智能变电站通信网络实时故障诊断模型应用研究

宋 芳

（兰州倚能电力（集团）有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

智能变电站以通信网络为核心，解决了传统二次电缆接线问题，促进开关量和交流量信息相互交流。由于在信息传输过程中，网络数据具有较强的不可视性，无形中提升了智能变电站通信网络故障诊断的难度系数，严重影响到二次系统的运行效率。网络化传输方法不仅能提高信息共享水平，还能优化表征通信网络状态，给智能故障诊断提供丰富的数据资源。

网络报文分析仪是智能变电站二次系统的重要设备，也是诊断变电站通信故障的主要工具，通过收集网络各种报文，实现报文异常检查、网络流量监控以及报文记录等功能。从目前网络报文分析仪使用情况来看，只能判断其是否出现过网络风暴，不能准确找到风暴源的具体位置，局限于告警网络中的安全故障，故障排查仍然要通过运行人员操作。这种仪器的数据量非常复杂，一旦设备端口出现安全故障，网络报文分析仪自动发布各种突发告警信息，导致管理人员无从下手，需要依靠工作人员的管理经验来进行故障诊断，严重影响到智能变电站二次系统运行的安全性[1]。故障诊断存在严重的局限性，网络报文分析仪分析中仅分析每帧报文，没有建立报文和传输设备间关联关系的模型，限制网络报文分析仪的分析范围和能力。

通过建立通信网络的信息流通模型，优化报文传输路基搜索算法，全面体现通信设备和实体设备间的必然联系，让网络报文分析仪从报文分析向实体通信网络方向发展。同时，优化故障诊断算法，提高网络报文分析仪的应用效果，实时诊断各类信息的通信网络，引导管理人员及时恢复通信网络功能[2]。

1 通信网络智能故障诊断思路

为了实现智能故障诊断，文章采用网络报文分析仪中的各种信息数据，主要包括网络实时报文信息、网络运行方式信息。其中，网络实时报文信息包括通用变电站事件报文、采样值报文、制造报文协议报文等信息，网络运行方式信息包括报文发布信息、网络配置信息、网络拓扑信息等。

考虑到报文在网络中出现错误代码概率较低，一旦出现连续数据异常告警问题，基本确定故障原因在报文发送设备上，不能进行其他分析。因此，工作人员要提高对链路中断告警的重视程度，结合网络实际运行情况，构建健全的智能变电站通信网络信息流通模型，根据模型内容计算链路报文的传输路径。由于不同链路报文的设备通信关系差异，工作人员要利用实体设备建立报文传输路径，准确体现设备通信和实体设备间的关系。结合映射情况，如果报文能正常传输，则表明构成传输路径的实体设备质量较好；相反，如果报文不能正常传输，则表明实体设备出现故障问题[3]。

在智能变电站日常运行过程中，要设置一个实时目标检测方案来满足智能电站巡检要求，识别中主要包括定位图像目标、分类图像目标。在传统应用中，目标检测区域通常采用R-CNN 系列算法，其具有双结构、高精确度等特征，缺点是检测速度无法达到移动巡检要求；YOLO 系统算法的网络结构拥有单阶段特征，仅需简单步骤就能完成目标检测任务；YOLOv3 集中上述2 种算法的优点，网络优化为Darknet 结构，能提高日常目标检测的准确性，甚至实现多个目标检测。

目前，算法设计由数据集收集、模型训练、结果验证等环节组成。收集数据集能控制发电项目升压站中的变电设备图像数据，人工检查图像内容，确定其内容能达到预期要求，准确标注设备类型。数据集由验证数据和训练数据组成，整个数据集总量为1 900 张，训练数据占总数据的80%，其余数据是验证数据。以预训练权值为基础，构建初始训练模型，提高模型训练效果。同时，在训练过程中，实时监督损失函数，通过YOLOv3 分析样本标签值和实际输出值之间的误差，准确计算损失值[4]。

2 通信网络信息流通模型

2.1 通信网络连接关系模型

变电站通信网络由过程层网络和站控层网络组成。设备端口作为变电站通信网络的重要载体，具有良好的发送功能，能自由转发报文独立个体，构建报文传输路径单元。工作人员要基于端口搭建通信网络连接关系模型，标记不同设备端口，准确判断不同端口间的联系。表征端口连接关系的有向图如图1 所示，其中虚线弧和实线弧分别表示逻辑连接和物理连接。物理连接以光纤为载体进行设置，逻辑连接则通过交换机搭建报文的交换控制逻辑。传输控制协议、虚拟局域网、静态组播等信息传输方式控制着过程层网络进行报文交换控制逻辑。在过程层网络中，采样值（Sampled Value，SV）和面向通用对象的变电站事件（GOOSE---Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）为多播报文，静态组播和VLAN 经常受到上述报文限制，降低过程层网络中的其他流量，防止产生交换资源占用现象。站控层网络中，制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）报文通过面向连接TCP 协议进行定向传输[5]。因此，文章注重分析过程层网络，提出逻辑连续关系矩阵计算方法。目前，国内常用VLAN 端口划分配置VLAN 标识（VLAN ID，VID）和基于端口的VLAN ID（Port-base VLAN ID，PVID）2 种数据。假设过程层网络中有K个VLAN，可采用Vkxp表示网络VLAN组。如果端口j是VID 中i1的VLAN，元素Vij为1；建立全新矩阵Tkxp体现不同端口和PVID 间的关系，如果端口j的PVID 为i，矩阵Tkxp的元素tij为1。其逻辑连接关系矩阵Cpxp可表示为

图1 表征端口连接关系的有向图

以过程层网络为例，其VLAN 配置参数如表1所示。

表1 VLAN 配置信息

2.2 信源模型

目前，信源模型主要用来分析报文发布端口和报文间的关联。假设变电站通信网络链路数量为d条，矩阵Spxp代表链路报文和信源的直接联系，当端口i为第j条链路报文的信源，则Spxp的元素sij为1。

3 通信网络智能故障诊断算法

在通信网络智能故障算法应用过程中，通过分析网络实时报文信息和虚实映射，找到故障出现位置，研究产生安全故障的具体原因。经过分析，当通信网络出现安全故障时，多条链路弹出中断告警信息。为了控制故障诊断的准确性，要依次分析全部告警信息，判断故障出现的具体位置。同时，在诊断过程中，将n-1 条告警信息作为辅助诊断条件，等到全部故障诊断后，整合得到准确的诊断结果。考虑到不同位置同时出现故障问题的概率较小，文章主要分析通信网络单点故障。

以SV 报文a断链为例，分析以第k条告警为主线的故障诊断算法流程。首先，通过网络中的告警信息判断订阅报文端口存在的问题。如果报文信宿端口触发中断告警，表示该端口不能正常接收报文，需要缩小故障范围[6]。相应公式为

当报文a订阅端口未触发中断告警，说明其能正常接收信号，此时缩小故障范围的公式为

通过网络告警信号分析端口M的应用效果，如果其无法正常接收端口j的报文，此时缩小故障范围的公式为

如果端口M能正常采集端口j的报文，控制故障范围的公式为

其次，按照网络报文分析仪是否能接收到报文a，采用上述方法控制故障范围。当全部n条告警均为一次主线进行故障诊断后，需要整合诊断结果，计算出具体故障位置。

最后，分析P 故障结果，判断诱发故障的主要原因。如果P 故障涉及端口对象，说明智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）和交换机光模块等环节存在问题；如果P 故障涉及物理连接对象，说明光纤松动；如果P 故障涉及虚拟连接对象，说明交换机存在转发问题[7]。

4 结 论

基于网络报文分析仪提出智能变电站通信网络故障诊断方法，通过故障诊断模型在线诊断变电站通信网络故障。研究实践证明，这种故障诊断方法能精准定位故障，分析故障发生原因，针对故障问题提出有效解决措施，引导维护人员发现故障位置，解决过程层网络问题，提高变电站应用效率。