CN110493031A - 一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电网防护技术领域，尤其是一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，基于现有的安全保护措施针对公共信息网络，不能适应工业控制系统网络问题，现提出以下方案，包括如下步骤,变电站控制系统结构分析；变电站控制系统网络典型设备及系统分析；变电站的控制系统结构按功能逻辑一共可分为三个不同的层面——站控层、间隔层和过程层，各层之间的信息传输要求身份认证，同一层内的设备位置实现物理隔离；变电站控制系统网络设备状态监测研究,站控层包含自动化系统、站域控制系统等子系统。本发明从设备的配置、通信状态和运行状态的角度对变电站控制系统网络设备状态在线监测研究，并对监测中异常设备开展了状态评估研究。

Description

一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法

技术领域

本发明涉及电网防护技术领域，尤其涉及一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法。

背景技术

随着网络技术在现代电力工控系统中的应用，现代变电站的自动化程度也达到了一定的高度，但网络技术与变电站控制系统的结合也为变电站的安全生产问题带来了一定的考验。

电力工业控制系统是电力企业最核心的系统，其安全性问题自然也越来越受到重视；传统的信息安全理论建立在公共信息网络的安全保护和安全威胁基础之上，而工业控制系统网络与公共信息网络存在很大的不同，因此，防火墙、入侵检测系统等传统基于公共信息网络安全保护的技术方法和手段，并没有达到令人满意的效果。

发明内容

基于现有的安全保护措施针对公共信息网络，不能适应工业控制系统网络技术问题，本发明提出了一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法。

一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，包括如下步骤：

S1：变电站控制系统结构分析；

S2：变电站控制系统网络典型设备及系统分析；

S3：变电站控制系统网络设备状态监测研究。

优选地，所述S1中，变电站的控制系统结构按功能逻辑可分为三个不同的层面——站控层、间隔层和过程层，各层之间的信息传输要求身份认证，同一层内的设备位置实现物理隔离；

站控层包含自动化系统、站域控制系统、通信系统、对时系统等子系统，主要设备有服务器、操作员站、工程师站、五防工作站等，站控层功能包括：使用多个间隔层或全站数据，对间隔层或全站的一次设备进行监控；与接口有关的站控层功能，表示变电站与运行人员的人机接口、与远方控制中心的远动接口和与维护远方工程的管理接口；

间隔层的主要设备有通信管理机、变电站控制器、工业交换机等，间隔层功能是使用一个间隔层的数据并对该间隔层的一次设备进行操作，这些功能通过逻辑接口实现间隔层内通信，并可与过程层通信；间隔层设备能够直接采集和处理现场的原始数据，通过CAN总线、Profibus总线等传送给站控层的工程师站等主机，同时接收站控层发出的控制命令要经过有效判断、闭锁检测和同步检测，确认正确后才能实现对过程层的控制；

过程层主要设备包括变压器、断路器、隔离开关等，过程层功能指与过程接口有关的功能，如运行设备的状态监测、操控命令的执行和实时运行电气量的采集，实现基本状态量和模拟量的输入/输出等，过程层的自动化直接影响变电站的信号采集方式。

优选地，所述S2中，变电站控制系统网络典型设备及系统分析包括控制系统网络设备分析，包括以下步骤：

S21：网络交换机分析，交换机可分为三代，第一代交换机是一种工业交换机，它可以适应变电站恶劣环境以及电力应用特点，在商用交换机的基础上，采用了工业级设计和元器件增加了交换机的可靠性要求；第二代交换机在第一代交换机基础上增加了相应的特殊功能，使得变电站更加趋向于网络化和智能化，但其在技术成熟度、产品价格、需求迫切性和电网安全考虑等多方面因素限制了推广；第三代交换机是在前两代基础上产生的智能变电站专用的网络交换机，主要是为了解决智能变电站网采和网络可视化等变电站的特殊需求，但目前国内这类交换机产品处于研究和试验阶段；

S22：网络路由器分析，路由器作为接变电站各局域网、广域网的设备，是控制系统中一个重要的网络设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由器，以最佳路径按前后顺序发送相应的信号，交换机发生在数据链路层，而路由器发生在网络层，这就是路由器和交换机之间的主要区别，路由器和交换机需要使用不同的控制信息来移动信息，两者通过不同的方式实现各自功能；

S23：网络服务器分析，服务器是指某些高性能的计算机，通过网络操作系统的控制，可与任何外部设备相连，并且在安全性、稳定性、工作性能等方面要求更高，服务器除了需要能够对整个安全流程进行调试与优化，还要使智能电网的上下层安全性得到有力的保障，能够在保证高可靠、高性能的同时降低维护成本和能耗。

优选地，所述S2中，变电站控制系统网络典型设备及系统分析包括变电站网络系统设备分析，包括以下步骤：

S31：数据传输单元DTU，一般安装在常规的开闭所、户外小型开闭所、小型变电站、环网柜、箱式变电站等处，可以完成对开关设备位置信号、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作来实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电；

S32：合并单元MU，同步采集汇总三相电压和电流输出的信号并按照规定的数据格式输出给二次保护控制单元，MU作为连接环节，处于电子式互感器、传统互感器、智能化一次设备与智能化二次保护、测控和计量设备的中间，通过接收一次设备的信号并汇总采样的数据，根据二次接入设备的具体要求，输出相应的数值和开关信号，同时接收二次设备的命令输出信号至智能化一次设备；

S33：馈线智能终端单元，又称FTU，实现配电自动化的重要单元之一，正常情况下各FTU分别采集相应开关内容如负荷电压、电流、功率和开关当前位置、储能完成情况等的运行情况，然后把采集到的信息由通信网络发给远方的二级子站，当线路发生事故时，切断断路器的线路，并由FTU把故障前及故障时重要信息记录下，然后将上述信息传至二级子站，由计算机系统分析来确定故障区域，并且选择最佳方案恢复供电，最后在上位机的命令下，FTU控制相应负荷开关使故障区段切断，断路器又重新关合线路恢复非故障区域的运行；

S34：智能终端IT，作为智能变电站中一次设备与二次设备的结合面，是解决智能变电站智能二次设备与传统开关、变压器等一次设备接口的最优方案，智能终端通过光纤与保护、测控、网络交换机等二次设备连接，同时采用电缆与一次设备连接。

优选地，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括网络设备配置状态监测方法研究，设计实现一种通用、安全且与现行网络管理体制兼容的配置文件访问机制；研究文本比对技术，面向网络设备配置文件设计一种快速比对算法，能够过滤注释名称、用户权限等说明性信息以及常规配置信息，高效计算出网络设备关键配置状态前后变化；研究网络设备配置文件的语法和语义，在文本比对的基础上对前后不一致的内容作进一步的语义分析，找到关键的配置状态点，并将分析结果转化为用户易理解和读取的形式。

优选地，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括通信状态监测方法研究，方法如下：

(1)利用已有的基于SNMP协议的网络管理软件来采集性能数据；

(2)利用目前提供的网络服务来完成服务质量的监测工作，如远程登陆到其中一台设备上来监测任意两个结点间网络连通性；

(3)通过在被管网络的一些结点或其附近放置监测器来进行点到点网络性能数据的采集，并通过网络将性能数据以适当的方式告知管理端。

优选地，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括变电站网络设备状态在线监测方法研究，在过程层网络和站控层网络中二次设备的主要通讯方式是报文，通过对监听设备捕获到的报文进行解析，利用智能变电站通信报文的故障告警功能，提取表征智能电子设备IED之间的通信过程的特征信息，分析IED的通信行为，监视IED和通信网络的通信状态，通过对异常报文的分析，可以发现IED的异常状况，并给出相应的告警信息。

优选地，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括异常网络设备状态评估方法研究，方法如下：

(1)评价指标，通过分析，选取网络设备的评价指标构成评价因素集；

(2)建立模糊评价集，网络设备的状态分为可很好实现其特定性能、可实现但性能有所降低、可实现但性能大幅度降低和几乎不能实现其特定性能四种状态，这四种状态分别为良好状态、较好状态、一般状态和待检修状态；组成的评价集为

(3)评价因素权重的确定，采用层次分析法确定权重，构建的判断矩阵为

得到(u₁,u₂,u₃,…,u_n)的权重值为W；

(4)模糊关系矩阵的隶属度函数，建立符合实际的隶属度函数，研究常用岭型函数来计算隶属度，因其具有主值区间宽、过渡平缓的特点，能较好地反映出交换机状态的模糊关系，岭型分布函数表示如下：

偏小型

中间型

偏大型

在建立隶属函数具体表达式的过程中要遵从最模糊原则和最清晰原则，隶属度属于相邻两级指标状态的值均为0.5，区间中点处于最清晰状态，隶属度属于该级的值为1；

根据网络设备各评价指标的参数范围，把各指标数值代入上式中相应公式，网络设备有多个数量不等的端口，应单独采集网络设备状态与每个端口有关的指标，然后取劣化程度最大的一个作为网络设备状态评价的输入值；

(5)模糊关系矩阵的隶属度，为了得到模糊关系矩阵应根据各个指标的值，代入该指标对应的隶属函数

模糊综合评价式B＝WoR％

合成算子“o”采用：

其中，

可以采用同样的方法对保护、测控装置等二次设备的状态进行评价，根据具体设备来选定评价因素集。

优选地，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括计及短时时延的网络设备状态评估方法，方法如下：

研究具有未知短时延、丢包和系统不确定性的网络化切换控制系统状态监测与优化问题，构建基于观测器的残差产生系统，结合李亚普诺夫函数和平均驻留时间方法来分析系统全局一致渐近均方稳定性条件，以LMI形式给出状态监测滤波器的求解方法；

网络化控制系统主要包含被控对象、传感器、控制器、故障检测单元和执行机构，其中被控对象考虑如下线性连续切换控制系统：

其中：x(t)是系统状态，u(t)是控制输入，y(t)是系统输出；d(t)和f(t)分别表示L2范数有界的未知扰动和故障信号；σ∈Ω＝{1,2,...,N}为分段常值右连续的切换律；对于任意σ∈Ω,A_cσ、B_cσ、C_cσ、B_cdσ、B_cfσ、D_cdσ、D_cfσ是具有适当维数的实值常数矩阵；

假设控制器和执行器均为事件驱动，传感器为时间驱动且采样周期为T，在常用的CSMA/CD网络协议中，大时延发生的概率很低，这里考虑网络诱导时延为小于采样周期的随机短时延τ_k，在第k个采样周期内到达执行机构的控制信号可以表示为

设丢包发生在控制输入端且满足Bernoulli分布，丢包率为ρ，定义随机变量θ∈{0，1}，θ(k)＝1表示传输正常，θ(k)＝0表示数据丢失状态，则有

定义z(k)是故障检测单元接收到的数据，由于存在零阶保持器，于是有

z(k)＝θ(k)y(k)+(1-θ(k))y(k-1)

系统不确定性为D_σF_σ(τ_k)E_σ，其中：D_σ、E_σ是具有适当维数的常数矩阵，F_σ(τ_k)满足不等式条件则考虑未知短时延、丢包和不确定性的网络化切换系统如下：

其中

A_σ＝eAcσT,

C_σ＝C_cσ,D_dσ＝D_cdσ,D_fσ＝D_cfσ

控制器采用状态反馈u(k)＝-Kσx(k)，运用对系统进行增广计算，可得

其中

在此基础上，构造如下基于观测器的故障检测滤波器：

其中：和分别为和y(k)的估计，Lσ为待求的滤波器参数矩阵，r为滤波残差信号

定义滤波器误差由上式可得如下误差系统：

其中：

定义

ω(k)＝[d^T(k)f^T(k)Δy^T(k)]^T

综合上式可以得到如下状态监测系统：

其中

综合分析，状态监测问题可以归结为设计合适的滤波器参数L_σ，使得系统全局一致渐近均方稳定，且对于任意非零w(k)∈L₂[0，∞)满足

采用等价空间方法对残差信号r(k)进行时域优化以提高状态监测系统性能，ξ(k)＝V_k(z)r(k)＝(V_s,k+V_s-1,kz^-1+…+V_0,kz^-s)r(k)表示修正后的残差信号，其中V_k(z)为后置滤波器，s为其阶次，残差评估函数和阈值定义如下：

其中L代表状态监测窗口长度,因此，故障检测逻辑可以表示为

本发明中的有益效果为：

从设备的配置、通信状态和运行状态的角度开展了变电站控制系统网络设备状态在线监测研究，并对监测中异常设备开展了状态评估研究。

在配置监测中，针对变电站不同的结构层和不同的报文格式，实现了设备配置的获取研究；在设备通信状态监测中，通过丢包率和离散度等评估体系，完成了设备通信状态的评估计算研究；以丢包率异常的设备为例，开展了计及短时延的网络设备状态评估研究。

附图说明

图1为本发明提出的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法的变电站拓扑结构示意图；

图2为本发明提出的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法的馈线自动化结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，包括如下步骤：

S1：变电站控制系统结构分析；

S2：变电站控制系统网络典型设备及系统分析；

S3：变电站控制系统网络设备状态监测研究。

所述S1中，变电站的控制系统结构按功能逻辑可分为三个不同的层面——站控层、间隔层和过程层，各层之间的信息传输要求身份认证，同一层内的设备位置实现物理隔离；

站控层包含自动化系统、站域控制系统、通信系统、对时系统等子系统，主要设备有服务器、操作员站、工程师站、五防工作站等，站控层功能包括：使用多个间隔层或全站数据，对间隔层或全站的一次设备进行监控；与接口有关的站控层功能，表示变电站与运行人员的人机接口、与远方控制中心的远动接口和与维护远方工程的管理接口；

间隔层的主要设备有通信管理机、变电站控制器、工业交换机等，间隔层功能是使用一个间隔层的数据并对该间隔层的一次设备进行操作，这些功能通过逻辑接口实现间隔层内通信，并可与过程层通信；间隔层设备能够直接采集和处理现场的原始数据，通过CAN总线、Profibus总线等传送给站控层的工程师站等主机，同时接收站控层发出的控制命令要经过有效判断、闭锁检测和同步检测，确认正确后才能实现对过程层的控制；

过程层主要设备包括变压器、断路器、隔离开关等，过程层功能指与过程接口有关的功能，如运行设备的状态监测、操控命令的执行和实时运行电气量的采集，实现基本状态量和模拟量的输入/输出等，过程层的自动化直接影响变电站的信号采集方式。

所述S2中，变电站控制系统网络典型设备及系统分析包括控制系统网络设备分析，包括以下步骤：

S21：网络交换机分析，交换机可分为三代，第一代交换机是一种工业交换机，它可以适应变电站恶劣环境以及电力应用特点，在商用交换机的基础上，采用了工业级设计和元器件增加了交换机的可靠性要求；第二代交换机在第一代交换机基础上增加了相应的特殊功能，使得变电站更加趋向于网络化和智能化，但其在技术成熟度、产品价格、需求迫切性和电网安全考虑等多方面因素限制了推广；第三代交换机是在前两代基础上产生的智能变电站专用的网络交换机，主要是为了解决智能变电站网采和网络可视化等变电站的特殊需求，但目前国内这类交换机产品处于研究和试验阶段；

S22：网络路由器分析，路由器作为接变电站各局域网、广域网的设备，是控制系统中一个重要的网络设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由器，以最佳路径按前后顺序发送相应的信号，交换机发生在数据链路层，而路由器发生在网络层，这就是路由器和交换机之间的主要区别，路由器和交换机需要使用不同的控制信息来移动信息，两者通过不同的方式实现各自功能；

S23：网络服务器分析，服务器是指某些高性能的计算机，通过网络操作系统的控制，可与任何外部设备相连，并且在安全性、稳定性、工作性能等方面要求更高，服务器除了需要能够对整个安全流程进行调试与优化，还要使智能电网的上下层安全性得到有力的保障，能够在保证高可靠、高性能的同时降低维护成本和能耗。

所述S2中，变电站控制系统网络典型设备及系统分析包括变电站网络系统设备分析，包括以下步骤：

S31：数据传输单元DTU，一般安装在常规的开闭所、户外小型开闭所、小型变电站、环网柜、箱式变电站等处，可以完成对开关设备位置信号、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作来实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电；

S32：合并单元MU，同步采集汇总三相电压和电流输出的信号并按照规定的数据格式输出给二次保护控制单元，MU作为连接环节，处于电子式互感器、传统互感器、智能化一次设备与智能化二次保护、测控和计量设备的中间，通过接收一次设备的信号并汇总采样的数据，根据二次接入设备的具体要求，输出相应的数值和开关信号，同时接收二次设备的命令输出信号至智能化一次设备；

S33：馈线智能终端单元，又称FTU，实现配电自动化的重要单元之一，正常情况下各FTU分别采集相应开关内容如负荷电压、电流、功率和开关当前位置、储能完成情况等的运行情况，然后把采集到的信息由通信网络发给远方的二级子站，当线路发生事故时，切断断路器的线路，并由FTU把故障前及故障时重要信息记录下，然后将上述信息传至二级子站，由计算机系统分析来确定故障区域，并且选择最佳方案恢复供电，最后在上位机的命令下，FTU控制相应负荷开关使故障区段切断，断路器又重新关合线路恢复非故障区域的运行；

S34：智能终端IT，作为智能变电站中一次设备与二次设备的结合面，是解决智能变电站智能二次设备与传统开关、变压器等一次设备接口的最优方案，智能终端通过光纤与保护、测控、网络交换机等二次设备连接，同时采用电缆与一次设备连接。

所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括网络设备配置状态监测方法研究，设计实现一种通用、安全且与现行网络管理体制兼容的配置文件访问机制；研究文本比对技术，面向网络设备配置文件设计一种快速比对算法，能够过滤注释名称、用户权限等说明性信息以及常规配置信息，高效计算出网络设备关键配置状态前后变化；研究网络设备配置文件的语法和语义，在文本比对的基础上对前后不一致的内容作进一步的语义分析，找到关键的配置状态点，并将分析结果转化为用户易理解和读取的形式。

所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括通信状态监测方法研究，方法如下：

(1)利用已有的基于SNMP协议的网络管理软件来采集性能数据；

(2)利用目前提供的网络服务来完成服务质量的监测工作，如远程登陆到其中一台设备上来监测任意两个结点间网络连通性；

(3)通过在被管网络的一些结点或其附近放置监测器来进行点到点网络性能数据的采集，并通过网络将性能数据以适当的方式告知管理端。

所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括变电站网络设备状态在线监测方法研究，在过程层网络和站控层网络中二次设备的主要通讯方式是报文，通过对监听设备捕获到的报文进行解析，利用智能变电站通信报文的故障告警功能，提取表征智能电子设备IED之间的通信过程的特征信息，分析IED的通信行为，监视IED和通信网络的通信状态，通过对异常报文的分析，可以发现IED的异常状况，并给出相应的告警信息。

所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括异常网络设备状态评估方法研究，方法如下：

(1)评价指标，通过分析，选取网络设备的评价指标构成评价因素集；

(2)建立模糊评价集，网络设备的状态分为可很好实现其特定性能、可实现但性能有所降低、可实现但性能大幅度降低和几乎不能实现其特定性能四种状态，这四种状态分别为良好状态、较好状态、一般状态和待检修状态；组成的评价集为

(3)评价因素权重的确定，采用层次分析法确定权重，构建的判断矩阵为

得到(u₁,u₂,u₃,…,u_n)的权重值为W；

(4)模糊关系矩阵的隶属度函数，建立符合实际的隶属度函数，研究常用岭型函数来计算隶属度，因其具有主值区间宽、过渡平缓的特点，能较好地反映出交换机状态的模糊关系，岭型分布函数表示如下：

偏小型

中间型

偏大型

在建立隶属函数具体表达式的过程中要遵从最模糊原则和最清晰原则，隶属度属于相邻两级指标状态的值均为0.5，区间中点处于最清晰状态，隶属度属于该级的值为1；

根据网络设备各评价指标的参数范围，把各指标数值代入上式中相应公式，网络设备有多个数量不等的端口，应单独采集网络设备状态与每个端口有关的指标，然后取劣化程度最大的一个作为网络设备状态评价的输入值；

(5)模糊关系矩阵的隶属度，为了得到模糊关系矩阵应根据各个指标的值，代入该指标对应的隶属函数

模糊综合评价式B＝WoR％

合成算子“o”采用：

其中，

可以采用同样的方法对保护、测控装置等二次设备的状态进行评价，根据具体设备来选定评价因素集。

所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括计及短时时延的网络设备状态评估方法，方法如下：

研究具有未知短时延、丢包和系统不确定性的网络化切换控制系统状态监测与优化问题，构建基于观测器的残差产生系统，结合李亚普诺夫函数和平均驻留时间方法来分析系统全局一致渐近均方稳定性条件，以LMI形式给出状态监测滤波器的求解方法；

网络化控制系统主要包含被控对象、传感器、控制器、故障检测单元和执行机构，其中被控对象考虑如下线性连续切换控制系统：

其中：x(t)是系统状态，u(t)是控制输入，y(t)是系统输出；d(t)和f(t)分别表示L2范数有界的未知扰动和故障信号；σ∈Ω＝{1,2,…,N}为分段常值右连续的切换律；对于任意σ∈Ω,A_cσ、B_cσ、C_cσ、B_cdσ、B_cfσ、D_cdσ、D_cfσ是具有适当维数的实值常数矩阵；

假设控制器和执行器均为事件驱动，传感器为时间驱动且采样周期为T，在常用的CSMA/CD网络协议中，大时延发生的概率很低，这里考虑网络诱导时延为小于采样周期的随机短时延τ_k，在第k个采样周期内到达执行机构的控制信号可以表示为

设丢包发生在控制输入端且满足Bernoulli分布，丢包率为ρ，定义随机变量θ∈{0，1}，θ(k)＝1表示传输正常，θ(k)＝0表示数据丢失状态，则有

定义z(k)是故障检测单元接收到的数据，由于存在零阶保持器，于是有

z(k)＝θ(k)y(k)+(1-θ(k))y(k-1)

系统不确定性为D_σF_σ(τ_k)E_σ，其中：D_σ、E_σ是具有适当维数的常数矩阵，F_σ(τ_k)满足不等式条件则考虑未知短时延、丢包和不确定性的网络化切换系统如下：

其中

A_σ＝eAcσT,

C_σ＝C_cσ,D_dσ＝D_cdσ,D_fσ＝D_cfσ

控制器采用状态反馈u(k)＝-Kσx(k)，运用对系统进行增广计算，可得

其中

在此基础上，构造如下基于观测器的故障检测滤波器：

其中：和分别为和y(k)的估计，Lσ为待求的滤波器参数矩阵，r为滤波残差信号

定义滤波器误差由上式可得如下误差系统：

其中：

定义

ω(k)＝[d^T(k)f^T(k)Δy^T(k)]^T

综合上式可以得到如下状态监测系统：

其中

综合分析，状态监测问题可以归结为设计合适的滤波器参数L_σ，使得系统全局一致渐近均方稳定，且对于任意非零w(k)∈L₂[0，∞)满足

采用等价空间方法对残差信号r(k)进行时域优化以提高状态监测系统性能，ξ(k)＝V_k(z)r(k)＝(V_s,k+V_s-1,kz^-1+…+V_0,kz^-s)r(k)表示修正后的残差信号，其中V_k(z)为后置滤波器，s为其阶次，残差评估函数和阈值定义如下：

其中L代表状态监测窗口长度,因此，故障检测逻辑可以表示为

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：变电站控制系统结构分析；

S2：变电站控制系统网络典型设备及系统分析；

S3：变电站控制系统网络设备状态监测研究。

2.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S1中，变电站的控制系统结构按功能逻辑可分为三个不同的层面——站控层、间隔层和过程层，各层之间的信息传输要求身份认证，同一层内的设备位置实现物理隔离；

站控层包含自动化系统、站域控制系统、通信系统、对时系统等子系统，主要设备有服务器、操作员站、工程师站、五防工作站等，站控层功能包括：使用多个间隔层或全站数据，对间隔层或全站的一次设备进行监控；与接口有关的站控层功能，表示变电站与运行人员的人机接口、与远方控制中心的远动接口和与维护远方工程的管理接口；

间隔层的主要设备有通信管理机、变电站控制器、工业交换机等，间隔层功能是使用一个间隔层的数据并对该间隔层的一次设备进行操作，这些功能通过逻辑接口实现间隔层内通信，并可与过程层通信；间隔层设备能够直接采集和处理现场的原始数据，通过CAN总线、Profibus总线等传送给站控层的工程师站等主机，同时接收站控层发出的控制命令要经过有效判断、闭锁检测和同步检测，确认正确后才能实现对过程层的控制；

过程层主要设备包括变压器、断路器、隔离开关等，过程层功能指与过程接口有关的功能，如运行设备的状态监测、操控命令的执行和实时运行电气量的采集，实现基本状态量和模拟量的输入/输出等，过程层的自动化直接影响变电站的信号采集方式。

3.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S2中，变电站控制系统网络典型设备及系统分析包括控制系统网络设备分析，包括以下步骤：

S21：网络交换机分析，交换机可分为三代，第一代交换机是一种工业交换机，它可以适应变电站恶劣环境以及电力应用特点，在商用交换机的基础上，采用了工业级设计和元器件增加了交换机的可靠性要求；第二代交换机在第一代交换机基础上增加了相应的特殊功能，使得变电站更加趋向于网络化和智能化，但其在技术成熟度、产品价格、需求迫切性和电网安全考虑等多方面因素限制了推广；第三代交换机是在前两代基础上产生的智能变电站专用的网络交换机，主要是为了解决智能变电站网采和网络可视化等变电站的特殊需求，但目前国内这类交换机产品处于研究和试验阶段；

S22：网络路由器分析，路由器作为接变电站各局域网、广域网的设备，是控制系统中一个重要的网络设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由器，以最佳路径按前后顺序发送相应的信号，交换机发生在数据链路层，而路由器发生在网络层，这就是路由器和交换机之间的主要区别，路由器和交换机需要使用不同的控制信息来移动信息，两者通过不同的方式实现各自功能；

S23：网络服务器分析，服务器是指某些高性能的计算机，通过网络操作系统的控制，可与任何外部设备相连，并且在安全性、稳定性、工作性能等方面要求更高，服务器除了需要能够对整个安全流程进行调试与优化，还要使智能电网的上下层安全性得到有力的保障，能够在保证高可靠、高性能的同时降低维护成本和能耗。

4.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S2中，变电站控制系统网络典型设备及系统分析包括变电站网络系统设备分析，包括以下步骤：

S31：数据传输单元DTU，一般安装在常规的开闭所、户外小型开闭所、小型变电站、环网柜、箱式变电站等处，可以完成对开关设备位置信号、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作来实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电；

S32：合并单元MU，同步采集汇总三相电压和电流输出的信号并按照规定的数据格式输出给二次保护控制单元，MU作为连接环节，处于电子式互感器、传统互感器、智能化一次设备与智能化二次保护、测控和计量设备的中间，通过接收一次设备的信号并汇总采样的数据，根据二次接入设备的具体要求，输出相应的数值和开关信号，同时接收二次设备的命令输出信号至智能化一次设备；

S33：馈线智能终端单元，又称FTU，实现配电自动化的重要单元之一，正常情况下各FTU分别采集相应开关内容如负荷电压、电流、功率和开关当前位置、储能完成情况等的运行情况，然后把采集到的信息由通信网络发给远方的二级子站，当线路发生事故时，切断断路器的线路，并由FTU把故障前及故障时重要信息记录下，然后将上述信息传至二级子站，由计算机系统分析来确定故障区域，并且选择最佳方案恢复供电，最后在上位机的命令下，FTU控制相应负荷开关使故障区段切断，断路器又重新关合线路恢复非故障区域的运行；

S34：智能终端IT，作为智能变电站中一次设备与二次设备的结合面，是解决智能变电站智能二次设备与传统开关、变压器等一次设备接口的最优方案，智能终端通过光纤与保护、测控、网络交换机等二次设备连接，同时采用电缆与一次设备连接。

5.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括网络设备配置状态监测方法研究，设计实现一种通用、安全且与现行网络管理体制兼容的配置文件访问机制；研究文本比对技术，面向网络设备配置文件设计一种快速比对算法，能够过滤注释名称、用户权限等说明性信息以及常规配置信息，高效计算出网络设备关键配置状态前后变化；研究网络设备配置文件的语法和语义，在文本比对的基础上对前后不一致的内容作进一步的语义分析，找到关键的配置状态点，并将分析结果转化为用户易理解和读取的形式。

6.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括通信状态监测方法研究，方法如下：

(1)利用已有的基于SNMP协议的网络管理软件来采集性能数据；

(2)利用目前提供的网络服务来完成服务质量的监测工作，如远程登陆到其中一台设备上来监测任意两个结点间网络连通性；

(3)通过在被管网络的一些结点或其附近放置监测器来进行点到点网络性能数据的采集，并通过网络将性能数据以适当的方式告知管理端。

7.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括变电站网络设备状态在线监测方法研究，在过程层网络和站控层网络中二次设备的主要通讯方式是报文，通过对监听设备捕获到的报文进行解析，利用智能变电站通信报文的故障告警功能，提取表征智能电子设备IED之间的通信过程的特征信息，分析IED的通信行为，监视IED和通信网络的通信状态，通过对异常报文的分析，可以发现IED的异常状况，并给出相应的告警信息。

8.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括异常网络设备状态评估方法研究，方法如下：

(1)评价指标，通过分析，选取网络设备的评价指标构成评价因素集；

(2)建立模糊评价集，网络设备的状态分为可很好实现其特定性能、可实现但性能有所降低、可实现但性能大幅度降低和几乎不能实现其特定性能四种状态，这四种状态分别为良好状态、较好状态、一般状态和待检修状态；组成的评价集为

(3)评价因素权重的确定，采用层次分析法确定权重，构建的判断矩阵为

得到(u₁,u₂,u₃,…,u_n)的权重值为W；

(4)模糊关系矩阵的隶属度函数，建立符合实际的隶属度函数，研究常用岭型函数来计算隶属度，因其具有主值区间宽、过渡平缓的特点，能较好地反映出交换机状态的模糊关系，岭型分布函数表示如下：

偏小型

中间型

偏大型

在建立隶属函数具体表达式的过程中要遵从最模糊原则和最清晰原则，隶属度属于相邻两级指标状态的值均为0.5，区间中点处于最清晰状态，隶属度属于该级的值为1；

根据网络设备各评价指标的参数范围，把各指标数值代入上式中相应公式，网络设备有多个数量不等的端口，应单独采集网络设备状态与每个端口有关的指标，然后取劣化程度最大的一个作为网络设备状态评价的输入值；

(5)模糊关系矩阵的隶属度，为了得到模糊关系矩阵应根据各个指标的值，代入该指标对应的隶属函数

模糊综合评价式

合成算子采用：

其中，

可以采用同样的方法对保护、测控装置等二次设备的状态进行评价，根据具体设备来选定评价因素集。

9.根据权利要求1所述的一种变电站控制系统网络设备状态在线监测方法，其特征在于，所述S3中，变电站控制系统网络设备状态监测研究包括计及短时时延的网络设备状态评估方法，方法如下：

研究具有未知短时延、丢包和系统不确定性的网络化切换控制系统状态监测与优化问题，构建基于观测器的残差产生系统，结合李亚普诺夫函数和平均驻留时间方法来分析系统全局一致渐近均方稳定性条件，以LMI形式给出状态监测滤波器的求解方法；

网络化控制系统主要包含被控对象、传感器、控制器、故障检测单元和执行机构，其中被控对象考虑如下线性连续切换控制系统：

其中：x(t)是系统状态，u(t)是控制输入，y(t)是系统输出；d(t)和f(t)分别表示L2范数有界的未知扰动和故障信号；σ∈Ω＝{1,2,…,N}为分段常值右连续的切换律；对于任意σ∈Ω,A_cσ、B_cσ、C_cσ、B_cdσ、B_cfσ、D_cdσ、D_cfσ是具有适当维数的实值常数矩阵；

假设控制器和执行器均为事件驱动，传感器为时间驱动且采样周期为T，在常用的CSMA/CD网络协议中，大时延发生的概率很低，这里考虑网络诱导时延为小于采样周期的随机短时延τ_k，在第k个采样周期内到达执行机构的控制信号可以表示为

设丢包发生在控制输入端且满足Bernoulli分布，丢包率为ρ，定义随机变量θ∈{0，1}，θ(k)＝1表示传输正常，θ(k)＝0表示数据丢失状态，则有

定义z(k)是故障检测单元接收到的数据，由于存在零阶保持器，于是有

z(k)＝θ(k)y(k)+(1-θ(k))y(k-1)

系统不确定性为D_σF_σ(τ_k)E_σ，其中：D_σ、E_σ是具有适当维数的常数矩阵，F_σ(τ_k)满足不等式条件则考虑未知短时延、丢包和不确定性的网络化切换系统如下：

其中

A_σ＝eAcσT,

C_σ＝C_cσ,D_dσ＝D_cdσ,D_fσ＝D_cfσ

控制器采用状态反馈u(k)＝-Kσx(k)，运用对系统进行增广计算，可得

其中

在此基础上，构造如下基于观测器的故障检测滤波器：

其中：和分别为和y(k)的估计，Lσ为待求的滤波器参数矩阵，r为滤波残差信号

定义滤波器误差由上式可得如下误差系统：

其中：

定义

ω(k)＝[d^T(k)f^T(k)Δy^T(k)]^T

综合上式可以得到如下状态监测系统：

其中

综合分析，状态监测问题可以归结为设计合适的滤波器参数L_σ，使得系统全局一致渐近均方稳定，且对于任意非零w(k)∈L₂[0，∞)满足

采用等价空间方法对残差信号r(k)进行时域优化以提高状态监测系统性能，ξ(k)＝V_k(z)r(k)＝(V_s,k+V_s-1,kz^-1+…+V_0,kz^-s)r(k)表示修正后的残差信号，其中V_k(z)为后置滤波器，s为其阶次，残差评估函数和阈值定义如下：

其中L代表状态监测窗口长度,因此，故障检测逻辑可以表示为