基于UDP协议的主辅控联动控制方法实现

卢声 樊鹏 和红伟 雍明超

（许继集团有限公司 河南省许昌市 461000）

1 引言

随着国家电网有限公司提出要建设运营好坚强智能电网和泛在电力物联网工作部署安排，在现行变电站内融合辅助设备监控系统和视频监控系统的远程监控和控制功能，即解决传统变电站辅助设备之间的运行孤岛问题，又通过在线监控方式实现主控系统通过发送联动信号对接入的辅控子设备进行远程监视及智能联动控制[1]，完成传统变电站向智慧变电站的“变身升级”极具重要意义。

变电站网络作为专属局域网，其网络环境质量优良、可靠性好，但数据传输需要经过网络防火墙和安全隔离装置双重过滤，并需要使用正向隔离装置阻断TCP 网络逻辑连接。且在主控系统和辅控系统间传递实时性强视频音频信号又不可避免的增加网络负载，导致数据延迟性增大。因此，使用无需建立逻辑连接、实时高效即时通信、资源消耗小的UDP 协议[2][3]，配合电网通用模型描述规范CIM-E 语言格式建立模型[4]，用软件方式实现主辅控系统间关联关系的自动构建，可有效破解这一技术难题。

2 变电站主辅控系统功能介绍

现行变电站内部主设备监控系统（简称主控系统）部署在安全区Ⅰ，辅助设备监控系统（简称辅控系统）部署在安全区Ⅱ，联动设备分布在安全区Ⅳ，区Ⅰ和区Ⅱ加装防火墙进行安全隔离，区Ⅱ与区Ⅳ通过正向隔离装置进行通信，保证安全数据单向传递，从而有效地抵御各种来自电力网络的恶意破坏和攻击活动，保障监控系统的安全稳定运行，如图1所示。

3 UDP通讯协议实现

3.1 UDP通信协议格式定义

主控系统发送给辅控系统的信息，包含设备资源信息配置文件(0x43)和触发联动信号(0x55)两部分[5]。设备资源信息配置文件单项有效信息主要包含序号、站序号、监控索引号、设备名称及设备类型。监控索引号为主控系统测点ID，作为数据唯一标识。设备类型包括遥控（0）和遥信（1），用于指明当前测点类型，其传输帧格式见表1。

图1：主辅控系统图

图2：主辅联动控制设计图

图3：软件实现流程图

触发联动信号每次发送一个主设备变化信息数据，数据格式包含“站序号、监控ID、类型、属性、值描述、事件时标”，辅助系统接收到联动数据后由唯一的监控索引号查找，其传输帧格式见表2。

3.2 UDP通信协议接口实现

在接口实现过程中，编程可采用通用的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架Qt。利用Qt 库中提供的QUdpSocket 类，只需要引入网络编程内容，在创建工程目录下添加QT += network，就可以实现UDP 协议所需的套接字创建、端口绑定、以及数据的发送和接收接口函数的实现逻辑。

图4：测试方案图

图5：配置文件

图6：关联数据表内容

4 主辅联动控制实现策略

4.1 主辅联动控制策略

采用软件方式，分为三个步骤实现：

（1）在主控系统与辅控系统之间事先Port 端口号，以文本形式实现定主控系统的IP 地址和Port 端口内容的灵活配置和编写，支持多IP 地址设置[6]；

（2）当主控系统中测点有遥信变位或者故障跳闸动作时，主控系统实时发送该测点的联动信息报文给辅控系统；

（3）辅控系统以联动报文信息中的测点索引号为依据，进行数据甄别和有效性检测丢弃非法数据报文；用配置文件信息更新本地联动策略信息，在关联数据库中增加测点索引号与联动设备索引号的映射关系表，为后期联动控制命令执行建立通路，其实现如图2所示。

表1：配置文件传送帧格式

表2：联动数据传送帧格式

4.2 数据甄别和有效性检测

数据甄别逻辑，一方面用于判别数据是否来自约定主控设备、是否为有效UDP 约定报文头、是否为设定Port 端口；另一方面用于判断联动数据报文属于配置文件0x 还是联动信号。

有效性检测逻辑用于报文一致性检测和CRC 校验。其中，一致性检测对报文类型标识、站序号有效性、帧序号连续性、后续标志位正确性、以及有效信息起始位置与数据长度合理性，判别数据是否存在序号跳变、丢失及乱序现象，充分保证获取数据安全性和连续性[7]。

CRC 校验码生成多项式：G(X)=X16+X12+X5+1，计算初值为0。通过对接收数据从“类型标识字符后”到“数据内容”的所有字节进行重新计算累加和校验值[8]，与接收到的CRC 码进行比较，丢弃校验值不一致的数据，用于检测数据帧传输中发生越变和篡改[9]。

4.3 同步关联表和联动控制

同步关联表逻辑取监控索引号MEASID 作为唯一有效标识，判别MEASID 存在性及其状态变化，根据联动配置文件更新联动策略信息，自动对关联数据库内容进行删除、更新和新增等筛选操作[10]，同步更新与联动设备预置位的关联关系映射表，保证主辅控系统间的关联关系准确。

当辅控系统收到联动报文信息，判断报文中的测点索引号为有效联动点，并在辅控系统中找到对应的关联虚设备IEDID 索引号，获取相应的联动策略信息，依据联动策略发送联动控制命令给联动设备，实现对联动设备的远程控制操作。

4.4 联动控制软件实现流程

软件实现上完全采用流程化、模块式处理，其软件实现流程如图3所示。

5 测试结果与分析

为验证基于UDP 协议方案可行性，根据《变电运维班辅助设备全面监控系统建设技术规范》，在Linux 虚拟机系统上搭建辅助设备监控系统测试环境，用本机的TCP&UDP 测试工具模拟主设备监控系统发动联动信息，约定通信双方的IP 和Port 端口，测试方案如图4所示。

利用TCP&UDP 测试工具模拟发送联动配置信息，在辅助设备监控系统对应目录下根据接收到的收据生成对应的配置文件linkagedevcfg.cime，如图5所示。

利用TCP&UDP 测试工具模拟发送联动控制信息，以选取ID =5891 为例，经程序判断ID = 5891 为有效测点索引，在关联数据表查找关联关系，根据STATIONID 和MEASID = 5891 会找到一个驱动的联动控制点LOCALCTRLID = 10010。根据IDLOCALCTRLID找到关联的虚设备IEDID，实现对联动设备的远程操作。

利用Navicat 工具查看数据库中关联数据表中的内容，如图6所示。

6 结论

本文介绍的基于UDP协议的主辅控联动控制的实现方法和测试方案，在2019年智慧变电站试点站辅控相关设计集中测试中性能良好，完全满足测试性能指标，有力证明了通过使用统一的UDP协议，能够快速准确响应主控系统的智能联动需求，为提高变电站主辅控可靠运行提供成熟经验。