網絡報文記錄分析裝置在數字化變電站中的實踐

楊登平 周宇 李義 郭順軍 王成龍

摘要：科技發展帶動社會進步，社會經濟發展，各項生產生活對電力需求逐漸增加，促進變電站不斷發展，使其向數字化方法不斷進步發展。文章對網絡報文記錄分析儀器進行簡單介紹，主要對網絡報文記錄分析裝置在的數字化變電站中的實踐詳細分析，以實際案例為支持， 對網絡報文記錄深入分析，旨在為促進數字化變電站持續發展提供有力參考。

關鍵詞：網絡報文記錄;分析;裝置;數字化;變電站

數字化變電站落實IEC 61850規范為支持，對一次設備及二次設備分層設置，確保變電中信息高速傳遞和共享[1]。數字化變電站將模擬信號轉換為數字化信號，建立對應的通信網系統。對數字化智能變電站而言，站控層、間隔層、過程層以IEC 61850協議實現通信。模擬量以SMV報文傳輸，狀態量、跳閘等以對象百能電站COOSE實現報文傳輸。數字化變電站中，各項信息通過數字信息所表達，將信息直觀的表現在大眾面前， 表現出數字化技術優越性。

1.網絡報文記錄分析裝置

網絡報文記錄分析裝置（以下稱之為網分）可適應數字化變電站網絡通信模式傳輸需求，具有顯著優勢：

1.1透明性優勢

單向接受報文，將不影響原網絡運行，不向原有網絡發送報文，安全性可靠。

1.2.信息處理量大

可接收處理變電站大量信息，處理一些通信報文，通過讀報文儲存、分析、數據在線/離線分析， 對信息檢索并管理。

1.3精準時標

支持以IRIG-B碼的不同時鐘源對時，可為各個報文打上精度在1μs左右的時間戳，為故障精確分析奠定基礎。

1.4支持SCD文件

SCD文件可以反映變電站設備及鏈路關系，通過SCD解析報文，將計算機語言表達為人類語言，以簡單易懂的信息反映變電站運行詳情的，為數字化變電站持續運行奠定基礎[2]。

網分可反映出數字化變電站不同部分通信報文實際信息。對報文進行有針對性的分析， 對故障提前預警。數字化變電站過程網絡結構有SV、GOOSE共網，不同的網絡結構下，對應網分接入方式具有的差異性。

2.網絡報文記錄分析裝置的發展分析

2.1調試設備

數字化變電站建設后，以網分支持便于調試，分析通信中存在的異常行為。網分裝置被定位網絡通訊黑匣子，對通信故障過程記錄，定位故障。以網分裝置作調試用，其自身獨立運行，內部信息保密，以專用界面反映出通信異常[3]。

2.2運行設備

網分裝置還可做運行設備，規范網分裝置功能，以解決網分信息隱私性及功能不規范問題。《智能變電站網絡報文記錄及分析裝置技術條件》（2013）對網分裝置技術要求給出明確規定，明確網分裝置功能及結構（軟件和硬件），硬件上將其分為采集和管理部分，按照DL/T860設計裝置信息模型及通信服務，使網分融入到變電站信息系統中。

當下，網分信息標準化模型將不同廠家報文分析結合起來，如圖1所示，展現出不同的功能。

網分裝置具體分工不明確，制定模型需注重避免模型內容固定，導致后來局限功能發展。 需以一種合適的交換文件方法，適應數字化變電站長久發展需求。

2.3和其他系統的融合分析

網分裝置自身特有的網絡報文監聽能力，其可以和其他系統融合起來，滿足不同系統功能需求。在《智能變電站保護設備在線監視與診斷技術規范》（2014）中，以二次運維為支持，提出在數字化變電站建設在線監測系統，將數據采集、數據管理共同構成二次設備系統[4]。在數據采集單元接入過程網絡，獲取合并單元，及SV、GOOSE報文，以專業性SNMP獲得交換機實際信息。就數據采集單元技術而言，其和網分裝置的技術的特點具有一致性。將網分裝置用作二次設備檢測系統，開展數據采集，以網分成熟技術，強化系統建設，減少不必要的資金浪費。

3.網分信息構成及作用

3.1網分信息構成

針對實際生產法實施不同，網分信息也具有差異性。

3.1.1原始數據

原始數據分為兩種，一種是交換機端口映射網絡的原始報文，另一種是原始報文中提取的應用層實際數據，針對協議不同，有SV采樣值、GOOSE信號等區別[5]。

充分發揮SCD文件最大價值，將MMS轉化還原為具有信息含義的IEC161850的ACSI服務內容，便于理解，可以還原為遙控操縱，報告控制塊激活。此時，MMS數據是二次設備以固定協議和外界進行交換后的運行信號代表值。

網分提取的保護運行信息如下所示：（1）保護動作，對故障發生的錄波、報告進行保護處理。（2）壓板狀態，主要是確保功能壓板穩定運行，保障軟壓板狀態正常。（3）確保運行定制穩定。（4）反饋裝備自檢信息。（5）保護實際模擬量。（6）對各項命令及操作落實，確保控制的實時性和 有效性。

3.1.2數據分析

由網分裝置對應分析模塊對數據分析，包含其產生信息、原始報文、應用層數據等分析。按照實際作用不同，則可分為不同內容：（1）分析通信網絡，檢查網絡流量是否滿足需求，是否存在網絡風暴，網絡連接是否穩定，交換機及設備通信連接是否穩定。（2）分析報文結構出現的異常，例如發現報文長度異常、ASN.1編碼的TLV結構出現異常，及時警報。（3）分析通信邏輯，及時發現GOOSE幀序異常、遙控控制不準確等問題。（4）數字化變電站配置統一系統，報文內容及SCD文件不一致，（5）分析裝置采集數據是否有價值，例如，對同源不同數據進行比對分析，分析GOOSE信號頻繁變位現象。（6）對二次設備運行分析，針對裝置上傳自檢信息及報警極限對裝置異常現象分析研究[6]。

3.2網分信息實際作用分析

3.2.1為變電站二次運維檢修提供支持

為確保二次設備檢測診斷穩定開展，電網公司對具體的智能設備性能做出規范，要求就地及遠方自動化系統可以及時反映系統設備板卡、回路，及時發現故障，便于設備檢修[7]。網分裝置可高效獲取故障自檢信息，且還具有以下幾方面優勢：

首先，網分裝置可對變電站通信網絡實施全面監視，實時檢測二次設備工作的狀態;再者，通過網分裝置可以更高效的網絡發生的故障進行定位報警。例如，變電站曾發生交換機故障，導致保護及另一臺設備出現大量通訊中斷，導致通信閉鎖，給檢修工作正常進行帶來較大麻煩。 而通過網分裝置支持，可迅速發現兩故障設備，為迅速解決故障提供依據。

數字化的變電站中，網絡通信是二次系統重要內容，對電網安全運行有重要影響[8]。對網分裝置而言，其可以對物理網絡運行進行切實監督，掌握全面的二次信息，獲取完整設備運行狀況，可結合其他自動化技術，實現在線監測及診斷，強化設備運行維護。

3.2.2為專業及調度提供有力服務

以MMS數據獲取保護運行信息，可實現電網故障、保護行為、輔助定值核對等多項功能。隨著智能化技術不斷發展，保護動作相關信息已經可以和監控、主站等系統聯系起來，若保護動作發生，則裝置生成大量相關信息，融入到監控系統中，將動作事件、故障簡報、錄波文件等上送。信息上送后， 客戶端保護當下運行定值。在保護系統通信繁忙時，客戶端數量增加將提高保護裝置運行負擔，造成一定負面影響，但是網分裝置并不和保護裝置直接通信，其對正常運行無干擾，仍可實現從其他客戶端通信中獲取動作信息、保護信息。通過網分裝置，繼電保護專項功能得以更好實現。

4.網分應用特點及實現

4.1應用特點

4.1.1系統功能可擴展性

傳統二次智能設備有功能范圍限制，以IED信息模型功能節點及語義描述作為體現。網分裝置自身網分分析功能具有一定的不確定性。網分裝置發展是分析功能發展的過程， 按照常規二次設備設計需求，若對網分裝置功能標準處理，則必然局限功能發展，這是網分信息模型制定的一大困難。

4.1.2信息不規整

網分采集的信息中，既有原始網絡報文，也有原始報文中應用層的數據，不同網分裝置掌握變電站中大量二次信息，可以從不同的角度反映出系統運行的實際情況。相較于傳統的四遙類型，IEC61850主要以層次化結構梳理數據的內容，數據內容包含子對象、數據屬性包含子屬性等。網份產生分析數據，為確保網分功能擴大發展，則需預先定義所有數據模式，信息數據的不規整特征，導致網分數據適合以對象化進行表達、儲存、分析等模式。

4.1.3服務對象具有多樣性

網分可分為多部門，有不同的專業人員進行服務。首先，其為設備制造廠家的設備調試進行服務，可及時發現通信中發生的異常現象，為調試提供力所能及的幫助;再者，網分裝置為數字化變電站運行維護人員進行服務，其能夠反映出二次系統實際運行狀態，為設備更穩定的運行奠定堅實基礎，為一些變電站的異常處理提供技術支持;最后，網分裝置為繼電保護、調度人員提供科學的服務，通過收集大量的處理電網故障信息，為及時處理電網事故，解決電網事故提供科學決策支持。

4.2網分的實現方式

網分信息自身種類繁多，不同種類信息的層次性關系較很復雜，涉及數據量龐大，具有“大數據特征”。其數據規模大，數據信息流轉速度較快，數據類型迥異，具有真實性、低價值等特點。針對網分信息的這種特征，可以采用大數據技術對其進行的儲存和管理，實現海量數據的有序管理。采用當下成熟的大數據儲存技術，構建出大數據應用平臺，在邏輯結構上將網分裝置設計為信息采集及信息管理兩部分。一部分包含信息采集、儲存及共享，構成網分信息平臺，信息管理上主要是對信息進行分析應用。

采集單元的主要作用是收集到的原始數據保留到數據庫中，以模塊化軟件進行設計，將各項分析功能以服務方向，組織為獨立嵌入模塊， 便于針對需求進行配置，為變電站將來擴大設計提供支持，將模塊產生的結果都同步到大數據庫當中，采用NoSQL數據庫為網分提供信息支持，提供接口訪問，將網分有用數據共享到需要的自動化系統當中，發揮信息最大化價值，實現分布式計算機及應用。

5.工程應用

當下，通過對數字化變電站態勢驗收了解到， 武漢中元華電ZH-5N、國電南四NSAR513等在數字化變電站中應用廣泛，但是，其網分在實際應用中還存在一定問題，一些網分的強大分析能力沒有得到有效發揮。

首先，在端口流量控制上，網分以防水尾纜和過程層A、B網匯總交換機相連接，可獲取SV采樣值及GOOE報文。其涉及到采樣值、報文數據量較大，在110kV單母分段變電站中，合并單元達到13+，交換機側配置1光端口給網分實現數據傳輸，端口數據流量約為120-130Mbit/s，對100Mbit工業級過程層交換機而言，端口可能丟失數據，導致網分采集到的數據不完整，需控制好網分監聽端口數據流量， 確保數據完整。

可采取多種措施解決上述問題：（1）在網分及100Mbit過程層匯總交換機側配置1000Mbit光端硬件，滿足使用需求。（2）進行數據分流，A網及B網過程層匯總交換機分配2+路端口資源，作用于網分，網分側配置2路監聽端口，接受數據，發揮VLAN劃分功能，將變電站按照流量劃分為2部分，進入網分對應監聽端口。

6.結束語

綜上所述，網絡報文記錄分析裝置自身實施監督監視能力較強，對電網事故記憶性分析、運行維護及狀態檢修提供有力支持，應注重在的數字化變電站中合理應用網絡報文記錄分析裝置，開發SCD文件解析工具，將網絡報文記錄分析裝置融入到變電站信息系統中，減少故障發生，提供變電站運維檢修效率。

參考文獻

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