智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)監(jiān)測與故障分析

許偉國，張 亮，金乃正

（紹興電力局，浙江 紹興 312000）

智能變電站的特點是采用智能一次設(shè)備和光纜通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的二次回路電纜，避免了因使用電纜導(dǎo)致電磁兼容、傳輸過電壓、交直流誤碰等造成繼電保護的誤動和拒動。通過光纖傳輸，簡化了二次回路，實現(xiàn)了監(jiān)控聯(lián)/閉鎖、保護采樣、跳/合閘、啟動、閉鎖等變電站二次系統(tǒng)的分布式功能，使用通信校驗與自檢技術(shù)，提高了二次信號的可靠性。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的“二次回路”狀態(tài)可視化，輔助運行維護人員快速定位故障原因，已成為智能變電站迫切需要解決的課題。

1 通信狀態(tài)的監(jiān)視

智能變電站設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信過程與系統(tǒng)配置是否一致、網(wǎng)絡(luò)通信能否正常運行將直接影響二次系統(tǒng)的正常安全運行，因此，必須對智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信的保護采樣、跳/合閘、啟動、閉鎖等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行全程監(jiān)視與在線分析。

基于IEC 61850標準的智能變電站通過GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件，簡稱GOOSE）通信，實現(xiàn)控制聯(lián)/閉鎖、跳/合閘、啟動等二次系統(tǒng)的分布式功能。由于GOOSE是 IED（Intelligent Electronic Device智能電子設(shè)備，簡稱IED）裝置之間的水平通信方式，為便于通信二次回路調(diào)試及運行值班人員日常運行監(jiān)視，目前一些后臺和監(jiān)控中心人機界面由IED依據(jù)發(fā)送GOOSE報文的報文有效時間的2倍時長判斷通信狀態(tài)，將接收每個GOOSE報告控制塊GOCB通信狀態(tài)的中斷和恢復(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)為雙位置GGIO狀態(tài)信息，并配置相應(yīng)報告控制塊，通過MMS（Microsoft Media Server protocol，微軟媒體服務(wù)器協(xié)議）送后臺監(jiān)控。圖1為接收GOOSE測控裝置通信狀態(tài)監(jiān)視的原理框圖。

圖1 IED裝置GOOSE通信狀態(tài)監(jiān)視原理

在變電站后臺監(jiān)控或無人值班集控系統(tǒng)中設(shè)計GOOSE通信在線狀態(tài)監(jiān)視功能時，如采用光字牌反映GOOSE邏輯通信狀態(tài)，需要許多光字牌畫面，無法直觀地對GOOSE的通信狀態(tài)進行全面可視化監(jiān)控，為此，專門設(shè)計了GOOSE通信狀態(tài)二維監(jiān)視圖，見表1。將發(fā)送與接收IED裝置之間通信狀態(tài)分為正常（綠色）、中斷（紅色）和無法判別（灰色）3種狀態(tài)。

表1 GOOSE通信狀態(tài)二維監(jiān)視

2 GOOSE故障特征模型

由于后臺監(jiān)控界面的GOOSE通信狀態(tài)按2倍報文有效時間內(nèi)IED接收裝置是否收到GOOSE報文來判別，無法判別通信時通時斷情況下存在的GOOSE二次回路“接觸不良”的情況，導(dǎo)致存在保護拒動或誤動的可能性。為此，必須對GOOSE通信中初始化、丟幀、離線與在線模型一致性進行在線監(jiān)視與分析，滿足二次系統(tǒng)狀態(tài)檢修對二次回路通信狀態(tài)的檢測。

對GOOSE利用介質(zhì)訪問控制MAC地址劃分邏輯鏈路，重點對GOOSE通信進行防誤操作聯(lián)/閉鎖、保護動作事件、心跳報文丟幀、中斷、初始化、與SCD（system confignration descirpiption，系統(tǒng)配置文件）設(shè)置通信組播不一致錯誤分析，以及記錄文件的字節(jié)數(shù)發(fā)生突變異常等在線故障進行診斷分析。

2.1 對GOOSE報文與SCD文件的一致性分析

依據(jù)GOOSE報文中的應(yīng)用標識、控制塊引用、數(shù)據(jù)集應(yīng)用、GOOSE標識、配置版本等，核對在SCD文件中的配置，有任何不相符時都會給出告警提示。

2.2 對GOOSE報文的符合性判斷

依據(jù)IEC 61850-7-2標準，狀態(tài)號StNum和序列號SqNum的變化分為以下3種情況，當發(fā)現(xiàn)不符合時給出錯誤提示：

（1）裝置重啟時StNum的值為1，SqNum的值為1。

（2）無新事件報文時StNum的值不變，SqNum的值加1。如果SqNum的值達到最大值，則SqNum的值變?yōu)?。如果SqNum值減1不等于前一幀報文SqNum值，認定通信丟幀。

（3）有新事件時，StNum的值加1，SqNum的值為0，如果StNum的值達到最大值，則StNum的值變?yōu)?。圖2為GOOSE故障模型。

圖2 GOOSE故障模型

利用上述GOOSE故障特征原理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)記錄與在線分析方法，可以快速發(fā)現(xiàn)GOOSE報文協(xié)議符合性錯誤以及丟幀、中斷等問題，通過綜合分析快速定位故障設(shè)備。

3 GOOSE通信中斷的分析方法

以某變電站監(jiān)控系統(tǒng)某次通信中斷的故障分析為例。該變電站監(jiān)控系統(tǒng)采用雙以太星型網(wǎng)，間隔層與站級層之間的通信采用MMS協(xié)議，間隔之間測控裝置通過GOOSE通信實現(xiàn)防誤操作聯(lián)/閉鎖的功能。變電站投運后，后臺監(jiān)控經(jīng)常報1號主變壓器220 kV和110 kV側(cè)與35 kV側(cè)GOOSE的A網(wǎng)與B網(wǎng)通信中斷及自動恢復(fù)，從現(xiàn)象初步分析，原因是1號主變壓器35 kV側(cè)測控裝置GOOSE發(fā)信經(jīng)常中斷。

3.1 測試

為確定故障原因，采用移動記錄分析儀在變電站進行測試。如交換機具備端口鏡像功能，可將后臺1的A網(wǎng)和后臺2的A網(wǎng)、遠動1的A網(wǎng)和遠動2的A網(wǎng)鏡像到端口，將移動記錄儀網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽口接入交換機鏡像端口；否則采用移動記錄儀網(wǎng)絡(luò)串入接口直接接入被測試設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)。當發(fā)現(xiàn)后臺監(jiān)控報通信中斷時，分析程序調(diào)用該時間段的記錄報文進行定量分析。如移動記錄分析儀具備在線分析功能，可以快速發(fā)現(xiàn)邏輯通信分類中的邏輯二次回路傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議的符合性錯誤，以及丟幀、中斷等問題。圖3為移動記錄分析儀交換機鏡像和被測試設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)串入方式測試圖。

圖3 監(jiān)聽交換機鏡像和被測網(wǎng)絡(luò)串入方式

利用移動式報文分析儀的在線檢測功能，發(fā)現(xiàn)了1號主變壓器35 kV測控裝置A網(wǎng)的規(guī)約符合性錯誤:stNum與sqNum變化錯誤，上一幀報文為（1，222397），本幀報文為（1，222399），丟失了1幀GOOSE心跳報文。同時后臺監(jiān)控報1號主變壓器220 kV和110 kV側(cè)與35 kV側(cè)GOOSE的A網(wǎng)與B網(wǎng)通信中斷，約2 s后自動恢復(fù)。接收測控裝置按GOOSE通信中斷為2倍報文有效時間判斷，本案例設(shè)置報文有效時間為10 s，因此，當20 s內(nèi)1號主變壓器220 kV和110 kV側(cè)測控裝置未收到1幀35 kV側(cè)測控裝置發(fā)送的GOOSE報文，即將通信中斷狀態(tài)位置GGIO置1，并通過MMS協(xié)議將狀態(tài)送后臺監(jiān)控及遠動裝置。但實際上1號主變壓器35 kV通信只丟失1幀，在20 s內(nèi)1號主變壓器的220 kV和110 kV側(cè)測控裝置收到了3幀GOOSE心跳報文，因而不該報“GOOSE通信中斷”。為確定誤報GOOSE通信中斷的原因，首先要確定是1號主變壓器220 kV及110 kV側(cè)測控裝置誤報，還是后臺監(jiān)控誤報。

3.2 分析

通過分析1號主變壓器110 kV側(cè)測控裝置上送的MMS報告協(xié)議，發(fā)現(xiàn)有2項信息發(fā)生變位，2 s后復(fù)歸。

通過SCD配置工具檢查測控裝置接收的GOOSE數(shù)據(jù)集，報告控制塊中這2項變位信息描述為：“40：1號主變壓器220 kV與1號主變壓器35 kV之間GOOSE通信中斷；41：1號主變壓器110 kV與1號主變壓器35 kV之間GOOSE通信中斷”，說明后臺監(jiān)控上報信息正確，可以排除后臺監(jiān)控誤報。

因此，初步斷定誤報通信中斷的原因是35 kV側(cè)測控裝置GOOSE發(fā)送中丟失1幀報文，1號主變壓器220 kV和110 kV側(cè)測控裝置與35 kV側(cè)測控裝置GOOSE中斷判斷程序存在錯誤。此外，另一可能誤報的原因是原測控裝置GOOSE發(fā)送心跳時間設(shè)置2 s，而應(yīng)現(xiàn)場驗收要求改為5 s，是否由于發(fā)送側(cè)測控裝置GOOSE沒有修改配置，導(dǎo)致丟失1幀后，接收測控裝置判斷8 s內(nèi)沒有收到發(fā)送裝置GOOSE的報文，判斷GOOSE通信中斷。為此，又檢查1號主變壓器110 kV側(cè)GOOSE接收配置6組的報告控制塊報文，發(fā)現(xiàn)110 kV母聯(lián)、110 kV正母和副母GOOSE報文中的報文有效時間為4 s。

3.3 故障原因

因接收測控裝置GOOSE中斷判斷程序存在錯誤，即不是按每組GOOSE邏輯通道的心跳時間作判斷，而是按接收全部GOOSE報告控制塊中的最小報文有效時間的2倍來判斷，由于廠家現(xiàn)場工作人員將SCD中GOOSE報文有效時間從2 s改為5 s，但沒有將修改后的配置下載到110 kV母聯(lián)、110 kV正母和副母測控裝置，因而造成錯誤。

4 結(jié)論

通過表征變電站網(wǎng)絡(luò)通信二次回路運行狀態(tài)的二維表，實現(xiàn)了變電站運行人員對GOOSE二次回路通信狀態(tài)的可視化監(jiān)控；通過建立GOOSE故障特征模型，提供了智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信GOOSE離線模型和在線模型一致性分析以及故障狀態(tài)檢測的方法；利用網(wǎng)絡(luò)通信記錄與分析等測試工具，實現(xiàn)了對智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信過程中產(chǎn)生的各種故障進行快速定量和定位分析，大大縮短了故障處理時間，降低運行維護成本，使智能變電站運行更安全、可靠。

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