基于SCD的繼電保護網絡通信路徑自動規劃技術研究及應用

趙秋雨，武紅玉

(許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌 461000)

目前通用交換技術在智能變電站應用過程中配置復雜、容易出錯，且無法滿足信息流差異性需求，對繼電保護信息流實時性、可靠性造成沖擊.智能變電站中采用光纖網絡來進行信息的傳遞，為實現更先進的新型保護原理和架構體系創造了條件.智能變電站中引入通用交換技術[1-3]，交換機逐漸替代了傳統電纜而成為智能變電站通信網絡的關鍵設備，采用優先級排隊機制、GMRP(GARP Multicast Registration Protocol，組播注冊協議)、VLAN(Virtual Local Area Network，虛擬局域網)以及最短路徑消耗的生成樹協議等分配傳輸路徑.設計了基于SCD(Substation Configuration Description全站系統配置文件)文件的網絡通信路徑自動規劃交換機，可對繼電保護業務信息流進行類型識別，根據SCD文件實現設備間點對點虛擬專線通道，保障繼電保護信息流的實時可靠傳輸，并可實現繼電保護設備接入交換機免配置“即插即用”，解決目前智能變電站交換機配置、修改依賴手工方式的被動局面.

1 基于SCD文件的網絡路徑自動生成技術

實現基于SCD文件的繼電保護通信路徑自動生成的整體思路：交換機通過解析SCD文件形成虛回路轉發表存儲在交換機中，在交換機運行時以伺服的方式檢測通過交換機的業務信息流類型，當檢測到發布業務和訂閱設備消息后，查找虛回路轉發表，如果信息匹配，立刻以虛回路專線的形式建立發布/訂閱關系的通信鏈路，完成業務的轉發.

1.1 建立虛回路轉發表

智能變電站繼電保護信息的輸入傳輸主要通過GOOSE(Generic object oriented substation events，面向通用對象的變電站事件)輸入輸出提供開入開出和聯閉鎖/啟動信息，SV(Sampled value采樣值)輸入提供采樣輸入.GOOSE基于發布/訂閱機制，可以快速和可靠地交換數據集中的事件數據值相關模型對象和服務，包括GOID、APPID、MAC-Address、APPID、VLAN-ID、VLANPRIORITY、MinTime、MaxTime等參數.SV基于發布/訂閱機制，可以快速地交換采樣數據集中的采樣值的相關模型對象和服務，包括SVID、APPID、MAC-Address、APPID、VLAN-ID、VLANPRIORITY等參數[4-10].

解析SCD文件建立虛回路轉發表主要流程如圖1所示.通過上述SCD解析，可獲得變電站各級網絡，每級網絡內包含哪些設備，設備對外發布什么信息，設備間的連接關系及信息訂閱關系[11-14].交換機根據解析形成的設備間的連接關系及信息訂閱關系，建立虛回路轉發表存入交換機.

圖1 解析SCD文件建立虛回路轉發表

1.2 基于業務建立通信鏈路

交換機通過解析SCD文件形成虛回路轉發表后，將以伺服的方式檢測通過交換機的業務信息流類型.在報文進入交換機后，交換機對報文頭進行檢測識別，如識別到EtherType(以太網類型)為0x88BA時為SV報文，檢測到EtherType為0x88B8時則為GOOSE報文，交換機根據報文的唯一自描述實現業務流識別.通過在對報文進行業務流識別后，加入異常識別機制，識別出異常報文，對異常報文進行丟棄處理，并記錄異常報文輸入端口，將異常報文及端口信息作為報警信息封裝，上報管理端.業務信息流識別及異常報文處理如圖2所示.無論變電站繼電保護設備是否變化，交換機只要檢測到發布的業務和訂閱設備消息，立刻以虛回路專線的形式建立發布/訂閱關系的通信鏈路，完成業務的轉發，實現IED設備在交換機任何物理端口的“即插即用”.

圖2 業務信息流識別及異常報文處理

2 樣機設計

2.1 功能需求

專用交換機樣機研發遵循IEC 61850標準，緊貼智能變電站信息通信要求，針對傳統工業以太網交換機存在的局限性，提供高可靠性信息傳輸和智能服務，實現基于SCD文件解析的繼電保護網絡通信路徑自動生成，能夠為智能變電站的通信系統提供高實時性、高可靠性、業務信息流類型感知等功能，構建實時、互動、開放、靈活的通信網絡，提高智能變電站的安全運行水平.

2.2 樣機設計

硬件設計滿足智能變電站電磁兼容要求的高可靠性設計，如圖3所示.數據處理專用處理器A用于識別從繼電保護設備發出，進入交換機中的GOOSE、SV報文.報文交由專用以太網芯片B轉發.專用網絡處理單元D用于分析智能變電站描述文件SCD，智能識別電力專用交換機端口和繼電保護設備之間連接綁定關系、建立和管理虛回路轉發表.

圖3 硬件架構原理圖

軟件設計采用嵌入式軟件平臺開發，主要包括三部分.操作系統，選用開源的Linux2.6多任務操作系統，增加相應的芯片寄存器操作驅動，網絡通信驅動，BCM芯片的SDK驅動.主機軟件，主要完成對交換芯片SDK驅動的各個接口對接，啟動交換機開始工作，實現專用交換機各項軟件功能和控制功能；Web服務器，實現交換機Web配置界面，與主機軟件中的Web服務器程序的通信服務端通信，獲取或者設置交換機各功能參數.

3 RTDS系統仿真驗證

3.1 模型系統

為了驗證基于SCD的網絡信息路徑自動規劃技術及功能，測試將開發的交換機樣機應用于繼電保護網絡數據傳送時的保護功能和整體性能測試.基于RTDS(實時數字仿真設備)搭建實驗模型，接入開發的交換機樣機和線路保護、主變保護、母線保護等保護裝置，以及合并單元、智能終端等過程層設備，組成試驗系統，試驗設備列表見表1所示.

表1 RTDS試驗設備列表

RTDS模型為220 kV雙母線接線變電站，Ⅰ段母線帶一段 200 km 線路和 300 MW 負載；Ⅱ段母線帶一臺兩卷變壓器(額定容量300 MW)和300 MW負載.線路故障點K1，Ⅰ母故障點K2，Ⅱ母故障點K3，變壓器故障點K4.系統接線圖如圖4所示.

圖4 RTDS仿真系統接線圖

3.2 測試驗證

3.2.1 交換機SCD文件解析正確性測試

交換機能夠正確解析SCD文件，建立虛回路專線，生成相應的報文轉發路徑.如圖5所示.

圖5 自動生成的報文轉發路徑

3.2.2 SV、GOOSE報文轉發路徑正確性測試

報文的轉發嚴格按照建立的虛回路轉發表進行報文轉發，不能出現多發或少發的現象.通過鏡像配置及變化保護裝置接入端口的方式測試.

SCD文件中WBH-801變壓器保護裝置的業務收發情況如圖6所示，交換機每個端口的報文轉發情況，均符合SCD文件中描述的信息.

圖6 SCD文件中WBH-801變壓器保護裝置的業務收發情況

3.2.3 保護性能測試

系統通信正常后，分別模擬線路、主變、母線故障，要求相應保護動作行為正確.測試結果表明保護動作時間指標滿足要求，具體如表2所示.

表2 保護動作情況記錄表

4 結語

結合定質交換思想提出基于SCD文件的網絡信息路徑自動規劃技術，實現繼電保護設備接入交換機免配置“即插即用”，并通過繼電保護信息流業務類型識別，實現各業務信息流虛回路專線傳輸，提升了信息流的實時性與可靠性.通過測試交換機樣機可實現網絡信息路徑自動規劃，并通過RTDS仿真驗證，接入該交換機的繼電保護裝置在各種工況下的性能指標滿足要求.