基于Wireshark軟件的智能變電站檢驗等效交換機設計

張 偉，龍崦平，田一哲，李佳敏

（國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

智能變電站是堅強智能電網的建設基礎和重要組成部分，是未來智慧電網發展的重要方向之一。隨著智能電網的大力發展，越來越多的智能變電站投入使用。相比傳統變電站，智能變電站最大的優勢在于采樣數據高度共享，而實現數據共享的基礎便是電力交換機。隨著GOOSE、SV以及1588對時報文等多網合一模式的開發應用，交換機虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）與靜態組播技術在抑制網絡風暴、實現SV等采樣報文快速傳輸等方面的優勢也越來越明顯[1]。但更為廣泛的應用同時也對電力交換機提出了更高的要求。如應設法降低交換機網絡傳輸壓力，避免產生交換機網絡風暴，實現保護動作快速出口；應盡可能實現SV等數據可靠快速轉發，減少網絡傳輸延時和報文抖動性，避免由于報文采樣異常而引起的智能變電站保護裝置誤動或拒動現象的發生；應盡量減少因電力交換機異?；驒z修等原因而被迫退出運行時對保護設備的影響[2]。

智能變電站繼電保護裝置的使用技術和調試技術已經趨于成熟，但由于智能變電站二次安全措施執行的硬性規定對虛回路造成的破壞，使得現場檢修人員難以一次性對停電間隔的虛回路進行完整查驗。此外，目前對于電力交換機的調試檢修方法尚處于起步狀態。一方面是因為電力技術人員不夠重視電力交換機，另一方面是因為目前缺乏能夠實現電力交換機專項測試的儀器和手段。

現階段，變電站的檢修現場仍主要依靠交換機廠家技術人員的技術支持，且缺乏相關的監督檢修機制。特別是采用大規模組網模式的500 kV智能變電站時，站內電力交換機的數量較多，虛回路復雜，這對于電力交換機應急搶修的時效性以及設備正常檢修和調試工作的安全性而言意味著更高的要求與更大的挑戰。綜上，本文給出了一種基于Wireshark軟件的應用于智能變電站檢驗過程中的等效交換機解決方案，該等效交換機專注于智能變電站檢修調試與應急搶修兩種應用場景，以期能彌補現有的智能變電站虛回路完整性檢查措施與電力交換機應急搶修措施的不足之處。

1 設計需求分析

本文研制的等效交換機基于等效替代的思想，即令該等效交換機等效替代原本智能變電站中某臺電力交換機的功能和作用時，應不會對虛回路的聯系和各保護裝置的功能實現產生任何影響。基于這一主體思想，期望該等效交換機主要應用于以下兩種應用場景。

1.1 應急搶修

智能變電站過程層交換機上聯間隔層設備下聯過程層設備，若過程層交換機因故障而被迫退出運行時，則可能造成站內同時長期退出多套保護的風險，造成一失萬無的現場。此時系統一旦出現擾動或者區外故障，則可能造成大量越級跳閘，導致系統大面積停電事故。如果有應急電力交換機，就可以在無廠家技術人員支援的情況下，以最短的時間恢復異常運行的保護，從而極大縮短一次設備無保護運行時間，提高系統安全穩定運行的可靠性。

搶修人員在抵達現場后，直接將故障交換機上所有光纖轉接至等效交換機上，并進行VLAN劃分，因此該交換機應具有足夠數量的光口，并配備適量光口轉接頭以適配不同類型的光纖接口。此外，為了維持與其他運行中交換機的級聯關系，替代使用的等效交換機應具備適當數量的電網口。該等效交換機將作為臨時替代持續運行至原本的電力交換機故障修復完畢為止，且在該過程中應能實時監控各裝置報文，對異常報文進行報警，監控網絡風暴等。為此顯然有必要設計一個專用的人機接口程序，以便搶修人員更好地監控交換機所處的網絡狀態[3,4]。

1.2 例行檢修與調試

在智能變電站檢修現場中，當某一間隔停電后，最可靠的二次安全措施是電氣隔離（拔出光纖、退出智能終端硬壓板），以此實現對檢修設備和運行設備的安全隔離。這種隔離方式雖能夠在一定程度上降低失誤率，提高整體的安全性能，但也往往會破壞過程層網絡的完整性。尤其是500 kV智能站二次設備的檢修，往往需要隔離眾多組網光纖，從而造成在試驗過程中不能同時監測二次設備光纖回路中發送和接收的報文信息，不能驗證二次虛回路的完整性，極易忽略部分二次虛回路的驗證。以澧州變500 kV孱澧Ⅰ線B套保護為例，根據國網湖南省電力有限公司對繼電保護二次安全措施的硬性規定，應采取拔出光纖的方式對虛回路進行可靠隔離，具體如圖1所示。

圖1 保護隔離組網示意

由圖1可以看出，該間隔檢修安全措施隔離完畢后，雖然將檢修設備與運行設備進行了有效隔離，但整個間隔網絡將處于極不完整的狀態，同時停電間隔內檢修設備與檢修設備之間的網絡也被破壞。在這種狀態下進行檢修例試，只能進行單一裝置的檢驗和單一間隔的傳動試驗，將無法正確進行《繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》等有關規定中要求的二次回路完整性以及整組試驗的驗證。若過程層組網虛回路錯誤且在例行檢修試驗和調試中沒有發現，則極易釀成保護誤動或拒動的重大事故。

將相關停電間隔的保護裝置、智能終端以及合并單元均從原本的電力交換機改接入本文研制的等效交換機中，既能滿足繼電保護二次安全措施中有效隔離檢修設備與運行設備間所有聯系的安全性要求，又能確保停電間隔各裝置之間的所有虛回路仍能保持完整性，為檢修人員完整檢查虛回路的需求提供了有力保障。為了能校驗接入等效交換機中的虛回路，分析各裝置報文，顯然上述的人機接口程序還應當能實現對關鍵數據進行抓包、嗅探與分析等業務[5]。

2 硬件結構設計

基于上述需求分析，本文研制的等效交換機按如圖2所示的硬件架構進行設計。裝置硬件主要包括光電端口、電力交換機、電源系統、充電管理系統、鋰電池以及電量指示燈。基于現場使用需求與電磁兼容考慮，設計27個對外端口，其中24個為光模塊端口，用于接入各保護裝置、智能終端以及合并單元等的組網光纖。3個為RJ45電口，用于與其他交換機級聯以及連接人機交互界面[6]。本裝置設計的充電管理模塊由電池充電管理芯片、充電回路、控制MOS、船型開關等組成，具有充電指示、適配器插入檢測與充滿自動斷電保護等功能。通過充電管理系統為蓄電池充電，借助充電模塊可在無外接電源的情況下使用，實現了移動便攜使用的需求，大大減少了應用場景的限制[7]。電源系統、鋰電池以及電量指示，采用直流12 V的充電電源。

圖2 等效交換機硬件架構

最終完成搭建的等效交換機硬件部分如圖3所示，其外尺寸同大部分電力交換機一樣采用1U標準尺寸，以便于臨時安置在保護屏柜內使用。

圖3 等效交換機硬件部分實物

3 軟件設計與開發

3.1 Wireshark軟件簡介

Wireshark是開源軟件項目，所有的源代碼在通用公共許可證（General Public License，GPL）框架下都可以免費使用。開發人員很容易在Wireshark上添加新的協議解析器，或者將其作為插件整合到自己的程序里?；谝陨显颍琖ireshark包含了極其豐富的協議解析器，包括智能變電站中使用到的MMS協議、SV協議、GOOSE協議、104協議、PTP協議以及SNTP協議等，因此其在智能變電站調試檢修中應用范圍廣泛?；谶@一點，本文研制的等效交換機選擇該軟件來進行人機接口程序的開發[8]。

3.2 開發思路

在Wireshark軟件里，針對智能變電站設備檢修，開關量（GOOSE）一般是以“點”的形式出現，在檢修人員看來這與常規站無異，但模擬量（SV）是以“面”的形式出現，換言之是以底層SV報文的形式呈現，而底層SV報文采用的是ASN.1語法描述，這就意味著現場檢修人員需要對底層報文具有一定的解析能力和判別故障的能力，而這也給現場檢修人員帶來極大的不便，限制了該軟件在智能變電站中的應用。因此本文應用程序的設計與開發主要著力于改進Wireshark軟件對SV報文的二次處理。由于對SCD配置文件解析能力與SV通道數據解析能力的不足，Wireshark軟件在捕捉解析SV報文方面具有明顯的短板，主要表現為以下4個方面[9]。一是不能在樹形結構中展示SV通道數據；二是不能對SV語義上的異常進行識別；三是不能以波形方式展示SV通道數據；四是不能給每幀報文打上精準的時標。

為彌補上述4個軟件方面的缺陷，需要在Wireshark框架基礎上進行二次開發，結合本文前述的需求分析，二次開發軟件的基本思路如下。一是增加SCD配置解析和SV通道數據解析功能；二是根據上述解析結果進行異常識別和波形展示；三是裁剪掉Wireshark自帶的報文捕捉模塊，分析基于網絡報文分析記錄裝置捕捉到的報文；四是通過對比分析，選擇使用QT作為界面開發框架。

綜合上述關于Wireshark軟件二次開發的考慮，需要增加能解析SCD配置文件、解析SV通道數據、展示SV模擬量波形以及識別SV報文異常的4個模塊。

3.2.1 SCD配置解析模塊

智能變電站科學引文數據庫（Science Citation Database，SCD）配置文件含有全站所有二次設備的全部信息，為了從中獲取SV控制塊的內容，并在此基礎上為其手動配置SCD文件所未包含的SV通道相別、一二次變比等信息，必須設法對SCD配置文件進行解析?？紤]到SCD配置文件使用XML語言編寫，在眾多解析XML文件的庫中，最終確定選用Qt提供的QtXml模塊來對SCD文件進行解析，由此可獲得的SV控制塊信息，包括MAC地址、APPID、svID、DataSet、confRev、數據集元素個數以及各個通道的信息，包含通道描述和通道類型。其中需要手動為各個通道配置通道相別、設備一次變比、二次變比等信息。

3.2.2 SV通道數據解析模塊

為了能提取SV通道中的模擬量信息并展示波形，必須設法獲取SV報文中通道數據值。在分析SV報文幀格式后不難發現，其中各個通道的模擬量數據是直接編碼在報文中，并非使用ASN.1語法的BER編碼。由于Wireshark軟件本身的SV協議解析器只能將SV報文解析至BER編碼部分，無法翻譯各通道中的模擬量數據相關編碼，為此必須新增SV通道解析處理相關的代碼并將其加入Wireshark的SV協議解析器中。

3.2.3 語義異常識別模塊

Wireshark軟件本身只能判別SV報文的一些基本語法錯誤，如不符合編碼規則、長度不符合要求等，而對于SV報文語義上的部分異常卻無法進一步識別，如SV失步、SV檢修、SV數據無效、SV配置不一致、SV丟幀以及SV抖動等語義。為此特意新增一個語義異常識別模塊，該模塊將綜合前述SCD配置解析模塊和SV通道數據解析模塊中獲取的信息，并用于對SV報文中的異常語義進行特異性識別。

3.2.4 波形展示模塊

利用前述新增的SCD配置解析模塊，可以提取出每個SV通道的通道描述信息、通道類型信息、通道相別信息以及設備一二次變比信息等。而借助前述新增的SV通道數據解析模塊，又可以提取出每個SV通道中的原始模擬量數據。結合以上兩者，可以推知采樣步長與采樣頻率，再由Wireshark軟件讀取每個采樣點處的瞬時值，使用Qt界面提供的QPainter模塊即可完成模擬量的波形繪制。

3.3 軟件實現

考慮到目前智能變電站檢修現場普遍使用諾思譜瑞和凱默等廠家的手持式調試設備，本裝置將上位機選定為諾思譜瑞CRX200S手持式智能裝置測試儀，其使用平板觸摸屏，輕巧簡便，利于人機交互，同時向用戶開放搭載App軟件的功能。本裝置的人機接口程序App采用模塊化的規劃設計方法，其開發環境基于Android Studio進行搭建，采用Android通用版組態軟件。在Android應用中，有Activity、Service、Broadcast Receiver以及Content Provider共4大組件，而Activity是目前應用最廣泛的組件之一。它為應用程序提供了可用于交互的可視化界面，開發人員可在界面中自由添加相應的組件實現特定的功能[10,11]?；谠摻M件，添加了前述開發思路中提及的4種模塊的Wireshark軟件工具被整合成一款本裝置專用的App，其最終可以實現對交換機VLAN進行劃分、實時監控報文、報文異常報警、監控網絡風暴以及抓包關鍵數據等業務功能，最終實裝效果如圖4所示。

圖4 搭載于CRX200S的等效交換機專用App

4 軟硬件聯調

在完成等效交換機硬件設計與軟件開發后，通過交換機預留的RJ45電網口將搭載了專用App的CRX200S手持式智能裝置測試儀接入等效交換機中進行軟硬件聯調。實地選取了220 kV通益變電站作為初步調試的場所，將全站SCD文件下裝至測試儀中后，利用站內#2主變停電檢修的機會將與該間隔相關的保護裝置、智能終端、合并單元以及合智一體設備的組網光纖接入至等效交換機內，調用專用App對各裝置進行了VLAN劃分，并通過數據抓包得到各接入裝置的IED信息，如圖5所示?？梢姳疚难兄频牡刃Ы粨Q機可切實起到替換變電站中電力交換機的作用，保留了停電間隔內完整的虛回路連接，且在適用變電站例行停電檢修的同時，也可在電力交換機發生故障的情況下作為臨時交換機使用。

圖5 等效交換機軟硬件聯調實際效果

5 結 論

本文研制了一款智能變電站專用的等效交換機，其主要思路在于等效替代智能站中原本的電力交換機，并用專門設計的App擴展業務范圍，開創式地實現了在變電站例行停電檢修時期對停電間隔內所有虛回路進行一次性的完整核查。此外還能在站內電力交換機發生故障被迫退運的情況下，作為臨時交換機替代其使用投入，并通過專用App賦予其實時監控報文、識別異常報文并報警以及監控網絡風暴等功能，為智能站的安全穩定運行再添新保障。

綜合而言，該款智能變電站檢驗等效交換機具有以下特點。一是泛用性，交換機本體光口數量多，可實現多路數據傳輸，解決端口不足問題，且根據智能變電站不同的光纖接口類型配備相應的光口轉換配件，可滿足多種場合下的使用。二是輕量性，交換機本體重量輕，體積小，易于攜帶。三是便捷性，交換機本身內置可充電電源，便于開展移動作業。配套軟件所搭載的測試儀可單手手持使用，基于諾斯譜瑞測試儀平臺開發的智能化人機交互界面，通過網線即連即用，無需額外設置。四是多功能，借助基于Wireshark軟件開發的專用App，實現對交換機VLAN劃分、報文實時監控、報文報警、網絡風暴監控、關鍵數據抓包以及制定智能檢修策略等業務。

進一步的測試將在征求專業管理部門許可后，在國網湖南省電力有限公司檢修公司維護的智能變電站中開展，并定期收集在不同班組和不同變電站現場使用后的具體問題反饋，形成現場應用工作總結，改進本款等效交換機的用戶體驗。