可自动配置的智能变电站通信设备应用与研究

王国海 宋源渊

摘要：近年来，智能变电站建设实现了智能一次设备和网络化设备之间的信息共享和互操作，从而使得通信网络的业务剧增，管理和配置数据愈发复杂和重要，一定程度上增加了工程部署和运维的工作难度。为解决通信网络配置复杂、管理不透明的问题，文章提出一种可自动配置的通信设备，利用该设备能够自动规划通信信道，提供可靠的业务流管理。并通过实验测试证明了该方案的有效性和可行性，能够提高智能变电站的运行灵活性和管理可靠性。

关键词：智能变电站;自动化配置;IEC61850;电力专用交换机

中图分类号：TM63;TM76   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2018）15-0072-02

Abstract： in recent years， the construction of intelligent substation has realized the information sharing and interoperability between intelligent primary equipment and networked equipment， which makes the business of communication network increase sharply， the management and configuration data become more complex and important， and to some extent increases the difficulty of project deployment and operation. In order to solve the problems of complex configuration and opaque management of communication network， this paper proposes an automatic configuration communication device， which can automatically plan communication channel and provide reliable traffic management. The experimental results show that the scheme is effective and feasible， and can improve the operation flexibility and management reliability of intelligent substation.

Keywords： intelligent substation; automatic configuration; IEC61850; power

引言：通信設备在智能变电站中承担着关键数据传输的重要角色，但却游离于整个自动化系统体系之外，导致通信设备的工作信息以及承载的网络工况不能有效集成到自动化系统内。针对这种情况，本文提出对基于变电站配置描述（Substation Configuration Description，SCD）文件自动化配置通信设备在智能变电站中的应用进行研究，遵循IEC61850标准，为智能变电站的通信系统提供良好的时间同步性能、自动化应用感知和智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）建模等功能，构建实时、互动、开放、灵活的通信网络，提高智能变电站和智能电网的安全运行水平。

1 智能变电站通信现状分析

目前网络通信设备主要具备以下3种技术：直通交换方式、碎片隔离方式和存储转发方式，其中存储转发方式是网络领域使用最为广泛的技术。智能变电站继电保护网络通信信息转发多采用工业以太网交换机，传统的工业以太网交换机通过存储转发模式实现信息的交互。但由于交换机采用存储转发的传输机制，从理论上来说存在传输延时的不确定性，同时考虑到交换机在电力工业环境下的可靠性问题，因此在智能变电站网络中关键业务采用直采直跳的方式;通过广播风暴抑制措施能够很大程度上避免广播风暴所带来的危害，但在一些特定情况下依然会导致广播风暴的出现，给智能变电站带来安全隐患。随着新一代智能变电站“三层一网”、“共网共口”应用的提出，传统工业以太网交换机面临新的挑战。

1）传输路径模糊。传统工业以太网交换机采用存储转发交换方式，通过广播洪泛建立数据通信路径，业务传输过程未知且不可控。

2）依赖外部数据同步。采用存储转发模式的传统工业以太网交换机交换时延不确定，在网络复杂的情况下可能会导致业务延迟严重甚至不可用。

3）管理维护复杂。需要进行间隔划分和虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）配置，工作量大，可靠性低。

4）服务能力不足。无法区分业务，QoS服务是基于端口的粗略服务，单业务故障将会影响全端口。

2 自动配置应用基础

SCD文件是符合变电站配置语言 （Substation Configuration Language，SCL）规范的全站唯一的系统配置文件，描述了智能变电站内所有智能设备（IED）的实例配置和通信参数、IED设备之间的通信配置以及变电站一次系统结构、信号联系信息等，因此该文件对于智能变电站业务管理和配置具有全局的指导意义。通过解析SCD文件，可以提取出智能变电站中的业务通信和保护设备、智能终端的信息路径以及业务逻辑关系。

智能变电站中面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）、采样值（Sampled Measurement Value，SMV）是智能变电站中最重要的通信数据，无论是GOOSE业务还是SMV业务，其应用标识（APPID）是唯一的，从SCD文件中提取GOOSE和SMV数据集，可分析各个IED设备之间的通信属性，并将业务的APPID和设备进行关联。当IED设备与具有自动化配置的通信设备通信时，通信设备通过检测包头中APPID信息即可感知IED设备的通信状态，并通过SCD文件中该业务的通信路径逻辑，自动为该信息分配合适的转发策略，并将该信息通过相应的端口转发出去。

3 关键技术

3.1SCD文件的解析和提取。SCD文件描述了变电站各个通信节点的数据类型和数据流向，特别是IEC61850—2009对变电站通信设备和通信网络有了更详细的扩充，使得基于SCD的全站通信狀态监控和配置具备可操作性。通过解析SCD文件（见图1），分析出智能变电站中各个间隔IED设备信息，通过IED设备通信能力描述，提取出变电站通信网络的逻辑拓扑和对应关系，以服务的方式监听变电站全站智能设备的上线信息。当智能设备首次上线并与具有自动化配置的通信设备通信后，通信设备就可以根据智能设备携带的设备描述信息，查找在SCD文件中对应的通信线路对应关系，自动为该智能设备分配通信路径，并能够根据SCD文件中的业务描述信息，自动配置规划VLAN等信息并给予该业务合适的带宽和优先级保障。

SCD文件描述了变电站内所有继电保护相关对象（合并单元、智能单元、保护元件）的重要外部特征，其中包括开入和开出信息，以及这些对象间开入/开出信息的关联关系，即虚拟二次回路。

通过分析SCD文件中GOOSE/SMV的“发布—订阅”关系，可得到变电站的虚拟二次连线。具有自动化配置能力的通信设备通过专用管理软件对SCD文件进行解析，形成业务和端口的通信映射表，通过CPU将该映射表下发并存放于通信设备的内存中，在业务进行通信时候，CPU将进行查表对比，自动分配业务通信路径。通信路径自动生成如图2所示。

通过对SCD文件进行解析，可以得到业务逻辑关系表，可以预知每个IED设备的发送/接收报文的通信流量、网络中报文的种类和每种报文的流量、报文之间的优先级关系、每种报文的正常流量以及突发流量和异常流量等重要信息。通过应用异常报文及流量的识别与控制技术，发现异常时可以有效隔离并定位故障设备，确保某一虚拟回路上的设备故障不会影响其他回路，同样也可通过对特定虚拟回路网络通信状况的监测快速定位故障设备。最后，研究继电保护网络化应用方式下的报文传输延时、链路质量、流量异常、同步状态等的监测及告警技术，实现网络运行状况的可视化监控。

3.2业务转发表的生成。具有自动化配置能力的通信设备通过SCD文件解析到业务逻辑关系表后，以服务的方式检测通过设备的业务，当检测到发布的业务和订阅设备消息后，以虚拟二次回路的形式建立发布/订阅关系的通信链路，完成业务的转发，后续该业务消息的转发持续维持该通信路径，直至该通信路径因设备端口接入位置改变。在智能变电站继电保护IED设备物理端口接入位置发生改变后，通信设备将重新检测发布的业务和订阅设备的信息，当再次检测到发布的业务和订阅设备消息后，重新以虚拟二次回路的形式建立发布/订阅关系的通信链路，完成业务的转发。建立虚拟二次回路如图3所示。

4 应用测试

4.1测试内容。

1）交换机SCD文件解析正确性测试。进行交换机SCD文件解析正确性测试，交换机可正确解析SCD文件，并按IED提取虚端子连线。

2）报文转发路径正确性测试。报文转发路径如图7所示， PRS7789L1设备订阅了3条GOOSE业务1002、1003、101B。通过镜像PRS7789L1设备的接收数据，网络分析仪扫描收到了2条GOOSE报文1002和1003，因线路测控装置实际未接入，故没有收到101B，说明报文按照SCD规定的路径正确转发。

3）通信路径管理测试。SV业务4004的转发路径是从交换机SW1的端口FE1/4进入，从交换机SW1的端口FE1/3转出。

5 结语

针对继电保护网络信息配置存在的问题，本文基于SCD文件自动化配置通信设备，既考虑到了保护对信息交互的实时性、可靠性严格要求，同时兼顾虚拟二次回路的智能化特征，实现虚拟连线自动配置和虚拟回路在线监测，解决了目前智能变电站虚拟二次回路的配置、修改依赖手工方式的被动局面，促进了保护二次系统向二次智能运维的转变，从目前的定检方式转换到系统自诊断和状态检修模式，实现二次系统故障或隐患的快速定位和消缺，从而极大提高了电网的运行灵活性、供电可靠性，能够为我国智能变电站网络技术的推广应用提供支撑，提升电力技术领域的整体水平。

参考文献：

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