基于SCD文件自適應的IED設備光功率自動測試技術研究

史 晉，王元東，袁 峻，劉志洪，解天柱，張 偉

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650200）

0 引 言

智能變電站現場調試時，通信鏈路的檢查和二次回路接線檢查是非常重要的環節。隨著信息技術和信息產業的發展，光纖通信以大容量、傳輸距離遠、抗干擾能力強、抗腐蝕能力強、保密性好等特點，特別是接近無限的帶寬資源，成為現有幾種通信方式中最具潛力的技術[1]。

光纖性能優越，可在智能變電站中大量運用光纖作為傳輸介質進行二次設備之間的數據傳輸，如二次設備的采樣信號、控制信號等數據的傳輸[2]。光纖鏈路是二次設備采樣、控制、警告及計量等業務數據的來源通道。變電站統計數據顯示，現階段智能變電站中各智能電子設備（IED）中出現數據傳輸異常的原因多是光纖鏈路傳輸數據過程中出現了問題。可見，光纖鏈路的通信傳輸質量決定了智能變電站能否安全可靠運行。

1 自動匹配技術的提出及原理

1.1 自動匹配技術的提出

傳統的光口測試方法是采用光功率計進行測試，原理為比較法[3]，如圖1所示。

利用光功率計進行光口測試時，需要人工重復調節光衰減器，來回切換標準光功率計和待測光功率計，人工核對并記錄數據進行計算，而這些因素都會導致整個測試過程效率低下[4]。同時，由于人工來回切換光纖，還可能導致光纖的損耗甚至損壞，直接影響測試結果的準確性。采用光功率計進行測試時，需利用光功率計測試每一個IED的每一個光口的收發功率，人工記錄測試結果。測試完成后，依據光纖連接表或連接圖人工進行兩個IED之間收發口的匹配，找到一根光纖連接的兩個IED，并根據已測得的兩個IED兩端的發送光功率值和接收光功率值，計算該光纖的連接衰耗值。現有的辦法依賴于光纖配置表，需人工對兩個IED收發光口進行匹配，造成工作效率低下，增加了工作時間和勞動強度，還有可能會出現匹配出錯的情況，給后續的設備安全運行埋下了隱患。

圖1 光功率測試原理圖

由以上分析可以看出，人工的參與將會拉低整個光口測試過程的效率，同時直接影響測試結果和數據的準確性。所以，需要剔除人工參與，很好地解決這些問題。因此，本文提出了一種基于SCD文件自適應的方法完成光口的自動匹配，避免了人工直接參與，完成了IED設備光口功率測試，并能實現被測IED自動識別、光口自動匹配、光纖衰耗自動計算以及光纖邏輯鏈路自動校核并生成報告文件。

1.2 自動匹配實現的原理

智能變電站系統依據IED能力描述文件（ICD）和變電站規范描述文件（SSD），生成可以描述變電站內所有智能設備配置信息和智能設備之間通信信息的智能變電站配置文件（SCD）[5]。其中，智能設備之間的通信應遵守IEC61850協議。

每個IED發出的采樣值（SV）和面向對象變電站事件（GOOSE）的報文中，都會在其發出的報文中標記其獨有的APPID信息。在整個智能變電站中，每個IED的APPID的信息都是不同的。所以，在接收到報文后，只需要解析報文，從中提取出APPID信息，就可以知道該報文是哪一個IED所發出的，然后利用SCD文件即可識別出發端IED及與其相連的對端IED[6]。如圖2所示，被測裝置IED1的光口與IED2相連，當IED2的接收光口接收到報文信息后，對接收到的報文信息進行解析，提取其中的APPID信息。由于每一個設備的APPID都是不同的，所以可以在SCD文件中查找到當前發出該報文的IED，即可得出與接收端IED2相連的對端端口為IED1。同理，當IED1接收到報文時，也對報文進行解析，通過SCD文件檢索可以查得的IED2就是其對端端口。在智能變電站中，兩個智能電子設備光口之間的連接有且僅有一根光纖，所以只需如上述方法解析端口收發報文的APPID信息，即可確定兩個相連的IED設備，從而自動完成設備的光口匹配工作。通過兩個光口所記錄的收發功率，即可對光口之間的功率衰耗值進行計算。

圖2 自動匹配原理

2 關鍵技術實現

2.1 光纖衰耗自動計算

信號在傳輸過程中衰減是無法避免的。雖然光纖有著優秀的傳輸能力，但光信號在傳輸過程中還是有一定的衰減。光纖損耗大致可以分為光纖的固有損耗和制成后受使用條件影響造成的附加損耗[7]。測量光纖損耗時，需要先測出同一條光纖連接的兩個端口的功率，即輸入端的光功率Pin和輸出端的光功率Pout，如圖3所示，得到該條光纖總的平均損耗。假設該條光纖的長度為L（km），可算出單位長度的光纖損耗值為：

式中求得波長在λ處的衰減系數；Pin表示輸入光纖的功率，Pout為輸出光功率，L為光纖的長度。

圖3 光纖損耗測量原理

實際測量時，各光口可以自動記錄功率值，同時解析收發口的報文信息。利用SCD文件中的APPID信息，每根光纖連接的兩個端口可以自動完成匹配。同時，經兩端口測得的輸入輸出功率代入式（1），即可完成該光纖上的光功率損耗計算，并記錄損耗值。

2.2 邏輯鏈路自動校核

智能變電站中，交換機是整個通信網絡的重要樞紐[8]。采樣值等重要信息都通過交換機網絡以GOOSE、SV報文的形式傳輸。盡管SCD文件中對變電站內所有的IED的配置參數等信息都有了詳盡描述，但SCD文件中不包含二次設備間的邏輯連接關系[9-10]。所以，上述IED設備間的光口匹配方法并不適用于交換機間的光口。由上述光口自動匹配方法可知，該方法依賴于SCD文件中各個IED的配置信息。為了實現交換機光口之間的自動匹配，還需對交換機配置信息建立模型來完善SCD文件。文獻[11-12]詳細介紹了交換機的建模原則和方法。通過模型，交換機也可以作為IED被包含在SCD文件中。

智能變電站SCD文件中設置了SV/GOOSE報文的發送周期及其在以太網中的參數。改參數決定了報文是否能夠在網絡中正確傳輸。組播地址是SV/GOOSE報文控制塊的唯一地址，同時接收報文的設備也需要依據這個地址判斷是否訂閱該報文。當報文傳輸至交換機時，為了保證交換機能夠準確轉發報文，要在交換機的配置信息中加入組播地址和以太網信息。如圖4所示，利用上述建立的交換機模型可以從SCD文件中提取交換機配置信息，進而完成交換機光口的自動匹配，具體方法如下：

（1）解析SCD文件，得到APPID等重要文件存至數據庫；

（2）利用數據庫的表連接和提取功能，得到交換機的配置信息表；

（3）解析被測IED收發報文來源，若為交換機，從配置信息表中找出相應的交換機與IED光口匹配。

圖4 交換機配置信息提取

3 測試裝置的研發

3.1 各功能模塊

智能變電站光功率測試裝置包括光口功率實時記錄及損耗計算模塊、IEC61850報文解析模塊、光口自動匹配模塊、SCD文件解析模塊和測試報告生成模塊。

3.1.1 光口功率實時記錄及損耗計算模塊

光口功率實時記錄及損耗計算模塊將實時采集和記錄IED光口本側及對側的功率數據，在光口自動匹配成功時，提取對應時刻的功率數據進行光功率損耗計算，如圖5所示。

3.1.2 IEC61850報文解析模塊

該模塊依據IEC61850協議對裝置采集到的報文進行解析，讀取并記錄報文中的信息，提取各個IED設備的APPID信息。

圖5 光口功率界面

3.1.3 光口自動匹配模塊

該模塊通過讀取查找各個IED端口信息中的APPID信息，依據智能變電站信息交互的唯一性，利用APPID自動識別匹配，并進行兩個端口的相互連接。

3.1.4 SCD文件解析模塊

該模塊是利用SCD文件所包含的IED設備的配置信息解析SCD文件，即可得到各個電子設備和以太網交換機的通信參數信息，并且通過解析SCD文件獲取交換機的配置信息，如圖6所示。

圖6 交換機列表

3.1.5 測試報告生成

測試報告生成模塊的主要功能是生成最新的測試結果報告，包括IED名稱、插件號、光口號及光口收發功率測試、光纖衰耗值測試以及光纖邏輯鏈路校核結果，如圖7所示。同時，用戶還可利用該模塊進行測試數據的查看與回訪。

3.2 光口自動匹配測試的實現

光口自動匹配測試過程如圖8所示。

第一步，選擇待測裝置，如從設備IED1開始，選定該設備的待測光口Tx1和Rx1，并解析這兩個光口的報文，提取報文中的APPID信息。根據智能變電站配置文件，在全站IED中檢索查找該APPID信息所屬的電子設備IEDX。由于發送光口Tx1所發報文是設備IED1自己發送的，所以檢索得到的IEDX應該就是IED1本身，此時記錄下Tx1光口的報文及其發送功率。

第二步，解析接收光口Rx1所收報文的APPID信息，同樣在全站范圍內檢索該APPID信息對應的設備IEDX。由于Rx1接收的是對端光口發送的報文，此時該設備IEDX一定不是設備IED1。假設該APPID信息對應的光口為設備IED2，則設備IED1的Rx1接收光口的對端光口就是設備IED2的Tx1發送光口，此時可通過IED1的發送端口與IED2的接收端口記錄的功率進行功率損耗的計算。

圖7 報告輸出

圖8 光口測試過程

第三步，在設備IED2保存的光口記錄中查找是否含有IED1的信息。若有，即可確定IED2中Tx2與IED1中Rx1使用的是同一根光纖相連，此時可通過IED1的接收端口和IED2的發送端口記錄的功率進行功率損耗計算。若沒有，IED1自動記錄這個光口的功率，同時進行下一個光口的測試，直到將IED1所有的光口測試完成，換下一個IED設備重復上述步驟，直到整個智能變電站中所有的IED設備完成測試，即完成了全站的光口自動匹配及測試。

4 結 論

本文對光功率自動匹配技術進行分析，針對目前智能變電站中光口功率測試存在的問題，如依賴光纖配置圖表、需人工匹配等，設計了利用SCD文件實現智能變電站中IED的自動匹配和光功率測試方法。該方法可有效解決上述問題，同時經過測試總結出該方法具有以下優點：

（1）自動識別IED，測試時不須人工記錄IED設備。測量光功率時，接收SV、GOOSE報文，解析SV、GOOSE數據集模型，根據光纖中的數據集模型自動識別被測設備IED名稱，減小了人工作業的工作量。

（2）目前，采用的按每個IED人工錄入光口功率、人工事后根據光纖連接表或圖匹配光纖連接，人工計算光衰耗的方法工作效率低、工作過程繁瑣。本文研究的方法測試光口功率時不須識別測試間隔，不須人工識別IED，可自動進行IED匹配與光衰耗計算，簡化了測試過程，大幅提升了測試的可靠性和效率。

（3）具有光纖邏輯鏈路自動校核功能。在完成光功率測試的同時，校核光纖中傳輸的IEC61850-9-2 SV數據集、GOOSE數據集的數目、數據集的通信模型，從而大大提高了測試的效率。

（4）根據測試記錄結果自動形成測試報告，含光口功率測試、光纖衰耗測試、光纖邏輯鏈路校核等項目。