许继电气股份有限公司直流输电分公司、许昌职业技术学院信息工程学院的张自朋、田萍、吴春昇、李金旗、王祺元，在2023年第3期《电气技术》上撰文，基于虚拟建模技术的直流输电故障录波智能网关，将换流站内所有录波装置建模成录波逻辑设备，即建模成虚拟的智能电子装置（IED）模型，实时侦测所有录波装置的故障录波数据区生成的文件，并生成重定向文件，同时驱动录波逻辑设备，采用IEC 61850通信协议并扩展文件访问服务，实现与调度中心智能录波主站系统的通信，可以解决直流输电故障录波系统启动频繁、录波文件数量庞大的问题。
特高压直流输电控制与保护系统作为闭环控制系统，对控制精度、时序等性能的要求极高，不能有丝毫差错。为分析关键操作或故障情况下控制与保护系统的执行和响应过程，直流换流站除配置专业的故障录波装置外，在众多控制与保护装置（阀控、阀保护、极保护等控制保护设备）中也内置了故障录波功能模块，从而构成换流站完整的故障录波系统。
换流站故障录波装置/模块可分为交流和直流两类：交流故障录波装置/模块记录交流场及交流滤波器场的电流、电压、开关状态及相关的保护动作、故障信息等；直流故障录波装置/模块记录直流开关场的电流、电压、开关状态及相关直流控制与保护系统的信号。
各级调度中心为保证直流输电工程的安全稳定运行，需要实时收集分析换流站内所有的故障录波数据，以便及时分析直流系统运行状况或处置异常情况。传统的录波数据转发技术由于实时性较差、通信效率较低且无法接入IEC 61850标准的故障录波主站系统等原因不能被继续应用。
随着IEC 61850的推广、数字化智能变电站的增多等引发的电力网络通信模式的转变，各级调度中心内的许多实时业务系统正在逐步更换为符合IEC 61850规范的应用系统；而传统直流换流站的相关子站系统接入采用IEC 61850标准的主站系统时面临巨大的标准和技术差异。
目前，已建及在建的直流输电换流站采用的仍是传统的换流站控制与保护系统，而并非基于IEC 61850标准的智能换流站控制与保护系统。如何将传统换流站的故障录波系统接入采用IEC 61850标准主站系统的调度中心，是当前换流站控制与保护系统亟需解决的问题。鉴于此，本文研究设计基于虚拟建模技术的直流输电故障录波智能网关来解决此类问题。
1 智能网关在特高压+800kV青州换流站中的系统架构
智能网关在特高压+800kV青州换流站中的系统架构如图1所示。特高压+800kV青州换流站系统主要包括以下几部分。
图1 智能网关在特高压+800kV青州换流站中的系统架构
1）数据采集与监视控制系统（supervisory control and data acquisition, SCADA）局域网（local area network, LAN）和控制系统局域网。控制层设备与运行人员控制层（后台）之间通过高速局域网连接。每层的局域网为两路网络，站内LAN采用双网冗余设计即星形拓扑，基于传输控制协议/网际协议（transmission control protocol/internet protocol, TCP/IP）的通信协议，LAN1和LAN2完全独立。
2）就地控制局域网，用于就地控制主机，为控制系统的备用控制。
3）内置故障录波局域网，用于读取故障录波文件。在故障录波局域网中，直流故障录波装置读取站间通信中出现的故障文件，通过虚拟建模技术的直流输电故障录波智能网关，采用基于IEC 61850协议的通信方式上送故障录波文件到后台调度端。
站间通信采用分区集约化的方式，此方式可以保证通道的快速性（在简化通道数量的情况下）。通道数量分为6对，共需12个带宽为2MHz的通道。按照以往换流站工程的实际情况，12个通道可以设计为2个数据平面网，每个网包含6个数据通道，互为备用；站内LAN通信通道、极1极控通道、极2极控通道、极1保护通道、极2保护通道和故障测距通道组成了此数据通道。
2 关键技术
2.1 故障录波装置的虚拟建模
IEC 61850标准规范了智能电子装置（intelligent electronic device, IED）的模型和数据对象，以保证IED在模型层次做到互联互通。为了将换流站故障录波系统接入智能主站系统，必须将换流站内传统的故障录波装置/模块封装为符合IEC 61850相关规范的IED和逻辑设备（logical device, LD）。
为此，对故障录波系统进行虚拟建模，将换流站外置故障录波装置和内置故障录波装置构成的故障录波系统建模为一个故障录波IED对象，并在故障录波IED对象下，将不同的故障录波模块分别建模为虚拟录波LD。虚拟录波LD至少包含LLN0（逻辑节点零）、LPHD（物理装置信息逻辑节点）、RDRE（扰动记录逻辑节点）三个逻辑节点（logical node, LN）；对于所有虚拟故障录波LD，RDRE为强制逻辑节点；在这三个逻辑节点中，强制实现表1中所列数据对象。
表1 虚拟故障录波逻辑设备模型
故障录波IED对象中，支持服务模型：应用关联、服务器模型、数据集、报告和文件服务。
在构建好虚拟录波LD模型后，故障录波智能网关会实时监视实际录波装置/模块的录波过程，以驱动故障录波LD模型，实时反映实际录波装置/模块的处理过程。故障录波智能网关监测到有新的故障录波数据生成时，设置相应虚拟录波LD的录波状态（RDRE $RcdMade），增加其故障序号（RDRE $FltNum）计数。虚拟录波LD通过事件和报告服务上送上述状态信号。虚拟录波LD在接收到主站下发的装置复归命令时，将相关状态信号复位。
2.2 故障录波装置/模块的集中接入
在故障录波系统的IED网关模型构建完成后，故障录波智能网关装置接入控制与保护系统网络中。外置故障录波装置和内置故障录波装置的录波数据区通过网络文件映射方式，映射到故障录波智能网关的各虚拟故障录波LD的监测目录下，网络映射方式集中接入及监视如图2所示，由故障录波智能网关集中监测管理换流站所有故障录波装置/模块构成的故障录波系统，每个虚拟故障录波LD独立监测互不影响。
图2 网络映射方式集中接入及监视
2.3 故障录波文件的实时侦测
由于智能网关并非真正的智能录波装置，也不能直接获得相关录波装置/模块传送的录波状态信号，为实现其功能必须保证虚拟录波LD的实时性，因此只能通过对录波数据区录波文件的生成过程进行实时侦测，以及时发现录波状态的改变。
录波文件的侦测技术必须可靠、实时、高效，且不能有任何遗漏。本文在Windows和Linux平台分别试验考察两种录波文件实时侦测技术：①文件系统调用拦截方式；②文件动态扫描方式。
文件系统调用拦截方式，是直接拦截操作系统底层对文件系统的应用程序编程接口调用，能及时监测到文件的创建、完成，实时性最佳，但只能监测本机文件系统，无法应用于网络映射文件系统。
文件动态扫描方式，是按照设定的秒级时间间隔和逐次滑动的扫描文件起始时间，定期对映射文件目录进行扫描比对，从而及时发现新生成的录波数据文件，其实时性较差，但对本机文件系统及网络映射文件系统都适用。
本文最终采用文件动态扫描方式，在侦测到新的故障录波文件生成后，故障录波智能网关实时驱动相应的虚拟录波LD的处理逻辑并自动触发相关IEC 61850数据传输。
2.4 故障录波文件的重定向
换流站故障录波系统由数十台故障录波装置/模块构成，且换流站故障录波装置/模块的启动比较频繁，单次录波数据量较大，每次录波启动生成的录波文件都会占用较大的存储空间。
由于故障录波智能网关嵌入式装置的存储空间有限，无法将侦测到的所有新录波数据文件都复制到智能网关的存储设备中。为模拟真实的录波数据文件的查询、读取等操作，并消除不同故障录波装置/模块非标准化的文件命名差别，本文采用文件重定向方式。
故障录波智能网关为每个接入的录波装置/模块在录波文件根目录/COMTRADE下以故障录波LD的名字创建了一个重定向文件目录。实时侦测模块在发现某故障录波LD产生新的录波文件时，就在相应LD的重定向目录下按照规定的命名方式创建对应的重定向文件。
重定向文件中记录的是原始录波文件的实际地址。重定向文件名格式为：装置名_LD名称_FltNum故障号_故障时间。故障时间格式应为：年 （四位）月（两位）日（两位）_时（两位）分（两位）秒（两位）_毫秒（三位）。
在IEC 61850录波主站利用文件服务接口查询和读取录波文件时，首先访问的是重定向文件；智能网关在截获底层通信协议的文件进行访问调用时，再根据重定向文件记录的实际文件地址传输真正的录波数据文件。
如此，即可用统一的标准命名规则消除实际故障录波装置/模块的不同文件命名规则导致的复杂性，在保证录波数据真实一致性的同时，无需改动原始文件的存储，也无需在智能网关中额外增加存储，且可最大限度地降低对实际故障录波装置和控制与保护装置的影响。
2.5 故障录波智能网关的通信功能
故障录波智能网关与主站系统间采用IEC 61850标准进行通信，智能网关向主站系统主要传送故障简报文件与录波波形数据文件。智能网关对主站系统支持以下通信接口及通信功能。
1）事件报告
报告功能作为故障录波智能网关与主站系统主要的数据传送方式，支持以下三类具体报告形式：
（1）总召报告。供主站在较长的周期内获取智能网关内虚拟故障录波LD的历史事件信息。
（2）周期报告。供主站系统通过设置不同报告控制块的完整性周期来保证分站在周期内向主站主动发送装置信息，以保持通信连接。该报告也是主站系统获取智能网关通信状态的手段。
（3）事件报告。是故障录波智能网关向主站系统报告故障录波LD录波启动、故障告警等相关数据信息的主要途径。当侦测到某虚拟录波LD发生录波启动或故障告警时，智能网关根据事先设置好的数据集向主站系统发送与事件和变位相关的数据。
2）故障录波数据及录波文件传送
当侦测到故障录波LD生成录波文件后，上送录波启动事件通知主站系统，主站系统随之通过文件服务接口获取所需的录波文件。
主站系统也可先召唤某故障录波LD的故障录波文件列表，再选择召唤所需要的录波文件供事故分析处理使用。
智能网关支持按时间段召唤录波文件列表，主站系统可在向智能网关发送请求的文件目录服务参数中，将路径参数进行扩展，以包含查询时间范围。
3）通信状态检测
主站系统与故障录波智能网关的通信状态检测通过周期报告来完成。智能网关上送的周期报告中包含装置的通信状态。
2.6 故障录波智能网关的性能优化及实际曲线图
在实际应用中，随运行时间的增长，故障录波智能网关接入数十台启动频繁的故障录波装置/模块，其侦测到的各种录波文件的数量急剧增长至十万级以上，对智能网关装置的存储功能和运行效率形成了很大压力。
为避免重定向文件超出嵌入式操作系统的文件数量限制，以及避免耗尽网关存储空间，设计支持设定虚拟故障录波LD的成套重定向文件数量上限（如1000套/故障录波LD），达到上限时自动清除最早的文件，保证网关装置长期稳定运行的可靠性。
随着实际故障录波装置/模块产生的录波文件日渐增多，针对每台录波LD文件扫描的时间越来越长。为保证单次扫描的效率，记录已侦测到的最近的录波文件时刻，后续侦测不再处理该时刻之前的文件，只扫描该时刻之后的录波文件，避免重复处理，保证了智能网关装置启动和运行的高效性。故障录波装置提取波形与网关装置提取波形对比如图3所示，图中红色实线为接入64台故障录波装置提取的电压、电流、相位波形，蓝色虚线为网关装置提取的电压、电流、相位波形，可见二者基本保持一致。
图3 故障录波装置提取波形与网关装置提取波形对比
3 结论
本文利用网络文件映射，将直流输电换流站的全部故障录波装置/模块接入故障录波智能网关中，为之分别建立虚拟故障录波LD，通过文件动态扫描发现录波文件的生成并驱动故障录波LD模型，满足了非智能录波装置/模块接入智能录波主站的需要。
经过特高压+800kV青州换流站长期运行的实践验证，基于虚拟建模技术的直流输电故障录波智能网关满足主站的接口要求，可以及时检测出多个直流控制与保护装置产生的录波文件，同时又能确保录波文件的完整，具备较高的实时性和可靠性，很好地支撑了总调、国调、网调及省调等调度主站端高级功能的运算，有效地提高了电网调度部门的工作效率，由此证明基于虚拟建模技术解决直流输电工程中的非智能设备接入智能故障录波主站系统是完全可行的。
