基于IEC 61970 標準的網絡報文記錄分析裝置組網技術研究及應用

鄭 翔，杜奇偉，王海園

（1.國網浙江省電力有限公司衢州供電公司，浙江 衢州 324100；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著以IEC 61850 標準為核心的智能變電站的推廣應用，網絡報文記錄分析裝置已經成為智能變電站的標準配置，用于記錄分析變電站過程層、間隔層和站控層IED（智能電子設備）間及IED 與站控系統之間的通信過程，以獲取表征變電站網絡狀態的參數，并作為故障錄波裝置獲取電網運行數據的基礎[1]。同時，網絡報文記錄分析裝置也能應用在常規變電站，記錄分析二次設備通信報文，分析變電站二次設備數據質量問題[2-3]。

電網運行模式的變革以及設備在線分析管控的需要，推動了如何將分布在各變電站的網絡分析裝置進行系統集成的需求。

（1）二次設備在線監測診斷的需要。智能變電站對二次設備在線監測、智能診斷很大程度上依賴于網絡報文分析，特別是智能設備的通信過程[4]，通過集成分布在各變電站的網絡報文記錄分析裝置，可以為二次設備在線監測與診斷主站提供基礎數據源。

（2）全過程通信故障分析的需要。特別是進行數據通信網關機通信故障分析時，可通過對比分析變電站站控層報文、數據通信網關機報文及EMS（能量管理系統）前置報文準確定位故障點，為快速故障定位和修復提供依據[5]。

（3）電網運行數據質量分析的需要。網絡報文記錄分析裝置可分別獲取過程層、站控層網絡的通信報文和數據通信網關機上送通信報文，提取通信特征參數，解析獲取電網運行數據，對同一數據點進行多數據源比對，實現電網運行數據質量分析。

主要有兩種集成策略可實現分布式部署的網絡報文記錄分析裝置在控制中心層面的集成。

第一種思路：構建變電站設備在線檢測主站系統，即將所需信息全部集中到主站系統統一分析[6]。這種方式可以滿足部分業務需求，由于需要對網絡報文記錄分析裝置的所有信息進行匯集，對于通信報文這樣的海量實時數據和報文歷史記錄，以及數據多源比對涉及的全模型數據，集中架構會顯著增加系統對網絡資源、存儲資源和計算資源的消耗，成本較高、維護工作量大。

第二種思路：采用分布式架構，將網絡報文記錄分析裝置與控制中心作為一個整體構建分布式架構。將分布在各變電站的網絡報文記錄分析裝置作為一個節點，提供滿足業務需求的服務，控制中心實現業務數據的分布式透明訪問控制及應用功能。這種架構成本低且易于擴展維護。

本文采用第二種思路，分析了構建分布式架構實現網絡報文記錄分析裝置組網需要解決的關鍵技術，并基于IEC 61970 CIS 接口規范，通過合并和擴展的方式，設計了一套分布式信息服務接口規范及信息集成平臺。

1 關鍵技術

分布式架構組網技術層次如圖1 所示，主要涉及3 個方面的系統集成技術。

圖1 組網技術層次

（1）通信集成技術：目標是提供統一訪問接口和通信服務，實現網絡報文遠方調閱。

（2）模型數據集成技術：目標是采用統一的信息建模規范和數據規范，管理來自多個網絡報文記錄分析裝置的數據信息。

（3）應用集成技術：目標是開發統一的應用訪問入口，實現網絡報文記錄分析裝置信息的遠程瀏覽和業務應用。

1.1 通信集成技術

通信集成技術主要采用統一訪問接口和通信服務實現網絡報文遠程調閱，包括實時數據和歷史數據。目前主要有IEC 60870-5-104 規約[7]、IEC 61850 MMS 規約[8]和IEC 61970 CIS[9]規范。

采用IEC 60870-5-104 規約是目前電力系統遠方通信最成熟通行的方法，因其對非結構化信息處理能力和構建分布式系統能力弱，需要大量對點工作，不適合網絡報文記錄分析裝置的組網。

采用IEC 61850 MMS 作為遠方通信規約，目前有較多的研究和應用，如文獻[10]和文獻[11]。采用IEC 61850 MMS 作為遠方通信規約比較容易適應那些采用IEC 61850 通信協議的變電站側二次設備或系統，但需要在主站側實現IEC 61850模型與IEC 61970 CIM 模型的融合[12]，并擴展IEC 61850 模型以支撐網絡分析設備產生的通信報文等非結構化數據的建模。由于智能變電站網絡分析設備本身不具備遠程組網能力，如果采用IEC 61850，不但需要升級智能變電站網絡報文記錄分析裝置，使其支持基于IEC 61850 MMS 協議，提供網絡分析服務，還需要在主站開發支持IEC 61850 MMS 協議的應用軟件，并實現與主站其他應用功能的集成。

雖然采用IEC 61970 CIS 規范作為遠方通信的相關研究工作較少，但因其適用于在不同應用系統和設備間集成和共享模型數據及運行數據，不但提供GDA（通用數據訪問）和HSDA（高速數據訪問）等能力，同時也具備TSDA（時間序列數據訪問）、通用事件和GES（訂閱服務）等功能，對結構和非結構數據的適應性好，實現相對簡單，因此本文采用基于IEC 61970 CIS 接口來實現通信集成。

1.2 模型數據集成技術

目前網絡報文記錄分析裝置已實現模型標準化，但如何實現變電站網絡通信報文、數據通信網關機通信報文與IEC 61850 標準中定義的IED模 型、IEC 61970 CIM 中 的RemoteUnit 模型關聯，是模型數據集成的關鍵。

本文在充分研究變電站網絡通信IEC 61850標準體系和能源管理系統IEC 61970 標準體系的基 礎上，采用IEC 61970 CIM 建模方法，以IEC 61970 CIM 為基礎，采用CIM 建模規范，將IEC 61850 標準定義的IED 模型映射到IEC 61970 CIM模型，通過這種建模方式實現統一信息模型建模，來滿足網絡報文記錄分析裝置的模型數據集成技術要求。

1.3 應用集成技術

應用集成的目標是開發統一的應用訪問入口，實現網絡報文記錄分析裝置信息的遠程調用和基于網絡報文分析的業務應用，這是網絡報文記錄分析裝置組網的根本目的。

以業務為中心的應用集成技術是基于業務流程實現的，通過建立業務流程，整合系統功能，開發集成應用。由于網絡報文記錄分析裝置組網的核心目的是為智能變電站二次設備和通信網絡提供遠程監控和運維支持，所涉及的業務流程相對比較分散。因此，基于業務流程進行功能整合不應成為網絡分析設備集成的重點，而開發統一通用的網絡報文分析工具，利用多源網絡報文進行綜合分析，實現系統級別的應用才是關鍵。

為此，網絡報文記錄分析裝置組網集成技術研究應聚焦在兩個重點方向，一是研究適合網絡報文記錄分析裝置集成應用開發的技術平臺，二是挖掘包括網絡通信報文在內的電力二次系統大數據價值[13]，為EMS 和變電站監控系統運維提供有效支持。IEC 61970 標準體系定義了電網EMS的API（應用程序接口），為控制中心各類應用提供一個公共的應用集成框架，可以用于網絡報文記錄分析裝置組網應用集成，作為實現應用開發平臺的基礎框架。

2 集成平臺設計與實現

網絡報文記錄分析裝置組網集成技術平臺（以下簡稱“集成平臺”）的邏輯技術架構如圖2 所示，分為終端層、通信集成層、數據集成層和應用層。其中，終端層為集成的對象，如網絡報文記錄分析裝置及其他在線監測設備；通信集成層主要包含接口適配層和傳輸網絡；數據集成層主要包含數據總線、平臺管理以及CIM 模型管理等；應用層包含網絡報文記錄分析裝置集成平臺主要業務應用，如設備運行監控HMI（人機交互）、電網運行數據質量分析、通信故障診斷等。

圖2 集成平臺邏輯架構

與標準的IEC 61970 CIS 規范定義的集成框架不同的是，本文將數據訪問接口延伸到終端層（數據提供者），在數據集成層僅提供平臺管理和模型管理所需要的數據，在集成平臺層取消了傳統的實時和歷史數據庫。在傳統的主站系統中，需要建立實時數據庫和歷史數據庫，用于集中存儲來自各個站點的量測數據，并為主站系統應用提供實時和歷史數據服務。而本文提出的分布式架構將網絡報文記錄分析裝置產生的量測數據和抓取到的網絡通信報文數據全部就地存儲，應用層只在需要時遠程調看某個節點的數據，實現海量數據“分布存儲，按需調取”的服務模式，構建一種全新的分布式信息集成架構。

2.1 統一信息建模和管理

為了支撐這種全分布式集成架構，在數據集成層面平臺實現數據資源的統一建模和集中管理。一方面為應用層提供模式一致的數據源，便于開發統一的API；另一方面為終端層通信集成提供統一的信息交換模型，便于定義一致的遠程數據交換模型。通過信息模型的標準化和集中管理，為數據服務及訪問接口標準化構建了一致的信息交換模型和接口，也為數據集成應用提供了統一的信息模型。

集成平臺使用IEC 61970 CIM 建模規范，并借鑒文獻[12]的模型協調方法融合IEC 61850 標準，構建了如圖3 所示的集成平臺統一信息模型。

圖3 集成平臺統一信息模型

集成平臺統一信息模型與IEC 61970 標準CIM 相比，主要進行了以下3 個方面的處理：

（1）除了將IEC 61850 的IED 模型映射到IEC 61970 CIM 外，還將“Subnetwork”映射到IEC 61970 CIM 中，以表達網絡報文記錄分析裝置的主要分析對象之一“變電站通信網絡和遠動通信網絡”。

（2）更改了IEC 61970 CIM 中定義的類RemoteUnit，使其從IED 類導出，并基于IED 類定義了一個新類FEPUnit（前置通信單元）。一方面，利用RemoteUnit 類對網絡報文記錄分析裝置進行建模；另一方面，通過FEPUnit 類覆蓋智能變電站網絡報文記錄分析裝置的處理對象，包括智能設備、遠動通信裝置和前置通信單元。

（3）基于Measurents 類，擴展出非結構化數據類型——Traffic 類（通信報文），這類數據是一類特殊的“量測”，可以與普通的“量測”一樣與IED 關聯。

2.2 分布式訪問接口適配和安全控制

以CIM 建模為基礎，采用IEC 61970 CIS 規范作為集成平臺信息交換接口規范，并針對集成平臺的業務特點進行了適合全分布式部署的技術處理。

由于集成平臺業務應用對實時數據訪問沒有全面集中的需求，而是按需訪問，如在進行人機界面展示時，需要持續訪問特定人機界面關聯的量測實時數據，當相關人機界面關閉時，對這種數據的訂閱將自動取消，因此，在分布式接口適配中，針對CIS 規范定義的HSDA/GES 接口，保留實時數據的訂閱/發布機制，為了提高訂閱的效率和減少對通信帶寬的占用，對相關的訂閱/發布接口進行合并，形成了適合分布式接口部署的HSDA+和GES+接口。

以GES 訪問接口為例，CIS 規范GES 接口原接口定義[12]如下：

經過合并后，演變成如下所示接口。接口數據類型定義比原接口大大簡化，更適合遠程數據傳輸。

針對歷史數據訪問、通信報文瀏覽訪問等，依照上述同樣的方法，分別進行接口合并和擴展定義，形成適合分布式部署的CIS 接口適配。

接口分布式部署后，應用客戶端可以直接訪問分散部署在各變電站的網絡報文記錄分析裝置，如果采用IP 認證模式的安全控制機制，系統將無法實現不同的應用客戶端訪問不同數據的細分授權訪問控制要求，而且增加應用客戶端，需要對分布式部署的每個接口服務進行IP 配置授權，不利于系統的擴展。為此，系統集成平臺利用基于角色的授權訪問機制，構建了CIS 接口級別的安全授權機制，如圖4 所示。

圖4 接口級別的安全訪問控制原理

通過接口級別的安全訪問機制，配合企業的CA 基礎設施，可以實現對各類應用細分的數據訪問控制機制，確保數據的私密性以及操作的安全性。

3 結語

隨著新一代變電站二次系統建設和電網數字化轉型需求，網絡報文分析將在變電站二次設備智能運維、通信故障分析診斷、電網運行數據質量分析中發揮越來越重要的作用。本文重點分析了網絡報文記錄分析裝置組網應用中涉及的分布式架構選擇、信息建模和接口設計問題，重點解決了如何擴展IEC 61970 CIS 接口規范以滿足數據共享和集成應用問題，設計并實現了主要的關鍵技術。針對目前智能變電站已部署的網絡報文記錄分析裝置，可通過外掛一個分布式節點，利用與廠商的私有協議接口獲取原裝置的數據信息，同時實現本文提出的CIS 擴展接口，從而實現既有網絡報文記錄分析裝置的無縫集成。