廣域保護系統中通訊設備狀態監測

田 偉，劉 更，鄭浩野，張海彬，邢智輝，曾兵元

(1.黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090;2.江蘇金智科技股份有限公司，南京 211100)

現代化通訊設備在電力系統中的廣泛應用，實現了變電站之間高帶寬、低延遲、穩定可靠的數據通訊，近幾年智能電網技術的突飛猛進發展，也為實現基于實時采樣信息的廣域保護帶來了機遇[1]。廣域保護系統顯著特點是能夠實現實時采樣、就地跳合閘、集中保護決策，而這一切依賴的基礎就是各個變電站之間的實時數據通訊。廣域保護的數據通道應具有足夠的帶寬，以保證數據不會丟失;數據的傳輸延遲要盡可能小，以滿足保護動作的時間需求[2]。

目前國內220 kV及以上電壓等級重要變電站基本上實現了光纖SDH環網，帶寬、延遲和穩定性都大幅提高。帶寬多為2.5 Gbps，很多地區已經開始鋪設第二套數據通訊網，帶寬可達到10 Gbps，碼率也大大降低[3]。廣域保護系統發生通訊中斷的概率比變電站系統大[4];主要是由于廣域保護系統設備分散，通訊相關環節多，涉及的技術門類多樣，而且都是串行化處理，所以需要監視的對象繁多[5]。通過對數據的連續監測、積累和分析，可以依據設備的特性，對設備的故障做出預判，為設備的維護提供依據，從而減少突發故障，增強系統的可靠運行。

1 總體方案

廣域保護系統的通訊主要涉及變電站內通訊、站間通訊(SDH網絡)和主控制室內通訊[6]。變電站內通訊主要包括合并單元通訊元件、智能終端通訊元件、工業交換機、站內對時同步裝置、站內EOS(Ethernet over SDH)設備;站間通訊主要是指SDH設備，其狀態通過SNMP協議從SDH設備上獲得;主控室設備包括EOS、交換機、GPS對時主鐘、主保護設備。對時狀態監測是廣域保護通訊狀態監測的特點之一，由于影響到同步采樣，監視的對時狀態主要包括:各個設備的對時精度、各個通訊段的延遲、各個透明通訊設備的駐留時間(包括交換機)、各個通訊元件的頻率偏移、對時過程中的錯誤率和錯誤分類、各個設備的對時狀態(守時、對時)。從系統結構上來講，廣域保護通訊狀態監測系統主要由監測主站和監測子站構成，系統的架構如圖1所示。

圖1 通訊狀態監視架構示意圖

2 系統設計

2.1 網絡傳輸可靠性

廣域保護通訊狀態監測系統采用的通道有別于數據通道，采用了專用的2 M通道來傳遞監測數據[7]，由監測主站和子站通過專用網絡接口直接連到SDH網絡上。

2.2 通訊監測內容

1)合并單元、智能終端。作為廣域保護系統的終端設備，其通訊狀態應該被納入廣域保護通訊狀態監測系統中，這些終端設備的光纖運行情況是狀態監測的重點。光纖收發器及與之相連接的光纖是否正常，直接關系到采樣數據的發送以及保護動作的執行。

終端設備和交換機的光纖發送和接收功率可通過電路檢測，將相關數據傳送到監測子站，監測子站根據拓撲結構進行關聯配對，并計算出每一個鏈路上的光纖發送功率PnTx、接收功率PnRx、功率余度PnMargin等參數。合并單元及智能終端的對時精度依賴于與之向連接的交換機通過IEEE-1588協議計算，交換機可將每一個接口相連接的設備對時精度PnPoffset計算出來后，將數據送給監測子站。

2)交換機。交換機的狀態監測主要集中在數據流量PnUti、數據交換延遲PnDelay、端口的誤碼率PnErr、交換機的端口傳輸延遲 PnPdelay(對時)、PnPTime交換機的駐留時間(對時)等，以及交換機自身的參數:溫度SnTemp、供電電流SnI等與其正常工作相關的數據。在交換機的監測中，數據流量反映的是端口上單位時間內流過的實際數據量。這個流量通常是不會變化的，但在判定某一路模擬量是否正常發送時，具有很好的參考作用。端口誤碼率(PnErr)是輔助判定某個光纖連接質量的判斷依據，通常一個光纖連接異常時，除了接收功率出現變化外，誤碼率(包括丟包率)都會顯著增加。PnPdelay和PnPTime是判斷交換機作為透明設備，對網絡對時報文處理能力的很好判斷，通常，當交換機處理能力下降時，PnPTime會顯著增加，從而導致系統對時異常。這是導致系統對時混亂的重要因素。

3)EOS設備。EOS設備將以太網數據轉換到SDH網絡上，這個轉換過程會導致延遲，更為重要的是會導致延遲抖動。這個抖動應該在網絡精確對時中扣除，否則會引起網絡精確對時精度降低。EOS設備可以外置，也可以和交換機放在一起，但是作為需要處理網絡精確對時的廣域保護系統，應該集成到交換機中，以便在處理網絡精確對時中，將前面提到的對時抖動去除。為了方便從功能上區分，將EOS設備作為一個單獨的監測元件。

4)對時同步裝置。在系統中將對時同步裝置和通訊監測子站合在一個裝置里，但功能上是分開的。監測子站同樣會采集對時同步裝置的狀態數據，并且記錄在數據庫中。對時同步裝置監測的主要是對時狀態PnPstatus及對時精度。對時狀態主要指對時同步裝置處于“外部對時”還是“內部守時”狀態。對時精度主要是指對時同步裝置和控制中心GPS對時主鐘的時間偏差，這個偏差是網絡精確對時的關鍵指標，也是衡量系統同步特性的重要指標。

5)SDH網絡監視。SDH網絡的狀態主要通過SDH設備獲得，通過SNMP協議，獲取相關通道狀態，以及通道數據流量、誤碼率等數據。通道狀態主要反映數據傳輸的通道以及監視數據傳輸的通道是否發生切換，以及切換路徑。這些狀態和控制中心與變電站的數據傳輸延遲突變相對應。SDH通道數據流量是反映通道通訊正常的重要參數。在實際運行中，通過監視SDH數據流量，可以判斷通道的通斷。SDH通道誤碼率也是衡量通道質量的一個指標，誤碼率不僅僅由光纜造成，同時光纖收發器本身以及尾纖都會導致數據丟失。

3 軟件實現

廣域保護通訊監測系統在軟件實現上采用分層處理的方式。在變電站級由監測子站負責數據采集、分類、入庫以及對上級通訊。主站負責收集各子站數據，同時將這些數據分類、存儲、分析以及上傳給SCADA系統。SCADA系統主要負責顯示、設置以及高級應用[8]。

監測子站的軟件主要包括對下數據采集、實時數據庫、對上輸出通訊。對下數據采集由各個通訊元件(合并單元、智能終端、交換機等)定時主動上送，或者事件觸發上送。數據的匹配歸類以設備、連接作為歸類依據，對僅和設備相關的狀態歸類到設備項目中，比如設備健康狀態、設備溫度、對時精度等;對和連接相關的數據歸類到連接項目中，比如光纖連接狀態，以及與之相對應的光纖發送功率、接收功率、連接鏈路的數據流量、誤碼率等。子站實時數據庫用于歸類存儲這些狀態數據，按照IEC61850的數據模型對數據建模，同時根據模型將相應的數據歸類到相應的模型中。上通訊主要采用IEC61850通訊協議，這樣有利于與各不同廠家的系統互聯。IEC61850為變電站自動化系統定義了數據模型、通信服務、工程配置以及一致性測試規范，可以實現不同廠家的設備互操作。目前，IEC61850已經被國內外主要設備供應商所采用。將IEC61850作為站間監測數據的通訊規約，再作必要的擴充，如圖2所示。

圖2 子站軟件模塊圖

監測主站的軟件設計基于數據集中、數據存儲兩大功能。監測主站配備了大容量磁盤，用于存放歷史數據。監測主站內形成兩個數據庫:實時數據庫和歷史數據庫。從各個子站上傳的數據先按照相應的項目(設備或者連接)存儲于實時數據庫，便于SCADA系統顯示，同時這些數據也會存儲到監測主站中的歷史數據庫，歷史數據庫不僅以項目歸檔，同時以時間順序存儲這些歷史數據。歷史數據可以用于查看、分析、歸檔以及狀態預估等。歷史數據庫對于查看設備的運行趨勢、老化趨勢以及事故追溯具有很好的作用。主站軟件中還包含了對下的IEC61850通訊，以及對上SCADA系統的通訊，如圖3所示。

圖3 主站軟件模塊圖

由于歷史數據和實時數據全部存儲在監測主站，SCADA軟件作為系統的后臺軟件完全根據需求實現。簡單的應用包括拓撲管理、狀態監視、異常告警、歷史狀態查詢等。復雜的高級應用根據系統的擴大顯得尤其必要，如數據流量的對比，設備壽命預估等，對于簡化維護、減少事故非常有用。

4 數據模型

在設計系統軟件時，需要重點考慮監測數據的拓撲關系，數據的拓撲關系依賴于物理網絡的拓撲關系，并與之相對應。在監測數據的命名、數據庫的存儲、后臺軟件的顯示都遵循了這樣的數據拓撲關系。這種數據拓撲關系類似于“高速公路”系統，控制中心為“首都”，各個變電站為“中心城市”，站內的設備為“城市”，通過“數據通訊網絡”將這些“城市”串起來。而整個系統就是以這些“高速公路”、“城市”作為監測對象，收集、歸納、存儲、顯示數據，數據拓撲關系示意如圖4所示。

圖4 拓撲關系圖

在設計IEC61850的模型時，依據上述的分類和命名方法，在設備集合中包含多個設備的邏輯節點，每一個邏輯節點有包含自己的數據集;通過這樣的分層描述，將整個廣域保護系統中涉及通訊的設備詳盡地表述出來。同樣，將每一個連接也作為一個邏輯節點，在這個邏輯節點中包含的數據集也包含了所有與這個連接相關的監視數據。

5 系統實例

廣域保護系統研究是國家電網公司和黑龍江省電力有限公司的重點科技項目，所以，為了保障該項目工作正常進行，在設計和實踐的過程中，從整個廣域保護系統的可靠性、實用性以及推廣的需求出發，又研發了一套廣域保護通訊監測系統。實踐表明，該系統在廣域保護系統設備調試過程中，實現了預計目的，極大地降低了調試工作量，加快了工程進度。同時在整套系統試運行期間，對故障定位、故障排除、設備維護也起到了很大作用。

[1]李碧君，許劍冰.大電網安全穩定綜合協調防御的工程應用[J].電力系統自動化，2008，32(6):25-30.

[2]易俊，周孝信.電力系統廣域保護與控制綜述[J].電網技術，2006，30(8):7-12，30.

[3]趙曼勇，周紅陽.基于IEC 61850標準的廣域一體化保護方案[J].電力系統自動化，2010，34(6):58-60.

[4]李斌，薄志謙.面向智能電網的保護控制系統[J].電力系統自動化，2009，33(20):7-12.

[5]呂穎，張伯明，吳文傳.基于增廣狀態估計的廣域繼電保護算法[J].電力系統自動化，2008，32(12):12-16.

[6]叢偉，潘貞存.基于電流差動原理的廣域繼電保護系統[J].電網技術，2006，30(5):91-95.

[7]IEC 61588.precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2004.

[8]趙上林，胡敏強.基于IEEE 1588的數字化變電站時鐘同步技術研究[J].電網技術，2008，32(21):97-102.