CN102801580B - 一种智能变电站通信网络信息流计算评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为智能变电站通信网络信息流计算评估系统：包括SCD解析、报文长度计算、稳定流量计算、非稳定流量计算、计算结果输出等模块、SCD解析、数据类型和故障数据库；SCD解析模块对外接收SCD报文及外接SCD解析子数据库、输出至外接有数据类型数据库的报文长度计算模块，稳定流量计算模块和非稳定流量计算模块各自接收报文长度计算模块的输出、输出则汇集到计算结果输出模块处，非稳定流量计算模块还同时接收稳定流量计算模块的输出及外接故障数据库。本发明还涉及所述系统进行智能变电站通信网络信息流计算评估的方法。本发明能在通信网络设计的过程中，为设计人员提供设计依据，能够为设计人员和运行人员提供足够的预见性。

Description

一种智能变电站通信网络信息流计算评估系统及方法

技术领域

本发明涉及一种智能变电站通信网络信息流计算评估系统。本发明还涉及采用所述系统进行智能变电站通信网络信息流计算评估的方法。

背景技术

首先将文中用到的有关缩略语和关键术语定义如下：

GOOSE  通用面向变电站事件对象，  SV    采样值，

IED    智能电子设备，            VLAN  虚拟局域网

APPID  应用标识，                AccessPoint  访问点

PDU    协议数据单元。

智能变电站以一次设备数字化、数据传输网络化和信息共享标准化为基本要求，充分利用了网络环境下的信息共享，支持智能告警、故障信息综合分析决策、站域保护和控制等高级应用功能，全面提升了变电站自动化系统的技术水平，受到工业界和学术界的广泛关注。

实时、可靠的通信网络成为智能变电站的重要组成部分，是各种二次设备数据传输和信息交互的桥梁。智能变电站通信网络承载着GOOSE报文、SV报文以及时间同步报文的传输，SV报文、时间同步报文以及无新的变电站事件发生条件下的GOOSE报文均属周期性报文，这决定着通信网络数据流量在稳定状态下具有周期性。在一次设备发生故障的情况下，一连串的保护动作、控制信号和设备状态等信息通过GOOSE报文在设备之间传递，造成GOOSE报文流量发生突变。又由于一次设备故障是随机发生的，这就决定着通信网络数据流在非稳定状态下既具有突发性又具有随机性。

周期性、突发性和随机性这三种特性的耦合使得对于通信网络数据流的定量计算和分析遇到了重重困难，至今仍没有厂家或者研究机构提出有效的解决方案。

由于无法定量准确地预见智能变电站通信网络在运行状态下的数据流量水平，人们只能以估算的方式进行网络带宽的选择：

首先根据报文的整体长度的平均水平对GOOSE报文和SV报文的长度进行估算。如将GOOSE报文的长度估计为200Byte，将220kV和110kV下的SV报文大小估计为170Byte，将10kV下的SV报文估算为150Byte，然后确定间隔内部和间隔之间的信息流流向，对有GOOSE报文的通信关系，用200Byte×发包间隔的方式进行计算，对有SV报文的通信关系，根据具体的电压等级进行流量的估算。

采用估算的方式不能够准确反映通信网络的信息流水平，同时该方法只能计算稳定状态下的信息流，无法针对不同的故障状态计算通信网络在不同运行方式下的信息流水平，不利于对通信网络的状态进行有效的评估，无法实现大规模的运算。

估算的方式使得网络设计以及网络设备的选型存在很大的盲目性。设计人员往往以牺牲工程实施的经济性为代价，采用具有较大性能余量的设备（如设计更大的带宽），以解决网络流量与设备性能之间的矛盾。这种无根据的设计方式既不经济又因为无法准确的预测网络的各种运行方式，可能给通信网络的可靠性和实时性带来隐患。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种智能变电站通信网络信息流计算评估系统。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供采用所述系统进行智能变电站通信网络信息流计算评估的方法。

解决第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种智能变电站通信网络信息流计算评估系统，其特征是：包括SCD解析模块、报文长度计算模块、稳定流量计算模块、非稳定流量计算模块、计算结果输出模块、SCD解析数据库、数据类型数据库和故障数据库；

所述的SCD解析模块对外接收SCD报文及外接SCD解析子数据库、输出至外接有数据类型数据库的报文长度计算模块，稳定流量计算模块和非稳定流量计算模块各自接收报文长度计算模块的输出、输出则汇集到计算结果输出模块处，非稳定流量计算模块还同时接收稳定流量计算模块的输出及外接故障数据库。

所述的稳定流量计算模块计算在一次系统无故障且没有新的变电站事件发生情况下的通信网络的流量状态，非稳定流量计算模块计算一次系统发生故障或者有新的变电站事件发生的情况下的通信网络的流量状态。

本发明的原理：

定量分析的基础为变电站的配置文件（SCD文件），通过对SCD文件的解析，获取每一路报文的订阅关系以及该路报文所调用的数据集，SCD文件的解析应借助解析数据库中的信息，为解析提供依据。

解析完成后，可根据解析的结果进行报文长度的计算以及稳定流量计算和非稳定流量计算，两种情况下的流量可以分别计算，但是在本方案中非稳定流量计算是以稳定流量计算为基础的，是在稳定流量计算的基础上，根据故障数据库中记录的故障对不同故障组合下的稳定流量计算结果进行修正，每一次修正的结果共同组成非稳定流量计算的计算结果，并通过信息流定量计算结果输出模块输出给使用者。

解决第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种智能变电站通信网络信息流计算评估方法，包括以下步骤：

S1将SCD文件输入到智能变电站通信网络信息流计算评估系统的SCD解析模块中，SCD解析模块调用解析数据库，对SCD文件进行解析；

S2首先解析SCD文件的Communication部分和IED部分，根据解析的结果获取网络中各设备之间的订阅关系；

S3然后解析IED内部的数据集部分，为报文长度的计算形成基础；

S4报文长度计算模块依据数据集的解析结果调用数据类型数据库，并根据公式（1）计算每一路报文的长度；

S5根据公式（2），利用报文长度的计算结果和一部分Communication的解析结果对稳态情况下的信息流量进行计算；

S6判断是否需要进行非稳态情况下信息流的分析，如果不需要，则通过结果输出模块，将计算结果输出给运行人员，然后结束本流程；如果需要则进行下一步骤；

S7判断应用人员设置了何种故障，根据具体的故障情况，调用故障数据库非稳定情况下的信息流量数据，通过结果输出模块，将计算结果输出给运行人员，然后结束本流程。

有益效果：本发明的智能变电站通信网络信息流计算评估系统和方法，针对于稳定状态下的信息流计算和非稳定状态下的信息流计算，不仅可以计算给定方案和运行方式、故障条件下的信息流分布，可定量准确地预见智能变电站通信网络在运行状态下的数据流量水平，能在通信网络设计的过程中，为设计人员提供设计依据，能够为设计人员和运行人员提供足够的预见性，并提供一种很好的网络状态评估工具评价不同方案，为设备选型和方案选择提供依据。在提出方法的基础之上还提供了实现的工具，方便日后形成信息流的计算软件，便于工程中对信息流的分析，有效提高通信网络从设计阶段到运维阶段的可靠性和实时性，并提高通信网络在建设过程中的经济性。

附图说明

图1为通信网络信息流定量计算方案构架图；

图2为SCD文件的具体构成图；

图3为SCD文件中Communication的数据结构图；

图4为通过SCD解析得出本发明的方法需要的信息树形结构图；

图5为SCD对IED订阅报文的描述图；

图6为IED设备间的虚拟连线图；

图7为GOOSE报文和SV报文的结构图；

图8为SCD文件中对数据集的定义图；

图9为非稳定状态下GOOSE报文的发送间隔图；

图10本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的智能变电站通信网络信息流计算评估系统实施例，包括SCD解析模块、报文长度计算、稳定流量计算、非稳定流量计算、计算结果输出模块、SCD解析数据库、数据类型数据库和故障数据库。

SCD解析模块对外接收SCD报文及外接SCD解析子数据库、输出至外接有数据类型数据库的报文长度计算模块，稳定流量计算模块和非稳定流量计算模块各自接收报文长度计算模块的输出、输出则都到计算结果输出模块处，非稳定流量计算模块还同时接收稳定流量计算模块的输出及外接故障数据库。

稳定流量计算模块计算在一次系统无故障且没有新的变电站事件发生情况下的通信网络的流量状态，非稳定流量计算模块计算一次系统发生故障或者有新的变电站事件发生的情况下的通信网络的流量状态。

本发明的智能变电站通信网络信息流计算评估方法，包括以下步骤：

S1将SCD文件输入到智能变电站通信网络信息流计算评估系统的SCD解析模块中，SCD解析模块调用解析数据库，对SCD文件进行解析；

S2首先解析SCD文件的Communication部分和IED部分，根据解析的结果获取网络中各设备之间的订阅关系；

S3然后解析IED内部的数据集部分，为报文长度的计算形成基础；

S4报文长度计算模块依据数据集的解析结果调用数据类型数据库，并根据公式（1）计算每一路报文的长度；

S5根据公式（2），利用报文长度的计算结果和一部分Communication的解析结果对稳态情况下的信息流量进行计算；

S6判断是否需要进行非稳态情况下信息流的分析，如果不需要，则通过结果输出模块，将计算结果输出给运行人员，然后结束本流程；如果需要则进行下一步骤；

S7判断应用人员设置了何种故障，根据具体的故障情况，调用故障数据库非稳定情况下的信息流量数据，通过结果输出模块，将计算结果输出给运行人员，然后结束本流程。

下面对每一个模块实现的原理进行介绍。

1)SCD解析模块

本系统对数据流进行定量分析的基础在于对SCD文件的解析，SCD文件是IEC 61850定义的用于智能变电站配置的文件，涵盖了描述智能变电站全部智能电子设备（IED）、通信配置和变电站拓扑结构等段落内容。通过SCD文件的解析能够了解到整座变电站的智能电子设备（IED）配置情况以及它们之间的报文订阅关系。

SCD文件的具体构成如图2所示。

对于SCD文件的解析主要针对于两个部分，如图2所示，一个是Communication部分，一个是IED部分。对Communication部分的解析能够获得IED发送报文的情况。对IED部分的解析，能够获得IED接收报文的情况，与对Communication部分的解析结果相结合可获得全网络IED设备之间信息订阅关系；同时对IED部分的解析，也能够获得报文的各条组成元素，为报文长度计算模块提供计算的基础。所以解析SCD文件的目的为形成IED之间的订阅关系以及获取各路报文的组成元素。

A.订阅关系的形成

Communicat ion的具体结构如图3所示。

如图3所示，SCD文件在Communication中描述了全站的通信行为和通信连接。一个子网中包含多个ConnectedAP（通信访问点），通信访问点代表了一个接入点，可以发送/接收0个或多个GOOSE/SV报文。该接入点由apname（access point name）和iedname共同描述并唯一标识，一个IED可以包含多个Access Point。Address中包含了报文发往的目的地址，该报文所属的VLAN，优先级以及APPID，APPID唯一标识一路报文。SCD文件同时对每台智能电子设备（IED）都进行了描述，包括IED的名称，IED所具备的端口（AccessPoint）以及每个AccessPoint所涉及的各路GOOSE报文或者SV报文。对SCD文件的解析可以得出如图4所示的信息树形。

通过该树形结构可以形成一个以APPID为主键构成的IED发送报文表，如表1所示。

表1IED发送报文表

APPID	iedName	apName	type	cbName	ldInst
						0001	ML2201	G1	GSE	gocb0	RPIT
4001	ML2201	G1	SMV	smvcb0	RPIT

表1中涵盖了每个IED的不同端口发送哪几路报文的信息。

如图5所示，<ExtRef>表示逻辑设置节点对数据项的引用，根据iedName,ldInst,doName,daName在表1中找到ConnectedAP接收报文的APPID，即可获得报文所携带的APPID与接收该报文的IED设备以及每个IED设备不同端口（AP）的对应关系，即IED的不同端口接收到的各路报文。

综合以上IED设备发送的报文情况和接收报文的情况可获得如图6所示的IED之间的订阅关系图，业内称之为虚拟连线。

B.报文组成元素的解析

首先介绍GOOSE报文和SV报文的结构，如图7所示。

如图7可知，GOOSE报文和SV报文是由以太网头，PDU标识以及APUD共同组成。其中每一路GOOSE和每一路SV报文的以太网头和PDU标识的长度基本相等和相对固定，所以无需对这两段信息进行解析，可以根据其固定长度进行计算。而APDU的长度不同，不同路报文的长度区别主要取决于GOOSE报文和SV报文的APDU。而APUD的长度取决于该路报文所调用的数据集，所以报文组成元素解析过程的主要目的是解析数据集，数据集在SCD文件中定义，如图8所示。

每一个数据集即每一路报文所要传输的信息，一台IED对应着多少个数据集，就说明该IED设备发送多少路的报文。通过解析如图8中所示的数据集可以获得两部分信息，数据集的长度和每一条数据的长度，每一条数据的长度与该条数据的数据类型相关，这两部分信息是报文长度计算模块的基础。

2)报文长度计算模块

报文长度的计算公式为：

报文长度=以太网头长度+PDU标识长度+APUD长度（1）

其中以太网头长度和PDU标识的长度相对固定，分别为18Byte和8Byte。

根据SCD文件有关数据集的解析结果，可以通过查找每条数据的数据类型与其长度的对应表对数据集中的每条数据进行计算，综合数据集的长度，即可获得APDU的长度。按照公式（1），每一路报文的长度可求。

3)稳定流量计算模块

稳定流量计算模块运行处理的信息包括：每一路报文的长度、IED设备之间的订阅关系和报文的发送间隔。

前两项均通过SCD文件解析模块和报文长度计算模块获得，报文的发送间隔在SCD文件中也有记录，可以人为的进行修改。SV报文的发送间隔同采样频率相关，其中每周波80个点的采样频率常用于保护装置，而256点每周波的采样频率常用于计量装置。这两种采样频率对应的SV报文发送间隔分别为4000条每秒和12800条每秒。GOOSE报文在稳态状态下的发送间隔较长，一般为2条每秒或者1条每秒。

每一路报文的对应的数据流量计算公式如公式（2）：

一路报文流量=报文长度×每秒的发送数量×订阅该报文的IED设备数量（2）

将每一路的报文长度分别与其每秒钟的发送数量相乘，即可获得每一路报文一秒钟需要传送的流量，将每一路报文的流量与订阅了该报文的IED设备的数量相乘即可获得该路报文所对应的流量。将每一路报文的流量相加，就可以获得稳态情况下全网的报文流量情况。

4)非稳态流量计算模块

在非稳态流量状态下，GOOSE报文的发送间隔会发生变化。在非稳定状态下，如图9所示，故障等事件发生后，在T₁时刻发出第一条更新后的GOOSE报文，然后以间隔t_S＝2^N×S(N＝0，1，2…,S＝1ms)重发具有相同信息，但序列计数不同的GOOSE报文，即T₁＝1ms，T₂＝2ms，T₃＝4ms，……，直到间隔稳定为T₀＝500ms或者1000ms。

非稳态流量计算模块的基础为稳定流量计算结果以及故障数据库。故障数据库中包含了所有可能发生的故障类型以及每种类型故障发生时涉及到的设备。应用人员可以根据需要选取其中的一种故障进行非稳态流量的计算，也可以将几种故障组合在一起作为连锁故障或者设计几个非相关故障发生在不同或相同的时刻。然后根据故障涉及到的设备发送的报文发生变化的原则根据稳态流量的计算结果进行非稳态状态下的流量进行计算。

5)信息流定量计算结果输出模块

信息流定量计算结果输出模块采用可视化的功能使得流量的计算结果能够以视听的方式传达给应用人员。

Claims (2)

1.一种智能变电站通信网络信息流计算评估系统，其特征是：包括SCD解析模块、报文长度计算模块、稳定流量计算模块、非稳定流量计算模块、计算结果输出模块、SCD解析数据库、数据类型数据库和故障数据库；

所述的SCD解析模块对外接收SCD报文及外接SCD解析数据库、输出至外接有数据类型数据库的报文长度计算模块，稳定流量计算模块和非稳定流量计算模块各自接收报文长度计算模块的输出、输出则汇集到计算结果输出模块处，非稳定流量计算模块还同时接收稳定流量计算模块的输出及外接故障数据库；

所述的稳定流量计算模块计算在一次系统无故障且没有新的变电站事件发生情况下的通信网络的流量状态，非稳定流量计算模块计算一次系统发生故障或者有新的变电站事件发生的情况下的通信网络的流量状态。

2.一种根据权利要求1所述的计算评估系统的智能变电站通信网络信息流计算评估方法，包括以下步骤：

S1  将SCD文件输入到智能变电站通信网络信息流计算评估系统的SCD解析模块中，SCD解析模块调用解析数据库，对SCD文件进行解析；

S2  首先解析SCD文件的Communication部分和IED部分，根据解析的结果获取网络中各设备之间的订阅关系；

S3  然后解析IED内部的数据集部分，为报文长度的计算形成基础；

S4  报文长度计算模块依据数据集的解析结果调用数据类型数据库，并根据公式（1）计算每一路报文的长度；

报文长度的计算公式为：

报文长度=以太网头长度+PDU标识长度+APUD长度     （1）

其中以太网头长度和PDU标识的长度相对固定，分别为18Byte和8Byte；

S5  根据公式（2），利用报文长度的计算结果和一部分Communication的解析结果对稳态情况下的信息流量进行计算；

一路报文流量=报文长度×每秒的发送数量×订阅该报文的IED设备数量   （2）；

S6  判断是否需要进行非稳态情况下信息流的分析，如果不需要，则通过结果输出模块，将计算结果输出给运行人员，然后结束本流程；如果需要则进行下一步骤；

S7  判断应用人员设置了何种故障，根据具体的故障情况，调用故障数据库非稳定情况下的信息流量数据，通过结果输出模块，将计算结果输出给运行人员，然后结束本流程。