趙秋雨，武紅玉

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

目前通用交換技術(shù)在智能變電站應(yīng)用過(guò)程中配置復(fù)雜、容易出錯(cuò)，且無(wú)法滿(mǎn)足信息流差異性需求，對(duì)繼電保護(hù)信息流實(shí)時(shí)性、可靠性造成沖擊.智能變電站中采用光纖網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行信息的傳遞，為實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的新型保護(hù)原理和架構(gòu)體系創(chuàng)造了條件.智能變電站中引入通用交換技術(shù)[1-3]，交換機(jī)逐漸替代了傳統(tǒng)電纜而成為智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，采用優(yōu)先級(jí)排隊(duì)機(jī)制、GMRP(GARP Multicast Registration Protocol，組播注冊(cè)協(xié)議)、VLAN(Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng))以及最短路徑消耗的生成樹(shù)協(xié)議等分配傳輸路徑.設(shè)計(jì)了基于SCD(Substation Configuration Description全站系統(tǒng)配置文件)文件的網(wǎng)絡(luò)通信路徑自動(dòng)規(guī)劃交換機(jī)，可對(duì)繼電保護(hù)業(yè)務(wù)信息流進(jìn)行類(lèi)型識(shí)別，根據(jù)SCD文件實(shí)現(xiàn)設(shè)備間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)虛擬專(zhuān)線通道，保障繼電保護(hù)信息流的實(shí)時(shí)可靠傳輸，并可實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備接入交換機(jī)免配置“即插即用”，解決目前智能變電站交換機(jī)配置、修改依賴(lài)手工方式的被動(dòng)局面.

1 基于SCD文件的網(wǎng)絡(luò)路徑自動(dòng)生成技術(shù)

實(shí)現(xiàn)基于SCD文件的繼電保護(hù)通信路徑自動(dòng)生成的整體思路：交換機(jī)通過(guò)解析SCD文件形成虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表存儲(chǔ)在交換機(jī)中，在交換機(jī)運(yùn)行時(shí)以伺服的方式檢測(cè)通過(guò)交換機(jī)的業(yè)務(wù)信息流類(lèi)型，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)布業(yè)務(wù)和訂閱設(shè)備消息后，查找虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表，如果信息匹配，立刻以虛回路專(zhuān)線的形式建立發(fā)布/訂閱關(guān)系的通信鏈路，完成業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā).

1.1 建立虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表

智能變電站繼電保護(hù)信息的輸入傳輸主要通過(guò)GOOSE(Generic object oriented substation events，面向通用對(duì)象的變電站事件)輸入輸出提供開(kāi)入開(kāi)出和聯(lián)閉鎖/啟動(dòng)信息，SV(Sampled value采樣值)輸入提供采樣輸入.GOOSE基于發(fā)布/訂閱機(jī)制，可以快速和可靠地交換數(shù)據(jù)集中的事件數(shù)據(jù)值相關(guān)模型對(duì)象和服務(wù)，包括GOID、APPID、MAC-Address、APPID、VLAN-ID、VLANPRIORITY、MinTime、MaxTime等參數(shù).SV基于發(fā)布/訂閱機(jī)制，可以快速地交換采樣數(shù)據(jù)集中的采樣值的相關(guān)模型對(duì)象和服務(wù)，包括SVID、APPID、MAC-Address、APPID、VLAN-ID、VLANPRIORITY等參數(shù)[4-10].

解析SCD文件建立虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表主要流程如圖1所示.通過(guò)上述SCD解析，可獲得變電站各級(jí)網(wǎng)絡(luò)，每級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含哪些設(shè)備，設(shè)備對(duì)外發(fā)布什么信息，設(shè)備間的連接關(guān)系及信息訂閱關(guān)系[11-14].交換機(jī)根據(jù)解析形成的設(shè)備間的連接關(guān)系及信息訂閱關(guān)系，建立虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表存入交換機(jī).

圖1 解析SCD文件建立虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表

1.2 基于業(yè)務(wù)建立通信鏈路

交換機(jī)通過(guò)解析SCD文件形成虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表后，將以伺服的方式檢測(cè)通過(guò)交換機(jī)的業(yè)務(wù)信息流類(lèi)型.在報(bào)文進(jìn)入交換機(jī)后，交換機(jī)對(duì)報(bào)文頭進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，如識(shí)別到EtherType(以太網(wǎng)類(lèi)型)為0x88BA時(shí)為SV報(bào)文，檢測(cè)到EtherType為0x88B8時(shí)則為GOOSE報(bào)文，交換機(jī)根據(jù)報(bào)文的唯一自描述實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流識(shí)別.通過(guò)在對(duì)報(bào)文進(jìn)行業(yè)務(wù)流識(shí)別后，加入異常識(shí)別機(jī)制，識(shí)別出異常報(bào)文，對(duì)異常報(bào)文進(jìn)行丟棄處理，并記錄異常報(bào)文輸入端口，將異常報(bào)文及端口信息作為報(bào)警信息封裝，上報(bào)管理端.業(yè)務(wù)信息流識(shí)別及異常報(bào)文處理如圖2所示.無(wú)論變電站繼電保護(hù)設(shè)備是否變化，交換機(jī)只要檢測(cè)到發(fā)布的業(yè)務(wù)和訂閱設(shè)備消息，立刻以虛回路專(zhuān)線的形式建立發(fā)布/訂閱關(guān)系的通信鏈路，完成業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)IED設(shè)備在交換機(jī)任何物理端口的“即插即用”.

圖2 業(yè)務(wù)信息流識(shí)別及異常報(bào)文處理

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

專(zhuān)用交換機(jī)樣機(jī)研發(fā)遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，緊貼智能變電站信息通信要求，針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)存在的局限性，提供高可靠性信息傳輸和智能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)基于SCD文件解析的繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信路徑自動(dòng)生成，能夠?yàn)橹悄茏冸娬镜耐ㄐ畔到y(tǒng)提供高實(shí)時(shí)性、高可靠性、業(yè)務(wù)信息流類(lèi)型感知等功能，構(gòu)建實(shí)時(shí)、互動(dòng)、開(kāi)放、靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，提高智能變電站的安全運(yùn)行水平.

2.2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)滿(mǎn)足智能變電站電磁兼容要求的高可靠性設(shè)計(jì)，如圖3所示.數(shù)據(jù)處理專(zhuān)用處理器A用于識(shí)別從繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)出，進(jìn)入交換機(jī)中的GOOSE、SV報(bào)文.報(bào)文交由專(zhuān)用以太網(wǎng)芯片B轉(zhuǎn)發(fā).專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)處理單元D用于分析智能變電站描述文件SCD，智能識(shí)別電力專(zhuān)用交換機(jī)端口和繼電保護(hù)設(shè)備之間連接綁定關(guān)系、建立和管理虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表.

圖3 硬件架構(gòu)原理圖

軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，主要包括三部分.操作系統(tǒng)，選用開(kāi)源的Linux2.6多任務(wù)操作系統(tǒng)，增加相應(yīng)的芯片寄存器操作驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動(dòng)，BCM芯片的SDK驅(qū)動(dòng).主機(jī)軟件，主要完成對(duì)交換芯片SDK驅(qū)動(dòng)的各個(gè)接口對(duì)接，啟動(dòng)交換機(jī)開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用交換機(jī)各項(xiàng)軟件功能和控制功能；Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)Web配置界面，與主機(jī)軟件中的Web服務(wù)器程序的通信服務(wù)端通信，獲取或者設(shè)置交換機(jī)各功能參數(shù).

3 RTDS系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

3.1 模型系統(tǒng)

為了驗(yàn)證基于SCD的網(wǎng)絡(luò)信息路徑自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)及功能，測(cè)試將開(kāi)發(fā)的交換機(jī)樣機(jī)應(yīng)用于繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送時(shí)的保護(hù)功能和整體性能測(cè)試.基于RTDS(實(shí)時(shí)數(shù)字仿真設(shè)備)搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，接入開(kāi)發(fā)的交換機(jī)樣機(jī)和線路保護(hù)、主變保護(hù)、母線保護(hù)等保護(hù)裝置，以及合并單元、智能終端等過(guò)程層設(shè)備，組成試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)備列表見(jiàn)表1所示.

表1 RTDS試驗(yàn)設(shè)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(fù)載；Ⅱ段母線帶一臺(tái)兩卷變壓器(額定容量300 MW)和300 MW負(fù)載.線路故障點(diǎn)K1，Ⅰ母故障點(diǎn)K2，Ⅱ母故障點(diǎn)K3，變壓器故障點(diǎn)K4.系統(tǒng)接線圖如圖4所示.

圖4 RTDS仿真系統(tǒng)接線圖

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

3.2.1 交換機(jī)SCD文件解析正確性測(cè)試

交換機(jī)能夠正確解析SCD文件，建立虛回路專(zhuān)線，生成相應(yīng)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑.如圖5所示.

圖5 自動(dòng)生成的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑

3.2.2 SV、GOOSE報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑正確性測(cè)試

報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)嚴(yán)格按照建立的虛回路轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，不能出現(xiàn)多發(fā)或少發(fā)的現(xiàn)象.通過(guò)鏡像配置及變化保護(hù)裝置接入端口的方式測(cè)試.

SCD文件中WBH-801變壓器保護(hù)裝置的業(yè)務(wù)收發(fā)情況如圖6所示，交換機(jī)每個(gè)端口的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)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(hù)裝置的業(yè)務(wù)收發(fā)情況

3.2.3 保護(hù)性能測(cè)試

系統(tǒng)通信正常后，分別模擬線路、主變、母線故障，要求相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作行為正確.測(cè)試結(jié)果表明保護(hù)動(dòng)作時(shí)間指標(biāo)滿(mǎn)足要求，具體如表2所示.

表2 保護(hù)動(dòng)作情況記錄表

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合定質(zhì)交換思想提出基于SCD文件的網(wǎng)絡(luò)信息路徑自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備接入交換機(jī)免配置“即插即用”，并通過(guò)繼電保護(hù)信息流業(yè)務(wù)類(lèi)型識(shí)別，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)信息流虛回路專(zhuān)線傳輸，提升了信息流的實(shí)時(shí)性與可靠性.通過(guò)測(cè)試交換機(jī)樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息路徑自動(dòng)規(guī)劃，并通過(guò)RTDS仿真驗(yàn)證，接入該交換機(jī)的繼電保護(hù)裝置在各種工況下的性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求.