论文数字化变电站中网络通信黑匣子的设计与应用

1、数字化变电站中网络通信“黑匣子”的设计与应用The Research and Application of the Network Communication Black Box in the Digital Substation朱松林1蒋晔2 张结2 （1浙江省电力公司 浙江省杭州市 310009 2 深圳市国电南思系统控制有限公司 广东省深圳市 518057）Zhu Songlin 1 Jiang Ye 2 Zhang Jie 2(1.ZheJiang Electric Power Cort. HangZhou ZheJiang 310009 2. SP-Nice System Control Inc. ShenZhen GuangDong518057)摘要：本文结合基于IEC61850标准变电站自动化系统试点工程，提出了IEC61850自动化系统网络通信黑匣子的设计思想，实现了自动化系统网络通信故障全过程的追忆，提供运行维护人员网络通信过程可视化工具，通过分析确定自动化系统动作行为是否正确，辅助维护人员准确定位故障原因，在变电站自动化系统的联调及运行维护中发挥了极其重要的作用。A

2、bstract: Based on the pilot project of the IEC 61850 SAS, the idea of the network communication black box in the IEC 6185 SAS was proposed in this article, and as a result, it realized the recollection of the full fault process of the SAS network communication and provided a visualization tool for the operation and maintenance of communication networks. By the help of this tool, through the analysis of the SAS behavior, the maintenance personnel can locate the cause of the fault accurately. It p

3、layed a vital role in the substation automation system maintenance and operation of the SYS. 关键字：IEC61850 变电站自动化 通信黑匣子 故障追忆 分析定位Key Words: IEC 6185 SAS, Communication Black Box, Fault Recollection, Analysis and Locate0 引言在以往的变电站自动化系统联调和运行中，后台监控、无人值班集控站和调度自动化主站系统遥信或事件不完整、遥控不成功、测量跃变等情况时有发生，当这些情况发生在远方或就地自动闭环控制的无功电压自动控制（AVQC）、自动发电控制（AGC）等系统时，其严重性就更为突出。实践表明这些情况很多是由于通信故障引起的，但是，由于缺乏有效技术手段，问题发生时的通信过程不能得以重现，往往很难进行问题的判断、定位和处理。随着数字化变电站的发展，通信技术越来越成为变电站自动化的关键1。在数字化变电站中，监控系统的联闭锁、继电保护及自动装置的跳合闸等功能均将采用网络通信方式实现。传

4、统的二次回路由直观电缆连线转为看不见、摸不着的网络通信过程。特别是随着电子式电流、电压互感器以及智能断路器产品应用的全数字化变电站出现，变电站二次系统的设计、安装、调试和运行维护都将产生深刻的变革，也使从事保护自动化维护人员的二次回路概念发生了变化。在电网故障、自动化系统异常时，如何重现当时二次系统网络通信的全过程，如何分析自动化系统动作行为是否正确，如何辅助维护人员准确定位故障原因，已成为IEC61850变电站自动化系统迫切需要解决的课题。从变电站保护故障录波器在电网故障时，通过相关电网电气参数记录与分析，发现电力系统继电保护是否正确动作中得到启迪，我们在浙江绍兴220kV外陈变自动化系统试点工程中开展了IEC61850变电站自动化系统网络通信黑匣子课题的研究，其目的在于通过监听记录自动化系统网络通信报文，并对记录的通信协议进行分析，以重现变电站自动化系统网络通信的全过程，进而准确定位和分析变电站自动化系统的故障原因，为运行维护人员迅速排查故障提供有效的辅助手段，消除自动化系统存在的安全隐患。1 网络通信黑匣子网络通信黑匣子由监听设备和记录设备组成。在确保不影响变电站自动化系统网络通

5、信正常运行的前提下，具备同时记录和存储变电站自动化系统站内网络通信、与无人值班监控中心以及调度自动化主站远动通信报文的能力。出于对通信故障进行分析、定位的目的，所存储的通讯报文为完整的、带时标的被监听点通信记录。1.1 监听设备依据监听设备物理接口的不同，监听设备分为：低速率MODEM模拟信号转串口通信监听设备、串口系列通信监听设备、高速率以太网电口与光口通信监听设备等。无论接口为何种类，一个重要的设计原则是：当监听设备在正常或故障、失电等情况下不能影响被监听网络的正常通信，并且不能对被监听的通信信号产生干扰。对于串口系列监听设备，要求必须采用有源光电隔离设备，以避免对被监听串口通信电平造成影响，同时能够自适应被监听通信速率，以避免由于被监听通信速率调整而引起的记录异常。对于以太网系列监听设备，可根据现场情况分二种方法确定监听方案：一种方案是，当被监听自动化系统网络交换机具备监听功能，可以通过交换机网管软件将需要监听的通信口设置到一个监听口，再将监听口接入通信记录装置。实际应用中往往需要监听一台交换机的多个通信口，则将所有被监听通信口设置到一个监听口，因此理论上要求监听口速率大于被监听

6、通信口速率之和，否则就存在丢报的问题。另一种方案是，当交换机无监听功能时，就需要以太网光口（图1）和电口监听设备，采用无源分光或分电器，类似三通设计原理，在不影响被监听网络通信的前提下截取通信收发信号，经过监听处理模块中的接收信号放大接入记录设备。要求监听设备符合802.3 以太网通信标准，其中光口通信监听按被监听网络光纤类型（多模、单模）以及通信速率（10M/100M/1000Mbps），选用不同类型的无源分光器，以满足现场通信监听接口的技术要求。无源分光器TxRx原信号中继端口无源分光器原信号中继端口监听处理模块通信记录设备图1 以太网光口监听原理框图 The Schematic of the Optical Ethernet Monitor1.2 记录设备记录设备负责在变电站现场环境下连续完整的存储通讯报文。由于IEC61850中测控联闭锁和保护快速报文（GOOSE）以及电子式电流、电压互感器的测量报文（SMV）在链路层传送，所以，记录设备所记录的通信协议必须包括链路层及以上的全部通信协议，需要依据被监听通信流量，确定记录文件保存的时间和记录存贮介质的容量，当记录文件到设定记录容

7、量后，采用覆盖历史记录的方式进行记录。记录设备的原理框图如图2所示，之所以采用无损记录方式，以确保被监听通信报文的完整记录，而没有采用CPU方式的原因是，当记录多个网口通信时，由于操作系统采用分时或中断处理方式，不能确保被监听网络通信在短报文高负载或突变通信流量下形成完整的记录。此外，为确保记录设备正常工作，对记录程序工作是否正常还需要进行监管、重启及日志记录，以避免记录装置程序故障失去记录功能，当记录装置硬件故障、失电等造成记录装置无法正常工作时，需提供告警输出接点，通过接入变电站自动化系统监视通信黑匣子运行工况。记录设备还可以根据分析系统的要求传送通信协议记录文件，以支持就地或远方分析系统通过内部通信协议读取记录文件。通信黑匣子硬件记录处理模块记录文件读取模块通信模块进程监管模块存贮介质就地在线分析监听装置远程分析系统图2 通信黑匣子原理图 The Schematic of Communication Black Box2 通信协议分析通信协议分析包括离线分析和在线分析，目的是发现变电站自动化系统网络通讯故障隐患，辅助维护人员对网络通信故障进行分析，排查由于通信故障而造成的变电站自

8、动化系统内部以及系统与无人值班集控中心和调度端自动化系统之间信息误报、漏报、遥控失败等具体原因，为完善变电站网络通信信息传送机制提供技术依据。根据变电站自动化系统内外网通信协议，目前需要分析的协议主要包括： 站内IEC61850通信使用的MMS、GOOSE和SMV应用协议，与调度中心通信使用的101和104应用协议，也包括这些协议的下层TCP/IP协议和链路通信协议。协议分析往往以逻辑通道为单位进行，对应用层报文的分析，主要依据IEC61850标准，以及变电站建模结果（SCD文件），包括GOOSE和MMS通信故障分析：GOOSE报文符合性分析、GOOSE心跳报文中断、GOOSE报文与SCD文件不匹配等内容；对TCP/IP层及链路层协议的分析包括通信建立与中断、报文校验错误、单报文不完整，通信中断和控制过程不完整，以及报文的符合性分析等。报文分析除了能够直观显示通信全过程，如显示报文的类型、内容，详细分析结果等外，还具备故障报文的查询、解析、定位功能，如按初始化、遥信、遥测、控制、GOOSE等报文类型进行查询、解析和定位；也可以根据逻辑通道、时间等关键字、报文内容等单个或组合条件对原始通

9、信记录和过程报文进行查询。报文分析工具也为维护人员进行通信协议学习提供了辅助手段。以下以对GOOSE报文的分析为例简述通信故障特征分析和判断，包括：1、 对GOOSE报文的符合性判断2：依据IEC61850，StNum和SqNum的变化分为如下三种情况：1） 心跳报文时，StNum的值不变，SqNum的值加1，如果SqNum的值达到最大值，则SqNum的值变为1。2） 有新事件时，StNum的值加1，SqNum的值为0，如果StNum的值达到最大值，则StNum的值变为1。3） 初始化时，StNum的值为1，SqNum的值为1。判断主要的针对GOOSE报文中的StNum和SqNum，当发现不符合上述规律时给出错误提示。2、 对GOOSE通信中断故障判断：判断主要针对SCD文件中配置的minTime和maxTime的值，当两帧报文的时间间隔大于（maxTime4+minTime）的值时，认定为通信中断。3、 对GOOSE报文与SCD文件的符合性判断：判断主要针对GOOSE报文中的AppID、Control Block Reference、DataSetReference、GOOSEID、Config Revision等，依据这些值在SCD文件中的配置，有任一值不相符时都会给出告警提示。4、 对网络负荷（主要的针对网络风暴）的分析和判断：由于发生网络风暴时，同一帧报文会在网络上不停的传输，导致网络数据流量越来越大，记录的字节数会突增。如发现这种情况，系统会即时给出告警，请操作人员注意并采取措施。3 应用实例绍兴电网220kV外陈变是浙江省内第一座基于IEC61850标准建设自动化系统，在国内首次将220kV的保护、自动装置和操作箱之间跳、合闸、线路和主变后备启动失灵和母差保护跳各间隔开关等功能通过网络通信实现，采用工业级交换机构成以太光纤自愈环网，包括八个国内外著名厂家提供的保护、测控装置和监控系统产品。系统按IEC61850标准统一建模，实现了互联、互操作3，是国家电网公司

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