基于端口鏡像的數據采集與監控仿真系統 設計與實現

唐軍沛 常曉萌 韓珊珊 王玉琴 王建功

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

電網調度系統對電網數據的實時性要求很高[1]，若系統升級，必須無縫切換。前置采集和數據采集與監控（supervisory control and data acquisition, SCADA）計算服務不能停機，無法進行在線測試。但是測試環境很難同生產環境一致，用不能在生產環境驗證的程序版本升級，存在很大風險。當升級、換型發生在不同廠家的系統之間時，它們的圖模差異較大，還需接入幾百個通道調試系統，嚴重影響了項目測試、調試工期。

為解決上述問題，本文設計實現基于端口鏡像的SCADA仿真系統。在不影響生產系統正常運行的前提下，將生產系統通信報文通過前置采集網交換機端口鏡像到升級系統[2]。在升級系統中模擬生產系統的運行，驗證升級系統的各項功能是否正常，從而保障生產系統、升級系統無縫切換。

1 端口鏡像在電網調度系統中的應用現狀

端口鏡像是通過交換機或路由器，將一個或多個源端口的數據流量轉發到某一個指定端口來實現網絡監聽的方法。端口鏡像可以用來捕獲鏡像端口的數據流，在網絡故障定位、入侵檢測、路由器取證、網絡客戶分析等各個領域都有廣泛的應用[3-4]。

電網調度系統主要用于實現電力信號的采集、控制、數據分析等功能。其核心技術主要包括：面向服務的雙總線、一體化平臺；時序壓縮算法；基于基準信號、開放規則的智能告警技術等[5-8]。

端口鏡像仿真采集技術目前在電網調度系統中尚未有比較深入的研究與應用[9-10]。本文是端口鏡像仿真技術在電網調度系統中應用的一個全新探索。本文所設計的仿真采集方式不需要在升級/換型系統接入冗余通道，而是通過鏡像“虛擬通道”到升級/換型系統實現仿真采集。這種方式為電網系統升級/換型提供了一種安全高效的解決思路。

2 系統總體設計

基于端口鏡像的SCADA仿真系統總體設計如圖1所示。

圖1 基于端口鏡像的SCADA仿真系統總體設計

基于端口鏡像的SCADA仿真系統針對電網調度自動化系統升級/換型的實際需求，主要實現電網參數建模、前置通信報文鏡像、報文自適應處理及數據解析等功能。各功能實現步驟如下。

1）參數建模

升級/換型系統參數建模，包括前置遠程終端單元（remote terminal unit, RTU）參數、路徑參數、通道參數和各個廠站的遙測、遙信、遙控點參數等，各種參數需要與運行系統保持一致。

2）前置采集網交換機端口鏡像

配置生產系統前置采集網交換機的鏡像端口，將生產系統的通信報文鏡像到升級/換型系統。

3）前置模型匹配

將生產系統的通信報文和升級/換型系統的參數模型進行匹配，識別出通道參數和鏡像通信報文的對應關系。

4）報文處理

對鏡像通信報文進行處理，分析出應用層鏡像報文。

5）分發緩存

將應用層鏡像報文分發到對應通道的報文緩沖區。

6）緩存報文提交報文處理器

將緩沖區報文提交升級/換型系統驗證功能，包括數據刷新、狀態變化告警、遙控模擬等功能。

7）無縫切換

升級/換型系統的功能驗證完成，替代生產系統投入運行，實現無縫切換。

3 系統詳細設計

圖2為基于端口鏡像的SCADA仿真系統流程。該系統共包含三個通信處理子系統：電網模型處理子系統、端口鏡像子系統和鏡像報文數據解析子系統。

圖2 基于端口鏡像的SCADA仿真系統流程

3.1 電網模型處理子系統

電網鏡像模型處理子系統是把生產系統的電網模型參數，導入升級/換型系統。

首先將生產系統關系數據庫中的電網模型導入升級/換型系統關系數據庫，再用關系庫/內存庫同步工具將升級系統關系庫中的電網模型同步到內存庫，最后用參數一致性校核工具檢查參數有效性。

升級/換型系統的通信模型生效，即可根據導入的電網鏡像模型信息，解析鏡像報文。

3.2 端口鏡像子系統

端口鏡像子系統是基于端口鏡像的SCADA仿真系統的核心子系統，主要功能是鏡像報文匯聚和鏡像報文自適應分配。

1）鏡像報文匯聚

鏡像報文匯聚是把生產系統采集交換機上采集通信的端口作為鏡像源端口，同時在生產系統的采集交換機上選取某個空閑的端口作為鏡像目的端口，并把鏡像目的端口連到升級/換型系統采集服務器采集網卡上，實現在升級/換型系統獲取生產系統的鏡像通信報文。報文匯聚程序把鏡像通信報文統一存儲到報文匯聚容器中。

為保障報文匯聚程序正常運行，需在鏡像配置文件中記錄所有的配置信息，包括：生產系統采集網交換機上的鏡像源端口、鏡像目的端口；生產系統的前置采集網絡、前置采集網卡、前置通信服務器等參數信息；升級/換型系統的前置采集網絡、前置采集網卡、前置通信服務器等參數信息。

報文匯聚程序通過鏡像模型配置信息檢測鏡像采集網卡狀態是否正常。如果采集網卡狀態正常，則進行實時報文捕獲，獲取鏡像通信報文；然后，通過網絡包解析技術，解析出需要和電網模型進行匹配的相關網絡參數信息，如網絡報文中的IP地址和端口號等；最后，用模型匹配技術，根據電網的模型信息，采用報文自動過濾及報文傳遞算法，自動對鏡像報文進行過濾和模型匹配，匹配成功的報文分類存放于報文匯聚容器。

2）鏡像報文自適應分配

鏡像報文自適應分配是為每個鏡像通道創建一個對應的設備驅動實例，自適應讀取報文匯聚容器中的鏡像通信報文，讀取成功后提交通道報文緩沖區，等待下一級報文傳遞。

首先，以鏡像通道為最小單位，為每個鏡像通道實例化一個設備對象。根據電網模型信息給每個通道在報文匯聚容器中分配一個讀寫鏡像報文的“網絡號”和“連接號”。

其次，利用“網絡號”和“連接號”、鏡像錄波檢測函數從鏡像報文匯聚器中實時檢測屬于本通道的通信報文，鏡像報文獲取算法會返回鏡像報文匯聚器中通信報文的內容及字節數，若匯聚器中有報文，調用“鏡像讀”操作獲取鏡像報文匯聚器中的鏡像報文。

最后，調用“鏡像寫”操作將鏡像報文保存到通道報文緩沖區，提交鏡像報文數據解析子系統處理。

3.3 鏡像報文數據解析子系統

鏡像通信報文不同于常規通信報文，沒有報文發送流程，只有報文接收流程。鏡像報文數據解析子系統必須支持監聽接收模式，才能自動識別出鏡像報文。

鏡像報文數據解析子系統為每個通道創建一個數據處理對象及相應的路徑對象、規約對象、報文緩沖區對象。它們工作在監聽模式，實時檢測通道報文緩沖區，讀取鏡像報文之后，發送給不同的規約對象進行數據解析處理。

規約對象將通信報文送入“規約接收”流程進行解析，解析完成后利用遠程過程調用將數據提交給SCADA系統進行數據刷新。

3.4 數據驗證

為了更直觀地進行生產系統和升級/換型系統的信號對比驗證，專門設計實現兩個系統的遙信對比界面、遙測越限告警對比界面。驗證過程如下。

遙信位置的驗證過程：以RTU為單位，任意選擇想要對比的RTU，對比界面分別顯示兩個系統的遙信位置信息，如果遙信信號不一致，則進行標記。遙信數據對比如圖3所示。

圖3 遙信數據對比

遙測跳變的驗證過程：以RTU為單位，任意選擇想要對比的RTU，通過遙測對比界面可以觀察兩個系統的遙測刷新是否一致，是否有遙測越限的告警，且告警信息是否一致。如果遙測數據刷新不一致，則進行標記。遙測數據對比如圖4所示。

圖4 遙測數據對比

遙控模擬下發過程驗證：遙控報文的正確下發對電網穩定運行具有十分重要的意義。因此在系統升級/換型前，必須對系統中的所有遙控進行“預置”操作，在兩個系統中分別發送同一個遙控位置的“預置”命令，并分別提取“預置”報文進行比較。檢查升級/換型系統下發的遙控報文（遙控號、遙控分合信息等）是否和生產系統一致，完全一致之后才能進行系統升級。

4 應用效果

傳統的電網調度系統升級時，需要實際接入通信通道來驗證升級系統的遙測刷新頻率、遙信位置對應情況，以及遙控報文的正確性。這種方式需要在升級系統接入幾百個通信通道來驗證系統的功能，極大地增加了調試工作量。傳統調度系統的升級工期一般在幾個月到半年之間。自2018年起，基于端口鏡像的SCADA仿真系統已經應用到廣東廣州供電局、珠海供電局、佛山供電局等三十多個地調升級項目中，系統升級過程中遙測、遙信、遙控的信號比對工作，縮短到兩周左右，極大地縮短了信號比對的工期，且現場實際運行情況表明：

1）電網模型處理子系統能夠將生產系統的電網模型完整導入升級/換型系統，包括前置通信模型，SCADA點參數的模型信息，并且能夠實現自動校核。若有模型信息不一致的情況會產生告警信息。調度運行人員可以根據告警信息及時處理模型不一致的問題，有效避免了因模型不一致影響電網數據刷新的問題。

2）端口鏡像子系統能夠將生產系統中的通信報文實時鏡像到升級/換型系統，并能夠成功地完成鏡像報文和電網參數模型的匹配，將鏡像報文分類存放到報文匯聚器中。鏡像報文自適應，能夠正確識別報文匯聚器中的通信報文并分發到相應的通道報文緩沖區。

3）鏡像報文數據解析子系統能夠自動讀取通道報文緩沖區中的報文，并能夠正常解析通信報文，然后將解析的數據提交SCADA系統，進行升級/換型系統的數據刷新及控制功能的驗證。

4）升級/換型系統通過仿真采集的方式和生產系統并列運行，并通過信號比對界面，實時比較兩個系統的電網采集信號。并列運行期間的電網遙測、遙信、遙控數據的差異信號得到了及時的診斷處理。系統實際切換時，兩個系統的遙測刷新頻率、遙信位置信號完全一致，信號一致率達到100%，同時監測兩個系統的遙控模擬報文，遙控報文正確率達到100%，符合電網調度系統升級驗收的標準，可以做到電網系統的無縫切換。

5 結論

基于端口鏡像的SCADA仿真系統給升級/換型系統提供了實際運行環境，能夠驗證升級/換型系統的各項功能,有效預防了遙信位置信號不對應、遙測跳變等異常情況的出現，為電網系統安全、高效的升級切換提供了很好的參考。

在遙控功能驗證時，目前該系統通過比較遙控報文來檢驗遙控流程的正確性，升級系統同RTU子站沒有實際的通信連接，因此下行的遙控報文不能到達RTU子站，也無法接收子站的遙控返校報文，因此無法驗證遙控返校信息的正確性。此項功能驗證應作為電網系統升級過程中需重點解決的問題進一步研究。