基于調(diào)控一體化的智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)對(duì)站控層設(shè)備監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)與探討

鐘 華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510200）

0 引 言

建設(shè)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)調(diào)控一體化的推進(jìn)有著極為重要的作用。作為廠站端的核心功能模塊，智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)能夠采集電網(wǎng)終端數(shù)據(jù)并支撐電網(wǎng)運(yùn)維體系架構(gòu)。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)集變電站端遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)信息子站、電源管理單元（Power Management Unit，PMU）集中器、在線監(jiān)測(cè)以及電能計(jì)量采集5 大功能于一體，并逐步推廣至告警直傳、遠(yuǎn)程瀏覽、源端維護(hù)以及程序化控制等高級(jí)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模和統(tǒng)一采集，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)出口與調(diào)度主站通信。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)變電站無人值守的基石，能夠?yàn)橥七M(jìn)二次設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維管控平臺(tái)建設(shè)提供支撐數(shù)據(jù)。此外，變電站與調(diào)控主站的通信采用變電站雙遠(yuǎn)動(dòng)、通信通道雙配置、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)二次安防雙平面以及調(diào)度主站雙前置等冗余機(jī)制來提升其通信可靠性，因此研究基于調(diào)控一體化的智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)對(duì)站控層設(shè)備監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)十分重要[1-3]。

1 智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)上送無效品質(zhì)數(shù)據(jù)現(xiàn)象

500 kV 變電站二次保護(hù)、測(cè)控以及安全穩(wěn)定控制裝置的數(shù)量較多，站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是在擴(kuò)建和改造過程中會(huì)調(diào)整或擴(kuò)展站控層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而不合理的調(diào)整可能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的內(nèi)循環(huán)，降低網(wǎng)絡(luò)通信的效率。

2022 年，工作人員處理某500 kV 變電站上送總調(diào)主站的遙測(cè)和遙信品質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)顯示為無效，但當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)、中地調(diào)主站顯示數(shù)據(jù)刷新正常[4,5]。打印測(cè)控裝置內(nèi)部信息，發(fā)現(xiàn)測(cè)控裝置與總調(diào)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)連接使能失敗，通信處于停運(yùn)狀態(tài)，但測(cè)控裝置與智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的物理連接正常。使用ping 命令測(cè)試正常，但測(cè)控裝置拒絕智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的連接請(qǐng)求。使用調(diào)試計(jì)算機(jī)接入站控層交換機(jī)，并用調(diào)試工具連接該測(cè)控裝置，連接使能失敗。使用telnet 命令連接該測(cè)控裝置，裝置頻繁打印“發(fā)送錯(cuò)誤”信息。監(jiān)控后臺(tái)斷開與該測(cè)控裝置的A、B 網(wǎng)物理連接后再恢復(fù)其物理連接，通信不能恢復(fù)正常。故障定位可以確定測(cè)控裝置網(wǎng)口通信異常，但不確認(rèn)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)是否存在異常。重啟測(cè)控裝置后能夠恢復(fù)同智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的正常連接和數(shù)據(jù)交互，需深入檢查引起故障的原因。

2 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析無效品質(zhì)數(shù)據(jù)現(xiàn)象

通過站控層網(wǎng)絡(luò)抓包發(fā)現(xiàn)，該測(cè)控裝置與總調(diào)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的網(wǎng)絡(luò)鏈路存在丟失數(shù)據(jù)包、鏈路延時(shí)以及數(shù)據(jù)包重傳的現(xiàn)象，而與監(jiān)控后臺(tái)和中地調(diào)遠(yuǎn)動(dòng)之間的鏈路不存在該現(xiàn)象。通過telnet 端口調(diào)試打印信息發(fā)現(xiàn)，測(cè)控裝置存在大量報(bào)文發(fā)送失敗的情況，造成報(bào)文擠壓，但不同連接的報(bào)文緩沖區(qū)相對(duì)獨(dú)立，與總調(diào)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)通信中斷后出現(xiàn)大量報(bào)文積壓且緩沖區(qū)溢出的現(xiàn)象，導(dǎo)致裝置不再接收智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的使能請(qǐng)求。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、中地調(diào)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)以及監(jiān)控后臺(tái)同為客戶端設(shè)備，但其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在差異，造成人為增加了第三級(jí)交換機(jī)的報(bào)文數(shù)據(jù)流量，同時(shí)降低了通信鏈路的可靠性，增加了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和丟失數(shù)據(jù)包等問題的發(fā)生概率[6]。總調(diào)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)改造前與改造后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異如圖1 所示。

圖1 總調(diào)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)改造前與后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異

分析網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)量可知，對(duì)于主控室235P 子交換機(jī)（235P-4n）而言，其處理的直接接入該交換機(jī)的二次設(shè)備的報(bào)文流量未發(fā)生變化，但通過其與中心交換機(jī)（235P-1n）的級(jí)聯(lián)線采集智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與站內(nèi)其他子交換機(jī)的數(shù)據(jù)，大大增加了子交換機(jī)需要處理的報(bào)文量。總調(diào)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)改造后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量異常，如圖2 所示。

假設(shè)站內(nèi)每臺(tái)子交換機(jī)對(duì)單個(gè)客戶端的平均流量為X，則在智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)部署前，每個(gè)子交換機(jī)處理的數(shù)據(jù)流量為6X（單網(wǎng)共6 個(gè)客戶端）。智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)部署后，各個(gè)子交換機(jī)處理的數(shù)據(jù)流量稍有不同。一方面，對(duì)于除子交換機(jī)（235P-4n）外的其他子交換機(jī)而言，其處理的數(shù)據(jù)流量不變，仍為6X；另一方面，對(duì)于子交換機(jī)（235P-4n）而言，其不僅需要處理直接采集的二次設(shè)備的數(shù)據(jù)（流量為6X），還要處理中心交換機(jī)通過級(jí)聯(lián)線轉(zhuǎn)發(fā)的其他15 臺(tái)子交換機(jī)的數(shù)據(jù)，流量為30X（智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)為2 臺(tái)，共2個(gè)客戶端），共36X。

3 定位原因和確定解決方案

雖然智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)接入了子交換機(jī)，但是沒有正確接入中心交換機(jī)，而子交換機(jī)因設(shè)備老化和數(shù)據(jù)流量過大等導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，出現(xiàn)丟包或報(bào)文亂序等異常情況，最終導(dǎo)致智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)重新連接測(cè)控裝置時(shí)無法建立連接出現(xiàn)通信中斷問題，引起智能遠(yuǎn)動(dòng)上送總調(diào)數(shù)據(jù)異常。調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并重啟測(cè)控裝置使其恢復(fù)初始運(yùn)行狀態(tài)，將智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)由接入子交換機(jī)更改為接入站控層中心交換機(jī)。調(diào)整前后均進(jìn)行抓包比對(duì)數(shù)據(jù)流量差異，發(fā)現(xiàn)此后通信未出現(xiàn)異常[7,8]。

4 基于總線機(jī)制的IED 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)感知功能

4.1 功能模塊設(shè)計(jì)方案

基于總線機(jī)制的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）狀態(tài)監(jiān)測(cè)感知的重點(diǎn)是將變電站監(jiān)控機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與站控層網(wǎng)絡(luò)之間的3 大問題可視化。一是監(jiān)視站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)流量，比對(duì)中心交換機(jī)和子交換機(jī)數(shù)據(jù)流量；二是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控后臺(tái)機(jī)對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)雙機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，并將故障狀態(tài)以軟報(bào)文的形式通過運(yùn)行正常的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)上送調(diào)度主站；三是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)雙機(jī)相互監(jiān)測(cè)感知，解決遠(yuǎn)動(dòng)備機(jī)因軟硬件故障無法被監(jiān)視和感知的問題。實(shí)施方案后，監(jiān)控后臺(tái)能夠通過總線機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)內(nèi)部狀態(tài)。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)無論在雙主還是主備運(yùn)行模式下，都能通過心跳報(bào)文機(jī)制被監(jiān)控后臺(tái)與正常遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)及時(shí)發(fā)現(xiàn)任何一臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的死機(jī)狀態(tài)。

站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是變電站的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)全站數(shù)據(jù)的傳輸和分配。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建是否合理是變電站信息傳輸速率達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素。通過監(jiān)視交換機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）/內(nèi)存長(zhǎng)期使用率、核心進(jìn)程是否頻繁重啟、數(shù)據(jù)丟包率、通信速率以及CPU 運(yùn)行溫度等，并比對(duì)中心交換機(jī)和子交換機(jī)數(shù)據(jù)流量的差異，可以監(jiān)視和感知站控層網(wǎng)絡(luò)的異常現(xiàn)象，消除網(wǎng)絡(luò)故障隱患。

遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)內(nèi)部監(jiān)測(cè)告警主要內(nèi)容包括核心進(jìn)程退出且無法恢復(fù)、主遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和備遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)切主機(jī)過程導(dǎo)致雙主影響對(duì)上通信、CPU/內(nèi)存長(zhǎng)期使用率越限以及硬盤分區(qū)空間不足預(yù)警等。核心進(jìn)程包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)程序、101 規(guī)約通道或104 規(guī)約通道進(jìn)程通信服務(wù)程序等。這些進(jìn)程一旦退出，會(huì)影響裝置的主要功能。考慮遠(yuǎn)動(dòng)軟件的看門狗自恢復(fù)機(jī)制，設(shè)定持續(xù)檢測(cè)時(shí)間為5～10 min（可整定）。若檢測(cè)到核心進(jìn)程未運(yùn)行，則發(fā)出提示告警信息；若裝置CPU 或內(nèi)存使用率長(zhǎng)期過高，則軟件程序可能出現(xiàn)異常，如程序進(jìn)程死循環(huán)、病毒或木馬感染、系統(tǒng)文件錯(cuò)誤或內(nèi)存泄漏等，需要提示告警。硬盤剩余空間不足時(shí)，可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)無法寫入保存的情況，此時(shí)需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求設(shè)置預(yù)警值。調(diào)度主站是主備模式，即遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的主機(jī)處于通信狀態(tài)，備機(jī)處于熱備狀態(tài)，但間隔層設(shè)備是雙主模式。若間隔層設(shè)備與遠(yuǎn)動(dòng)備機(jī)通信中斷，而與遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)通信正常，則會(huì)出現(xiàn)2 臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫不一致的情況。一旦遠(yuǎn)動(dòng)主備機(jī)進(jìn)行切換，就會(huì)導(dǎo)致調(diào)度主站的數(shù)據(jù)跳變或數(shù)據(jù)無效，從而影響調(diào)度監(jiān)盤和系統(tǒng)的潮流。因此，2 臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)不一致時(shí)應(yīng)當(dāng)提示高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施，消除故障隱患。

遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的硬件或軟件死機(jī)可能導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)無法輸出的情況。若裝置運(yùn)行指示燈和其他功能燈均處于正常狀態(tài)，則巡視人員不會(huì)對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)進(jìn)行操作或遠(yuǎn)程登錄檢查，此時(shí)將難以發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)死機(jī)。主備模式的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)度主站和遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)建立連接，備機(jī)處于熱備狀態(tài)。若主機(jī)因故障退出運(yùn)行，則備機(jī)切換成為主機(jī)后才與調(diào)度主站建立通信連接，因此備機(jī)對(duì)上通信的準(zhǔn)備狀態(tài)處于盲區(qū)。設(shè)計(jì)的方案采用外部定時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)文方式，將總線上長(zhǎng)期無法監(jiān)聽遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)裝置的心跳報(bào)文作為裝置死機(jī)標(biāo)志。狀態(tài)監(jiān)測(cè)感知模塊拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)感知模塊拓?fù)浼傲鞒?/p>

4.2 程序?qū)崿F(xiàn)

建立設(shè)備表，包括站控層和間隔層需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備。一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一條記錄，每條記錄包括設(shè)備名、設(shè)備網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址、設(shè)備故障狀態(tài)、設(shè)備告警狀態(tài)、網(wǎng)口丟包率、CPU使用率、內(nèi)存使用率以及磁盤剩余空間等信息域。狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序獲取本機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，寫入設(shè)備表的對(duì)應(yīng)記錄域，同時(shí)將本設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)包發(fā)送到數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)包中包括設(shè)備名和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，結(jié)構(gòu)定義如下。

站控層其他設(shè)備收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解析，按設(shè)備名將監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)填寫到對(duì)應(yīng)的記錄表中。為防止無法監(jiān)測(cè)出死機(jī)現(xiàn)象，針對(duì)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間（設(shè)置時(shí)間大于10 min）未收到某個(gè)設(shè)備狀態(tài)報(bào)文的情況，應(yīng)將該設(shè)備在本地?cái)?shù)據(jù)庫的對(duì)應(yīng)設(shè)備狀態(tài)信息設(shè)為告警。設(shè)置時(shí)間大于10 min，是考慮二次設(shè)備較多的變電站的常見選擇。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)重啟后，建立通信一般需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，從而避免正常重啟時(shí)的誤告警。

監(jiān)測(cè)感知模塊程序流程如圖4 所示。啟用2 個(gè)定時(shí)器，一個(gè)用于監(jiān)聽站控層其他節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，一個(gè)用于監(jiān)測(cè)本機(jī)狀態(tài)并將自診斷數(shù)據(jù)包發(fā)送到總線上。設(shè)置發(fā)送定時(shí)器周期大于監(jiān)聽定時(shí)器周期乘以設(shè)備數(shù)量，以免接收緩存區(qū)溢出。

圖4 監(jiān)測(cè)感知模塊程序流程

監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站控層交換機(jī)和遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)主備模式和雙主模式均能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)互相監(jiān)測(cè)。設(shè)備故障信號(hào)表示主要功能受到影響不能正常工作，即設(shè)備退出運(yùn)行，包括設(shè)備死機(jī)、設(shè)備運(yùn)行燈不亮、核心進(jìn)程退出等信號(hào)。狀態(tài)告警信號(hào)表示裝置存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)但尚能正常工作，包括CPU 或內(nèi)存長(zhǎng)期資源不足和硬盤空間不足等信息。當(dāng)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)生告警狀態(tài)變化時(shí)，實(shí)時(shí)形成自診斷數(shù)據(jù)包，并推送至另一臺(tái)正常運(yùn)行的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)和監(jiān)控后臺(tái)機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)預(yù)警音響。程序具備日志記錄功能，存盤后便于故障查閱分析[9,10]。

5 結(jié) 論

調(diào)控一體化是新型電力系統(tǒng)的最佳承載形式。電網(wǎng)運(yùn)行可知和設(shè)備狀態(tài)可感，是智能電網(wǎng)的基本特征。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要與智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)同步推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)深度融合。按照南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)建設(shè)方案，全區(qū)域電網(wǎng)500 kV 及以上電壓等級(jí)的變電站需要建設(shè)投入智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)。存量運(yùn)行中，變電站需逐步完成加裝智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的要求。目前，智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)集變電站端遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)信息子站、PMU 集中器、在線監(jiān)測(cè)以及電能計(jì)量采集等功能于一體的改進(jìn)正處于試點(diǎn)階段，自動(dòng)電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）防誤閉鎖操作和程序化控制等高級(jí)應(yīng)用功能也將逐步在智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)。作為廠站端核心功能模塊，智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)既要實(shí)現(xiàn)對(duì)間隔層設(shè)備數(shù)據(jù)采集的正確性和穩(wěn)定性，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度主站通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，從而提升監(jiān)測(cè)感知功能，加強(qiáng)設(shè)備自身的運(yùn)行穩(wěn)定性，提高冗余通信的可靠性，降低建設(shè)成本，體現(xiàn)出較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。