基于UDP協(xié)議的主輔控聯(lián)動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)

盧聲 樊鵬 和紅偉 雍明超

（許繼集團(tuán)有限公司 河南省許昌市 461000）

1 引言

隨著國家電網(wǎng)有限公司提出要建設(shè)運(yùn)營好堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)工作部署安排，在現(xiàn)行變電站內(nèi)融合輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能，即解決傳統(tǒng)變電站輔助設(shè)備之間的運(yùn)行孤島問題，又通過在線監(jiān)控方式實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)通過發(fā)送聯(lián)動(dòng)信號(hào)對(duì)接入的輔控子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視及智能聯(lián)動(dòng)控制[1]，完成傳統(tǒng)變電站向智慧變電站的“變身升級(jí)”極具重要意義。

變電站網(wǎng)絡(luò)作為專屬局域網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)良、可靠性好，但數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)防火墻和安全隔離裝置雙重過濾，并需要使用正向隔離裝置阻斷TCP 網(wǎng)絡(luò)邏輯連接。且在主控系統(tǒng)和輔控系統(tǒng)間傳遞實(shí)時(shí)性強(qiáng)視頻音頻信號(hào)又不可避免的增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲性增大。因此，使用無需建立邏輯連接、實(shí)時(shí)高效即時(shí)通信、資源消耗小的UDP 協(xié)議[2][3]，配合電網(wǎng)通用模型描述規(guī)范CIM-E 語言格式建立模型[4]，用軟件方式實(shí)現(xiàn)主輔控系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)關(guān)系的自動(dòng)構(gòu)建，可有效破解這一技術(shù)難題。

2 變電站主輔控系統(tǒng)功能介紹

現(xiàn)行變電站內(nèi)部主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱主控系統(tǒng)）部署在安全區(qū)Ⅰ，輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱輔控系統(tǒng)）部署在安全區(qū)Ⅱ，聯(lián)動(dòng)設(shè)備分布在安全區(qū)Ⅳ，區(qū)Ⅰ和區(qū)Ⅱ加裝防火墻進(jìn)行安全隔離，區(qū)Ⅱ與區(qū)Ⅳ通過正向隔離裝置進(jìn)行通信，保證安全數(shù)據(jù)單向傳遞，從而有效地抵御各種來自電力網(wǎng)絡(luò)的惡意破壞和攻擊活動(dòng)，保障監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如圖1所示。

3 UDP通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.1 UDP通信協(xié)議格式定義

主控系統(tǒng)發(fā)送給輔控系統(tǒng)的信息，包含設(shè)備資源信息配置文件(0x43)和觸發(fā)聯(lián)動(dòng)信號(hào)(0x55)兩部分[5]。設(shè)備資源信息配置文件單項(xiàng)有效信息主要包含序號(hào)、站序號(hào)、監(jiān)控索引號(hào)、設(shè)備名稱及設(shè)備類型。監(jiān)控索引號(hào)為主控系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)ID，作為數(shù)據(jù)唯一標(biāo)識(shí)。設(shè)備類型包括遙控（0）和遙信（1），用于指明當(dāng)前測(cè)點(diǎn)類型，其傳輸幀格式見表1。

圖1：主輔控系統(tǒng)圖

圖2：主輔聯(lián)動(dòng)控制設(shè)計(jì)圖

圖3：軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

觸發(fā)聯(lián)動(dòng)信號(hào)每次發(fā)送一個(gè)主設(shè)備變化信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式包含“站序號(hào)、監(jiān)控ID、類型、屬性、值描述、事件時(shí)標(biāo)”，輔助系統(tǒng)接收到聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)后由唯一的監(jiān)控索引號(hào)查找，其傳輸幀格式見表2。

3.2 UDP通信協(xié)議接口實(shí)現(xiàn)

在接口實(shí)現(xiàn)過程中，編程可采用通用的跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt。利用Qt 庫中提供的QUdpSocket 類，只需要引入網(wǎng)絡(luò)編程內(nèi)容，在創(chuàng)建工程目錄下添加QT += network，就可以實(shí)現(xiàn)UDP 協(xié)議所需的套接字創(chuàng)建、端口綁定、以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)邏輯。

圖4：測(cè)試方案圖

圖5：配置文件

圖6：關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表內(nèi)容

4 主輔聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)策略

4.1 主輔聯(lián)動(dòng)控制策略

采用軟件方式，分為三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）在主控系統(tǒng)與輔控系統(tǒng)之間事先Port 端口號(hào)，以文本形式實(shí)現(xiàn)定主控系統(tǒng)的IP 地址和Port 端口內(nèi)容的靈活配置和編寫，支持多IP 地址設(shè)置[6]；

（2）當(dāng)主控系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)有遙信變位或者故障跳閘動(dòng)作時(shí)，主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送該測(cè)點(diǎn)的聯(lián)動(dòng)信息報(bào)文給輔控系統(tǒng)；

（3）輔控系統(tǒng)以聯(lián)動(dòng)報(bào)文信息中的測(cè)點(diǎn)索引號(hào)為依據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)甄別和有效性檢測(cè)丟棄非法數(shù)據(jù)報(bào)文；用配置文件信息更新本地聯(lián)動(dòng)策略信息，在關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫中增加測(cè)點(diǎn)索引號(hào)與聯(lián)動(dòng)設(shè)備索引號(hào)的映射關(guān)系表，為后期聯(lián)動(dòng)控制命令執(zhí)行建立通路，其實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

表1：配置文件傳送幀格式

表2：聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)傳送幀格式

4.2 數(shù)據(jù)甄別和有效性檢測(cè)

數(shù)據(jù)甄別邏輯，一方面用于判別數(shù)據(jù)是否來自約定主控設(shè)備、是否為有效UDP 約定報(bào)文頭、是否為設(shè)定Port 端口；另一方面用于判斷聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)報(bào)文屬于配置文件0x 還是聯(lián)動(dòng)信號(hào)。

有效性檢測(cè)邏輯用于報(bào)文一致性檢測(cè)和CRC 校驗(yàn)。其中，一致性檢測(cè)對(duì)報(bào)文類型標(biāo)識(shí)、站序號(hào)有效性、幀序號(hào)連續(xù)性、后續(xù)標(biāo)志位正確性、以及有效信息起始位置與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度合理性，判別數(shù)據(jù)是否存在序號(hào)跳變、丟失及亂序現(xiàn)象，充分保證獲取數(shù)據(jù)安全性和連續(xù)性[7]。

CRC 校驗(yàn)碼生成多項(xiàng)式：G(X)=X16+X12+X5+1，計(jì)算初值為0。通過對(duì)接收數(shù)據(jù)從“類型標(biāo)識(shí)字符后”到“數(shù)據(jù)內(nèi)容”的所有字節(jié)進(jìn)行重新計(jì)算累加和校驗(yàn)值[8]，與接收到的CRC 碼進(jìn)行比較，丟棄校驗(yàn)值不一致的數(shù)據(jù)，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)幀傳輸中發(fā)生越變和篡改[9]。

4.3 同步關(guān)聯(lián)表和聯(lián)動(dòng)控制

同步關(guān)聯(lián)表邏輯取監(jiān)控索引號(hào)MEASID 作為唯一有效標(biāo)識(shí)，判別MEASID 存在性及其狀態(tài)變化，根據(jù)聯(lián)動(dòng)配置文件更新聯(lián)動(dòng)策略信息，自動(dòng)對(duì)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行刪除、更新和新增等篩選操作[10]，同步更新與聯(lián)動(dòng)設(shè)備預(yù)置位的關(guān)聯(lián)關(guān)系映射表，保證主輔控系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系準(zhǔn)確。

當(dāng)輔控系統(tǒng)收到聯(lián)動(dòng)報(bào)文信息，判斷報(bào)文中的測(cè)點(diǎn)索引號(hào)為有效聯(lián)動(dòng)點(diǎn)，并在輔控系統(tǒng)中找到對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)虛設(shè)備IEDID 索引號(hào)，獲取相應(yīng)的聯(lián)動(dòng)策略信息，依據(jù)聯(lián)動(dòng)策略發(fā)送聯(lián)動(dòng)控制命令給聯(lián)動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制操作。

4.4 聯(lián)動(dòng)控制軟件實(shí)現(xiàn)流程

軟件實(shí)現(xiàn)上完全采用流程化、模塊式處理，其軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

5 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于UDP 協(xié)議方案可行性，根據(jù)《變電運(yùn)維班輔助設(shè)備全面監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》，在Linux 虛擬機(jī)系統(tǒng)上搭建輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，用本機(jī)的TCP&UDP 測(cè)試工具模擬主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)動(dòng)聯(lián)動(dòng)信息，約定通信雙方的IP 和Port 端口，測(cè)試方案如圖4所示。

利用TCP&UDP 測(cè)試工具模擬發(fā)送聯(lián)動(dòng)配置信息，在輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)目錄下根據(jù)接收到的收據(jù)生成對(duì)應(yīng)的配置文件linkagedevcfg.cime，如圖5所示。

利用TCP&UDP 測(cè)試工具模擬發(fā)送聯(lián)動(dòng)控制信息，以選取ID =5891 為例，經(jīng)程序判斷ID = 5891 為有效測(cè)點(diǎn)索引，在關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表查找關(guān)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)STATIONID 和MEASID = 5891 會(huì)找到一個(gè)驅(qū)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)控制點(diǎn)LOCALCTRLID = 10010。根據(jù)IDLOCALCTRLID找到關(guān)聯(lián)的虛設(shè)備IEDID，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。

利用Navicat 工具查看數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容，如圖6所示。

6 結(jié)論

本文介紹的基于UDP協(xié)議的主輔控聯(lián)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方法和測(cè)試方案，在2019年智慧變電站試點(diǎn)站輔控相關(guān)設(shè)計(jì)集中測(cè)試中性能良好，完全滿足測(cè)試性能指標(biāo)，有力證明了通過使用統(tǒng)一的UDP協(xié)議，能夠快速準(zhǔn)確響應(yīng)主控系統(tǒng)的智能聯(lián)動(dòng)需求，為提高變電站主輔控可靠運(yùn)行提供成熟經(jīng)驗(yàn)。