智能變電站網絡交換機在線監測設計與實現

徐 勇，陸玉軍，張 雷

(1.宿遷供電公司，江蘇宿遷 223800；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京 211102)

通信技術是變電站自動化系統信息傳輸的基礎，所采用的技術必須滿足變電站內通訊網絡傳輸時間的要求。在以IEC 61850 標準為基礎實現的智能變電站中，過程層通訊網絡傳輸采樣值SV 報文和通用變電站事件GOOSE 報文信息關系到二次設備的正確采集、處理及控制輸出，影響到一次設備的正確動作和安全運行，信息傳輸的可靠性、實時性和安全性要求非常高[1]。

根據前述要求，在網絡交換機應用方面，往往優先采用性能優越、高可靠性的品牌工業交換機，因是網絡核心設備，其可靠性將影響到與網絡交換機連接的多個保護設備正常運行，部分現場甚至不惜重金大量采用。在當前應用中，由于缺少交換機及網絡性能的在線監測手段，無法及時獲知交換機內部狀態、接口通訊、網絡流量等實時信息，難以發現交換機和網絡的異常征兆、無法預估交換機何時會出現故障而影響系統運行安全。雖由交換機或網絡故障引起的保護誤動或拒動的情況不多，但從獲知的智能變電站內交換機和網絡異常事件看，開展交換機性能及網絡實時監測將有助于幫助發現運行中的潛在缺陷，并及時采取正確地處理措施。針對異常進行改進，達到優化設計、改善性能、減少冗余、簡化配置的目標。

1 變電站交換機使用與管理現狀

1.1 交換機的設備配置

為保證過程層信息傳輸的實時性、可靠性、安全性，在智能變電站內一般是將站控層和過程層分網傳輸。并且在過程層網絡設備的選用上，只考慮工業級、高性能的可網管交換機，而普通的交換機因為不能實現網管的配置應用，即使在智能變電站的站控層中也很少有應用。目前應用較多的交換機品牌有HIRSCHMANN（赫斯曼）、RuggedCom（羅杰康）、MOXA（摩莎）等。

變電站網絡在設計中一般采用雙網、或雙網雙套、或冗余交換機配置，當一個網絡出現故障時，依靠另一網絡的投入保證網絡的可靠運行。

1.2 交換機的管理方式

（1）串口管理：通過串口線，主機與交換機提供的菜單控制臺界面或命令行界面進行交互操作。

（2）Web 管理：在主機瀏覽器中輸入交換機管理IP 訪問，但部分網管交換機不支持Web 管理。

（3）網管軟件管理：通過局域網，利用主機上安裝的網管軟件訪問交換機。網管軟件有通用型和廠家為自身產品定制的專用型網管軟件，如赫斯曼公司的Hivision、思科公司的Cisco works、華為3Com的IMC等軟件均為專用型。

1.3 交換機的管理現狀

一般按網絡規模、設備配置和數據傳輸要求，采用報文過濾、環網冗余技術配置交換機；運行中根據網絡或交換機設備是否有異常，檢查設備狀態或調取故障信息分析；缺陷處理或網絡設備校驗時，使用工具軟件查看內部狀態信息或針對故障查找設備內部缺陷[2]。

2 變電站交換機網絡管理分析

目前的網絡管理方法是一種被動的管理策略，往往等缺陷暴露后才能發現問題，易對系統運行造成不利的影響。本文提出采用一種主動的管理方法即實現對交換機運行狀態、網絡通訊流量等信息的采集，建立對交換機的在線監測，通過對數據的分析處理，判定是否存在網絡異常或故障、分析定位故障發生的設備節點或導致缺陷的緣由，及時提醒監控運行維護人員采取主動處理措施的管理方式，防范因設備癱瘓或網絡缺陷而引起的事故。

2.1 監測對象

根據ISO/IEC 7498-4 中的定義，網絡管理的功能主要分故障管理、計費管理、配置管理、性能管理、安全管理5個方面。而變電站交換機網絡管理從網絡性能監測、交換機狀態監測角度采集信息，通過分析處理，實時獲取交換機和網絡性能的狀態，側重性能管理、故障管理。例如通過對通訊數據處理可獲得：帶寬占用率高、流量突變、通訊異常等信息。

（1）網絡性能監測的信息：交換機端口通訊連接狀態、輸入輸出流量、帶寬占用率、輸入丟包率、輸入錯誤率，輸出丟包率、輸出錯誤率。

（2）交換機性能監測信息：CPU 負荷率、內存利用率、內部模塊自檢狀態、電源工作狀態、工作溫度、交換機風扇狀態，交換機重啟（故障或失電引起）及其他自定義異常事件。

2.2 采集信息

上述需要監測的信息位于交換機信息庫MIB 中，通過仔細分析MIB的數據存儲結構，發現變電站交換機性能監測的信息主要分布在：端口通訊變量、系統信息變量、內部狀態變量、及故障異常變量等部分[3]。

（1）端口通訊信息。位于交換機MIB庫的Interfaces 子節點下ifTable的表對象中，對象標識OID為1.3.6.1.2.1.2，這部分包含：端口一般信息，如標記ifIndex、描述ifDescr、類型ifType、速率ifSpeed；端口狀態信息，如端口管理狀態up 或down，端口工作狀態linkup 或linkdown；端口流量信息，如輸入和輸出流量的累計數據。

（2）系統信息。位于交換機MIB 庫中的System子節點下，OID為1.3.6.1.2.1.1，這部分含有：交換機描述、交換機ID、交換機上電時間等信息。如根據上電時間可發現交換機是否有宕機或失電現象。

（3）內部狀態信息。位于MIB 庫中的private.enterprises 子節點下，OID為1.3.6.1.4.1，這部分為廠家私有MIB 信息，需要關注的部分內部信息有：交換機系統時間、程序版本、電源狀態，交換機溫度、CPU 負荷率、風扇工作狀態等信息。由于是設備的內部專有信息，需通過廠商的技術資料才能進行解讀。

（4）trap 事件信息。交換機的故障異常信息一般通過trap 命令由網管交換機主動發給管理主機，SNMPv1 協議中描述部分故障異常信息：交換機重啟、端口通訊中斷與恢復、及交換機自定義故障異常事件。

2.3 通訊數據處理

前述端口通訊信息為統計數據，需要處理才可以獲得網絡性能的指標信息。如通過2 次輪詢的數據除以輪詢間隔時間，則可得到一段時間的流量信息[4，5]。與網絡通訊相關的統計指標有：

（1）端口流量。以2 次采集的輸入/ 出字節數之差反映一段時間內端口流量：

式（1—3）中：ΔBin為2 次輸入字節數差值；ΔBout為2 次輸出字節數差值；ΔT為采集間隔時間。

（2）端口帶寬占用率。以端口速率和流量獲得一段時間帶寬占用率：

式（4）中：Spt為端口速率。

（3）端口通訊包數。反應一段時間內的數據包數：

式（5）中：ΔPin，ΔPiu，ΔPinu為輸入包數、輸入單播包數、輸入非單播包數，同樣可獲得輸出包數。

（4）端口錯誤率。反應一段時間內的數據包的出錯率：

式（6）中：ΔEin為輸入錯誤包，同樣可獲得輸出錯誤率。

（5）端口丟包率。反應一段時間內的數據包的丟包率：

式（7）中：ΔDin為輸入丟包數，同樣可獲得輸出丟包率。

2.4 交換機信息處理

根據采集的交換機信息及設定的異常閾值處理，判斷硬件設備的異常，如電源異常、溫度高異常、CPU利用率、內存占用率高異常等指標信息均是交換機設備異常的反映。

（1）獲取時間信息。采集獲取交換機的上電時間是自上電后運行至當前時間的累計，不能直觀反應上電時刻，可通過下式獲得：

式（8）中：Tup為上電時間；Tdev為交換機時間；Tsec為交換機上電的秒數。

交換機端口變位時間是相對系統啟動時間的10 ms 數據，通過下式獲得端口連斷時間：

式（9）中：Tpt為端口連/斷時間；Tlc為端口變位時間。

如交換機時間與當前時間相差較大，則應以當前時間做依據，否則無法準確獲知端口變位時刻。

2.5 信息處理及告警上傳

整站交換機的監測信息量已不少，如不篩選信息來上傳，過多的告警將使運行人員判別處理困難，難以區分真實的異常。應用采集到的數據進一步處理，以設備告警信息、設定閾值越限來判定是否產生網絡異常或故障、通過分析定位故障發生的環節，以狀態信息或告警事件向管理人員或變電站監控系統發送，提醒運行人員采取主動的處理措施。由交換機在線監測系統（或監控軟件）篩選處理后需上傳的信息如表1 所示。

表1 交換機監控上傳信息

3 變電站交換機監測管理設計

變電站實際使用中的交換機由不同廠家、端口數量不一、多個不同架構的網絡組成，站內統一監測需能實現上述全部設備的狀態監視，同時含能夠對采集數據分析處理、事件或日志查詢等網絡管理應用需要，建立的變電站交換機網絡管理系統具備以下功能模塊：交換機配置管理、通訊采集、數據處理、狀態和數據監視、告警事件、日志或數據查詢等模塊，如圖1 所示。

圖1 交換機監測功能模塊

（1）交換機配置管理模塊。針對滿足不同交換機類型、不同廠家、不同接口數量、不同接口設備、不同網絡結構的交換機進行配置管理的需要，建立交換機統一配置管理模塊，主要實現交換機類型管理、交換機所在網絡管理、交換機通訊信息采集管理、接口數量及不同接口設備的屬性管理、實現不同交換機MIB 對象信息管理，特別是交換機廠家私有變量信息的管理。

（2）SNMP通訊模塊。交換機的信息均通過SNMP輪詢和trap 事件采集獲得，通訊采集時需兼顧多臺設備的同時通訊及阻塞等問題，因此需為每臺受監控的交換機建立“輪詢+trap”的獨立線程管理，使交換機的采集通訊相互獨立，互不影響，保證了信息采集的實時性。實現方法是啟動交換機通訊采集時創建線程，停止采集時關閉創建的線程。

（3）采集數據處理模塊。根據采集的交換機系統信息、端口流量數據、內部狀態信息進行處理，獲得與網絡通訊相關的統計指標、與交換機設備異常相關的事件告警、超限告警信息，輸出可直接觀測和便于理解的信息。

（4）數據圖形顯示模塊。將交換機的采集數據、處理后的數據、告警信息事件分類進行顯示，以數據及表格、狀態圖、趨勢圖、告警事件等方式進行展示。

（5）狀態數據輸出模塊。對處理后的交換機及端口信息，建立監控信息上傳表，實現告警數據上傳，便于實現監控統一管理。支持以IEC61850MMS 或IEC104 協議輸出。輸出的每臺交換機狀態信息數據可查詢、可監視。

（6）告警輸出模塊。對所有的操作、通訊事件提供帶時標的詳細告警信息，并按類別、分窗口顯示，告警事件按建立的日志文件可實現多條事件的自動實現存儲，可控制存儲文件大小、和控制日志文件保存的天數。輸出的告警事件文件可方便查看。告警事件支持選中清除。

4 變電站交換機在線監測實現

4.1 變電站交換機監測系統介紹

根據前述交換機監測分析設計，基于VS2005 開發套件開發了以SNMP 通訊協議實現信息采集、支持多個廠家、不同型號交換機設備、可實現變電站內多臺交換機的同時網管在線監測軟件。根據變電站交換機在線監測的需要，為交換機監測配備了專用的變電站網絡在線監測設備，監測設備具有豐富的網絡接口和強大的功能，支持多路以太網和光纖的接入，可實現變電站內多個不同網絡的同時接入監測，避免了不同網絡的級聯。監測的交換機數量和網絡均可通過配置實現，監測軟件可適用于任意規模的變電站交換機的在線監測，具有通用性。

鑒于變電站內監控設備的豐富及另安裝專用監測設備的麻煩，本監測程序也可運行于基于Windows 平臺的變電站監控后臺，或網絡報文記錄分析裝置中。也可作為一個網絡狀態的檢查分析工具，在現場用調試筆記本進行交換機實時狀態信息的檢查維護。

程序采用多線程防阻塞的設計方案，為每臺交換機創建獨有的“SNMP 輪詢+SNMPtrap”通訊線程，控制交換機MIB 信息數據采集，避免了單臺交換機管理通訊中斷引起的阻塞問題，保證了數據采集、程序處理的實時性和準確性，同時監控上傳信息的通訊也采用獨立的線程進行管理。程序采用多文檔框架窗口設計，每臺交換機畫面由單獨子框架窗口管理，子框架視圖采用多畫面分類顯示采集信息、處理信息、告警狀態、輸出信號，并依據告警信息類型實現分類管理和綜合存儲，方便查看。支持交換機接口界面的自適應布置，可實現顯示界面的端口布局與實際設備一致。

4.2 變電站交換機監測應用

本項目在蘇北某110 kV 智能變電站現場實現了交換機的監測接入，共有站控層3 臺和過程層2 臺交換機在運行中實現了監測。現場1 臺過程層交換機的連接監測的端口數據、流量等變化狀態信息如圖2、圖3 所示。

圖2 某一時刻交換機端口數據

圖3 交換機監測的端口流量

圖2 中顯示交換機自上電運行以來16個端口各自的接收（Rx）和發送（Tx）數據字節數，縱坐標為兆字節數（MB），橫坐標為端口標記。

圖3 顯示在監測的1000 s時間內的流量結果，端口1的平均輸入流量為5.3 kB、輸出流量為2.0 kB、端口總流量＜8 kB，帶寬占用率為0.06%（＜0.1%）。

通過現場的實際監測，發現現場運行的交換機存在以下問題：

（1）交換機運行時間較短，且多臺交換機上電時間一致，判斷為設備在運行中曾發生過失電，可能存在直流電源異常，或誤操作。

（2）根據監測端口的上電時間信息，獲知個別端口連接設備存在通訊中斷現象，需進一步排查。

（3）個別交換機的時間不準確，需進行對時。

交換機端口通訊及內部狀態監測顯示站控層交換機和過程層GOOSE 交換機的端口數據流量均較小，交換機性能顯示正常，變電站的交換機設置和配置未發現缺陷。

5 結束語

盡管目前變電站內采用的交換機可靠性高、出現異常的概率低，但無法徹底避免存在的運行風險，通過本項目的開展可以初步掌握變電站網絡交換機運行中存在的問題，為今后改進網絡設計、提高網絡性能、規避網絡風險提供一種有益的工具。

[1]高 翔.數字化變電站應用技術[M].北京：中國電力出版社，2008：93-100.

[2]張小飛.智能變電站網絡應用及測試技術研究[J].江蘇電機工程，2012，31(4)：34-38.

[3]杜 凱.基于SNMP的網絡性能監測系統的實現[J].計算機與數字工程，2007，35(2)：96-100.

[4]汪升泉.基于SNMP的網絡性能數據異常檢測技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學碩士學位論文，2008.

[5]毛 卉.基于SNMP的網絡性能監測系統設計[J].湖北電力，2011，35(2)：28-30.