义文件目录清单，并且面向厂站定义配置管理工程示例。该示例可对PNP文件内容浏览版本、定值、文件。智能设备目录文件如图7所示。

图7 PNP目录文件Fig.7 PNP catalog file

从图7中可看到装置中按照板卡将所有文件进行层次化处理，并可看到每个文件的相关信息。

当所有装置全部调试好后实验人员逐个克隆装置信息并生成PNP文件并提交全站智能设备PNP文件到配置主站。更换新装置时选择下载智能设备PNP文件、更换故障插件、恢复装置数据信息到新更换插件上。恢复过程中既可以选择整装置恢复，也可以选择单项板卡恢复，整个恢复过程可从手持部署终端上看到，如图8中进行高压线路保护装置数据恢复时，装置分为人机接口板卡、数字接口板卡和保护板三个板卡，可选择数字接口单板卡数据文件恢复。另外实验人员也可通过手持部署终端对装置定值参数进行查阅修改，进一步提高检修效率。定值修改界面如图9所示。

图8 可视化恢复过程视图Fig.8 Visual recovery process view

图9 手持部署终端定值修改界面Fig.9 Change interface of fixed value in handheld deployment terminals

考虑到每个智能变电站有数十个数字化继电保护装置，每个运维单位又同时管理着数十个变电站，因此在实际应用中设置独立的PNP文件服务器，按照变电站、间隔、装置的层次结构对装置的PNP文件进行管理。智能变电站投运前备份的装置PNP文件，应上传到服务器进行管理［11-12］。

4 结束语

数字化继电保护装置因插件故障引起的运维消缺中，即插即用系统使用了装置PNP文件目录构造技术、一键自动备份恢复技术和数据一致性校验技术的即插即用方法，实现了对继电保护保护装置复杂配置的一键自动备份和恢复，达到了故障插件更换的即插即用。这不仅简化了运维手段，还提高了运维的质量和效率。