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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(chǎng)景的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)例對(duì)比分析，指出了一體化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了設(shè)計(jì)方案的實(shí)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(bào)文進(jìn)行通信[1]。網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(bào)文的采集、分析和存儲(chǔ)[2-3]，單獨(dú)配置占用站內(nèi)交換機(jī)資源。

對(duì)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(jiǎn)化合并同類應(yīng)用，對(duì)提高智能變電站的運(yùn)行可靠性、降低總體造價(jià)、加速智能變電站的普及和推廣有重要作用。

文獻(xiàn)[4-7]對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(jì)中的異同點(diǎn)。文獻(xiàn)[11-12]設(shè)計(jì)了一種集網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(jì)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(bào)文，管理單元實(shí)時(shí)分析和記錄。

上述文獻(xiàn)基于單裝置的設(shè)計(jì)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(bào)文數(shù)據(jù)的采集要求。基于采集單元和管理單元的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)管理單元實(shí)時(shí)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(duì)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(bào)文分析和故障錄波一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由多（單）臺(tái)套采集單元和一臺(tái)管理單元組成，采集單元實(shí)現(xiàn)報(bào)文實(shí)時(shí)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(jì)

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)分報(bào)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(jí)和不同組網(wǎng)方式智能變電站的報(bào)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(bào)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(bào)文分析及故障錄波后臺(tái)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(bào)文，廣播報(bào)文或GOOSE、SV等組播報(bào)文直接將交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)范圍內(nèi)的某端口接入采集端口，MMS、104等單播報(bào)文需要在交換機(jī)上做鏡像，然后將鏡像端口接入采集端口。

采集單元對(duì)采集報(bào)文進(jìn)行記錄并實(shí)時(shí)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(bào)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(dú)立交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。管理單元和采集單元分別提供對(duì)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(shí)現(xiàn)功能靈活配置，形成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析裝置、獨(dú)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(bào)文流量巨大，同時(shí)存在大量的冗余與其他協(xié)議報(bào)文，對(duì)采集單元實(shí)時(shí)采集和分析造成很大的壓力，為實(shí)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(duì)實(shí)時(shí)報(bào)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(xiàng)（fcda）信息，同時(shí)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(shí)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(xiàng)中挑選，同時(shí)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(duì)不在其分析范圍內(nèi)的報(bào)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(duì)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(duì)實(shí)時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)性較低的監(jiān)視類數(shù)據(jù)采用輪詢方式定時(shí)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(shí)冗余告警刷屏淹沒重要告警，影響運(yùn)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(jì)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(jì)

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(yùn)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(duì)外通信4個(gè)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(chǔ)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生成全站采集對(duì)象模型；配置采集單元運(yùn)行參數(shù)，如采集單元運(yùn)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(yùn)行方式；管理單元和采集單元IEC61850建模。

2）在線監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)展示各種監(jiān)測(cè)信息，包括網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)、各協(xié)議報(bào)文監(jiān)視、故障錄波在線監(jiān)測(cè)，報(bào)文監(jiān)視具備實(shí)時(shí)報(bào)文結(jié)構(gòu)展示、SV 9-2實(shí)時(shí)波形和離散度統(tǒng)計(jì)功能，同時(shí)提供管理單元和采集單元運(yùn)行期采集模型校驗(yàn)。

3）離線分析軟件可輸入pcap格式報(bào)文文件和錄波波形文件，進(jìn)行 GOOSE、SV、MMS和104報(bào)文詳細(xì)分析和電力系統(tǒng)故障分析，具備故障波形和報(bào)文文件關(guān)聯(lián)分析功能，通過選取某一時(shí)刻錄波采樣點(diǎn)可快速關(guān)聯(lián)該時(shí)刻的GOOSE、SV報(bào)文。

4）對(duì)外通信模塊負(fù)責(zé)與主站通信，提供IEC61850文件服務(wù)、IEC61850報(bào)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(jì)，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(gè)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(gè)獨(dú)立MAC的100M/1000Mbps采集網(wǎng)口。采集單元軟件平臺(tái)選用嵌入式實(shí)時(shí)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(chǔ)采集單元參數(shù)配置、運(yùn)行實(shí)時(shí)分結(jié)果和歷史報(bào)文波形數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)庫采用MySQL Memory引擎實(shí)現(xiàn)內(nèi)存級(jí)讀寫速率。

2）報(bào)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(shí)標(biāo)機(jī)制通過相對(duì)時(shí)間轉(zhuǎn)換為絕對(duì)時(shí)間，時(shí)間戳精度10ns，然后將報(bào)文指針傳給分析模塊進(jìn)行分析，當(dāng)報(bào)文積累到一定大小或超過固定時(shí)間后，通知壓縮存盤模塊進(jìn)行壓縮存盤處理。

3）報(bào)文分析模塊識(shí)別報(bào)文類型調(diào)用各協(xié)議分析子模塊分析報(bào)文內(nèi)容，分析結(jié)果更新實(shí)時(shí)庫，然后調(diào)用壓縮模塊壓縮存儲(chǔ)。

4）錄波模塊訪問GOOSE、SV報(bào)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(shí)現(xiàn)錄波實(shí)時(shí)值計(jì)算、故障判據(jù)起動(dòng)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?qǐng)?bào)文采集模塊、報(bào)文分析模塊、錄波模塊數(shù)據(jù)，進(jìn)行原始報(bào)文文件和故障波形文件的壓縮存儲(chǔ)，同時(shí)將文件記錄寫入歷史庫。

6）通信模塊實(shí)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(jì)，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(shí)際負(fù)載率調(diào)整。

表1 采集單元內(nèi)核分配

4 實(shí)例分析

網(wǎng)絡(luò)報(bào)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(dú)立配置，方案2）采用本文一體化系統(tǒng)，兩種方案對(duì)比見表2。

表2 獨(dú)立設(shè)計(jì)和一體化設(shè)計(jì)對(duì)比

通過比較可以看出，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析與故障錄波一體化系統(tǒng)具備巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)文實(shí)時(shí)分析處理能力超過600Mbps，正常擾動(dòng)報(bào)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(chǔ)周期超過10天。

該系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)置運(yùn)行參數(shù)實(shí)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(dú)立網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析設(shè)備和獨(dú)立故障錄波器投入運(yùn)行。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析和故障錄波一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，能夠滿足各種電壓等級(jí)、組網(wǎng)方式以及不同應(yīng)用場(chǎng)景的智能變電站的對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析和故障診斷設(shè)備的實(shí)際需求，具備高效的采集、分析功能，完善的對(duì)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(shì)，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。