蔡亮亮，龔世敏，唐斌，李帥，張林，袁泉

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211151)

0 引言

目前在電力系統(tǒng)自動化配置中，測控裝置通常采用按照間隔和斷路器進行單一配置［1－4］，與保護雙重化配置不同，這種配置方法在裝置異?；驒z修的情況下沒有后備裝置可以進行功能替代，這將會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成嚴重威脅。針對上述問題，在第三代智能變電站設計中引入了冗余后備測控裝置，冗余后備測控裝置能夠為多個實體間隔測控提供虛擬后備測控功能。每一臺冗余后備測控裝置通過虛擬測控技術可以實現(xiàn)至少15個虛擬測控單元，每一個虛擬測控單元與對應的實體測控裝置配置相同，可以完全替代實體測控的功能［5－7］。但虛擬測控與實體測控之間的切換方式和邏輯目前還不太成熟，很多既有方案還是依靠嚴格的現(xiàn)場操作規(guī)范來避免切換過程中的誤操作。此外，在切換過程中還存在著信息重復上送監(jiān)控后臺、信息丟失等問題，上述各種不足均不符合未來智慧電力的設計愿景。

本文提出了一種冗余后備測控裝置實時監(jiān)測實體測控裝置并可智能管理自身多個虛擬測控投退及信息無縫切換的方法，能夠在保證電力自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下對兩者的運行實現(xiàn)智能管理。

1 現(xiàn)狀與不足分析

關于虛擬測控投退機制，目前主流的做法和相關規(guī)范均要求人工參與。冗余后備測控裝置的每一個虛擬測控單元實時監(jiān)測對應的實體測控發(fā)出的過程層和站控層的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文來確定實體測控的運行狀態(tài)，一旦監(jiān)測到實體測控處于運行狀態(tài)，則不允許投入相應的虛擬測控，對于已經投入的虛擬測控并非所有廠家的裝置都能作自動退出處理。這就要求現(xiàn)場運維人員嚴格按照虛擬測控投退操作流程來避免實體測控和虛擬測控同時運行的情況，但是難免會存在操作失誤的情況。這將會導致站控層和過程層設備同時感知到2個相同的測控裝置的存在，導致網絡沖突、過程層設備誤動、信息錯亂等問題出現(xiàn)，嚴重威脅變電站安全運行［8］。此外，現(xiàn)有技術中虛擬測控需同時監(jiān)測實體測控在過程層網絡和站控層網絡發(fā)出的GOOSE報文來確定實體測控是否處于運行狀態(tài)，以此來判斷是否允許投入相應的后備測控。目前數(shù)字化變電站中每個實體測控裝置向過程層和站控層網絡發(fā)送的GOOSE報文約4幀，對應的冗余后備測控裝置則需實時監(jiān)測約60幀GOOSE報文，這將使冗余后備測控裝置消耗較多的中央處理器(CPU)資源，并使配置和運維變得非常復雜。除了監(jiān)測兩個網絡上的GOOSE報文，如果要全面監(jiān)測實體測控的對外通信狀態(tài)，還應該同時監(jiān)測其站控層發(fā)出的制造報文規(guī)范(MMS)報文，但是目前暫無成熟穩(wěn)定的監(jiān)測方案。

現(xiàn)有智能變電站設計中，冗余后備測控裝置的各虛擬測控在未投入的狀態(tài)下仍然實時接收和判斷來自過程層設備的遙信量和遙測量變化并產生相應的主動上送報告緩存。實體測控與虛擬測控共享過程層數(shù)據，因此兩者將產生相同的報告?，F(xiàn)場實體測控退出運行后虛擬測控自動投入運行，此時，虛擬測控緩存的報告將會發(fā)送至監(jiān)控后臺，這將會導致部分信息重復上送。如果簡單地將虛擬測控緩存的報告清除，那么在主備測控切換過程中變電站內發(fā)生的遙測、遙信、告警變化等重要信息將被遺漏。為了信息不重復、不漏發(fā)，目前已有的技術是在后臺監(jiān)控系統(tǒng)中對主備裝置上送的報告通過時標比對進行過濾，但這將會增加后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度。并且在當前智能變電站的設計中，監(jiān)控后臺是感知不到當前接入的是實體測控還是虛擬測控，不會承擔兩者信息分揀的角色。

2 解決方案關鍵技術

如何做到各虛擬測控的自動投退與無縫切換是解決冗余后備測控裝置在智能變電站中應用的關鍵問題，目前還沒有穩(wěn)定成熟方案?，F(xiàn)有的技術均需依靠人工參與來實現(xiàn)，如何在實體測控和虛擬測控之間實現(xiàn)準確、自動、穩(wěn)定、無縫地投退與切換是本文主要的闡述內容。

2.1 冗余后備測控系統(tǒng)架構

冗余后備測控裝置屬于間隔層設備，能夠支持虛擬測控至少15臺實體測控裝置的功能，各虛擬測控的性能指標及功能滿足測控裝置規(guī)范的要求，參數(shù)配置與對應的實體測控相同，具有獨立的運維界面和投退軟壓板。

采用冗余后備測控裝置的測控系統(tǒng)如圖1所示，在該測控系統(tǒng)投入運行前將實體測控與虛擬測控的對應關系通過配置設定的方式進行固化，每個實體測控對應一個虛擬測控。在實體測控正常運行時對應的虛擬測控處于熱備狀態(tài)，只接收和處理過程層采集單元上送的遙信和遙測量，不主動往站控層和過程層發(fā)送任何數(shù)據。

圖1 變電站冗余后備測控系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of a backup measurement and control device in a substation

各虛擬測控實時監(jiān)控其對應的實體測控的運行狀態(tài)，一旦實體測控由于故障或檢修等原因完全退出運行，對應的虛擬測控則自動投入運行，可完全替代實體測控的所有功能。在實體測控故障排除或檢修完畢重新投入運行時，虛擬測控則自動退出運行。

為了實現(xiàn)虛擬測控對實體測控運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，實體測控裝置需將自身的運行狀態(tài)通過網絡報文的方式主動發(fā)送至冗余后備測控裝置。實體測控裝置和冗余后備測控裝置共享變電站專用數(shù)據網絡［9－13］，可以通過2個共享網絡進行數(shù)據交互。本文闡述的技術中，實體測控裝置將自身的通信狀態(tài)、功能狀態(tài)、報告時間戳等運行自檢信息通過共享網絡發(fā)送至冗余后備測控裝置，鑒于過程層網絡需要實時傳輸大量的采樣報文，為了可靠性，選擇站控層網絡來交互相關信息。如圖2所示，冗余后備測控接收到實體測控的運行信息后分發(fā)至對應的虛擬測控進行分析，各虛擬測控根據分析結果可自動作出投退判斷及信息無縫切換操作。

圖2 實體測控與冗余后備測控數(shù)據共享機制Fig.2 Data sharing mechanism between a main and a backup measurement and control device

2.2 實體測控運行狀態(tài)自檢技術

實體測控裝置主要的自檢信息包括：最新一次主動上送報告時間戳、站控層GOOSE通信異常狀態(tài)、站控層多媒體短信服務(MMS)通信異常狀態(tài)、過程層GOOSE通信異常狀態(tài)、測控功能異常狀態(tài)。

實體測控裝置的軟件架構分為上層應用模塊和底層驅動模塊［14－15］，驅動模塊負責板載芯片的驅動并對應用模塊提供相關的底層操作接口。所有對外通信報文的收發(fā)均需要通過驅動層進行處理［16－17］。因此在驅動模塊中開發(fā)了通信實時監(jiān)測子模塊用于監(jiān)測裝置對外的報文收發(fā)狀態(tài)。

除了監(jiān)測實體測控裝置對外通信，在應用模塊中的各測控功能子模塊是否正常運行也至關重要，因為某些特殊情況下雖然裝置對外的通信都正常，但遙信、遙控、同期、聯(lián)閉鎖等測控相關功能可能已經處于異常狀態(tài)。因此本文將實體測控裝置的各功能模塊的運行狀態(tài)也作為一項重要監(jiān)測對象。

對各測控功能模塊的監(jiān)測可在各功能任務模塊中添加一個狀態(tài)報告函數(shù)接口，定期調用該接口向驅動模塊中的功能監(jiān)測子模塊匯報自身的運行狀態(tài)是否正常。如果驅動層的監(jiān)測模塊超過一定時間未收到功能模塊的狀態(tài)報告則認為該功能模塊異常。實體測控裝置應用層功能監(jiān)測及裝置對外通信狀態(tài)監(jiān)測示意圖如圖3所示。

2.3 實體測控裝置報文時標同步機制

變電站實體測控裝置在遙測量、遙信量、通信狀態(tài)、告警事件等發(fā)生變化時會主動上送相關報告至監(jiān)控后臺。此時處于熱備用狀態(tài)的虛擬測控也將產出相同的報告，由于虛擬測控未與后臺監(jiān)控系統(tǒng)建立連接，所以產生的報告將會進行緩存，待虛擬測控投入運行后會將緩存的報告上送至監(jiān)控后臺。如果不對虛擬測控的緩存報告進行過濾，在實體測控與虛擬測控切換過程中將會產生大量的重復報告。但直接濾除虛擬測控投入前的緩存報告將導致在切換過程中電力系統(tǒng)發(fā)生的所有變化被完全遺漏。因此本文提出基于報文時標同步的報告過濾機制，首先，實體測控裝置記錄下每一次主動上送變電站監(jiān)控后臺報告的時間戳T1，匯同上述通信與應用功能狀態(tài)發(fā)送至冗余后備測控裝置。冗余后備測控裝置將收到的信息匹配到對應的虛擬間隔，當虛擬測控被投入時根據對應的實體測控最后一次發(fā)送的報告時間戳對自身緩存的報告進行過濾。過濾機制為虛擬測控將時間戳早于T1的報告清除，不再上送監(jiān)控后臺。為了避免不同裝置時間同步誤差帶來的影響［18］，虛擬測控在T1基礎上向前推一個裝置間同步時間偏差Δt，按照規(guī)范要求的1 ms對時精度，Δt取2 ms即可滿足最大偏差要求，因此冗余后備測控的緩存報文過濾時刻T2的計算公式為

2.4 實體測控與冗余后備測控報文交互方式

實體測控通過驅動層模塊中的監(jiān)測報文發(fā)送子模塊將監(jiān)測到的自身工作狀態(tài)進行組包并通過站控層網絡發(fā)送給虛擬測控，該狀態(tài)監(jiān)測的報文是一種在鏈路層交互的組播報文，是一種單向報文，只從實體測控裝置發(fā)給虛擬測控，無須復雜的報文訂閱和發(fā)布機制［19］。報文結構簡單，僅包括基本的源和目的物理地址(MAC)地址、報文類型、間隔號、T1時標、實體測控裝置運行狀態(tài)信息和幀校驗。整個報文打包、傳輸、解析的過程僅會占用很少的CPU資源和網絡帶寬。

圖3 實體測控功能與通信狀態(tài)監(jiān)測機制Fig.3 Main measurement and control function and communication status monitoring mechanism

為了保證實體測控裝置的運行狀態(tài)變化能夠及時反饋到虛擬測控，在運行狀態(tài)信息不發(fā)生變化的情況下，實體測控裝置的狀態(tài)監(jiān)測報文發(fā)送時間間隔為秒級，但在狀態(tài)數(shù)據發(fā)生變化時，為了更快地將狀態(tài)監(jiān)測報文送達虛擬測控，實體測控裝置會以毫秒級時間間隔連續(xù)向虛擬測控發(fā)送多幀內容相同的狀態(tài)監(jiān)測報文。實現(xiàn)案例中，在運行狀態(tài)信息不發(fā)生變化時，以5 s的時間間隔向站控層網絡發(fā)送狀態(tài)監(jiān)測報文;在運行狀態(tài)信息發(fā)生變化時以5 ms的時間間隔向站控層網絡連續(xù)發(fā)送5幀狀態(tài)監(jiān)測報文，此后恢復5 s發(fā)送間隔。

冗余后備測控通過驅動層模塊中的監(jiān)測報文接收子模塊對實體測控發(fā)出的運行狀態(tài)監(jiān)測報文進行接收和分發(fā)，各虛擬測控收到對應實體測控的狀態(tài)監(jiān)測報文后通過分析結果去觸發(fā)告警或投退操作。上述實體測控與冗余后備測控之間交互狀態(tài)監(jiān)測報文的示意圖如圖4所示。

圖4 實體測控裝置狀態(tài)監(jiān)控報文收發(fā)與解析機制Fig.4 Status monitoring message transmitting，receiving and analyzing mechanism of a main measurement and control device

2.5 狀態(tài)監(jiān)測報文格式說明

狀態(tài)監(jiān)測報文如圖5所示，報文共計28字節(jié)，左起依次是8字節(jié)目的和源MAC地址。2字節(jié)報文類型，作為實體測控和冗余后備測控的約定值，以及監(jiān)控報文的識別標志。2字節(jié)的間隔號是指主裝置在變電站中的編號，該編號在變電站調試階段由工程人員同時在實體測控裝置和虛擬測控中設定并做好關聯(lián)。4字節(jié)實體測控最新報告時間戳T1，采用通用協(xié)調時(UTC)時間。4字節(jié)的運行狀態(tài)，使用bit0～bit3分別表示站控層GOOSE通信異常狀態(tài)、站控層MMS通信異常狀態(tài)、過程層GOOSE通信異常狀態(tài)、測控功能異常狀態(tài)。值為1表示狀態(tài)異常，0表示狀態(tài)正常，其余28位可作為其他監(jiān)測狀態(tài)的擴展。

2.6 自動投退與無縫切換機制

冗余后備測控裝置在現(xiàn)場是運行在上電熱備狀態(tài)的，在實體測控工作均正常的情況下所有虛擬測控均處于退出狀態(tài)。

圖5 實體測控裝置狀態(tài)監(jiān)測報文格式說明Fig.5 Status monitoring message format of the main measurement and control device

實體測控與虛擬測控的投退邏輯如圖6所示，實體測控在上述4種運行狀態(tài)或T1發(fā)生變化時會立即將最新的狀態(tài)告知對應的虛擬測控，虛擬測控在獲取實體測控最新的運行狀態(tài)后自動判斷是否投退。需要注意的是，只有實體測控的4種運行狀態(tài)均異常時，才表明整個實體測控已經完全退出了運行(斷電或裝置嚴重故障)，此時虛擬測控才能自動投入，該處理方式是為了避免投入的虛擬測控與未完全退出的實體測控在網絡上形成沖突。

圖6 實體與冗余后備測控的投退邏輯設計Fig.6 Switching logic between the main and the redundant backup measurement and control device

此外，在實體測控裝置部分功能或通信異常的情況下，虛擬測控能夠及時監(jiān)測并告警，提示運維人員處理。在運維人員發(fā)現(xiàn)實體測控部分功能故障并將實體測控完全退出(斷電檢修)后，虛擬測控由于長期未收到實體測控的狀態(tài)監(jiān)測報文，則認為實體測控所有運行狀態(tài)異常，自動投入。在投入過程中，根據實體測控發(fā)送的最后一次主動上送報告時間戳T1值計算出報告時標過濾值T2，將時間戳晚于T2的緩存報告上送監(jiān)控后臺，實現(xiàn)實體測控與其后備虛擬測控的無縫切換操作。

在運維人員排除實體測控故障后，將實體測控重新投入運行，此時虛擬測控會收到實體測控發(fā)出的運行狀態(tài)監(jiān)測報文，若實體測控運行狀態(tài)恢復正常，則虛擬測控立刻自動退出運行。

3 結論

冗余后備測控作為智能變電站的重要組成部分，其實現(xiàn)的多個虛擬測控與對應的實體測控之間的自動投退及無縫切換是冗余后備測控裝置在智能變電站運行中的關鍵功能。本文提出的技術方案能夠穩(wěn)定且便捷地實現(xiàn)該功能，符合智能變電站信息高效處理、應用便捷靈活、智能決策、運檢體驗高度智能等要求，提升了智能變電站的“智能”性。