基于SCD文件自适应的IED设备光功率自动测试技术研究

2019-11-27王元东刘志洪解天柱

通信电源技术 2019年11期

史晋，王元东，袁峻，刘志洪，解天柱，张伟

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南昆明 650200）

0 引言

智能变电站现场调试时，通信链路的检查和二次回路接线检查是非常重要的环节。随着信息技术和信息产业的发展，光纤通信以大容量、传输距离远、抗干扰能力强、抗腐蚀能力强、保密性好等特点，特别是接近无限的带宽资源，成为现有几种通信方式中最具潜力的技术[1]。

光纤性能优越，可在智能变电站中大量运用光纤作为传输介质进行二次设备之间的数据传输，如二次设备的采样信号、控制信号等数据的传输[2]。光纤链路是二次设备采样、控制、警告及计量等业务数据的来源通道。变电站统计数据显示，现阶段智能变电站中各智能电子设备（IED）中出现数据传输异常的原因多是光纤链路传输数据过程中出现了问题。可见，光纤链路的通信传输质量决定了智能变电站能否安全可靠运行。

1 自动匹配技术的提出及原理

1.1 自动匹配技术的提出

传统的光口测试方法是采用光功率计进行测试，原理为比较法[3]，如图1所示。

利用光功率计进行光口测试时，需要人工重复调节光衰减器，来回切换标准光功率计和待测光功率计，人工核对并记录数据进行计算，而这些因素都会导致整个测试过程效率低下[4]。同时，由于人工来回切换光纤，还可能导致光纤的损耗甚至损坏，直接影响测试结果的准确性。采用光功率计进行测试时，需利用光功率计测试每一个IED的每一个光口的收发功率，人工记录测试结果。测试完成后，依据光纤连接表或连接图人工进行两个IED之间收发口的匹配，找到一根光纤连接的两个IED，并根据已测得的两个IED两端的发送光功率值和接收光功率值，计算该光纤的连接衰耗值。现有的办法依赖于光纤配置表，需人工对两个IED收发光口进行匹配，造成工作效率低下，增加了工作时间和劳动强度，还有可能会出现匹配出错的情况，给后续的设备安全运行埋下了隐患。

图1 光功率测试原理图

由以上分析可以看出，人工的参与将会拉低整个光口测试过程的效率，同时直接影响测试结果和数据的准确性。所以，需要剔除人工参与，很好地解决这些问题。因此，本文提出了一种基于SCD文件自适应的方法完成光口的自动匹配，避免了人工直接参与，完成了IED设备光口功率测试，并能实现被测IED自动识别、光口自动匹配、光纤衰耗自动计算以及光纤逻辑链路自动校核并生成报告文件。

1.2 自动匹配实现的原理

智能变电站系统依据IED能力描述文件（ICD）和变电站规范描述文件（SSD），生成可以描述变电站内所有智能设备配置信息和智能设备之间通信信息的智能变电站配置文件（SCD）[5]。其中，智能设备之间的通信应遵守IEC61850协议。

每个IED发出的采样值（SV）和面向对象变电站事件（GOOSE）的报文中，都会在其发出的报文中标记其独有的APPID信息。在整个智能变电站中，每个IED的APPID的信息都是不同的。所以，在接收到报文后，只需要解析报文，从中提取出APPID信息，就可以知道该报文是哪一个IED所发出的，然后利用SCD文件即可识别出发端IED及与其相连的对端IED[6]。如图2所示，被测装置IED1的光口与IED2相连，当IED2的接收光口接收到报文信息后，对接收到的报文信息进行解析，提取其中的APPID信息。由于每一个设备的APPID都是不同的，所以可以在SCD文件中查找到当前发出该报文的IED，即可得出与接收端IED2相连的对端端口为IED1。同理，当IED1接收到报文时，也对报文进行解析，通过SCD文件检索可以查得的IED2就是其对端端口。在智能变电站中，两个智能电子设备光口之间的连接有且仅有一根光纤，所以只需如上述方法解析端口收发报文的APPID信息，即可确定两个相连的IED设备，从而自动完成设备的光口匹配工作。通过两个光口所记录的收发功率，即可对光口之间的功率衰耗值进行计算。

图2 自动匹配原理

2 关键技术实现

2.1 光纤衰耗自动计算

信号在传输过程中衰减是无法避免的。虽然光纤有着优秀的传输能力，但光信号在传输过程中还是有一定的衰减。光纤损耗大致可以分为光纤的固有损耗和制成后受使用条件影响造成的附加损耗[7]。测量光纤损耗时，需要先测出同一条光纤连接的两个端口的功率，即输入端的光功率Pin和输出端的光功率Pout，如图3所示，得到该条光纤总的平均损耗。假设该条光纤的长度为L（km），可算出单位长度的光纤损耗值为：

式中求得波长在λ处的衰减系数；Pin表示输入光纤的功率，Pout为输出光功率，L为光纤的长度。

图3 光纤损耗测量原理

实际测量时，各光口可以自动记录功率值，同时解析收发口的报文信息。利用SCD文件中的APPID信息，每根光纤连接的两个端口可以自动完成匹配。同时，经两端口测得的输入输出功率代入式（1），即可完成该光纤上的光功率损耗计算，并记录损耗值。

2.2 逻辑链路自动校核

智能变电站中，交换机是整个通信网络的重要枢纽[8]。采样值等重要信息都通过交换机网络以GOOSE、SV报文的形式传输。尽管SCD文件中对变电站内所有的IED的配置参数等信息都有了详尽描述，但SCD文件中不包含二次设备间的逻辑连接关系[9-10]。所以，上述IED设备间的光口匹配方法并不适用于交换机间的光口。由上述光口自动匹配方法可知，该方法依赖于SCD文件中各个IED的配置信息。为了实现交换机光口之间的自动匹配，还需对交换机配置信息建立模型来完善SCD文件。文献[11-12]详细介绍了交换机的建模原则和方法。通过模型，交换机也可以作为IED被包含在SCD文件中。

智能变电站SCD文件中设置了SV/GOOSE报文的发送周期及其在以太网中的参数。改参数决定了报文是否能够在网络中正确传输。组播地址是SV/GOOSE报文控制块的唯一地址，同时接收报文的设备也需要依据这个地址判断是否订阅该报文。当报文传输至交换机时，为了保证交换机能够准确转发报文，要在交换机的配置信息中加入组播地址和以太网信息。如图4所示，利用上述建立的交换机模型可以从SCD文件中提取交换机配置信息，进而完成交换机光口的自动匹配，具体方法如下：

（1）解析SCD文件，得到APPID等重要文件存至数据库；

（2）利用数据库的表连接和提取功能，得到交换机的配置信息表；

（3）解析被测IED收发报文来源，若为交换机，从配置信息表中找出相应的交换机与IED光口匹配。

图4 交换机配置信息提取

3 测试装置的研发

3.1 各功能模块

智能变电站光功率测试装置包括光口功率实时记录及损耗计算模块、IEC61850报文解析模块、光口自动匹配模块、SCD文件解析模块和测试报告生成模块。

3.1.1 光口功率实时记录及损耗计算模块

光口功率实时记录及损耗计算模块将实时采集和记录IED光口本侧及对侧的功率数据，在光口自动匹配成功时，提取对应时刻的功率数据进行光功率损耗计算，如图5所示。

3.1.2 IEC61850报文解析模块

该模块依据IEC61850协议对装置采集到的报文进行解析，读取并记录报文中的信息，提取各个IED设备的APPID信息。

图5 光口功率界面

3.1.3 光口自动匹配模块

该模块通过读取查找各个IED端口信息中的APPID信息，依据智能变电站信息交互的唯一性，利用APPID自动识别匹配，并进行两个端口的相互连接。

3.1.4 SCD文件解析模块

该模块是利用SCD文件所包含的IED设备的配置信息解析SCD文件，即可得到各个电子设备和以太网交换机的通信参数信息，并且通过解析SCD文件获取交换机的配置信息，如图6所示。

图6 交换机列表

3.1.5 测试报告生成

测试报告生成模块的主要功能是生成最新的测试结果报告，包括IED名称、插件号、光口号及光口收发功率测试、光纤衰耗值测试以及光纤逻辑链路校核结果，如图7所示。同时，用户还可利用该模块进行测试数据的查看与回访。

3.2 光口自动匹配测试的实现

光口自动匹配测试过程如图8所示。

第一步，选择待测装置，如从设备IED1开始，选定该设备的待测光口Tx1和Rx1，并解析这两个光口的报文，提取报文中的APPID信息。根据智能变电站配置文件，在全站IED中检索查找该APPID信息所属的电子设备IEDX。由于发送光口Tx1所发报文是设备IED1自己发送的，所以检索得到的IEDX应该就是IED1本身，此时记录下Tx1光口的报文及其发送功率。

第二步，解析接收光口Rx1所收报文的APPID信息，同样在全站范围内检索该APPID信息对应的设备IEDX。由于Rx1接收的是对端光口发送的报文，此时该设备IEDX一定不是设备IED1。假设该APPID信息对应的光口为设备IED2，则设备IED1的Rx1接收光口的对端光口就是设备IED2的Tx1发送光口，此时可通过IED1的发送端口与IED2的接收端口记录的功率进行功率损耗的计算。

图7 报告输出

图8 光口测试过程

第三步，在设备IED2保存的光口记录中查找是否含有IED1的信息。若有，即可确定IED2中Tx2与IED1中Rx1使用的是同一根光纤相连，此时可通过IED1的接收端口和IED2的发送端口记录的功率进行功率损耗计算。若没有，IED1自动记录这个光口的功率，同时进行下一个光口的测试，直到将IED1所有的光口测试完成，换下一个IED设备重复上述步骤，直到整个智能变电站中所有的IED设备完成测试，即完成了全站的光口自动匹配及测试。