具有可視全景功能的智能變電站二次系統(tǒng)*

孔圣立，韓偉，時晨，劉超，李斌，張峰

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.河南省電力公司，鄭州 450052；3.河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，鄭州 450052)

0 引 言

隨著變電站智能化技術(shù)的發(fā)展，基于IEC 61850協(xié)議的智能變電站在國際上得到了越來越多的應(yīng)用，我國也采用相對應(yīng)的DL/T 860協(xié)議實(shí)現(xiàn)變電站的智能化。基于IEC 61850智能變電站的一個顯著特征是采用通信網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳遞變電站信息，通過就地采集變電站信息，并經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送給保護(hù)、測量和自動化等多個智能電子設(shè)備共用，實(shí)現(xiàn)變電站信息的高效利用和有效監(jiān)控[1]。

變電站采用智能化技術(shù)后，突破了原有的傳統(tǒng)變電站的信息采集、處理模式，但信息的智能化也給變電站的系統(tǒng)監(jiān)控帶來了新的問題。隨著智能變電站采用“不可直觀的”通信網(wǎng)絡(luò)傳送信號，傳統(tǒng)變電站的端子連接等方式不再以物理形式展示出來，而多被智能變電站配置文件等代替。

為了提高智能變電站報(bào)文的可觀度，陸續(xù)開發(fā)了智能變電站報(bào)文分析系統(tǒng)，但當(dāng)前智能變電站報(bào)文分析系統(tǒng)，多采用信息領(lǐng)域的報(bào)文分析方式，較少考慮以圖形化形式生動展示智能電子設(shè)備配置和互動關(guān)系。一般的報(bào)文記錄及分析手段也無法把通過信令表達(dá)的一些控制指令、關(guān)鍵事件，通過高可視化的方法進(jìn)行動態(tài)展現(xiàn)。從而給技術(shù)人員，尤其是具有傳統(tǒng)變電站運(yùn)檢經(jīng)驗(yàn)背景的技術(shù)人員帶來很多理解、操作、故障分析定位等方面的難度[2]。

論文將研究具有可視化全景功能的智能變電站二次系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)，具有實(shí)時全景數(shù)據(jù)的智能監(jiān)測、數(shù)據(jù)智能挖掘與分析、和高度可視化表現(xiàn)等特點(diǎn)，從而極大提高智能化變電站的運(yùn)行、維護(hù)能力，排除系統(tǒng)隱患，大幅度提高供電可靠性。

DL/T 860協(xié)議主要包含了以下報(bào)文[3]：(1) 抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范的MMS報(bào)文；(2) 面向通用對象的變電站事件GOOSE報(bào)文；(3) 通用變電站事件GSSE報(bào)文；(4) 采樣值SV報(bào)文；(5) SNTP 對時報(bào)文。論文將重點(diǎn)研究MMS、GOOSE和SMV三種最重要IEC 61850報(bào)文的可視全景功能實(shí)現(xiàn)方法。

1 MMS報(bào)文全景實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)思路

由于MMS采用抽象語法記法(ASN.1)來描述APDU，利用基本編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)ASN.1描述的抽象語法和比特流形式的傳輸語法的轉(zhuǎn)換，因此如何實(shí)現(xiàn)MMS的ASN.1解碼成為實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[4]。

針對上述問題，文中研究基于asn1c的MMS報(bào)文分析和報(bào)文可視，主要內(nèi)容包括：(1)OSI七層協(xié)議的報(bào)文解碼，其中表示層、ACSE、MMS層采用asn1c所自動生成的C語言代碼來進(jìn)行TLV解碼；(2)生成MMS REPORT報(bào)文的DA描述以及相應(yīng)告警和事件；(3)對七層報(bào)文解析后的可操作展示[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMS報(bào)文可視化系統(tǒng)圖

該方法實(shí)現(xiàn)了一種基于asn1c的MMS報(bào)文深度解析服務(wù)，并提供了MMS報(bào)文詳細(xì)信息和二進(jìn)制信息間對應(yīng)的高可視化的可操作展示。

1.2 具體實(shí)現(xiàn)

基于asn1c的IEC 61850 MMS信令的深度解析和內(nèi)容展示的運(yùn)行方法，包括：

(1) asn1c編譯器的準(zhǔn)備和使用。

(a)根據(jù)PRES、ACSE、MMS層對應(yīng)的協(xié)議規(guī)范手動生成抽象語法文件mms.asn1；

(b)使用asn1c把所述生成的抽象語法文件自動生成為相應(yīng)的C語言代碼。

(2)解析智能電子設(shè)備的IEC 61850 SCL信息模型，建立與模型匹配的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。

(a)解析基于IEC 61850 SCL所定義的數(shù)據(jù)模型文件；

(b)將所解析的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫包括兩張表，一張表存放IED名稱、訪問點(diǎn)、rptId、數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)集描述、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)等信息，建立rptId與DA描述的對應(yīng)關(guān)系；另一張表存放數(shù)據(jù)集、DA_ID、DA描述、順序號等信息；

通過遍歷內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的rptId得到數(shù)據(jù)集名稱，然后根據(jù)數(shù)據(jù)集名稱按順序號取得所有的DA描述，按順序填入到生成的XML串中。

(3)啟動IEC 61850 MMS信令的深度解析服務(wù)，包括OSI七層協(xié)議的報(bào)文解碼、生成對MMS REPORT報(bào)文信息的DA描述以及相應(yīng)告警和事件。

(a)深度解析包括： MMS層、ACSE層和CONNECTION-ORIENTED PRESENTATION層使用asn1c所自動生成的C語言代碼進(jìn)行TLV解碼，CONNECTION-MODE TRANSPORT層解碼涉及COTP報(bào)文的重組，TCP/IP層解碼涉及TCP報(bào)文的重組，Ethernet層解碼包括對VLAN各字段的解碼。協(xié)議棧如圖2所示；

圖2 MMS、TCP/IP及以太網(wǎng)的協(xié)議棧模型

(b)解析多個MMS報(bào)文，并結(jié)合所述內(nèi)存數(shù)據(jù)庫里的模型信息生成對MMS REPORT報(bào)文信息的DA描述。對MMS REPORT報(bào)文信息的DA描述最終生成一個XML串及相關(guān)的二進(jìn)制信息流串，在XML串中包含了協(xié)議棧各字段的詳細(xì)信息并且在每個字段中給出此字段對應(yīng)的二進(jìn)制串的開始位置和長度，基于所述XML串進(jìn)行高可視化的可操作展示。

(4)對七層報(bào)文解析后的內(nèi)容進(jìn)行高可視化的可操作展示。

通過應(yīng)用管理界面程序MMSGUI為用戶提供操作界面，查看MMS報(bào)文解析的詳細(xì)信息、各報(bào)文字段對應(yīng)的二進(jìn)制信息和MMS的告警及事件，包括：TCP連接、COTP連接、TCP銷毀、CTOP銷毀、MMS斷鏈、MMS解碼失敗、寫操作等。還可以通過應(yīng)用管理界面程序MMSGUI打開歷史MMS報(bào)文文件進(jìn)行靜態(tài)深度解析。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

該方法的核心組成部分的MMS深度解析服務(wù)，包含了以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)TCP、COTP報(bào)文重組模塊：服務(wù)中設(shè)置2個狀態(tài)，分別記錄TCP、COTP重組的情況，內(nèi)容包括已經(jīng)重組的數(shù)據(jù)起始地址及數(shù)據(jù)長度，以(源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口)四元組區(qū)分不同的鏈接，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容標(biāo)志(TPKT報(bào)文的標(biāo)志0300、以及COTP中的isLastUnit標(biāo)志)和報(bào)文的長度字段決定是否需要重組，是否應(yīng)該繼續(xù)進(jìn)行下一層解碼等操作；

(2)MMS解碼庫模塊：由asn1c生成的C代碼及在此代碼基礎(chǔ)上對PRES、ACSE、MMS層解碼封裝的代碼組成，該模塊以動態(tài)庫的形式存在，供解析服務(wù)調(diào)用。該方法已對MMS解碼庫做了大量的測試工作。測試結(jié)果表明，它能夠很好地完成所有解碼工作；

(3)報(bào)文記錄模塊：服務(wù)抓取的MMS報(bào)文以PCAP文件的形式無損記錄到硬盤上，以(源IP：目的IP)為目錄名建立分層次存儲目錄，(源IP：目的IP)下建立時間子目錄，時間目錄下包含該時間段的原始數(shù)據(jù)。對存儲文件以(源IP：目的IP)做鍵，存儲塊偏移作為值，使用LevelDB建立文件索引，保證從海量數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確、快速的定位到告警事件報(bào)文。

1.4 可視化實(shí)現(xiàn)

在開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)MMS報(bào)文展示功能，首先可以從全局上查看MMS實(shí)時和歷史的報(bào)文，進(jìn)行快速查詢和MMS報(bào)文情況，如圖3所示。

圖3 MMS報(bào)文總體圖

系統(tǒng)提供了進(jìn)一步查看每個MMS報(bào)文的具體內(nèi)容的功能。可以從總體圖中，選擇所需深入分析的報(bào)文，可視化后，在頁面下方會出現(xiàn)該報(bào)文信息的詳細(xì)內(nèi)容，點(diǎn)擊右下角“顯示原始報(bào)文”，如圖4所示，可以查看MMS報(bào)文細(xì)節(jié)。

圖4 MMS報(bào)文細(xì)節(jié)展示圖

MMS報(bào)文細(xì)節(jié)展示圖中，左邊部分顯示的是選中的歷史報(bào)文解析后的詳細(xì)信息，右邊顯示的是該歷史報(bào)文的十六進(jìn)制原始信息、解析信息與原始信息相互關(guān)聯(lián)。

2 GOOSE報(bào)文全景實(shí)現(xiàn)

2.1 GOOSE報(bào)文解析

GOOSE主要傳載電力系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)和控制等信息，是IEC 61850最重要的報(bào)文之一[6]。首先對GOOSE報(bào)文進(jìn)行深度分析，如圖5所示。

圖5 GOOSE報(bào)文解析過程

包含以下重要模塊：

(1)GOOSE報(bào)文的解碼模塊：將每條GOOSE報(bào)文解碼成一個特殊的鏈表。鏈表中的每個節(jié)點(diǎn)保存了，GOOSE消息中每個字段對應(yīng)的類型、長度，以及該數(shù)據(jù)在原始報(bào)文中的偏移；

(2)數(shù)據(jù)庫模型解析模塊：加載之前SCD解析生成的GOOSE控制塊信息，為GOOSE報(bào)文配置分析提供依據(jù)。并為GOOSE報(bào)文的高可視化提供相應(yīng)的描述信息；

(3)配置分析模塊：針對每條解碼后的GOOSE消息，分析其配置是否正確。如配置存在錯誤，則將對應(yīng)的錯誤標(biāo)志位置1，為之后生成告警信息提供依據(jù)；

(4)st & sq分析模塊：根據(jù)GOOSE報(bào)文st,sq的變化規(guī)律分析接受到的報(bào)文st或sq是否正常，如有異常同上置對應(yīng)的錯誤標(biāo)志位；

(5)DA深度分析：若st發(fā)生變化則找出發(fā)生變化的DA，記錄下變化的情況；

(6)告警上送模塊：結(jié)合之前各個錯誤標(biāo)志位，GOOSE報(bào)文的編碼信息及GOOSE模型生成XML格式的GOOSE告警信息。并將告警信息上送給高可視化模型。

2.2 可視化實(shí)現(xiàn)

在開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文展示功能，不僅可以查看多個GOOSE報(bào)文的順序收發(fā)情況，包括每個報(bào)文的到達(dá)時間、序號等摘要信息，還可以進(jìn)一步查看每個報(bào)文的具體內(nèi)容，如圖6所示。

圖6 GOOSE報(bào)文可視化圖

圖6的中間部分顯示是該時間段內(nèi)的GOOSE歷史報(bào)文信息列表，上方為GOOSE數(shù)據(jù)圖形展示，中間部分為GOOSE歷史數(shù)據(jù)列表信息，下方部分為顯示的詳細(xì)信息，其中圖形數(shù)據(jù)與列表數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，點(diǎn)擊右下角“顯示原始報(bào)文”，顯示選中GOOSE條目十六進(jìn)制原始報(bào)文及報(bào)文的解析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 GOOSE報(bào)文展示圖

圖7中，選中列表中的報(bào)文可以定位到圖形中的心跳動作，點(diǎn)擊心跳動作也可以定位到對應(yīng)報(bào)文明細(xì)。每出現(xiàn)一個心跳，表示接收到一個正常的報(bào)文。出現(xiàn)一個綠旗(圓圈內(nèi))表示出現(xiàn)一個新的GOOSE動作(如此例中的開關(guān)動作)，出現(xiàn)一個紅旗(方框內(nèi))則表示出現(xiàn)一個告警信息，如圖8所示。

圖8 GOOSE心跳報(bào)文

Fig.8 GOOSE heartbeat message

3 SMV報(bào)文全景實(shí)現(xiàn)

3.1 SMV報(bào)文解析

SMV報(bào)文深度分析是SMV信令(實(shí)時和歷史)高可視化展示的基礎(chǔ)[7]。SMV報(bào)文深度分析流程如圖9所示。

圖9 SMV報(bào)文解析過程

具體包含以下重要模塊：

(1)SMV報(bào)文的解碼模塊：將每條SMV報(bào)文解碼成一個特殊的鏈表。鏈表中的每個節(jié)點(diǎn)保存了，SMV消息中每個字段對應(yīng)的類型、長度，以及該數(shù)據(jù)在原始報(bào)文中的偏移；

(2)數(shù)據(jù)庫模型解析模塊：加載之前SCD解析生成的SMV控制塊信息，將SMV報(bào)文配置分析提供依據(jù)。并為SMV報(bào)文的高可視化提供相應(yīng)的描述信息；

(3)配置分析模塊：針對每條解碼后的SMV消息，分析其配置是否正確。如配置存在錯誤，則將對應(yīng)的錯誤標(biāo)志位置1，為之后生成告警信息提供依據(jù)；

(4)Smpcnt & quality分析模塊：解析SMV報(bào)文的smpcnt，看smpcnt是否累加1，判斷SMV報(bào)文中通道品質(zhì)是否正常，如有異常同上置對應(yīng)的錯誤標(biāo)志位；

(5)DA深度分析：結(jié)合SCD文件及SMV報(bào)文的定義，對SMV報(bào)文按TLV格式進(jìn)行解碼；

(6)告警上送模塊：結(jié)合之前各個錯誤標(biāo)志位，SMV報(bào)文的編碼信息及SMV模型生成XML格式的SMV告警信息。并將告警信息上送給高可視化模型。

3.2 可視化實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)可針對SMV實(shí)時和歷史報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行多種監(jiān)測和查詢處理，并可對其進(jìn)行深度解析和告警分析，經(jīng)典的SMV可視化圖如圖10所示。

圖10 SMV報(bào)文可視化圖

該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理能力，可以圖示化多路SMV實(shí)時數(shù)據(jù)流，并對其進(jìn)行實(shí)時檢測和分析。系統(tǒng)可以單機(jī)緩存過去24小時的所有SMV數(shù)據(jù)，并對其建立了快速索引機(jī)制。基于這種機(jī)制，用戶可以方便的檢索和深度分析任一時間段的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，并進(jìn)行高可視化的展現(xiàn)，如圖11所示。

圖11 SMV報(bào)文緩存圖

秒級內(nèi)的數(shù)據(jù)以原始波形展示，對于大于1 s的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量過大，則以趨向圖方式表示，如圖12所示，在圖形上使用鼠標(biāo)滑動可以查看滑塊時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也以列表的方式展示，其中數(shù)與圖相關(guān)聯(lián)，點(diǎn)擊界面右下角“顯示原始報(bào)文”，可以查看選中條目原始報(bào)文，其中右欄為16進(jìn)制的原始報(bào)文，左欄為報(bào)文解析。

圖12 SMV原始報(bào)文展示圖

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有變電站二次系統(tǒng)存在的不足，提出了一種具有可視全景功能的智能變電站二次系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了智能變電站MMS、GOOSE和SMV三種重要報(bào)文的解析、監(jiān)控和可視化方法。通過論文所提出的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能變電站二次系統(tǒng)的可視化成圖和事件告警展示，使得復(fù)雜的保護(hù)、測控等系統(tǒng)動作的報(bào)文交互情況一目了然，從而可以做到針對站內(nèi)復(fù)雜業(yè)務(wù)場景的“白盒”精細(xì)化測試。