基于SCD的继电保护网络通信路径自动规划技术研究及应用

赵秋雨，武红玉

(许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌 461000)

目前通用交换技术在智能变电站应用过程中配置复杂、容易出错，且无法满足信息流差异性需求，对继电保护信息流实时性、可靠性造成冲击.智能变电站中采用光纤网络来进行信息的传递，为实现更先进的新型保护原理和架构体系创造了条件.智能变电站中引入通用交换技术[1-3]，交换机逐渐替代了传统电缆而成为智能变电站通信网络的关键设备，采用优先级排队机制、GMRP(GARP Multicast Registration Protocol，组播注册协议)、VLAN(Virtual Local Area Network，虚拟局域网)以及最短路径消耗的生成树协议等分配传输路径.设计了基于SCD(Substation Configuration Description全站系统配置文件)文件的网络通信路径自动规划交换机，可对继电保护业务信息流进行类型识别，根据SCD文件实现设备间点对点虚拟专线通道，保障继电保护信息流的实时可靠传输，并可实现继电保护设备接入交换机免配置“即插即用”，解决目前智能变电站交换机配置、修改依赖手工方式的被动局面.

1 基于SCD文件的网络路径自动生成技术

实现基于SCD文件的继电保护通信路径自动生成的整体思路：交换机通过解析SCD文件形成虚回路转发表存储在交换机中，在交换机运行时以伺服的方式检测通过交换机的业务信息流类型，当检测到发布业务和订阅设备消息后，查找虚回路转发表，如果信息匹配，立刻以虚回路专线的形式建立发布/订阅关系的通信链路，完成业务的转发.

1.1 建立虚回路转发表

智能变电站继电保护信息的输入传输主要通过GOOSE(Generic object oriented substation events，面向通用对象的变电站事件)输入输出提供开入开出和联闭锁/启动信息，SV(Sampled value采样值)输入提供采样输入.GOOSE基于发布/订阅机制，可以快速和可靠地交换数据集中的事件数据值相关模型对象和服务，包括GOID、APPID、MAC-Address、APPID、VLAN-ID、VLANPRIORITY、MinTime、MaxTime等参数.SV基于发布/订阅机制，可以快速地交换采样数据集中的采样值的相关模型对象和服务，包括SVID、APPID、MAC-Address、APPID、VLAN-ID、VLANPRIORITY等参数[4-10].

解析SCD文件建立虚回路转发表主要流程如图1所示.通过上述SCD解析，可获得变电站各级网络，每级网络内包含哪些设备，设备对外发布什么信息，设备间的连接关系及信息订阅关系[11-14].交换机根据解析形成的设备间的连接关系及信息订阅关系，建立虚回路转发表存入交换机.

图1 解析SCD文件建立虚回路转发表

1.2 基于业务建立通信链路

交换机通过解析SCD文件形成虚回路转发表后，将以伺服的方式检测通过交换机的业务信息流类型.在报文进入交换机后，交换机对报文头进行检测识别，如识别到EtherType(以太网类型)为0x88BA时为SV报文，检测到EtherType为0x88B8时则为GOOSE报文，交换机根据报文的唯一自描述实现业务流识别.通过在对报文进行业务流识别后，加入异常识别机制，识别出异常报文，对异常报文进行丢弃处理，并记录异常报文输入端口，将异常报文及端口信息作为报警信息封装，上报管理端.业务信息流识别及异常报文处理如图2所示.无论变电站继电保护设备是否变化，交换机只要检测到发布的业务和订阅设备消息，立刻以虚回路专线的形式建立发布/订阅关系的通信链路，完成业务的转发，实现IED设备在交换机任何物理端口的“即插即用”.

图2 业务信息流识别及异常报文处理

2 样机设计

2.1 功能需求

专用交换机样机研发遵循IEC 61850标准，紧贴智能变电站信息通信要求，针对传统工业以太网交换机存在的局限性，提供高可靠性信息传输和智能服务，实现基于SCD文件解析的继电保护网络通信路径自动生成，能够为智能变电站的通信系统提供高实时性、高可靠性、业务信息流类型感知等功能，构建实时、互动、开放、灵活的通信网络，提高智能变电站的安全运行水平.

2.2 样机设计

硬件设计满足智能变电站电磁兼容要求的高可靠性设计，如图3所示.数据处理专用处理器A用于识别从继电保护设备发出，进入交换机中的GOOSE、SV报文.报文交由专用以太网芯片B转发.专用网络处理单元D用于分析智能变电站描述文件SCD，智能识别电力专用交换机端口和继电保护设备之间连接绑定关系、建立和管理虚回路转发表.

图3 硬件架构原理图

软件设计采用嵌入式软件平台开发，主要包括三部分.操作系统，选用开源的Linux2.6多任务操作系统，增加相应的芯片寄存器操作驱动，网络通信驱动，BCM芯片的SDK驱动.主机软件，主要完成对交换芯片SDK驱动的各个接口对接，启动交换机开始工作，实现专用交换机各项软件功能和控制功能；Web服务器，实现交换机Web配置界面，与主机软件中的Web服务器程序的通信服务端通信，获取或者设置交换机各功能参数.

3 RTDS系统仿真验证

3.1 模型系统

为了验证基于SCD的网络信息路径自动规划技术及功能，测试将开发的交换机样机应用于继电保护网络数据传送时的保护功能和整体性能测试.基于RTDS(实时数字仿真设备)搭建实验模型，接入开发的交换机样机和线路保护、主变保护、母线保护等保护装置，以及合并单元、智能终端等过程层设备，组成试验系统，试验设备列表见表1所示.

表1 RTDS试验设备列表

RTDS模型为220 kV双母线接线变电站，Ⅰ段母线带一段 200 km 线路和 300 MW 负载；Ⅱ段母线带一台两卷变压器(额定容量300 MW)和300 MW负载.线路故障点K1，Ⅰ母故障点K2，Ⅱ母故障点K3，变压器故障点K4.系统接线图如图4所示.

图4 RTDS仿真系统接线图

3.2 测试验证

3.2.1 交换机SCD文件解析正确性测试

交换机能够正确解析SCD文件，建立虚回路专线，生成相应的报文转发路径.如图5所示.

图5 自动生成的报文转发路径

3.2.2 SV、GOOSE报文转发路径正确性测试

报文的转发严格按照建立的虚回路转发表进行报文转发，不能出现多发或少发的现象.通过镜像配置及变化保护装置接入端口的方式测试.

SCD文件中WBH-801变压器保护装置的业务收发情况如图6所示，交换机每个端口的报文转发情况，均符合SCD文件中描述的信息.

图6 SCD文件中WBH-801变压器保护装置的业务收发情况

3.2.3 保护性能测试

系统通信正常后，分别模拟线路、主变、母线故障，要求相应保护动作行为正确.测试结果表明保护动作时间指标满足要求，具体如表2所示.

表2 保护动作情况记录表

4 结语

结合定质交换思想提出基于SCD文件的网络信息路径自动规划技术，实现继电保护设备接入交换机免配置“即插即用”，并通过继电保护信息流业务类型识别，实现各业务信息流虚回路专线传输，提升了信息流的实时性与可靠性.通过测试交换机样机可实现网络信息路径自动规划，并通过RTDS仿真验证，接入该交换机的继电保护装置在各种工况下的性能指标满足要求.