基于全通信链路的变电站调控交互数据监测方法

王周虹,屠雨夕,王海园,章坚民

(1.国网浙江省电力有限公司 台州供电公司,浙江 台州 318000;2.国网浙江省电力有限公司 衢州供电公司,浙江 衢州 324000;3.杭州电子科技大学 人工智能学院,浙江 杭州 310018)

变电站调控交互数据的监视对电网的安全运行和维护至关重要。网络报文记录与分析装置(下文简称网分装置)实时监视智能变电站内通信网络和设备运行状态,是辅助分析站内二次设备故障和异常的重要工具[1,2],也是实现智能变电站自动化设备在线监测、状态评价的关键设备。近年来国内对基于网络分析功能[3]应用深化进行了研究,根据《智能变电站网络报文记录及分析装置技术规范》(Q/GDW 10715—2016)的“四统一、四规范”技术要求[4],对网分装置的信息建模及通信服务进行了规范。“四统一、四规范”是指统一外观接口、信息模型、通信服务、监控图形,规范参数配置、应用功能、版本管理、质量控制。但目前网分装置的使用仍然存在一些问题,如无法直观展示变电站业务层面各环节多协议的通信交互情况[5,6],难以检测和定位故障点等。

针对网分设备使用过程中存在交互通信无法直观显示的问题,研究者通过不同的方法进行优化。如文献[7]提出通过配置网络报文记录分析装置与其他二次设备之间的网络监视对应关系,在调度端实现对二次设备在线监视。文献[8]结合智能变电站通信网络状态监视和报文分析的技术现状,以典型业务链流程分析为基础,提出了智能变电站网络监视业务链分析展示方法。文献[9]基于IEC61850和多机多网并行校核理论,研究并开发了一套智能变电站监控信息的自动闭环验收系统。文献[10]提出了一种基于开关和深度神经网络的智能变电站二次设备故障定位方法。基于报警信息、流量统计和消息订阅关系,提出了故障特征信息的表示方法。文献[11]提出了网分大数据的构想,以及基于网分在线分析的故障诊断定位方法。但是,上述方法中所提出的数据监测方案并未在调度端实现调控交互数据全通信链路的实时监测,未能实现调控数据交互业务的可视化展示。因此,电力交互数据监测方案仍有改进空间[12,13]。

本文立足于“四统一、四规范”网分装置功能,拓展网分应用,提出了基于全通信链路的调控交互数据监测技术。全链路监测技术实现的关键在于通过信息之间的关联将离散的报文进行汇聚和匹配分析,可视化再现调度端与变电站端数据通信全过程。本文的创新点在于变电站全链路交互数据实时监测技术的实现。相较于其他现有方案,更加注重全链路信息监测与调控数据可视化设计,实现了对遥控过程的全景展示、故障点与故障原因的分析追溯。所提出的方案解决了原有方案中关于调度端实现调控交互数据全通信链路的实时监测问题,填补了调控数据交互业务可视化展示的空白。通过图形化方式再现调控交互信息及变电站设备间网络通信的全过程,实现遥控过程信息全景监测和记录、重要遥信及遥测数据流的闭环监视预警。

1 系统设计

调控数据交互全景监测系统由变电站网络报文记录分析装置和主站调控数据监测分析设备组成。系统利用网分装置采集变电站内过程层、间隔层与站控层通信报文以及变电站与调度端交互的IEC104报文数据[14],将信息送至主站调控数据监测分析设备,实时解析各通信环节的通信协议,提取核心的应用数据,与设备间的信息模型进行数据关联,通过图形化方式展示变电站与调控的信息交互过程。并实现变电站内二次设备运行状态相关信息的实时展示,及时反馈变电站遥控、遥测和遥信异常的故障环节。

监测系统为实现调控交互数据的监测和分析,需要整合离散的报文信息并分析报文信息间的关联性。因此,监测系统框架需要基于IEC61850协议[15],在功能实现上需要基于“四统一”规范网分装置信息模型对原有的报文模型与数据集进行修改。

网分装置主要采集和分析采样数据(Sampled value,SV)、面向通用对象的变电站事件(Generic object oriented substation event,GOOSE)、制造报文规范(Manufacturing message specification,MMS)和远动网络通信协议IEC104这4种报文。其中,GOOSE实现智能电子设备信息传递;SV实现电气量信息的采集和传输;MMS是基于控制传输协议的报文;IEC104报文用于变电站与调度主站电力信息交互。SV和GOOSE的报文通过过程层交换机镜像口采集;MMS报文由站控层交换机镜像端口采集;IEC104报文由调度数据网交换机镜像端口采集。采用IEC61850 MMS协议与主站系统进行信息交互。主站系统根据智能变电站的全站系统配置描述/远动配置描述(Substation configuration description/remote configuration description,SCD/RCD)文件、调控信息点表等信息,遵循IEC61850标准的建模方法和规则[16],建立调控交互数据监测系统数据模型,对收到的服务文件和实时信息进行多协议关联分析和展示。系统框架结构如图1所示。

图1 调控交互数据监测系统数据采集示意图

2 功能实现

变电站网分装置通过监听方式接入智能变电站过程层、间隔层、站控层和调度数据网网络[17]。本节以遥控信息交互过程为例,说明调控数据交互全景监测系统分析展示方法。

2.1 遥控数据采集

调度端发起的遥控过程:调控主站前置机→数据通信网关机→测控装置→智能终端;站内发起的遥控过程:站内监控主机→测控装置→智能终端。控制过程包含遥控选择、选择响应、遥控执行、执行响应、GOOSE遥控出口、变位信息返回、命令终止。网分装置完整采集并正确识别一次遥控过程的全部步骤,包括遥控命令和响应时间、设备对象、过程描述和结果等信息,综合所有信息统一进行展示,并在遥控过程结束生成遥控简报文件。

2.2 信息建模

新增的“YKLD”的逻辑设备包含多个节点,如管理逻辑节点LLN0、物理设备逻辑节点LPHD、遥控记录逻辑节点RCTR等。其中,遥控过程涉及调度前置、数据通信网关机、测控装置、智能终端等设备,通过解析SCD/RCD文件建立设备之间的信息模型关联,向主站上送遥控结果信息,增加逻辑设备遥控告警。LLN0中应预设遥控记录数据集(dsYkRec)及对应的报告控制块(brcbYKRec),数据集包含RCTR中表示状态信息的所有数据对象(Data object,DO)。遥控记录逻辑节点RCTR如表1所示。

表1 遥控记录逻辑节点RCTR定义

遥控记录逻辑节点RCTR的数据统一定义在遥控记录数据集(dsYkRec)中。遥控记录文件全部生成完毕后,报告dkMade为TRUE。ykNum表示用于区别遥控操作的序号,初始值为1,采用十进制,依次递增。遥控记录报告建模为控制块brcbYkRec,其对应的数据集为dsYkRec。遥控记录数据集dsYKRec包含DO如表2所示。

表2 遥控记录数据集dsYKRec DO定义

2.3 遥控过程分析展示

遥控命令在各通信层以不同规约的报文进行传递,具体报文有:调控前置层到变电站站控层的104报文、站控层到间隔层的MMS报文和间隔层到过程层的GOOSE报文。遥控过程报文通信如图2所示。

图2 遥控过程报文通信示意图

在过程分析中,先对各协议之间的关键信息点进行关联分析。其中,IEC104报文的关键信息点是104遥控点号[18],MMS报文的关键信息点是MMSreference,GOOSE报文的关键信息点是GOOSESreference。104的遥控点号、遥信点号与MMSreference之间的对应关系通过解析RCD文件进行关联;MMSreference与GOOSESreference之间的关联采用SCD文件中各装置模型特征信息和GOOSE虚回路信息进行关联[19]。依此建立遥控过程信息匹配规则库,每条规则包含内容如表3所示。

表3 遥控过程信息匹配规则

随后分析遥控过程的每个步骤,系统根据调控业务规则,建立遥控步骤定义表,对遥控过程中不同的步骤进行规范化和数字化,每一个遥控步骤定义了唯一标识,如表4所示。

表4 遥控步骤定义

遥控过程分析的具体步骤如下所示:

(1)当变电站一次遥控过程结束并生成对应的遥控记录文件时,网分装置通过报告服务通知调控数据交互全景监测系统,系统通过IEC61850文件服务远程召唤遥控简报,同时对接收到的IEC104、MMS、GOOSE报文进行预分析,对监测到的每条报文按照3种规约进行过滤分类,按照是否是链路层规约报文,确定GOOSE报文,按照TCP端口号确定是IEC104或MMS报文,其中IEC104的通信端口号是1024,MMS的通信端口是102。

(2)对接收到的IEC104、MMS、GOOSE报文进行语法语义分析后提取每条报文的关键信息,与匹配规则表的关键信息条目进行比对。不同协议的报文具体匹配方法如下。

①IEC104报文匹配。

解析IEC104报文的应用服务数据单元(Application service data unit,ASDU)类型标识,确定IEC104遥控报文或遥信变位报文。

对于类型标识等于0x2d的报文,根据传输原因(Cause of transmission,COT)、单点控制命令(Single control order,SCO)遥控信息的值区分遥控选择请求、响应、遥控取消响应、遥控命令终止命令等。传输原因COT和单命令SCO的取值与遥控命令类型的对应关系如表5所示。

表5 IEC104遥控命令类型对应表

②MMS报文匹配。

解析MMS报文的协议数据单元(Protocol data unit,PDU)类型、服务类型、变量访问规范和MMS引用路径,确定MMS遥控命令类型或遥信报告,对应关系如表6所示。

表6 MMS遥控命令类型或遥信报告对应表

③GOOSE报文匹配。

解析GOOSE报文的AppID,在遥控过程信息匹配规则库定位相应的条目,确定是GOOSE跳闸信息报文还是GOOSE位置信息报文。

(3)根据上一步骤匹配的结果,如果信息匹配,IEC104报文根据“信息体地址”,MMS根据“MMS引用”,GOOSE根据“gocbRef”,在遥控过程信息匹配规则库定位相应的条目,将这个报文作为一次合格的遥控步骤存放到此规则库条目对应的传送过程队列中,赋予遥控步骤唯一特征码;如果是第一个遥控步骤,则创建相应规则库条目的传送过程队列并启动遥控过程生成定时器,定时器默认30 s。

(4)运用冒泡排序算法,对传送过程队列表中的遥控,依次比较两个相邻的遥控步骤,按照遥控步骤唯一特征码的大小重新确定遥控步骤在传送过程队列中的位置。

(5)接收到最大唯一特征码的遥控步骤或遥控过程生成定时器超时,遥控过程结束,将传送过程队列表中各遥控步骤的信息提取形成遥控命令的传送过程信息,并存储和显示。

调度端遥控过程可视化展示如图3所示。变电站监控后台遥控过程可视化展示如图4所示。

图3 调度端遥控过程可视化展示图

图4 站端遥控过程可视化展示图

3 测试案例

调控数据交互全景监测系统已在国网台州供电公司调控中心投入使用,目前已接入220 kV巨峰变等10座智能变电站网络报文记录与分析监测装置信息,系统配置如图5所示。其可视化的信息如图6所示,其案例为真实案例。2020年9月7日,台州110 kV徐都变110 kV门都线遥控失败,未使用调控数据交互全景监测系统的情况下,调度端发起遥控时,调度人员执行遥控命令后不能直观了解命令下发到哪个设备和命令设备到达的时间,特别是命令执行失败后,无法快速确定执行过程中哪个环节发生异常以及异常的原因,只能再次执行遥控命令。这不仅影响工作效率,也不利于变电站设备的故障处理。

图5 调控交互数据监测系统结构示意图

图6 可视化系统案例图

安装调控数据交互全景监测系统后,系统采集110 kV徐都变110 kV门都线遥控失败整个过程的所有报文,所有报文加盖高精度时间戳。系统对遥控过程的每个步骤进行分析,监测到测控装置回复数据通信网关机否定响应,测控装置未下发出口命令给智能终端,遥控失败全景监测展示如图7所示。进一步分析MMS报文,发现失败原因是线路同期合闸条件不满足导致同期闭锁,报文解析如图8。遥控具体步骤如图9所示。遥控简报如图10所示。

图7 调控遥控失败监测示意图

图8 遥控失败MMS报文解析图

图9 遥控步骤展示图

图10 遥控简报展示图

利用规范网分装置功能,基于全通信链路监视并可视化展示调控数据交互过程和变电站二次设备的运行状态,还可对变电站遥测数据跳变、遥信误报漏报等问题进行实时监测和分析。在网分装置信息模型的基础上扩展遥测、遥信逻辑节点建模,当网分装置侦测到发生SV异常、编码错误、采样计数器不连续、同步标记变化、合并单元间失步、品质变化等遥测异常问题,或者侦测到GOOSE异常、编码错误、帧重复、丢帧、帧错序、状态数据变化、发送机制错误等遥信异常问题时,触发异常通信报文记录,记录异常发生时刻前后一段时间整个遥测或遥信上送过程的数据并生成遥测、遥信简报文件,调控主站召唤事件简报,通过事件简报可快速定位故障原因。

调控数据交互全景监测系统投运后,解决了之前遥控不成功时没有实时数据支撑,不能制定明确应对措施的状况。在实际生产应用中,系统对每个变电站和设备的遥控成功率进行统计,形成月度和年度报表,为运维人员提供技术上的支持。运维人员对遥控成功率比较低的变电站和设备进行重点排查和针对性维护,大大提高运维的工作效率,更可以防患于未然,提前发现潜在缺陷,杜绝事故的发生。根据月度和年度报表,结合设备台账,对遥控成功率低的设备厂商提出整改要求,促进设备质量提高和技术进步。本系统的使用,不仅提高了对设备的精细化管理,还因为工作效率的提高和防止隐患的发生,增加了经济效益。

4 结束语

本文基于国网浙江省电力有限公司台州供电公司对网分装置的深化应用,提出了一种基于全链路通信的调控交换数据监测技术。通过解析变电站的SCD和RCD文件,以图形的方式展示智能电子设备之间的二次回路和虚端子配置,同时结合网分装置上送的变电站实时运行数据,动态展示二次回路的数据流和虚端子的连接状态,发现二次回路异常实时告警。试验以国网台州供电公司220 kV巨峰变等10座智能变电站网络报文记录与分析装置为基础进行测试。结果显示所提技术让网分的监测结果得到了充分利用和共享,实现了对变电站自动化设备故障的快速定位、设备状态可视化监测及在线评估。