網絡報文記錄分析裝置在智能變電站中的應用與展望

欒慶武，岳 蔚

（國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518055）

0 引言

智能變電站發展迅速，技術先進［1-5］，其數字化、網絡化和信息共享化的特性催生了很多新的智能設備和運維手段［6-9］，網絡報文記錄分析裝置是其中一種典型二次智能設備［10］。網絡報文記錄分析裝置主要用于記錄智能變電站內二次設備間的通信報文，并對其進行分析，異常識別，為調試運維提供輔助手段［11］。相對于傳統的變電站二次設備，網絡報文記錄分析裝置具有功能新穎、專業性較強、調試運維人員操作使用不熟練的特點。這導致該裝置在智能變電站中應用受到限制，實際使用情況不理想。文獻［12］、文獻［13］對網絡報文記錄分析裝置的應用進行了介紹，但重點關注在裝置本身的功能，且與現行規范已經有了較大的差別。本文結合網絡報文記錄及分析裝置“四統一”最新技術規范，分析了其軟件硬件架構、工作原理，給出了裝置的典型應用場景，展望了裝置技術發展趨勢和前景，進而提升了裝置在智能變電站中的使用范圍和可用性，為智能變電站的穩定運行提供進一步的保障。

1 原理分析

網絡報文記錄分析裝置主要用于對智能變電站通信網絡上的報文進行采集、記錄、解析，并對解析結果和記錄數據進行展示、統計、分析、輸出等，進而實現通信網絡健康狀況的診斷，給出報警，預防電力系統事故的發生［11］。

1.1 裝置架構

網絡報文記錄分析裝置由采集單元和管理單元構成，硬件相互獨立，二者之間使用基于TCP/IP的私有或通用的規約通信［11］，如圖1所示。

圖1 裝置架構Fig.1 Device architecture

采集單元包括采集、分析、記錄3個模塊，如圖2所示。采集模塊負責采集接收到的網絡報文，并對報文打上精確的時標和報文頭，以方便后續分析和記錄。分析模塊逐幀分析從采集模塊傳遞過來的報文，對報文進行識別，分類，統計，字段解析，異常判斷等。記錄模塊對傳遞過來的報文進行匯總，添加文件頭，然后按照端口、類型、時間規則等進行存儲。

圖2 采集單元軟件架構Fig.2 Capture unit software architecture

管理單元包括SCD配置文件解析模塊、網絡事件管理模塊、報文文件管理模塊、分析結果展示模塊、對上通信模塊、離線分析模塊等，如圖3所示。

圖3 管理單元軟件架構Fig.3 Management unit software architecture

1.2 工作原理

1）采集模塊

在智能變電站的站控層、間隔層、過程層的通信網絡中，充斥著SV、GOOSE、MMS、104、1588等多種類型的報文。這些報文發送速率、發送格式完全不同。網絡報文記錄分析裝置需要完整準確采集，且捕獲時間分辨率小于1μs。普通的網卡不能滿足這樣的要求，需要采用CPU+FPGA方式，通過全硬件回路對報文采集、增加時間戳、完成多報文同步、緩存、預處理。這樣就可以保證數據處理實時性，運行穩定可靠性和抗干擾能力，提升系統處理效率。經過預處理的報文，通過數據總線傳遞至分析模塊和記錄模塊。

2）分析模塊

DL/T 860體系中，包含多種類型報文［14］，主要有類型1（快速報文），類型1A（跳閘報文），類型2（中速報文），類型3（低速報文），類型4（原始數據報文），類型5（文件傳輸報文），類型6（時間同步報文），各類型報文用途及映射協議棧如表1所示。

表1 報文類型及協議棧映射Table 1 Message types and protocols stack mapping

在分析模塊中，通過各協議的類型關鍵字可以進行初步識別，例如在鏈路層，通過以太網類型字段可以區分SV報文（類型字段為0X88BA）、GOOSE報文（類型字段為0X88B8）、IP報文（類型字段為0X0800）。在網絡層，通過協議字段，可以區分TCP報文（協議字段為0X06）、UDP報文（協議字段為0X11）等。識別出具體協議后，再根據協議的標準格式進行后續的解析、異常判斷。

3）記錄模塊

報文記錄是網絡報文記錄分析裝置最基本的和核心的功能，需要在大負荷的網絡流量情況下，完整、準確、連續、循環地記錄網絡報文，并方便快速檢索。在智能變電站中，每種報文都有各自的特點，SV報文流量大、發送穩定、格式固定、壓縮比較大；GOOSE報文流量小、發送不穩定、格式固定、壓縮比較大；MMS流量不穩定、發送不穩定、格式不固定、壓縮比較小。根據每種報文的特點進行分類存儲，設置不同的文件生成策略，是一種可行的方式。同時，需要標識每個文件的存儲時間，在磁盤寫滿時，可以根據先進先出的原則，刪除較舊的報文文件，實現循環存儲功能。

4）人機交互模塊

為方便調試、檢修、運維人員使用網絡報文記錄分析裝置，具備一個方便、快捷、友好的人機交互界面是必要的。要達到這個要求，需要管理單元能夠實時從采集單元獲取所需要信息，包括狀態信息、事件信息、文件信息、裝置信息、原始報文信息等，并按類型、功能劃分展示區，進行實時展示。對于標準化的網絡報文記錄分析裝置，一般包含全站工況、實時監視、查詢統計、記錄文件管理、裝置信息5個模塊，對上述信息進行完整展示。

2 應用場景

網絡報文記錄分析裝置是智能變電站重要的二次輔助設備，在調試、運維、故障處理環節，均可以發揮重要的作用。

2.1 安裝調試場景

在智能變電站安裝調試環節中，一方面配置尚不完善，SCD文件更改較為頻繁；另一方面光纖、網線、交換機均為初次部署，損壞或出錯機率較大。這些會導致合并單元、智能終端、保護測控等二次設備出現發送異常、無法跳閘、采樣異常、通訊中斷等問題［15］。由于使用光纖取代了電纜，通過常規手段排查這些問題非常困難，效率較低，使用網絡報文記錄分析裝置可以達到事半功倍的效果。

以一臺保護測控裝置發生采樣異常為例。如圖4所示，可能有以下幾種原因：

圖4 裝置采樣過程示例Fig.4 Sample process example of device

1）合并單元輸出異常；

2）光纖1異常；

3）過程層交換機轉發異常；

4）光纖2異常；

5）保護測控裝置接收異常。

通過綜合分析合并單元狀態、保護測控裝置狀態、網絡報文分析裝置狀態，即可以快速定位故障點，進行問題排查，如表2。其中網絡報文分析裝置接收到的SV報文狀態又可細分為通信中斷、配置異常、數據異常、包速率異常、離散度異常等，通過這些信息，可以快速定位故障原因，并進行排查處理。

表2 采樣異常分析Table 2 Analysis of sample abnormal

2.2 運行維護場景

在智能變電站中，數字化通信網絡取代了電纜，一些隱含的問題不易發現，這給智能變電站帶來了隱患，也給運行維護環節帶來了不便。通過網絡報文記錄分析裝置可以直觀地查看全站通信鏈路狀態，通過鮮明的顏色標識，可以快速發現異常的通信鏈路，異常原因以及其對應的IED，也可以查看某個IED的SV、GOOSE發布訂閱關系以及虛端子連接和實時值，提高了智能變電站運行檢修的效率。

在網絡報文記錄分析裝置管理單元的“全站工況”模塊中，展示了全站IED的通信鏈路狀態，如圖5所示［11］。

圖5 全站工況示例Fig.5 Status of whole substation example

根據不同的顏色標識，可以快速發現異常的IED，顏色標識含義如表3所示［11］。

表3 顏色標識含義Table 3 Meaning of color

點擊某個具體的IED，可查看與該IED相關的所有通信鏈路以及SV、GOOSE發布訂閱關系。以圖6某個IED為示例，與該IED關聯通信鏈路有7個，其中2個MMS鏈路，2個GOOSE發布鏈路，2個GOOSE訂閱鏈路，1個SV訂閱鏈路。

圖6 IED通信鏈路示例Fig.6 IED communication link example

點擊某個GOOSE或SV鏈路，可以查看虛端子連接情況和實時值，如圖7所示。

圖7 GOOSE虛端子連接及實時值示例Fig.7 GOOSE virtual terminals link and real time value

2.3 故障處理場景

在常規變電站中，電壓、電流、開關量的傳輸介質為電纜，如圖8所示。發生短路故障或斷路器異常分合時，可通過分析錄波波形，基本確認故障原因以及繼電保護的動作行為。在智能變電站中，電壓、電流、開關量的的傳輸經過了一個通信轉換的中間環節，如圖9所示，此時，僅通過錄波波形分析系統故障，會有一定的局限性。例如，采樣值精度降低，采樣值品質缺失，通信環節異常等。這些信息無法通過錄波文件獲取，需要查看原始報文做進一步的問題分析。

圖8 常規變電站采樣過程Fig.8 Sample process of conventional substation

圖9 智能變電站采樣過程Fig.9 Sample process of smart substation

網絡報文記錄分析裝置可以完整準確地記錄過程層全部通信報文，其中SV報文存儲時間不低于3天，GOOSE報文不低于7天［11］。在變電站發生故障時，可通過網絡報文記錄分析裝置管理單元人機界面的“記錄文件管理”模塊，查詢下載對應時刻的報文。通過分析原始報文，可以獲取電壓、電流、開關量等更多細節信息。

1）獲取未經過插值、同步、轉換等處理的高精度的原始值，如圖10所示。

圖10 高精度原始值Fig.10 High precision original value

2）獲取通道的全部品質信息，如數據無效、檢修、溢出等，如圖11所示。

圖11 通道品質信息Fig.11 Quality infomation of value

3）獲取數據發送附帶信息，如報文發送間隔是否正常、發送規律是否滿足標準等，如圖12所示。

圖12 報文發送時間信息Fig.12 Time infomation of message send

3 前景展望

除了上述三個典型應用場景，結合網絡報文記錄分析裝置的功能特點和智能變電站的發展情況，其應用可以進一步擴展，文獻［16］-文獻［21］進行了研究，在以下領域，網絡報文記錄分析裝置還有進一步挖掘的空間和更廣闊的應用前景。

3.1 SV、GOOSE數據高級分析

網絡報文記錄分析裝置屬于自動化類設備，對于繼電保護方面的分析是其薄弱項。例如在諧波分析，矢量分析，波形分析，動作行為分析等方面做得不足，這限制了其在繼電保護方面應用。網絡報文記錄分析裝置記錄了全站的過程層報文，這為其分析繼電保護行為提供了數據基礎。通過提取關鍵時刻報文，進行數據分析計算，邏輯判斷，可以完成繼電保護動作行為分析，如圖13所示。

圖13 繼電保護動作分析Fig.13 Analysis of relay protection

3.2 遙控全過程監視

在智能變電站中，一次完整的遙控過程如圖14所示［16-17］。針對該遙控過程，當前網絡報文記錄分析裝置只能進行單一環節的分析。例如分析調度主站與站內網關機之間的104協議遙控過程，或站內網關機與測控裝置之間的MMS協議遙控過程，通過各自規約的響應報文判斷該遙控環節是否成功，如果發生遙控失敗，不能定位具體的失敗環節，網絡報文記錄分析裝置捕捉了從站控層至過程層的全部報文，通過適當的配置文件，將104遙控點號，MMS遙控對象ref，GOOSE通道號進行關聯，綜合分析3種協議報文的信息，即可定位發生遙控失敗的環節，實現遙控全過程的監視。

圖14 調度主站遙控Fig.14 Remote control of master station

3.3 在線監視與診斷

隨著智能變電站的大規模建設和投入運行，智能變電站保護設備在線監視與診斷技術也得到迅速地發展［18-21］。通過該技術可實現SCD文件管理、保護設備運行狀態和物理鏈路可視化、缺陷智能診斷和保護動作分析等。基于該技術開發的系統已在實驗室和變電站進行了測試及試用，其中網絡報文記錄分析裝置是該系統的一個關鍵點，實現過程層數據采集、分析和計算，如圖15所示。

圖15 在線監視與診斷系統Fig.15 On-line monitoring and diagnosis system

網絡報文記錄分析裝置與診斷系統的通信可采用數據庫共享、內部通信總線或DL/T 860等技術。根據智能變電站保護設備在線監視與診斷技術要求，還需要通過交換機信息，實現物理鏈路的可視化。這對網絡報文記錄分析裝置提出了新的要求，需要能夠采集交換機信息，可采用SNMP或DL/T 860技術獲取交換機信息。在該領域，網絡報文記錄分析裝置還有進一步發展空間。

4 結語

網絡報文記錄分析裝置是伴隨著智能變電站發展誕生的一個新設備，經歷了從試點、不成熟到成熟的過程，為智能變電站穩定運行提供了重要的輔助手段和技術保障。本文通過分析其工作原理、應用場景和技術發展趨勢，進一步提升了裝置的可用性和使用前景，也為調試檢修人員使用網絡報文記錄分析裝置提供了技術參考，對提升智能變電站的調試運維水平有著重要的意義。