南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員何君、劉明慧等,在2018年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,通過分析智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析裝置和故障錄波裝置發(fā)展現(xiàn)狀,提出了一種適用于網(wǎng)絡(luò)分析和故障錄波應(yīng)用場景的一體化系統(tǒng)設(shè)計方案。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由管理單元和采集單元組成,文中闡述了系統(tǒng)信息采集方案和數(shù)據(jù)處理流程,并分別論述了管理單元和采集單元的軟件實現(xiàn)方案,解釋了管理單元和采集單元總體功能定義和各應(yīng)用模塊組成架構(gòu)。通過實例對比分析,指出了一體化設(shè)計的優(yōu)勢,總結(jié)了設(shè)計方案的實用性和有效性。
智能變電站采用IEC 61850“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),站內(nèi)智能電子設(shè)備之間通過傳輸不同協(xié)議報文進(jìn)行通信[1]。網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置和故障錄波裝置作為智能變電站二次監(jiān)視重要設(shè)備,二者都需進(jìn)行站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)報文的采集、分析和存儲[2-3],單獨配置占用站內(nèi)交換機資源。
對智能變電站中網(wǎng)絡(luò)記錄分析單元和故障錄波單元進(jìn)行數(shù)據(jù)流分析,簡化合并同類應(yīng)用,對提高智能變電站的運行可靠性、降低總體造價、加速智能變電站的普及和推廣有重要作用。
文獻(xiàn)[4-7]對智能變電站網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置相關(guān)功能和技術(shù)進(jìn)行了概述。文獻(xiàn)[8]分析了智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信異常原因。文獻(xiàn)[9-10]分析了數(shù)字化錄波器與傳統(tǒng)錄波器在設(shè)計中的異同點。文獻(xiàn)[11-12]設(shè)計了一種集網(wǎng)絡(luò)報文分析記錄和故障錄波功能一體的單裝置。
文獻(xiàn)[13]提出管理單元和前置采集單元的一體化系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu),系統(tǒng)內(nèi)部使用站控層MMS網(wǎng)絡(luò)通信。文獻(xiàn)[14]提出“分散采集+集中分析”的思想,同樣基于管理單元和采集單元架構(gòu),采集單元負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)報文,管理單元實時分析和記錄。
上述文獻(xiàn)基于單裝置的設(shè)計不能滿足不同規(guī)模數(shù)據(jù)流量和組網(wǎng)方式情況下網(wǎng)絡(luò)報文數(shù)據(jù)的采集要求?;诓杉瘑卧凸芾韱卧南到y(tǒng)設(shè)計缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),采集單元和管理單元功能定位不夠合理,“分散采集+集中分析”對管理單元實時性能要求較高,未充分發(fā)揮采集單元的作用,采集單元和管理單元采用站內(nèi)MMS網(wǎng)絡(luò)通信不適應(yīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對于網(wǎng)絡(luò)分析記錄裝置的要求。
本文基于“分散采集分析+集中配置展示”思路,提出一種新的網(wǎng)絡(luò)報文分析和故障錄波一體化系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)由多(單)臺套采集單元和一臺管理單元組成,采集單元實現(xiàn)報文實時采集分析和故障錄波功能,管理單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置及分析結(jié)果的展示。
1 系統(tǒng)設(shè)計
本文設(shè)計的網(wǎng)分報文分析與故障錄波一體化系統(tǒng)采其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
為適應(yīng)不同電壓等級和不同組網(wǎng)方式智能變電站的報文采集需求,系統(tǒng)基于分散采集分析和集中展示的思路,采集單元完成報文采集、記錄、分析以及故障錄波功能,管理單元承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)報文分析及故障錄波后臺功能。
采集單元通過高速采集口采集過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)和站內(nèi)調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)報文,廣播報文或GOOSE、SV等組播報文直接將交換機轉(zhuǎn)發(fā)范圍內(nèi)的某端口接入采集端口,MMS、104等單播報文需要在交換機上做鏡像,然后將鏡像端口接入采集端口。
采集單元對采集報文進(jìn)行記錄并實時分析,將分析結(jié)果上傳給管理單元。管理單元提供系統(tǒng)配置、分析結(jié)果顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報文和波形的離線分析功能。管理單元和采集單通過網(wǎng)口直連的方式或使用獨立交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。管理單元和采集單元分別提供對外通信功能,適應(yīng)各地區(qū)主子站通信的要求。
系統(tǒng)可實現(xiàn)功能靈活配置,形成獨立網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置、獨立故障錄波器以及一體化系統(tǒng)三種產(chǎn)品,適應(yīng)不同地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用需求。
2 信息采集方案
由于過程層和站控層的網(wǎng)絡(luò)報文流量巨大,同時存在大量的冗余與其他協(xié)議報文,對采集單元實時采集和分析造成很大的壓力,為實現(xiàn)快速有效的分析與診斷,采集單元需要預(yù)先配置數(shù)據(jù)模型以便對實時報文進(jìn)行篩選和分析結(jié)果的關(guān)聯(lián)。
通過分析變電站配置(SCD)文件,可獲取IED設(shè)備信息、GOOSE配置、SV配置、數(shù)據(jù)集(dataset)和數(shù)據(jù)項(fcda)信息,同時建立數(shù)據(jù)之間的層際關(guān)系。MMS、104協(xié)議客戶端和服務(wù)端IP和端口需要根據(jù)站內(nèi)實際情況人工配置。
錄波開關(guān)量通道和模擬通道從解析后的數(shù)據(jù)項中挑選,同時配置錄波間隔、定值信息。管理單元保留全站數(shù)據(jù)模型,采集單元僅需配置其采集范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)模型,對不在其分析范圍內(nèi)的報文數(shù)據(jù)產(chǎn)生未知鏈路告警,基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,管理單元可方便的對采集單元分析結(jié)果進(jìn)行集中展示。
系統(tǒng)內(nèi)部管理單元和采集單元之間的通信采用輪詢加突發(fā)結(jié)合的方式,對實時性要求高的突發(fā)告警和交互命令類數(shù)據(jù)使用內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行通信,對實時性較低的監(jiān)視類數(shù)據(jù)采用輪詢方式定時刷新,提高系統(tǒng)響應(yīng)效率,系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示。
為防止短時冗余告警刷屏淹沒重要告警,影響運維人員操作,系統(tǒng)采用周期內(nèi)冗余告警達(dá)到閾值次數(shù)閉鎖和統(tǒng)計上周期內(nèi)閉鎖告警重復(fù)次數(shù)相結(jié)合的策略,在確保記錄網(wǎng)絡(luò)故障的前提下,提高系統(tǒng)的易用性。
圖2 數(shù)據(jù)流圖
3 軟件設(shè)計
3.1 管理單元軟件
管理單元主要提供各種可視化分析工具,輔助運維人員排查網(wǎng)絡(luò)故障和電力系統(tǒng)故障,包含系統(tǒng)配置、在線監(jiān)視、離線分析、對外通信4個主要功能模塊,軟件架構(gòu)如圖3所示。
圖3 管理單元軟件架構(gòu)
1)系統(tǒng)配置模塊提供以下功能:解析SCD文件,將SCD文件描述的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),生成全站采集對象模型;配置采集單元運行參數(shù),如采集單元運行方式,可選網(wǎng)絡(luò)分析儀、故障錄波器和網(wǎng)分故錄一體化運行方式;管理單元和采集單元IEC61850建模。
2)在線監(jiān)視模塊實時展示各種監(jiān)測信息,包括網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測、各協(xié)議報文監(jiān)視、故障錄波在線監(jiān)測,報文監(jiān)視具備實時報文結(jié)構(gòu)展示、SV 9-2實時波形和離散度統(tǒng)計功能,同時提供管理單元和采集單元運行期采集模型校驗。
3)離線分析軟件可輸入pcap格式報文文件和錄波波形文件,進(jìn)行 GOOSE、SV、MMS和104報文詳細(xì)分析和電力系統(tǒng)故障分析,具備故障波形和報文文件關(guān)聯(lián)分析功能,通過選取某一時刻錄波采樣點可快速關(guān)聯(lián)該時刻的GOOSE、SV報文。
4)對外通信模塊負(fù)責(zé)與主站通信,提供IEC61850文件服務(wù)、IEC61850報告服務(wù)、IEC61850控制服務(wù)。
3.2 采集單元軟件
集單元硬件采用模塊化設(shè)計,全密閉無風(fēng)扇,側(cè)壁散熱,雙SATA 接口,支持SSD或HDD,最多4個硬盤模塊。CPU采用Cavium C6645 10核1.1G帶硬壓縮協(xié)處理器,4G內(nèi)存,最大可配8個獨立MAC的100M/1000Mbps采集網(wǎng)口。采集單元軟件平臺選用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux,采集單元軟件架構(gòu)如圖4所示,由以下功能模塊組成。
圖4 采集單元軟件架構(gòu)
1)數(shù)據(jù)庫模塊存儲采集單元參數(shù)配置、運行實時分結(jié)果和歷史報文波形數(shù)據(jù),實時庫采用MySQL Memory引擎實現(xiàn)內(nèi)存級讀寫速率。
2)報文采集模塊負(fù)責(zé)接收各采集端口數(shù)據(jù)包,由CPU自帶時標(biāo)機制通過相對時間轉(zhuǎn)換為絕對時間,時間戳精度10ns,然后將報文指針傳給分析模塊進(jìn)行分析,當(dāng)報文積累到一定大小或超過固定時間后,通知壓縮存盤模塊進(jìn)行壓縮存盤處理。
3)報文分析模塊識別報文類型調(diào)用各協(xié)議分析子模塊分析報文內(nèi)容,分析結(jié)果更新實時庫,然后調(diào)用壓縮模塊壓縮存儲。
4)錄波模塊訪問GOOSE、SV報文解析結(jié)果共享內(nèi)存,提取開關(guān)量和模擬量通道信息,實現(xiàn)錄波實時值計算、故障判據(jù)起動錄波、穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)波形文件生成等完整錄波功能。
5)壓縮存盤模塊接收報文采集模塊、報文分析模塊、錄波模塊數(shù)據(jù),進(jìn)行原始報文文件和故障波形文件的壓縮存儲,同時將文件記錄寫入歷史庫。
6)通信模塊實現(xiàn)采集單元IEC 61850通信功能。
采集單元功能模塊均采用單進(jìn)程或者多進(jìn)程設(shè)計,通過指定處理器mask指定模塊使用的內(nèi)核范圍,各模塊占用核數(shù)見表1,可根據(jù)實際負(fù)載率調(diào)整。
表1 采集單元內(nèi)核分配
4 實例分析
網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析與故障錄波一體化應(yīng)用以220kV熙悅站為例,過程層采用GOOSE、SV共網(wǎng)方式,考慮站控層數(shù)據(jù)接入和故障錄波需求,方案1)采用網(wǎng)絡(luò)記錄分析和故障錄波分析獨立配置,方案2)采用本文一體化系統(tǒng),兩種方案對比見表2。
表2 獨立設(shè)計和一體化設(shè)計對比
通過比較可以看出,網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析與故障錄波一體化系統(tǒng)具備巨大優(yōu)勢和應(yīng)用價值。經(jīng)現(xiàn)場測試報文實時分析處理能力超過600Mbps,正常擾動報文壓縮比可達(dá)7∶1,在預(yù)定流量和硬盤大小情況下,連續(xù)存儲周期超過10天。
該系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)置運行參數(shù)實現(xiàn)功能模塊投退,已分別在220kV莫合泉站和110kV太平水庫站作為獨立網(wǎng)絡(luò)報文分析設(shè)備和獨立故障錄波器投入運行。
結(jié)論
本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析和故障錄波一體化系統(tǒng)實現(xiàn)方案,能夠滿足各種電壓等級、組網(wǎng)方式以及不同應(yīng)用場景的智能變電站的對網(wǎng)絡(luò)分析和故障診斷設(shè)備的實際需求,具備高效的采集、分析功能,完善的對外通信功能,可擴(kuò)展性搞,適應(yīng)智能變電站的發(fā)展趨勢,滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。