智能變電站SV通信異常分類判定分析

王進虎，王 娜

(1.天津送變電工程有限公司，天津 300000；2.天津市電子信息技師學院，天津 300350)

0 引言

智能變電站的正常運行是以各裝置設(shè)備之間的通信正常為基礎(chǔ)的，如果SV通信出現(xiàn)異常，將導致數(shù)據(jù)無法傳輸，必然引起相關(guān)保護裝置不能正確動作，因此SV通信狀態(tài)及異常對二次保護系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。

將主要研究分析智能變電站內(nèi)通信的原理及異常的分類，詳細分析SV通信異常對二次系統(tǒng)的影響，根據(jù)故障所引起的后果提出針對性的異常情況分析處理方案，為快速解決智能電子設(shè)備(intelligent electronic divice， IED) SV通信狀態(tài)異常問題提供依據(jù)，快速消除故障，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

1 SV通信技術(shù)

SV通信的運行方式基于發(fā)布/訂閱機制，主要是用來傳輸交流采樣值至保護、測控等裝置。目前在國內(nèi)的智能變電站建設(shè)中一般使用IEC 61850-9-2的標準，該標準不僅確定了通信服務(wù)映射中所定義的一種采樣值傳輸方式，還規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通道傳送一次瞬時值等內(nèi)容。IEC 61850-9-2采樣值采用應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(application protocol data unit，APDU)結(jié)構(gòu)，一個APDU可以由多個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(application service data unit，ASDU)組成。

IEC 61850-9-2采樣值在數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)與ISO/IEC 8802-3標準的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)是相同的，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 ISO/IEC 8802-3以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2 SV通信異常分類及影響分析

在新一代智能變電站SV通信中，導致SV異常的原因可分為兩大類：一類是由于智能設(shè)備配置文件配置不正確，包括合并單元、智能終端、保護裝置和交換機等裝置的配置文件；另一類是由于光纖物理鏈路異常導致的。SV異常會導致保護拒動或者誤動。

2.1 配置文件異常

SV通信每一幀報文中均含有MAC目標地址、MAC原地址、VLAN和優(yōu)先級信息、APPID、SVID、采樣計數(shù)器、配置版本、同步標識以及各通道數(shù)據(jù)的具體值和數(shù)據(jù)品質(zhì)的好壞等信息。智能變電站中智能設(shè)備的上述配置文件中相應(yīng)參數(shù)是否正確會直接影響SV通信的狀態(tài)。其實現(xiàn)方式主要是通過在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，接收方會嚴格地檢查相關(guān)的參數(shù)是否一致，來判斷通信狀態(tài)是否正常。針對不同參數(shù)錯誤情況下的異常狀態(tài)，接收方的智能設(shè)備會根據(jù)不同的情況發(fā)出相應(yīng)的告警。SV通信的報警功能在鏈路層實現(xiàn)，包括雙網(wǎng)的鏈路出錯，SV采樣值數(shù)據(jù)出錯、合并單元數(shù)據(jù)無效等。

2.2 數(shù)據(jù)品質(zhì)及物理鏈路異常

SV數(shù)據(jù)品質(zhì)異常主要包含了通道數(shù)據(jù)的、溢出、超量程、壞基準值、檢修位等。在實際的使用過程中品質(zhì)位使用Validity，Test屬性，00000001為無效，這個無效位由MU置無效，00000800即為檢修狀態(tài)。

SV物理鏈路異常的情形可以分為以下兩類。

(1) 當SV鏈路沒有足夠的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)間隔有問題，該鏈路數(shù)據(jù)置無效會報出SV數(shù)據(jù)出錯。SV檢修不一致報警是在SV接收軟壓板投入情況下，此時認為該鏈路數(shù)據(jù)置無效。當鏈路數(shù)據(jù)出錯時，所有告警會瞬時閉鎖保護，延時告警，正常后告警會自動復(fù)歸。

(2) 通信鏈路中硬件設(shè)備損壞導致物理通信鏈路中斷。其原因在于：智能設(shè)備裝置的光模塊端口損壞、光模塊端口衰耗過大、光纖衰耗過大、彎折損壞等。此時由于物理鏈路已經(jīng)中斷，接收方的裝置將會發(fā)出SV告警信息，同時裝置會閉鎖相關(guān)的裝置功能。

3 SV通信異常判定方法分析與處理

SV通信異常時，根據(jù)SV通信異?，F(xiàn)象，通過SV通信異常故障定位表，快速定位故障大概區(qū)段，采用分段隔離排除法準確定位故障位置，實現(xiàn)快速準確發(fā)現(xiàn)故障位置，再根據(jù)故障應(yīng)急處理方案快速選取相應(yīng)的應(yīng)急處理方案。

SV通信過程涉及過程層、間隔層、站控層的設(shè)備，主要有電流電壓互感器、二次電纜或者光纜、合并單元、交換機、保護裝置、測控裝置等。根據(jù)SV通信異常對各裝置的影響情況，可分為影響單一裝置和影響多個裝置的兩類情況。

3.1 SV通信異常判定分析

目前國內(nèi)應(yīng)用的SV通信服務(wù)在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸采用VLAN技術(shù)和優(yōu)先級標記，傳輸方式是組播方式。根據(jù)上述對各參數(shù)的作用及具體分析結(jié)果，接收方裝置收到SV報文后會按照如上的規(guī)則進行各項檢查，保證SV數(shù)據(jù)的正確。SV異常告警校驗的具體算法邏輯流程如圖1所示。

圖1 SV告警判定邏輯流程

3.2 處理

3.2.1 單一裝置SV異常告警

單一裝置出現(xiàn)SV異常告警的情況通常發(fā)生在站控層或者間隔層的裝置，如各類保護裝置、測控裝置等。主要可分為以下三類情況。

(1) 保護裝置本身的故障或告警，包括軟件程序運行異常、裝置某個相關(guān)插件異常等情況。單一裝置本身故障或告警原因定位分析如表2所示。

表2 單一裝置本身故障或告警原因定位分析

(2) 當接收方收到的數(shù)據(jù)品質(zhì)發(fā)生異常，處理方法是：采用手持式數(shù)字萬用表來獲取發(fā)送端的數(shù)據(jù)報文，通過查看相應(yīng)報文的狀態(tài)及其品質(zhì)位的值來初步確定數(shù)據(jù)品質(zhì)異常的原因。通過對照SV報文品質(zhì)異常的詳細分析來準確地確定數(shù)據(jù)異常的具體原因。數(shù)據(jù)品質(zhì)異常原因分析如表3所示。

表3 單一裝置數(shù)據(jù)品質(zhì)異常原因定位分析

(3) SV通信鏈路出現(xiàn)中斷。SV通信中斷原因如表4所示。

表4 單一裝置SV通信中斷原因定位分析

對于單一裝置SV異常告警的情況，處理流程是：使用手持式數(shù)字萬用表抓取報文來獲得相應(yīng)配置文件的各參數(shù)具體值，通過與SCD文件中正確的參數(shù)對比確定MAC目標地址、MAC原地址、VLAN和優(yōu)先級信息、APPID等相關(guān)的參數(shù)是否正確。如果通過對比發(fā)現(xiàn)手持式數(shù)字萬用表接收到的報文的參數(shù)配置一致，則確定是接收方裝置的光口出現(xiàn)異常。若手持式數(shù)字萬用表無法收到相應(yīng)的報文信息，則確定是發(fā)送方未發(fā)出數(shù)據(jù)報文或者是由于物理鏈路的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常而導致SV斷鏈。此時需要分段隔離，從接收端向發(fā)送端逐步排查發(fā)現(xiàn)問題。

3.3.2 多裝置SV異常告警

多個裝置同時出現(xiàn)SV通信異常的情況，通常不考慮多個裝置同時出現(xiàn)了裝置本身的故障的情形，主要考慮多裝置同一原因造成的SV異常告警。多個裝置出現(xiàn)告警的情況由電子式互感器異常、合并單元裝置異常、交換機異常、光纖物理鏈路異常等問題引起。

電子式互感器異常具體原因分析如表5所示。處理該種情況時具體方法是：通過查看各異常裝置的具體告警信息，找出其共同點即可定位到出現(xiàn)故障的具體設(shè)備，再根據(jù)表5分析造成故障的具體原因，待確定具體問題后可根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定更換設(shè)備、光纖，重新設(shè)置參數(shù)等操作使之恢復(fù)正常。

表5 電子式互感器異常原因定位分析表

合并單元裝置異常原因定位分析如表6所示。

表6 合并單元裝置異常原因定位分析表

合并單元異常的具體處理方法是：通過手持式數(shù)字萬用表抓取合并單元發(fā)出的數(shù)據(jù)報文，確定合并單元的數(shù)據(jù)發(fā)送是否正常。若無數(shù)據(jù)發(fā)出可能是由于光口、插件、配置文件參數(shù)等原因造成，此時可通過更換光口模塊、故障插件、修改參數(shù)等操作使之恢復(fù)正常。若數(shù)據(jù)發(fā)送正常但品質(zhì)存在異常，則可詳細查看該合并單元的自檢信息確定合并單元數(shù)據(jù)品質(zhì)異常的具體原因，再根據(jù)具體情況來處理。

當交換機整體出現(xiàn)故障或異常時，交換機無法正常工作，經(jīng)過該交換機傳輸?shù)男畔⒕鶗艿接绊?，導致接收方的裝置出現(xiàn)SV通信鏈路告警。如果是某間隔過程層交換機出現(xiàn)故障，一般只會影響該間隔相關(guān)的設(shè)備。相關(guān)的設(shè)備告警信息只涉及到本間隔的SV通信告警信息，與其他間隔無關(guān)。交換機異常原因定位分析如表7所示。

表7 交換機異常原因定位分析表

4 實際案例分析及處理

2019-03-29，范莊村220 kV新一代智能變電站運行維護人員發(fā)現(xiàn)后臺監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出告警信息。告警信息如下：

2019-03-29T12:42:14:635，同時出現(xiàn)220 kV甲母線保護B PCS915裝置SV總告警信號、220 kV甲母線保護B PCS915裝置收2215合并單元B SV中斷信號、220 kV甲母線保護B PCS915裝置9號板SV報警信號。

2019-03-29T12:42:19:628，220 kV甲 母 線保護B PCS915裝置發(fā)出SV采樣數(shù)據(jù)異常信號。

2019-03-29T12:42:49:702—2019-03-29T12:44:50:664，上述各信號分別復(fù)歸。說明SV通信恢復(fù)正常，相應(yīng)的告警信息自動復(fù)歸。

隨后間隔幾秒鐘又多次重復(fù)發(fā)出上述的告警信息。查看監(jiān)控主機相應(yīng)的220 kV鏈路監(jiān)控界面發(fā)現(xiàn)2215合并單元B至220 kV甲母線保護B的SV鏈路出現(xiàn)中斷，檢查其他界面相應(yīng)的SV鏈路均正常。

檢查監(jiān)控主機的告警信息及現(xiàn)場核驗，其他裝置均正常無SV通信相關(guān)的告警信息，只有220 kV甲母線保護裝置出現(xiàn)了裝置告警等信息。

經(jīng)過對以上信息進行匯總分析，首先該異常情況為單一裝置SV告警即220 kV甲母線保護B裝置，其他裝置均正常。其次該告警為2215間隔的SV鏈路出現(xiàn)了中斷，其他間隔均正常。根據(jù)前文的分析可確認故障位置為2215合并單元B至220 kV甲母線保護B裝置的SV直采鏈路出現(xiàn)了異常。

在做好安全措施后，采取分段測試的方法來排查故障的具體位置。在220 kV甲母線保護B屏內(nèi)，首先將220 kV甲母線保護B裝置接收2215合并單元B套SV直采的光纖拔下，使用手持式數(shù)字萬用表抓取2215合并單元B套發(fā)送的SV數(shù)據(jù)是否正常，檢查發(fā)現(xiàn)該光纖無數(shù)據(jù)傳輸。再將220 kV甲母線保護B裝置至光纖配線架的端口光纖拔下，再次使用手持式數(shù)字萬用表測試，仍無法接收到相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此可基本判定是從220 kV甲母線保護B屏光纖配線架至2215合并單元B套之間出現(xiàn)了故障。

將2215智能匯控柜中2215合并單元B的發(fā)送端口至光纖配線架的端口光纖拔下，再次使用手持式數(shù)字萬用表測試，顯示SV數(shù)據(jù)正常。

通過以上的測試，確定故障為2215智能匯控柜光纖配線架至220 kV甲母線保護B屏光纖配線架的光纜出現(xiàn)異常。使用光功率計進行相關(guān)測試發(fā)現(xiàn)該光纖衰耗過大出現(xiàn)中斷，再測量相應(yīng)的備用光纖，衰耗正常。通過上述檢查確定故障位置為2215智能匯控柜光纖配線架至220 kV甲母線保護B屏光纖配線架的光纖電纜熔接出現(xiàn)問題。根據(jù)測試的結(jié)果備用光纖正常，故障處理方法是將該直采鏈路轉(zhuǎn)移到備用光纖芯，待具備條件后再處理光纖中斷的故障，進行重新熔接。技術(shù)人員隨后更換相關(guān)光纖位置并確認無誤后進行測試和查看，SV鏈路恢復(fù)正常，各裝置均恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

通過該現(xiàn)場實例處理的過程發(fā)現(xiàn)，依據(jù)前文所述的分析過程和處理方法與現(xiàn)場的實際情況緊密結(jié)合，能夠快速地指導現(xiàn)場對問題進行相應(yīng)的處理，具備安全、實用、高效、快速的特點。

5 結(jié)論

在智能變電站SV通信技術(shù)原理研究的基礎(chǔ)上，以范莊村220 kV新一代智能變電站為例，分析了配置文件異常和物理鏈路異常對SV通信的影響，以及檢修機制對通信狀態(tài)的影響，并根據(jù)工程實際驗證了方法的可行性，具有較高的工程實用價值。