智能變電站網絡分析與故障錄波一體化系統設計與實現

何 君 劉明慧 祁 忠

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智能變電站網絡分析與故障錄波一體化系統設計與實現

何 君 劉明慧 祁 忠

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

通過分析智能變電站網絡分析裝置和故障錄波裝置發展現狀，提出了一種適用于網絡分析和故障錄波應用場景的一體化系統設計方案。系統結構由管理單元和采集單元組成，文中闡述了系統信息采集方案和數據處理流程，并分別論述了管理單元和采集單元的軟件實現方案，解釋了管理單元和采集單元總體功能定義和各應用模塊組成架構。通過實例對比分析，指出了一體化設計的優勢，總結了設計方案的實用性和有效性。

智能變電站；網絡報文分析；故障錄波；一體化設計；IEC 61850

智能變電站采用IEC 61850“三層兩網”的網絡架構，站內智能電子設備之間通過傳輸不同協議報文進行通信[1]。網絡報文記錄分析裝置和故障錄波裝置作為智能變電站二次監視重要設備，二者都需進行站內網絡報文的采集、分析和存儲[2-3]，單獨配置占用站內交換機資源。對智能變電站中網絡記錄分析單元和故障錄波單元進行數據流分析，簡化合并同類應用，對提高智能變電站的運行可靠性、降低總體造價、加速智能變電站的普及和推廣有重要作用。

文獻[4-7]對智能變電站網絡報文記錄分析裝置相關功能和技術進行了概述。文獻[8]分析了智能變電站網絡通信異常原因。文獻[9-10]分析了數字化錄波器與傳統錄波器在設計中的異同點。文獻[11-12]設計了一種集網絡報文分析記錄和故障錄波功能一體的單裝置。文獻[13]提出管理單元和前置采集單元的一體化系統設計架構，系統內部使用站控層MMS網絡通信。文獻[14]提出“分散采集+集中分析”的思想，同樣基于管理單元和采集單元架構，采集單元負責采集網絡報文，管理單元實時分析和記錄。上述文獻基于單裝置的設計不能滿足不同規模數據流量和組網方式情況下網絡報文數據的采集要求。基于采集單元和管理單元的系統設計缺乏統一的技術標準，采集單元和管理單元功能定位不夠合理，“分散采集+集中分析”對管理單元實時性能要求較高，未充分發揮采集單元的作用，采集單元和管理單元采用站內MMS網絡通信不適應現行標準和規范對于網絡分析記錄裝置的要求。

本文基于“分散采集分析+集中配置展示”思路，提出一種新的網絡報文分析和故障錄波一體化系統設計，系統由多（單）臺套采集單元和一臺管理單元組成，采集單元實現報文實時采集分析和故障錄波功能，管理單元負責系統配置及分析結果的展示。

1 系統設計

本文設計的網分報文分析與故障錄波一體化系統采其系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構

為適應不同電壓等級和不同組網方式智能變電站的報文采集需求，系統基于分散采集分析和集中展示的思路，采集單元完成報文采集、記錄、分析以及故障錄波功能，管理單元承擔網絡報文分析及故障錄波后臺功能。

采集單元通過高速采集口采集過程層網絡、站控層網絡和站內調度通信網絡報文，廣播報文或GOOSE、SV等組播報文直接將交換機轉發范圍內的某端口接入采集端口，MMS、104等單播報文需要在交換機上做鏡像，然后將鏡像端口接入采集端口。采集單元對采集報文進行記錄并實時分析，將分析結果上傳給管理單元。管理單元提供系統配置、分析結果顯示、歷史數據查詢以及報文和波形的離線分析功能。管理單元和采集單通過網口直連的方式或使用獨立交換機實現數據交互。管理單元和采集單元分別提供對外通信功能，適應各地區主子站通信的要求。

系統可實現功能靈活配置，形成獨立網絡報文分析裝置、獨立故障錄波器以及一體化系統三種產品，適應不同地區的標準和應用需求。

2 信息采集方案

由于過程層和站控層的網絡報文流量巨大，同時存在大量的冗余與其他協議報文，對采集單元實時采集和分析造成很大的壓力，為實現快速有效的分析與診斷，采集單元需要預先配置數據模型以便對實時報文進行篩選和分析結果的關聯。

通過分析變電站配置（SCD）文件，可獲取IED設備信息、GOOSE配置、SV配置、數據集（dataset）和數據項（fcda）信息，同時建立數據之間的層際關系。MMS、104協議客戶端和服務端IP和端口需要根據站內實際情況人工配置。錄波開關量通道和模擬通道從解析后的數據項中挑選，同時配置錄波間隔、定值信息。管理單元保留全站數據模型，采集單元僅需配置其采集范圍內的數據模型，對不在其分析范圍內的報文數據產生未知鏈路告警，基于統一數據模型，管理單元可方便的對采集單元分析結果進行集中展示。

系統內部管理單元和采集單元之間的通信采用輪詢加突發結合的方式，對實時性要求高的突發告警和交互命令類數據使用內部協議進行通信，對實時性較低的監視類數據采用輪詢方式定時刷新，提高系統響應效率，系統數據流如圖2所示。為防止短時冗余告警刷屏淹沒重要告警，影響運維人員操作，系統采用周期內冗余告警達到閾值次數閉鎖和統計上周期內閉鎖告警重復次數相結合的策略，在確保記錄網絡故障的前提下，提高系統的易用性。

圖2 數據流圖

3 軟件設計

3.1 管理單元軟件

管理單元主要提供各種可視化分析工具，輔助運維人員排查網絡故障和電力系統故障，包含系統配置、在線監視、離線分析、對外通信4個主要功能模塊，軟件架構如圖3所示。

圖3 管理單元軟件架構

1）系統配置模塊提供以下功能：解析SCD文件，將SCD文件描述的半結構化數據存儲為結構化數據，生成全站采集對象模型；配置采集單元運行參數，如采集單元運行方式，可選網絡分析儀、故障錄波器和網分故錄一體化運行方式；管理單元和采集單元IEC61850建模。

2）在線監視模塊實時展示各種監測信息，包括網絡流量監測、各協議報文監視、故障錄波在線監測，報文監視具備實時報文結構展示、SV 9-2實時波形和離散度統計功能，同時提供管理單元和采集單元運行期采集模型校驗。

3）離線分析軟件可輸入pcap格式報文文件和錄波波形文件，進行 GOOSE、SV、MMS和104報文詳細分析和電力系統故障分析，具備故障波形和報文文件關聯分析功能，通過選取某一時刻錄波采樣點可快速關聯該時刻的GOOSE、SV報文。

4）對外通信模塊負責與主站通信，提供IEC61850文件服務、IEC61850報告服務、IEC61850控制服務。

3.2 采集單元軟件

集單元硬件采用模塊化設計，全密閉無風扇，側壁散熱，雙SATA 接口，支持SSD或HDD，最多4個硬盤模塊。CPU采用Cavium C6645 10核1.1G帶硬壓縮協處理器，4G內存，最大可配8個獨立MAC的100M/1000Mbps采集網口。采集單元軟件平臺選用嵌入式實時多任務操作系統Linux，采集單元軟件架構如圖4所示，由以下功能模塊組成。

圖4 采集單元軟件架構

1）數據庫模塊存儲采集單元參數配置、運行實時分結果和歷史報文波形數據，實時庫采用MySQL Memory引擎實現內存級讀寫速率。

2）報文采集模塊負責接收各采集端口數據包，由CPU自帶時標機制通過相對時間轉換為絕對時間，時間戳精度10ns，然后將報文指針傳給分析模塊進行分析，當報文積累到一定大小或超過固定時間后，通知壓縮存盤模塊進行壓縮存盤處理。

3）報文分析模塊識別報文類型調用各協議分析子模塊分析報文內容，分析結果更新實時庫，然后調用壓縮模塊壓縮存儲。

4）錄波模塊訪問GOOSE、SV報文解析結果共享內存，提取開關量和模擬量通道信息，實現錄波實時值計算、故障判據起動錄波、穩態及暫態波形文件生成等完整錄波功能。

5）壓縮存盤模塊接收報文采集模塊、報文分析模塊、錄波模塊數據，進行原始報文文件和故障波形文件的壓縮存儲，同時將文件記錄寫入歷史庫。

6）通信模塊實現采集單元IEC 61850通信功能。

采集單元功能模塊均采用單進程或者多進程設計，通過指定處理器mask指定模塊使用的內核范圍，各模塊占用核數見表1，可根據實際負載率調整。

表1 采集單元內核分配

4 實例分析

網絡報文記錄分析與故障錄波一體化應用以220kV熙悅站為例，過程層采用GOOSE、SV共網方式，考慮站控層數據接入和故障錄波需求，方案1）采用網絡記錄分析和故障錄波分析獨立配置，方案2）采用本文一體化系統，兩種方案對比見表2。

表2 獨立設計和一體化設計對比

通過比較可以看出，網絡報文記錄分析與故障錄波一體化系統具備巨大優勢和應用價值。經現場測試報文實時分析處理能力超過600Mbps，正常擾動報文壓縮比可達7∶1，在預定流量和硬盤大小情況下，連續存儲周期超過10天。該系統經過設置運行參數實現功能模塊投退，已分別在220kV莫合泉站和110kV太平水庫站作為獨立網絡報文分析設備和獨立故障錄波器投入運行。

5 結論

本文設計的網絡報文記錄分析和故障錄波一體化系統實現方案，能夠滿足各種電壓等級、組網方式以及不同應用場景的智能變電站的對網絡分析和故障診斷設備的實際需求，具備高效的采集、分析功能，完善的對外通信功能，可擴展性搞，適應智能變電站的發展趨勢，滿足行業標準規范的要求。

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Design and implementation of network analysis and fault recording integrated system for smart substation

He Jun Liu Minghui Qi Zhong

(Nanjing NARI-relays Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The development status of smart substation network analysis device and fault recording device is briefly described, an integrated system design scheme is proposed, which is suitable for network analysis and fault recording application scene. The system structure is composed of management unit and collection unit, the system information collection scheme and data processing procedure are expounded. The software implementation of management unit and collection unit are discussed respectively. The overall function definition of management unit and acquisition unit and the architecture of each application module are explained. Through comparative analysis of examples, the advantages of integrated design are pointed out, and the practicability and effectiveness of the design scheme are summarized.

smart substation; network analysis; fault recording; integrated design; IEC 61850

2018-05-17

何 君（1984-），男，江蘇省如東縣人，研究生，工程師，主要從事電力系統自動化相關研究工作。