智能变电站虚拟后备测控单元自动投退及无缝切换技术研究

蔡亮亮，龚世敏，唐斌，李帅，张林，袁泉

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211151)

0 引言

目前在电力系统自动化配置中，测控装置通常采用按照间隔和断路器进行单一配置［1－4］，与保护双重化配置不同，这种配置方法在装置异常或检修的情况下没有后备装置可以进行功能替代，这将会对电力系统的稳定运行造成严重威胁。针对上述问题，在第三代智能变电站设计中引入了冗余后备测控装置，冗余后备测控装置能够为多个实体间隔测控提供虚拟后备测控功能。每一台冗余后备测控装置通过虚拟测控技术可以实现至少15个虚拟测控单元，每一个虚拟测控单元与对应的实体测控装置配置相同，可以完全替代实体测控的功能［5－7］。但虚拟测控与实体测控之间的切换方式和逻辑目前还不太成熟，很多既有方案还是依靠严格的现场操作规范来避免切换过程中的误操作。此外，在切换过程中还存在着信息重复上送监控后台、信息丢失等问题，上述各种不足均不符合未来智慧电力的设计愿景。

本文提出了一种冗余后备测控装置实时监测实体测控装置并可智能管理自身多个虚拟测控投退及信息无缝切换的方法，能够在保证电力自动化系统稳定运行的情况下对两者的运行实现智能管理。

1 现状与不足分析

关于虚拟测控投退机制，目前主流的做法和相关规范均要求人工参与。冗余后备测控装置的每一个虚拟测控单元实时监测对应的实体测控发出的过程层和站控层的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文来确定实体测控的运行状态，一旦监测到实体测控处于运行状态，则不允许投入相应的虚拟测控，对于已经投入的虚拟测控并非所有厂家的装置都能作自动退出处理。这就要求现场运维人员严格按照虚拟测控投退操作流程来避免实体测控和虚拟测控同时运行的情况，但是难免会存在操作失误的情况。这将会导致站控层和过程层设备同时感知到2个相同的测控装置的存在，导致网络冲突、过程层设备误动、信息错乱等问题出现，严重威胁变电站安全运行［8］。此外，现有技术中虚拟测控需同时监测实体测控在过程层网络和站控层网络发出的GOOSE报文来确定实体测控是否处于运行状态，以此来判断是否允许投入相应的后备测控。目前数字化变电站中每个实体测控装置向过程层和站控层网络发送的GOOSE报文约4帧，对应的冗余后备测控装置则需实时监测约60帧GOOSE报文，这将使冗余后备测控装置消耗较多的中央处理器(CPU)资源，并使配置和运维变得非常复杂。除了监测两个网络上的GOOSE报文，如果要全面监测实体测控的对外通信状态，还应该同时监测其站控层发出的制造报文规范(MMS)报文，但是目前暂无成熟稳定的监测方案。

现有智能变电站设计中，冗余后备测控装置的各虚拟测控在未投入的状态下仍然实时接收和判断来自过程层设备的遥信量和遥测量变化并产生相应的主动上送报告缓存。实体测控与虚拟测控共享过程层数据，因此两者将产生相同的报告。现场实体测控退出运行后虚拟测控自动投入运行，此时，虚拟测控缓存的报告将会发送至监控后台，这将会导致部分信息重复上送。如果简单地将虚拟测控缓存的报告清除，那么在主备测控切换过程中变电站内发生的遥测、遥信、告警变化等重要信息将被遗漏。为了信息不重复、不漏发，目前已有的技术是在后台监控系统中对主备装置上送的报告通过时标比对进行过滤，但这将会增加后台监控系统实现的复杂度。并且在当前智能变电站的设计中，监控后台是感知不到当前接入的是实体测控还是虚拟测控，不会承担两者信息分拣的角色。

2 解决方案关键技术

如何做到各虚拟测控的自动投退与无缝切换是解决冗余后备测控装置在智能变电站中应用的关键问题，目前还没有稳定成熟方案。现有的技术均需依靠人工参与来实现，如何在实体测控和虚拟测控之间实现准确、自动、稳定、无缝地投退与切换是本文主要的阐述内容。

2.1 冗余后备测控系统架构

冗余后备测控装置属于间隔层设备，能够支持虚拟测控至少15台实体测控装置的功能，各虚拟测控的性能指标及功能满足测控装置规范的要求，参数配置与对应的实体测控相同，具有独立的运维界面和投退软压板。

采用冗余后备测控装置的测控系统如图1所示，在该测控系统投入运行前将实体测控与虚拟测控的对应关系通过配置设定的方式进行固化，每个实体测控对应一个虚拟测控。在实体测控正常运行时对应的虚拟测控处于热备状态，只接收和处理过程层采集单元上送的遥信和遥测量，不主动往站控层和过程层发送任何数据。

图1 变电站冗余后备测控系统架构Fig.1 Architecture of a backup measurement and control device in a substation

各虚拟测控实时监控其对应的实体测控的运行状态，一旦实体测控由于故障或检修等原因完全退出运行，对应的虚拟测控则自动投入运行，可完全替代实体测控的所有功能。在实体测控故障排除或检修完毕重新投入运行时，虚拟测控则自动退出运行。

为了实现虚拟测控对实体测控运行状态的实时监测，实体测控装置需将自身的运行状态通过网络报文的方式主动发送至冗余后备测控装置。实体测控装置和冗余后备测控装置共享变电站专用数据网络［9－13］，可以通过2个共享网络进行数据交互。本文阐述的技术中，实体测控装置将自身的通信状态、功能状态、报告时间戳等运行自检信息通过共享网络发送至冗余后备测控装置，鉴于过程层网络需要实时传输大量的采样报文，为了可靠性，选择站控层网络来交互相关信息。如图2所示，冗余后备测控接收到实体测控的运行信息后分发至对应的虚拟测控进行分析，各虚拟测控根据分析结果可自动作出投退判断及信息无缝切换操作。

图2 实体测控与冗余后备测控数据共享机制Fig.2 Data sharing mechanism between a main and a backup measurement and control device

2.2 实体测控运行状态自检技术

实体测控装置主要的自检信息包括：最新一次主动上送报告时间戳、站控层GOOSE通信异常状态、站控层多媒体短信服务(MMS)通信异常状态、过程层GOOSE通信异常状态、测控功能异常状态。

实体测控装置的软件架构分为上层应用模块和底层驱动模块［14－15］，驱动模块负责板载芯片的驱动并对应用模块提供相关的底层操作接口。所有对外通信报文的收发均需要通过驱动层进行处理［16－17］。因此在驱动模块中开发了通信实时监测子模块用于监测装置对外的报文收发状态。

除了监测实体测控装置对外通信，在应用模块中的各测控功能子模块是否正常运行也至关重要，因为某些特殊情况下虽然装置对外的通信都正常，但遥信、遥控、同期、联闭锁等测控相关功能可能已经处于异常状态。因此本文将实体测控装置的各功能模块的运行状态也作为一项重要监测对象。

对各测控功能模块的监测可在各功能任务模块中添加一个状态报告函数接口，定期调用该接口向驱动模块中的功能监测子模块汇报自身的运行状态是否正常。如果驱动层的监测模块超过一定时间未收到功能模块的状态报告则认为该功能模块异常。实体测控装置应用层功能监测及装置对外通信状态监测示意图如图3所示。

2.3 实体测控装置报文时标同步机制

变电站实体测控装置在遥测量、遥信量、通信状态、告警事件等发生变化时会主动上送相关报告至监控后台。此时处于热备用状态的虚拟测控也将产出相同的报告，由于虚拟测控未与后台监控系统建立连接，所以产生的报告将会进行缓存，待虚拟测控投入运行后会将缓存的报告上送至监控后台。如果不对虚拟测控的缓存报告进行过滤，在实体测控与虚拟测控切换过程中将会产生大量的重复报告。但直接滤除虚拟测控投入前的缓存报告将导致在切换过程中电力系统发生的所有变化被完全遗漏。因此本文提出基于报文时标同步的报告过滤机制，首先，实体测控装置记录下每一次主动上送变电站监控后台报告的时间戳T1，汇同上述通信与应用功能状态发送至冗余后备测控装置。冗余后备测控装置将收到的信息匹配到对应的虚拟间隔，当虚拟测控被投入时根据对应的实体测控最后一次发送的报告时间戳对自身缓存的报告进行过滤。过滤机制为虚拟测控将时间戳早于T1的报告清除，不再上送监控后台。为了避免不同装置时间同步误差带来的影响［18］，虚拟测控在T1基础上向前推一个装置间同步时间偏差Δt，按照规范要求的1 ms对时精度，Δt取2 ms即可满足最大偏差要求，因此冗余后备测控的缓存报文过滤时刻T2的计算公式为

2.4 实体测控与冗余后备测控报文交互方式

实体测控通过驱动层模块中的监测报文发送子模块将监测到的自身工作状态进行组包并通过站控层网络发送给虚拟测控，该状态监测的报文是一种在链路层交互的组播报文，是一种单向报文，只从实体测控装置发给虚拟测控，无须复杂的报文订阅和发布机制［19］。报文结构简单，仅包括基本的源和目的物理地址(MAC)地址、报文类型、间隔号、T1时标、实体测控装置运行状态信息和帧校验。整个报文打包、传输、解析的过程仅会占用很少的CPU资源和网络带宽。

图3 实体测控功能与通信状态监测机制Fig.3 Main measurement and control function and communication status monitoring mechanism

为了保证实体测控装置的运行状态变化能够及时反馈到虚拟测控，在运行状态信息不发生变化的情况下，实体测控装置的状态监测报文发送时间间隔为秒级，但在状态数据发生变化时，为了更快地将状态监测报文送达虚拟测控，实体测控装置会以毫秒级时间间隔连续向虚拟测控发送多帧内容相同的状态监测报文。实现案例中，在运行状态信息不发生变化时，以5 s的时间间隔向站控层网络发送状态监测报文;在运行状态信息发生变化时以5 ms的时间间隔向站控层网络连续发送5帧状态监测报文，此后恢复5 s发送间隔。

冗余后备测控通过驱动层模块中的监测报文接收子模块对实体测控发出的运行状态监测报文进行接收和分发，各虚拟测控收到对应实体测控的状态监测报文后通过分析结果去触发告警或投退操作。上述实体测控与冗余后备测控之间交互状态监测报文的示意图如图4所示。

图4 实体测控装置状态监控报文收发与解析机制Fig.4 Status monitoring message transmitting，receiving and analyzing mechanism of a main measurement and control device

2.5 状态监测报文格式说明

状态监测报文如图5所示，报文共计28字节，左起依次是8字节目的和源MAC地址。2字节报文类型，作为实体测控和冗余后备测控的约定值，以及监控报文的识别标志。2字节的间隔号是指主装置在变电站中的编号，该编号在变电站调试阶段由工程人员同时在实体测控装置和虚拟测控中设定并做好关联。4字节实体测控最新报告时间戳T1，采用通用协调时(UTC)时间。4字节的运行状态，使用bit0～bit3分别表示站控层GOOSE通信异常状态、站控层MMS通信异常状态、过程层GOOSE通信异常状态、测控功能异常状态。值为1表示状态异常，0表示状态正常，其余28位可作为其他监测状态的扩展。

2.6 自动投退与无缝切换机制

冗余后备测控装置在现场是运行在上电热备状态的，在实体测控工作均正常的情况下所有虚拟测控均处于退出状态。

图5 实体测控装置状态监测报文格式说明Fig.5 Status monitoring message format of the main measurement and control device

实体测控与虚拟测控的投退逻辑如图6所示，实体测控在上述4种运行状态或T1发生变化时会立即将最新的状态告知对应的虚拟测控，虚拟测控在获取实体测控最新的运行状态后自动判断是否投退。需要注意的是，只有实体测控的4种运行状态均异常时，才表明整个实体测控已经完全退出了运行(断电或装置严重故障)，此时虚拟测控才能自动投入，该处理方式是为了避免投入的虚拟测控与未完全退出的实体测控在网络上形成冲突。

图6 实体与冗余后备测控的投退逻辑设计Fig.6 Switching logic between the main and the redundant backup measurement and control device

此外，在实体测控装置部分功能或通信异常的情况下，虚拟测控能够及时监测并告警，提示运维人员处理。在运维人员发现实体测控部分功能故障并将实体测控完全退出(断电检修)后，虚拟测控由于长期未收到实体测控的状态监测报文，则认为实体测控所有运行状态异常，自动投入。在投入过程中，根据实体测控发送的最后一次主动上送报告时间戳T1值计算出报告时标过滤值T2，将时间戳晚于T2的缓存报告上送监控后台，实现实体测控与其后备虚拟测控的无缝切换操作。

在运维人员排除实体测控故障后，将实体测控重新投入运行，此时虚拟测控会收到实体测控发出的运行状态监测报文，若实体测控运行状态恢复正常，则虚拟测控立刻自动退出运行。

3 结论

冗余后备测控作为智能变电站的重要组成部分，其实现的多个虚拟测控与对应的实体测控之间的自动投退及无缝切换是冗余后备测控装置在智能变电站运行中的关键功能。本文提出的技术方案能够稳定且便捷地实现该功能，符合智能变电站信息高效处理、应用便捷灵活、智能决策、运检体验高度智能等要求，提升了智能变电站的“智能”性。