張 偉,龍崦平,田一哲,李佳敏
(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)
智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)基礎(chǔ)和重要組成部分,是未來智慧電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一。隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展,越來越多的智能變電站投入使用。相比傳統(tǒng)變電站,智能變電站最大的優(yōu)勢(shì)在于采樣數(shù)據(jù)高度共享,而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)便是電力交換機(jī)。隨著GOOSE、SV以及1588對(duì)時(shí)報(bào)文等多網(wǎng)合一模式的開發(fā)應(yīng)用,交換機(jī)虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network,VLAN)與靜態(tài)組播技術(shù)在抑制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、實(shí)現(xiàn)SV等采樣報(bào)文快速傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢(shì)也越來越明顯[1]。但更為廣泛的應(yīng)用同時(shí)也對(duì)電力交換機(jī)提出了更高的要求。如應(yīng)設(shè)法降低交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力,避免產(chǎn)生交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴,實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作快速出口;應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)SV等數(shù)據(jù)可靠快速轉(zhuǎn)發(fā),減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和報(bào)文抖動(dòng)性,避免由于報(bào)文采樣異常而引起的智能變電站保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生;應(yīng)盡量減少因電力交換機(jī)異常或檢修等原因而被迫退出運(yùn)行時(shí)對(duì)保護(hù)設(shè)備的影響[2]。
智能變電站繼電保護(hù)裝置的使用技術(shù)和調(diào)試技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,但由于智能變電站二次安全措施執(zhí)行的硬性規(guī)定對(duì)虛回路造成的破壞,使得現(xiàn)場(chǎng)檢修人員難以一次性對(duì)停電間隔的虛回路進(jìn)行完整查驗(yàn)。此外,目前對(duì)于電力交換機(jī)的調(diào)試檢修方法尚處于起步狀態(tài)。一方面是因?yàn)殡娏夹g(shù)人員不夠重視電力交換機(jī),另一方面是因?yàn)槟壳叭狈δ軌驅(qū)崿F(xiàn)電力交換機(jī)專項(xiàng)測(cè)試的儀器和手段。
現(xiàn)階段,變電站的檢修現(xiàn)場(chǎng)仍主要依靠交換機(jī)廠家技術(shù)人員的技術(shù)支持,且缺乏相關(guān)的監(jiān)督檢修機(jī)制。特別是采用大規(guī)模組網(wǎng)模式的500 kV智能變電站時(shí),站內(nèi)電力交換機(jī)的數(shù)量較多,虛回路復(fù)雜,這對(duì)于電力交換機(jī)應(yīng)急搶修的時(shí)效性以及設(shè)備正常檢修和調(diào)試工作的安全性而言意味著更高的要求與更大的挑戰(zhàn)。綜上,本文給出了一種基于Wireshark軟件的應(yīng)用于智能變電站檢驗(yàn)過程中的等效交換機(jī)解決方案,該等效交換機(jī)專注于智能變電站檢修調(diào)試與應(yīng)急搶修兩種應(yīng)用場(chǎng)景,以期能彌補(bǔ)現(xiàn)有的智能變電站虛回路完整性檢查措施與電力交換機(jī)應(yīng)急搶修措施的不足之處。
本文研制的等效交換機(jī)基于等效替代的思想,即令該等效交換機(jī)等效替代原本智能變電站中某臺(tái)電力交換機(jī)的功能和作用時(shí),應(yīng)不會(huì)對(duì)虛回路的聯(lián)系和各保護(hù)裝置的功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生任何影響?;谶@一主體思想,期望該等效交換機(jī)主要應(yīng)用于以下兩種應(yīng)用場(chǎng)景。
智能變電站過程層交換機(jī)上聯(lián)間隔層設(shè)備下聯(lián)過程層設(shè)備,若過程層交換機(jī)因故障而被迫退出運(yùn)行時(shí),則可能造成站內(nèi)同時(shí)長(zhǎng)期退出多套保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn),造成一失萬(wàn)無的現(xiàn)場(chǎng)。此時(shí)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)擾動(dòng)或者區(qū)外故障,則可能造成大量越級(jí)跳閘,導(dǎo)致系統(tǒng)大面積停電事故。如果有應(yīng)急電力交換機(jī),就可以在無廠家技術(shù)人員支援的情況下,以最短的時(shí)間恢復(fù)異常運(yùn)行的保護(hù),從而極大縮短一次設(shè)備無保護(hù)運(yùn)行時(shí)間,提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性。
搶修人員在抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后,直接將故障交換機(jī)上所有光纖轉(zhuǎn)接至等效交換機(jī)上,并進(jìn)行VLAN劃分,因此該交換機(jī)應(yīng)具有足夠數(shù)量的光口,并配備適量光口轉(zhuǎn)接頭以適配不同類型的光纖接口。此外,為了維持與其他運(yùn)行中交換機(jī)的級(jí)聯(lián)關(guān)系,替代使用的等效交換機(jī)應(yīng)具備適當(dāng)數(shù)量的電網(wǎng)口。該等效交換機(jī)將作為臨時(shí)替代持續(xù)運(yùn)行至原本的電力交換機(jī)故障修復(fù)完畢為止,且在該過程中應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控各裝置報(bào)文,對(duì)異常報(bào)文進(jìn)行報(bào)警,監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等。為此顯然有必要設(shè)計(jì)一個(gè)專用的人機(jī)接口程序,以便搶修人員更好地監(jiān)控交換機(jī)所處的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[3,4]。
在智能變電站檢修現(xiàn)場(chǎng)中,當(dāng)某一間隔停電后,最可靠的二次安全措施是電氣隔離(拔出光纖、退出智能終端硬壓板),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備的安全隔離。這種隔離方式雖能夠在一定程度上降低失誤率,提高整體的安全性能,但也往往會(huì)破壞過程層網(wǎng)絡(luò)的完整性。尤其是500 kV智能站二次設(shè)備的檢修,往往需要隔離眾多組網(wǎng)光纖,從而造成在試驗(yàn)過程中不能同時(shí)監(jiān)測(cè)二次設(shè)備光纖回路中發(fā)送和接收的報(bào)文信息,不能驗(yàn)證二次虛回路的完整性,極易忽略部分二次虛回路的驗(yàn)證。以澧州變500 kV孱澧Ⅰ線B套保護(hù)為例,根據(jù)國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司對(duì)繼電保護(hù)二次安全措施的硬性規(guī)定,應(yīng)采取拔出光纖的方式對(duì)虛回路進(jìn)行可靠隔離,具體如圖1所示。
圖1 保護(hù)隔離組網(wǎng)示意
由圖1可以看出,該間隔檢修安全措施隔離完畢后,雖然將檢修設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行了有效隔離,但整個(gè)間隔網(wǎng)絡(luò)將處于極不完整的狀態(tài),同時(shí)停電間隔內(nèi)檢修設(shè)備與檢修設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)也被破壞。在這種狀態(tài)下進(jìn)行檢修例試,只能進(jìn)行單一裝置的檢驗(yàn)和單一間隔的傳動(dòng)試驗(yàn),將無法正確進(jìn)行《繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置檢驗(yàn)規(guī)程》等有關(guān)規(guī)定中要求的二次回路完整性以及整組試驗(yàn)的驗(yàn)證。若過程層組網(wǎng)虛回路錯(cuò)誤且在例行檢修試驗(yàn)和調(diào)試中沒有發(fā)現(xiàn),則極易釀成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的重大事故。
將相關(guān)停電間隔的保護(hù)裝置、智能終端以及合并單元均從原本的電力交換機(jī)改接入本文研制的等效交換機(jī)中,既能滿足繼電保護(hù)二次安全措施中有效隔離檢修設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備間所有聯(lián)系的安全性要求,又能確保停電間隔各裝置之間的所有虛回路仍能保持完整性,為檢修人員完整檢查虛回路的需求提供了有力保障。為了能校驗(yàn)接入等效交換機(jī)中的虛回路,分析各裝置報(bào)文,顯然上述的人機(jī)接口程序還應(yīng)當(dāng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包、嗅探與分析等業(yè)務(wù)[5]。
基于上述需求分析,本文研制的等效交換機(jī)按如圖2所示的硬件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。裝置硬件主要包括光電端口、電力交換機(jī)、電源系統(tǒng)、充電管理系統(tǒng)、鋰電池以及電量指示燈?;诂F(xiàn)場(chǎng)使用需求與電磁兼容考慮,設(shè)計(jì)27個(gè)對(duì)外端口,其中24個(gè)為光模塊端口,用于接入各保護(hù)裝置、智能終端以及合并單元等的組網(wǎng)光纖。3個(gè)為RJ45電口,用于與其他交換機(jī)級(jí)聯(lián)以及連接人機(jī)交互界面[6]。本裝置設(shè)計(jì)的充電管理模塊由電池充電管理芯片、充電回路、控制MOS、船型開關(guān)等組成,具有充電指示、適配器插入檢測(cè)與充滿自動(dòng)斷電保護(hù)等功能。通過充電管理系統(tǒng)為蓄電池充電,借助充電模塊可在無外接電源的情況下使用,實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)便攜使用的需求,大大減少了應(yīng)用場(chǎng)景的限制[7]。電源系統(tǒng)、鋰電池以及電量指示,采用直流12 V的充電電源。
圖2 等效交換機(jī)硬件架構(gòu)
最終完成搭建的等效交換機(jī)硬件部分如圖3所示,其外尺寸同大部分電力交換機(jī)一樣采用1U標(biāo)準(zhǔn)尺寸,以便于臨時(shí)安置在保護(hù)屏柜內(nèi)使用。
圖3 等效交換機(jī)硬件部分實(shí)物
Wireshark是開源軟件項(xiàng)目,所有的源代碼在通用公共許可證(General Public License,GPL)框架下都可以免費(fèi)使用。開發(fā)人員很容易在Wireshark上添加新的協(xié)議解析器,或者將其作為插件整合到自己的程序里?;谝陨显颍琖ireshark包含了極其豐富的協(xié)議解析器,包括智能變電站中使用到的MMS協(xié)議、SV協(xié)議、GOOSE協(xié)議、104協(xié)議、PTP協(xié)議以及SNTP協(xié)議等,因此其在智能變電站調(diào)試檢修中應(yīng)用范圍廣泛?;谶@一點(diǎn),本文研制的等效交換機(jī)選擇該軟件來進(jìn)行人機(jī)接口程序的開發(fā)[8]。
在Wireshark軟件里,針對(duì)智能變電站設(shè)備檢修,開關(guān)量(GOOSE)一般是以“點(diǎn)”的形式出現(xiàn),在檢修人員看來這與常規(guī)站無異,但模擬量(SV)是以“面”的形式出現(xiàn),換言之是以底層SV報(bào)文的形式呈現(xiàn),而底層SV報(bào)文采用的是ASN.1語(yǔ)法描述,這就意味著現(xiàn)場(chǎng)檢修人員需要對(duì)底層報(bào)文具有一定的解析能力和判別故障的能力,而這也給現(xiàn)場(chǎng)檢修人員帶來極大的不便,限制了該軟件在智能變電站中的應(yīng)用。因此本文應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要著力于改進(jìn)Wireshark軟件對(duì)SV報(bào)文的二次處理。由于對(duì)SCD配置文件解析能力與SV通道數(shù)據(jù)解析能力的不足,Wireshark軟件在捕捉解析SV報(bào)文方面具有明顯的短板,主要表現(xiàn)為以下4個(gè)方面[9]。一是不能在樹形結(jié)構(gòu)中展示SV通道數(shù)據(jù);二是不能對(duì)SV語(yǔ)義上的異常進(jìn)行識(shí)別;三是不能以波形方式展示SV通道數(shù)據(jù);四是不能給每幀報(bào)文打上精準(zhǔn)的時(shí)標(biāo)。
為彌補(bǔ)上述4個(gè)軟件方面的缺陷,需要在Wireshark框架基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),結(jié)合本文前述的需求分析,二次開發(fā)軟件的基本思路如下。一是增加SCD配置解析和SV通道數(shù)據(jù)解析功能;二是根據(jù)上述解析結(jié)果進(jìn)行異常識(shí)別和波形展示;三是裁剪掉Wireshark自帶的報(bào)文捕捉模塊,分析基于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析記錄裝置捕捉到的報(bào)文;四是通過對(duì)比分析,選擇使用QT作為界面開發(fā)框架。
綜合上述關(guān)于Wireshark軟件二次開發(fā)的考慮,需要增加能解析SCD配置文件、解析SV通道數(shù)據(jù)、展示SV模擬量波形以及識(shí)別SV報(bào)文異常的4個(gè)模塊。
3.2.1 SCD配置解析模塊
智能變電站科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(Science Citation Database,SCD)配置文件含有全站所有二次設(shè)備的全部信息,為了從中獲取SV控制塊的內(nèi)容,并在此基礎(chǔ)上為其手動(dòng)配置SCD文件所未包含的SV通道相別、一二次變比等信息,必須設(shè)法對(duì)SCD配置文件進(jìn)行解析??紤]到SCD配置文件使用XML語(yǔ)言編寫,在眾多解析XML文件的庫(kù)中,最終確定選用Qt提供的QtXml模塊來對(duì)SCD文件進(jìn)行解析,由此可獲得的SV控制塊信息,包括MAC地址、APPID、svID、DataSet、confRev、數(shù)據(jù)集元素個(gè)數(shù)以及各個(gè)通道的信息,包含通道描述和通道類型。其中需要手動(dòng)為各個(gè)通道配置通道相別、設(shè)備一次變比、二次變比等信息。
3.2.2 SV通道數(shù)據(jù)解析模塊
為了能提取SV通道中的模擬量信息并展示波形,必須設(shè)法獲取SV報(bào)文中通道數(shù)據(jù)值。在分析SV報(bào)文幀格式后不難發(fā)現(xiàn),其中各個(gè)通道的模擬量數(shù)據(jù)是直接編碼在報(bào)文中,并非使用ASN.1語(yǔ)法的BER編碼。由于Wireshark軟件本身的SV協(xié)議解析器只能將SV報(bào)文解析至BER編碼部分,無法翻譯各通道中的模擬量數(shù)據(jù)相關(guān)編碼,為此必須新增SV通道解析處理相關(guān)的代碼并將其加入Wireshark的SV協(xié)議解析器中。
3.2.3 語(yǔ)義異常識(shí)別模塊
Wireshark軟件本身只能判別SV報(bào)文的一些基本語(yǔ)法錯(cuò)誤,如不符合編碼規(guī)則、長(zhǎng)度不符合要求等,而對(duì)于SV報(bào)文語(yǔ)義上的部分異常卻無法進(jìn)一步識(shí)別,如SV失步、SV檢修、SV數(shù)據(jù)無效、SV配置不一致、SV丟幀以及SV抖動(dòng)等語(yǔ)義。為此特意新增一個(gè)語(yǔ)義異常識(shí)別模塊,該模塊將綜合前述SCD配置解析模塊和SV通道數(shù)據(jù)解析模塊中獲取的信息,并用于對(duì)SV報(bào)文中的異常語(yǔ)義進(jìn)行特異性識(shí)別。
3.2.4 波形展示模塊
利用前述新增的SCD配置解析模塊,可以提取出每個(gè)SV通道的通道描述信息、通道類型信息、通道相別信息以及設(shè)備一二次變比信息等。而借助前述新增的SV通道數(shù)據(jù)解析模塊,又可以提取出每個(gè)SV通道中的原始模擬量數(shù)據(jù)。結(jié)合以上兩者,可以推知采樣步長(zhǎng)與采樣頻率,再由Wireshark軟件讀取每個(gè)采樣點(diǎn)處的瞬時(shí)值,使用Qt界面提供的QPainter模塊即可完成模擬量的波形繪制。
考慮到目前智能變電站檢修現(xiàn)場(chǎng)普遍使用諾思譜瑞和凱默等廠家的手持式調(diào)試設(shè)備,本裝置將上位機(jī)選定為諾思譜瑞CRX200S手持式智能裝置測(cè)試儀,其使用平板觸摸屏,輕巧簡(jiǎn)便,利于人機(jī)交互,同時(shí)向用戶開放搭載App軟件的功能。本裝置的人機(jī)接口程序App采用模塊化的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法,其開發(fā)環(huán)境基于Android Studio進(jìn)行搭建,采用Android通用版組態(tài)軟件。在Android應(yīng)用中,有Activity、Service、Broadcast Receiver以及Content Provider共4大組件,而Activity是目前應(yīng)用最廣泛的組件之一。它為應(yīng)用程序提供了可用于交互的可視化界面,開發(fā)人員可在界面中自由添加相應(yīng)的組件實(shí)現(xiàn)特定的功能[10,11]。基于該組件,添加了前述開發(fā)思路中提及的4種模塊的Wireshark軟件工具被整合成一款本裝置專用的App,其最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)VLAN進(jìn)行劃分、實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)文、報(bào)文異常報(bào)警、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴以及抓包關(guān)鍵數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)功能,最終實(shí)裝效果如圖4所示。
圖4 搭載于CRX200S的等效交換機(jī)專用App
在完成等效交換機(jī)硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)后,通過交換機(jī)預(yù)留的RJ45電網(wǎng)口將搭載了專用App的CRX200S手持式智能裝置測(cè)試儀接入等效交換機(jī)中進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)。實(shí)地選取了220 kV通益變電站作為初步調(diào)試的場(chǎng)所,將全站SCD文件下裝至測(cè)試儀中后,利用站內(nèi)#2主變停電檢修的機(jī)會(huì)將與該間隔相關(guān)的保護(hù)裝置、智能終端、合并單元以及合智一體設(shè)備的組網(wǎng)光纖接入至等效交換機(jī)內(nèi),調(diào)用專用App對(duì)各裝置進(jìn)行了VLAN劃分,并通過數(shù)據(jù)抓包得到各接入裝置的IED信息,如圖5所示??梢姳疚难兄频牡刃Ы粨Q機(jī)可切實(shí)起到替換變電站中電力交換機(jī)的作用,保留了停電間隔內(nèi)完整的虛回路連接,且在適用變電站例行停電檢修的同時(shí),也可在電力交換機(jī)發(fā)生故障的情況下作為臨時(shí)交換機(jī)使用。
圖5 等效交換機(jī)軟硬件聯(lián)調(diào)實(shí)際效果
本文研制了一款智能變電站專用的等效交換機(jī),其主要思路在于等效替代智能站中原本的電力交換機(jī),并用專門設(shè)計(jì)的App擴(kuò)展業(yè)務(wù)范圍,開創(chuàng)式地實(shí)現(xiàn)了在變電站例行停電檢修時(shí)期對(duì)停電間隔內(nèi)所有虛回路進(jìn)行一次性的完整核查。此外還能在站內(nèi)電力交換機(jī)發(fā)生故障被迫退運(yùn)的情況下,作為臨時(shí)交換機(jī)替代其使用投入,并通過專用App賦予其實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)文、識(shí)別異常報(bào)文并報(bào)警以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等功能,為智能站的安全穩(wěn)定運(yùn)行再添新保障。
綜合而言,該款智能變電站檢驗(yàn)等效交換機(jī)具有以下特點(diǎn)。一是泛用性,交換機(jī)本體光口數(shù)量多,可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)傳輸,解決端口不足問題,且根據(jù)智能變電站不同的光纖接口類型配備相應(yīng)的光口轉(zhuǎn)換配件,可滿足多種場(chǎng)合下的使用。二是輕量性,交換機(jī)本體重量輕,體積小,易于攜帶。三是便捷性,交換機(jī)本身內(nèi)置可充電電源,便于開展移動(dòng)作業(yè)。配套軟件所搭載的測(cè)試儀可單手手持使用,基于諾斯譜瑞測(cè)試儀平臺(tái)開發(fā)的智能化人機(jī)交互界面,通過網(wǎng)線即連即用,無需額外設(shè)置。四是多功能,借助基于Wireshark軟件開發(fā)的專用App,實(shí)現(xiàn)對(duì)交換機(jī)VLAN劃分、報(bào)文實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)文報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴監(jiān)控、關(guān)鍵數(shù)據(jù)抓包以及制定智能檢修策略等業(yè)務(wù)。
進(jìn)一步的測(cè)試將在征求專業(yè)管理部門許可后,在國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司維護(hù)的智能變電站中開展,并定期收集在不同班組和不同變電站現(xiàn)場(chǎng)使用后的具體問題反饋,形成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作總結(jié),改進(jìn)本款等效交換機(jī)的用戶體驗(yàn)。