智能變電站通信網絡實時故障診斷模型應用研究

宋 芳

（蘭州倚能電力（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

智能變電站以通信網絡為核心，解決了傳統二次電纜接線問題，促進開關量和交流量信息相互交流。由于在信息傳輸過程中，網絡數據具有較強的不可視性，無形中提升了智能變電站通信網絡故障診斷的難度系數，嚴重影響到二次系統的運行效率。網絡化傳輸方法不僅能提高信息共享水平，還能優化表征通信網絡狀態，給智能故障診斷提供豐富的數據資源。

網絡報文分析儀是智能變電站二次系統的重要設備，也是診斷變電站通信故障的主要工具，通過收集網絡各種報文，實現報文異常檢查、網絡流量監控以及報文記錄等功能。從目前網絡報文分析儀使用情況來看，只能判斷其是否出現過網絡風暴，不能準確找到風暴源的具體位置，局限于告警網絡中的安全故障，故障排查仍然要通過運行人員操作。這種儀器的數據量非常復雜，一旦設備端口出現安全故障，網絡報文分析儀自動發布各種突發告警信息，導致管理人員無從下手，需要依靠工作人員的管理經驗來進行故障診斷，嚴重影響到智能變電站二次系統運行的安全性[1]。故障診斷存在嚴重的局限性，網絡報文分析儀分析中僅分析每幀報文，沒有建立報文和傳輸設備間關聯關系的模型，限制網絡報文分析儀的分析范圍和能力。

通過建立通信網絡的信息流通模型，優化報文傳輸路基搜索算法，全面體現通信設備和實體設備間的必然聯系，讓網絡報文分析儀從報文分析向實體通信網絡方向發展。同時，優化故障診斷算法，提高網絡報文分析儀的應用效果，實時診斷各類信息的通信網絡，引導管理人員及時恢復通信網絡功能[2]。

1 通信網絡智能故障診斷思路

為了實現智能故障診斷，文章采用網絡報文分析儀中的各種信息數據，主要包括網絡實時報文信息、網絡運行方式信息。其中，網絡實時報文信息包括通用變電站事件報文、采樣值報文、制造報文協議報文等信息，網絡運行方式信息包括報文發布信息、網絡配置信息、網絡拓撲信息等。

考慮到報文在網絡中出現錯誤代碼概率較低，一旦出現連續數據異常告警問題，基本確定故障原因在報文發送設備上，不能進行其他分析。因此，工作人員要提高對鏈路中斷告警的重視程度，結合網絡實際運行情況，構建健全的智能變電站通信網絡信息流通模型，根據模型內容計算鏈路報文的傳輸路徑。由于不同鏈路報文的設備通信關系差異，工作人員要利用實體設備建立報文傳輸路徑，準確體現設備通信和實體設備間的關系。結合映射情況，如果報文能正常傳輸，則表明構成傳輸路徑的實體設備質量較好；相反，如果報文不能正常傳輸，則表明實體設備出現故障問題[3]。

在智能變電站日常運行過程中，要設置一個實時目標檢測方案來滿足智能電站巡檢要求，識別中主要包括定位圖像目標、分類圖像目標。在傳統應用中，目標檢測區域通常采用R-CNN 系列算法，其具有雙結構、高精確度等特征，缺點是檢測速度無法達到移動巡檢要求；YOLO 系統算法的網絡結構擁有單階段特征，僅需簡單步驟就能完成目標檢測任務；YOLOv3 集中上述2 種算法的優點，網絡優化為Darknet 結構，能提高日常目標檢測的準確性，甚至實現多個目標檢測。

目前，算法設計由數據集收集、模型訓練、結果驗證等環節組成。收集數據集能控制發電項目升壓站中的變電設備圖像數據，人工檢查圖像內容，確定其內容能達到預期要求，準確標注設備類型。數據集由驗證數據和訓練數據組成，整個數據集總量為1 900 張，訓練數據占總數據的80%，其余數據是驗證數據。以預訓練權值為基礎，構建初始訓練模型，提高模型訓練效果。同時，在訓練過程中，實時監督損失函數，通過YOLOv3 分析樣本標簽值和實際輸出值之間的誤差，準確計算損失值[4]。

2 通信網絡信息流通模型

2.1 通信網絡連接關系模型

變電站通信網絡由過程層網絡和站控層網絡組成。設備端口作為變電站通信網絡的重要載體，具有良好的發送功能，能自由轉發報文獨立個體，構建報文傳輸路徑單元。工作人員要基于端口搭建通信網絡連接關系模型，標記不同設備端口，準確判斷不同端口間的聯系。表征端口連接關系的有向圖如圖1 所示，其中虛線弧和實線弧分別表示邏輯連接和物理連接。物理連接以光纖為載體進行設置，邏輯連接則通過交換機搭建報文的交換控制邏輯。傳輸控制協議、虛擬局域網、靜態組播等信息傳輸方式控制著過程層網絡進行報文交換控制邏輯。在過程層網絡中，采樣值（Sampled Value，SV）和面向通用對象的變電站事件（GOOSE---Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）為多播報文，靜態組播和VLAN 經常受到上述報文限制，降低過程層網絡中的其他流量，防止產生交換資源占用現象。站控層網絡中，制造報文規范（Manufacturing Message Specification，MMS）報文通過面向連接TCP 協議進行定向傳輸[5]。因此，文章注重分析過程層網絡，提出邏輯連續關系矩陣計算方法。目前，國內常用VLAN 端口劃分配置VLAN 標識（VLAN ID，VID）和基于端口的VLAN ID（Port-base VLAN ID，PVID）2 種數據。假設過程層網絡中有K個VLAN，可采用Vkxp表示網絡VLAN組。如果端口j是VID 中i1的VLAN，元素Vij為1；建立全新矩陣Tkxp體現不同端口和PVID 間的關系，如果端口j的PVID 為i，矩陣Tkxp的元素tij為1。其邏輯連接關系矩陣Cpxp可表示為

圖1 表征端口連接關系的有向圖

以過程層網絡為例，其VLAN 配置參數如表1所示。

表1 VLAN 配置信息

2.2 信源模型

目前，信源模型主要用來分析報文發布端口和報文間的關聯。假設變電站通信網絡鏈路數量為d條，矩陣Spxp代表鏈路報文和信源的直接聯系，當端口i為第j條鏈路報文的信源，則Spxp的元素sij為1。

3 通信網絡智能故障診斷算法

在通信網絡智能故障算法應用過程中，通過分析網絡實時報文信息和虛實映射，找到故障出現位置，研究產生安全故障的具體原因。經過分析，當通信網絡出現安全故障時，多條鏈路彈出中斷告警信息。為了控制故障診斷的準確性，要依次分析全部告警信息，判斷故障出現的具體位置。同時，在診斷過程中，將n-1 條告警信息作為輔助診斷條件，等到全部故障診斷后，整合得到準確的診斷結果。考慮到不同位置同時出現故障問題的概率較小，文章主要分析通信網絡單點故障。

以SV 報文a斷鏈為例，分析以第k條告警為主線的故障診斷算法流程。首先，通過網絡中的告警信息判斷訂閱報文端口存在的問題。如果報文信宿端口觸發中斷告警，表示該端口不能正常接收報文，需要縮小故障范圍[6]。相應公式為

當報文a訂閱端口未觸發中斷告警，說明其能正常接收信號，此時縮小故障范圍的公式為

通過網絡告警信號分析端口M的應用效果，如果其無法正常接收端口j的報文，此時縮小故障范圍的公式為

如果端口M能正常采集端口j的報文，控制故障范圍的公式為

其次，按照網絡報文分析儀是否能接收到報文a，采用上述方法控制故障范圍。當全部n條告警均為一次主線進行故障診斷后，需要整合診斷結果，計算出具體故障位置。

最后，分析P 故障結果，判斷誘發故障的主要原因。如果P 故障涉及端口對象，說明智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）和交換機光模塊等環節存在問題；如果P 故障涉及物理連接對象，說明光纖松動；如果P 故障涉及虛擬連接對象，說明交換機存在轉發問題[7]。

4 結 論

基于網絡報文分析儀提出智能變電站通信網絡故障診斷方法，通過故障診斷模型在線診斷變電站通信網絡故障。研究實踐證明，這種故障診斷方法能精準定位故障，分析故障發生原因，針對故障問題提出有效解決措施，引導維護人員發現故障位置，解決過程層網絡問題，提高變電站應用效率。