數(shù)據(jù)集異常的周期上送和通信堵塞的分析與建議

朱俊杰，張 蓉

（上海市電力公司檢修公司變電運(yùn)維中心，上海 200063）

0 引言

數(shù)字化變電站是指基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建立全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)一次設(shè)備和二次智能電子裝置的數(shù)字化通信，確保智能裝置之間的互操作性。其主要特征為：數(shù)字化的一次電氣設(shè)備；基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及通信服務(wù)平臺(tái)；網(wǎng)絡(luò)化的二次裝置。

練塘站是上海電網(wǎng)首次在500 k V變電站的間隔層和站控層全面采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信的變電站，其繼電保護(hù)、測(cè)控單元、遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)子站、故障錄波等系統(tǒng)集成了多家公司的二十余種型號(hào)的產(chǎn)品，這些裝置均按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)模型建模。數(shù)字化練塘站的建設(shè)和投運(yùn)，有力地支撐了上海智能電網(wǎng)的建設(shè)。

1 IEC 61850的應(yīng)用

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

練塘站自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，間隔層和站控層之間的通信采用數(shù)字化變電站通信標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850，通過(guò)雙星形光纖以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。其中，間隔層完成數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量控制和保護(hù)功能，并將采集和處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)制造商信息規(guī)范（MMS）傳輸?shù)秸究貙樱瓿扇緮?shù)據(jù)處理、運(yùn)行監(jiān)視、控制及信息遠(yuǎn)傳功能。

MMS通信采用客戶／服務(wù)器通信模式，間隔層各保護(hù)和測(cè)控裝置是客戶端，站控層各設(shè)備是服務(wù)器端。客戶端雙網(wǎng)采用國(guó)調(diào)實(shí)施規(guī)范中提出的“雙網(wǎng)熱備”方式，1個(gè)網(wǎng)工作，另1個(gè)網(wǎng)保持在關(guān)聯(lián)狀態(tài)；當(dāng)工作狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，保持在關(guān)聯(lián)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)切換為工作狀態(tài)。

1.2 二次設(shè)備

所有二次設(shè)備，包括各電壓等級(jí)的保護(hù)設(shè)備、測(cè)控設(shè)備、故障錄波器、保護(hù)子站等，均以IEC 61850通信規(guī)約為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)MMS網(wǎng)口直接傳至MMS網(wǎng)上。

保護(hù)信號(hào)按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)直接上傳至站控層網(wǎng)絡(luò)，由自動(dòng)化后臺(tái)直接通過(guò)IEC 61850通信規(guī)約接收保護(hù)裝置的動(dòng)作和告警軟遙信，不再需要像常規(guī)站從信息子站轉(zhuǎn)接。因此，常規(guī)站500 k V小室和220 k V小室內(nèi)接入信息子站的2臺(tái)智能接口管理機(jī)（CSC-1326）都不需要。全站只有1臺(tái)接入直流屏等智能設(shè)備的CSC-1326，從而減少了廠家通信規(guī)約接入的工作量。

測(cè)控裝置通過(guò)面向通用對(duì)象的（GOOSE）網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)裝置之間的邏輯互鎖，取代了常規(guī)站中的電纜硬連線。

1.3 直流系統(tǒng)和不間斷電源

直流系統(tǒng)、不間斷電源（UPS）與傳統(tǒng)變電站的配置相同，分別采用奧特迅公司和許繼電氣公司的設(shè)備，需要通過(guò)公用智能接口管理機(jī)CSC-1326接入自動(dòng)化后臺(tái)，使用的是北京四方公司的CSC 2000監(jiān)控系統(tǒng)而不是IEC 61850通信規(guī)約。自動(dòng)化后臺(tái)可同時(shí)處理IEC 61850通信規(guī)約和CSC 2000監(jiān)控系統(tǒng)。

2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及思考

2.1 數(shù)據(jù)集不正常地周期上送

在500 k V練塘站IEC 61850綜合自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，使用廠家的報(bào)文記錄儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置的模型文件及測(cè)控裝置實(shí)際上送的大量報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)匯總分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)控裝置模型文件中的軟壓板數(shù)據(jù)集報(bào)文控制塊中，只定義了數(shù)值變化和品質(zhì)描述變化時(shí)主動(dòng)上送報(bào)文，而沒(méi)有定義周期性主動(dòng)上送，導(dǎo)致測(cè)控裝置會(huì)間隔1 min周期性地上送軟壓板數(shù)據(jù)集報(bào)文，這與其定義是自相矛盾的。

研發(fā)單位的專(zhuān)家對(duì)此回復(fù)：“報(bào)告的觸發(fā)選項(xiàng)以及周期時(shí)間有兩種配置方式，一種是在模型文件中進(jìn)行離線配置；另一種是在線配置，即客戶端建立關(guān)聯(lián)后對(duì)各種數(shù)據(jù)集的報(bào)告控制塊進(jìn)行設(shè)置時(shí)去規(guī)定是否允許周期性上送。現(xiàn)場(chǎng)截獲的主動(dòng)上送的周期報(bào)文是由客戶端在線設(shè)置的，而報(bào)文記錄儀是單純依靠模型中的離線配置條件進(jìn)行分析判斷的”。

為此，對(duì)練塘站測(cè)控裝置的模型文件進(jìn)行了分析。通過(guò)分析軟壓板數(shù)據(jù)集報(bào)文控制塊的定義得知，這個(gè)軟壓板數(shù)據(jù)集是個(gè)非緩沖數(shù)據(jù)集（URCB型），其觸發(fā)選項(xiàng)為數(shù)據(jù)變化時(shí)和品質(zhì)描述變化時(shí)都主動(dòng)上送報(bào)文，但不周期上送，這就是研發(fā)單位專(zhuān)家所說(shuō)的模型文件中對(duì)離線配置報(bào)告觸發(fā)選項(xiàng)的離線配置。

緊接著對(duì)練塘站監(jiān)控系統(tǒng)中CSS 61850通信子系統(tǒng)配置文件csssys.ini中的相關(guān)設(shè)置進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)RPT字段TrgOps列的設(shè)置值為0x44，其中并不包括定時(shí)周期觸發(fā)報(bào)告。因此，從理論上說(shuō)V2后臺(tái)客戶端和測(cè)控裝置建立關(guān)聯(lián)后，進(jìn)行在線設(shè)置時(shí)應(yīng)該不會(huì)設(shè)置定時(shí)周期，同時(shí)模型文件的離線配置中也沒(méi)有周期上送，那么現(xiàn)場(chǎng)記錄到的測(cè)控裝置軟壓板urcbSoftConn的周期報(bào)文是怎么來(lái)的？

最終負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬（CSS）子系統(tǒng)研發(fā)的專(zhuān)家，對(duì)該問(wèn)題給出了準(zhǔn)確的解釋?zhuān)@和CSS子系統(tǒng)判斷裝置通信中斷的方式有關(guān)，通信中斷信號(hào)肯定不可能由裝置自己送出來(lái)，只能由和該裝置通信的客戶端進(jìn)行判斷，因此裝置通信中斷是后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)等客戶端的1個(gè)感知判斷量，而這個(gè)感知判斷量的準(zhǔn)確性，是由客戶端判據(jù)是否合理決定的。判據(jù)合理，對(duì)裝置是否通信中斷的判斷就越準(zhǔn)確。

目前的CSS子系統(tǒng)對(duì)裝置通信中斷共有5種判據(jù)：輪詢目錄、最小報(bào)告周期上送、所有報(bào)告周期上送、輪詢ID服務(wù)和輪詢其他信息。這5種方式同時(shí)只能使用1種，通過(guò)csssys.ini中SYS字段的commChk Mod列來(lái)設(shè)置（依次用代碼1—5對(duì)應(yīng)上述5種通信中斷的判據(jù)）。

在5種方式中，最小周期報(bào)告（commChk Mod列的設(shè)置代碼＝2）判據(jù)的效果最好。因?yàn)椋總€(gè)裝置的周期報(bào)告由各裝置自己維護(hù)、互不影響、十分準(zhǔn)確，能做到真正的硬件并行心跳方式，這樣客戶端檢測(cè)出裝置通信中斷的準(zhǔn)確性最高。由于使用了最小周期報(bào)告判據(jù)，就需要在裝置選擇1個(gè)數(shù)據(jù)集報(bào)告將其觸發(fā)成周期上送。1個(gè)數(shù)據(jù)集周期上送時(shí)，將上送其包含的所有DO或DA元素的信息，為盡量減小網(wǎng)絡(luò)上供判斷通信中斷用的周期報(bào)文的流量，肯定選擇DO或DA元素最少的那個(gè)數(shù)據(jù)集將其觸發(fā)成周期上送來(lái)供CSS子系統(tǒng)進(jìn)行通信中斷的判斷用。

模型文件中的數(shù)據(jù)集有2種，1種是帶緩存的數(shù)據(jù)集（BRCB），另1種是不帶緩存的數(shù)據(jù)集（URCB）。為了盡量減小裝置的內(nèi)存消耗，優(yōu)先選擇不帶緩存的URCB數(shù)據(jù)集，畢竟丟失1～2次這種URCB數(shù)據(jù)集周期報(bào)文，對(duì)判斷通信中斷的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。因此，首先從所有URCB中選擇最小（即包含元素最少）的那個(gè)URCB；如果裝置模型文件中沒(méi)有URCB，就從所有BRCB中選擇1個(gè)最小的。

按照上述理解，對(duì)CSI 200EA測(cè)控裝置模型文件中的所有數(shù)據(jù)集進(jìn)行了檢查與分析，匯總后如表1所示。

表1 對(duì)CSI 200EA數(shù)據(jù)集的檢查與分析

根據(jù)優(yōu)先選擇最小URCB數(shù)據(jù)集的原則，CSS子系統(tǒng)肯定選擇“dsSoftConn”軟壓板這個(gè)數(shù)據(jù)集作為判斷裝置通信中斷用的數(shù)據(jù)集，從而強(qiáng)制將其設(shè)置成周期上送，這和在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)報(bào)文抓包工具看到的情況一致。

這個(gè)自動(dòng)周期上送的軟壓板數(shù)據(jù)集，是由CSS子系統(tǒng)這個(gè)61850客戶端自動(dòng)設(shè)置的，而自動(dòng)上送的周期在csssys.ini中COM字段的pdCommChk列設(shè)置，練塘站pdCommChk列的設(shè)置值是60 s，而在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)報(bào)文抓包工具檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)軟壓板數(shù)據(jù)集是每間隔1 min上送一次，與pdCommChk列設(shè)置值正好吻合。

按照上述理解，對(duì)南瑞繼保PCS915母差保護(hù)模型文件中的所有數(shù)據(jù)集進(jìn)行了檢查和分析，如表2所示。

表2 對(duì)PCS915數(shù)據(jù)集的檢查與分析

根據(jù)優(yōu)先選擇最小URCB數(shù)據(jù)集的原則，CSS子系統(tǒng)肯定選擇“dsRelay Ain”模擬量這個(gè)數(shù)據(jù)集，作為判斷裝置通信中斷用的數(shù)據(jù)集，從而強(qiáng)制將其設(shè)置成周期上送，這和現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)報(bào)文抓包工具看到的情況一致。

這個(gè)自動(dòng)周期上送的“dsRelay Ain”模擬量數(shù)據(jù)集也是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬子系統(tǒng)這個(gè)61850客戶端自動(dòng)設(shè)置的，而自動(dòng)上送的周期在csssys.ini中COM字段的pdCommChk列設(shè)置，練塘站pdCommChk列的設(shè)置值是60 s，而現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)報(bào)文抓包工具檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)模擬量數(shù)據(jù)集是每間隔1 min上送1次的，這和pdCommChk列設(shè)置值也正好吻合。

通過(guò)以上分析，可以斷定廠家保護(hù)中某些數(shù)據(jù)集不正常的周期上送是由于CSS子系統(tǒng)采用了最小報(bào)告周期上送的裝置通信中斷判據(jù)引起的，要想徹底消除這種現(xiàn)象，必須對(duì)csssys.ini中RPT字段TrgOps列的設(shè)置值進(jìn)行修改，選擇其他的裝置通信中斷判據(jù)。

2.2 信息配置的規(guī)范性

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)還發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備廠方對(duì)智能電子裝置（IED）的類(lèi)型屬性填寫(xiě)較為隨意，例如：有些保護(hù)裝置和測(cè)控裝置填寫(xiě)“模板”，有的填寫(xiě)“設(shè)備型號(hào)＋版本號(hào)”，有的填寫(xiě)“measclt”；而IED的制造商對(duì)智能電子裝置屬性的填寫(xiě)也很隨意，例如：有的填“SF”，有的填“sifang”；有的填“NARI”，有的填“NARI-RELAYS”。

事實(shí)上，該部分內(nèi)容在IEC 61850通信規(guī)范中的定義都十分明確，如表3所示［1］。

表3 信息配置規(guī)范

依據(jù)表3定義以及確保智能電子設(shè)備之間的互操作性，要求各廠家及時(shí)規(guī)范其IED的類(lèi)型（TYPE）屬性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信堵塞

目前，練塘站內(nèi)所有保護(hù)設(shè)備、測(cè)控設(shè)備、保護(hù)子站、自動(dòng)化后臺(tái)之間的通信，均通過(guò)基于IEC 61850的雙星形以太網(wǎng)快速通信；故障錄波器之間單獨(dú)組網(wǎng)，也是通過(guò)IEC 61850與保護(hù)子站通信。因此，通過(guò)保護(hù)子站，運(yùn)行人員不僅可以直接調(diào)取保護(hù)裝置的動(dòng)作情況，還可以調(diào)取故障錄波器的錄波文件，大大提高異常和事故情況下的應(yīng)急響應(yīng)速度。

但實(shí)際情況卻和上述設(shè)想不一致，在一次線路跳閘事故中，保護(hù)子站無(wú)法調(diào)取相關(guān)信息。經(jīng)分析，主要原因有兩方面：一是故障錄波器頻繁啟動(dòng)，產(chǎn)生大量錄波文件，并上傳至保護(hù)子站。同時(shí)，保護(hù)裝置也上傳事故報(bào)文，造成網(wǎng)絡(luò)通信堵塞。二是保護(hù)子站硬件處理水平和報(bào)文解析能力欠佳，造成故障時(shí)刻裝置死機(jī)。

針對(duì)上述兩大問(wèn)題，從兩方面著手改進(jìn)：一是要求廠家及時(shí)升級(jí)保護(hù)子站的硬件和軟件；二是制定保護(hù)子站日常巡視制度。規(guī)定每天必須從保護(hù)子站中調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置及故障錄波器的相關(guān)信息，由此確認(rèn)保護(hù)子站與保護(hù)設(shè)備、故障錄波器之間通信無(wú)異常，同時(shí)也可確認(rèn)裝置本身運(yùn)行狀態(tài)良好。

采取上述措施后，在第二次線路跳閘事故中，運(yùn)行人員通過(guò)保護(hù)子站，快速調(diào)取相關(guān)故障波形。

3 推廣應(yīng)用與建議［2］

IEC 61850對(duì)變電站自動(dòng)化信息具有完整的建模方法，不僅可支持站內(nèi)的通信語(yǔ)言，也為變電站信息發(fā)布提供了統(tǒng)一的模型。制定IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)之一，是實(shí)現(xiàn)IED的互操作性和互換性。IED設(shè)備的互操作性可以最大限度地保護(hù)用戶原來(lái)的軟硬件投資，實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品集成。

然而，由于IEC 61850通信規(guī)范的技術(shù)性和復(fù)雜性，其各項(xiàng)性能在網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)的未知性以及保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求等諸多因素，很可能出現(xiàn)單一產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)一致性測(cè)試，但是將其構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)卻不能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試的情況。通過(guò)一致性測(cè)試，只是通過(guò)應(yīng)用測(cè)試的充分而非必要條件。

對(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試還需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。目前，國(guó)內(nèi)中國(guó)電力科學(xué)研究院可以提供功能一致性測(cè)試，但還只停留在相對(duì)簡(jiǎn)單的IEC 61850各個(gè)功能服務(wù)測(cè)試，缺乏組網(wǎng)整體的性能測(cè)試以及尚缺乏相應(yīng)的數(shù)字式試驗(yàn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)急需建立1個(gè)完整全面的數(shù)字式設(shè)備測(cè)試環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于目前我國(guó)電力系統(tǒng)快速發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)IEC 61850通信規(guī)范的研究和實(shí)踐還處于探索和應(yīng)用階段，數(shù)字化變電站的實(shí)施還將有1個(gè)過(guò)渡過(guò)程，在該過(guò)程中，IEC 61850通信規(guī)范將在變電站的各個(gè)層面逐步實(shí)現(xiàn)。

在今后數(shù)字化變電站發(fā)展過(guò)程中，不僅需要使輔助系統(tǒng)與IEC 61850通信規(guī)范保持兼容，而且需要使一次設(shè)備真正做到數(shù)字化、智能化，使設(shè)備具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和處理能力，而且具有與其他智能電子設(shè)備實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的能力以及自我描述和診斷能力。

IEC 61850通信規(guī)范在上海500 k V練塘站的應(yīng)用，為今后上海電網(wǎng)推廣數(shù)字化變電站和智能變電站打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，通過(guò)示范工程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有利于新的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的推廣應(yīng)用，同時(shí)也為將來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化變電站積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］ IEC 61850 Communication networks and system in substation［S］.2005.

［2］ 丁書(shū)文，史志鴻.數(shù)字化變電站的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［J］.繼電器，2008（10）.