網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用

1、網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用王治民1,陳炯聰2,任雁銘1,王 斌1,孫鳳嬌1(1.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司,北京市100085; 2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,廣東省廣州市510600摘要:在數(shù)字化變電站中,過(guò)程總線將替代電纜硬連接用于模擬量、狀態(tài)量和跳閘信號(hào)的傳輸。為了便于運(yùn)行和維護(hù),有必要對(duì)數(shù)字化變電站的通信過(guò)程進(jìn)行記錄和分析。文中以一套實(shí)際系統(tǒng)為例,對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信記錄儀和分析儀實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,涉及通信在線分析和大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)等;該系統(tǒng)通過(guò)采用特殊設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)卡,提高了網(wǎng)卡吞吐量,從而提高了記錄儀可接入的合并單元數(shù)量。文中還對(duì)網(wǎng)絡(luò)記錄分析系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)

2、測(cè)。關(guān)鍵詞:數(shù)字化變電站;IEC 61850;通信記錄;在線分析;事故分析;運(yùn)行維護(hù)收稿日期:2009-09-04;修回日期:2010-05-12。0 引言在數(shù)字化變電站1-3中,模擬量通過(guò)采樣值(SV4報(bào)文傳輸,狀態(tài)量和跳閘等信息通過(guò)通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE報(bào)文傳輸;間隔層的聯(lián)閉鎖也通過(guò)GOOSE 方式實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)變電站中,故障錄波器可以對(duì)模擬量和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行記錄,其記錄數(shù)據(jù)可以作為異?；蚴鹿史治龅囊罁?jù)。在數(shù)字化變電站中,為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,各個(gè)設(shè)備之間需要能夠互操作并具有良好的配合關(guān)系,例如:通信報(bào)文編碼的正確性、參數(shù)的合法性、時(shí)序的合理性等。這些問(wèn)題要比傳統(tǒng)的電纜硬連接復(fù)雜得多

3、,有必要在數(shù)字化變電站中布置網(wǎng)絡(luò)通信記錄與分析系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程的監(jiān)視與記錄;記錄的報(bào)文真實(shí)地反映了各設(shè)備的運(yùn)行行為和數(shù)據(jù)交換,是理想的異常和事故分析依據(jù),也可通過(guò)報(bào)文回放測(cè)試設(shè)備功能和復(fù)現(xiàn)問(wèn)題,或用于網(wǎng)絡(luò)性能及潛在問(wèn)題的分析與評(píng)估等。目前已有同類產(chǎn)品5-6實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)視、記錄以及基于記錄文件的離線分析,但不具有GOOSE 在線分析和報(bào)文回放測(cè)試等功能。在數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中,SV 是最密集的報(bào)文,對(duì)記錄儀的要求很高,這些產(chǎn)品在SV 報(bào)文很多時(shí),需要配置較多的記錄儀,增加了成本。另外,這些產(chǎn)品在跨平臺(tái)移植、異構(gòu)系統(tǒng)部署方面支持力度不高。對(duì)此,研發(fā)了一套網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)

4、通過(guò)采用高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的智能網(wǎng)卡提高SV 的接入數(shù)量,并通過(guò)環(huán)形緩沖和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等技術(shù)以提高系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)安全;對(duì)GOOSE 報(bào)文進(jìn)行在線分析,即時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警通信中存在的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí),充分考慮了移植性和部署靈活性,能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,或者與站內(nèi)其他系統(tǒng)很好集成。經(jīng)過(guò)實(shí)際的應(yīng)用和測(cè)試,GOOSE 在線分析能夠在1s 內(nèi)完成預(yù)警;大部分?jǐn)?shù)字化變電站只需1臺(tái)記錄儀就可以接入所有的網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文,對(duì)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)劃分影響很小,有效地降低了成本。1 系統(tǒng)構(gòu)成開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)從功能上主要分為記錄儀和分析儀2個(gè)子系統(tǒng),協(xié)同實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的在線監(jiān)視、記錄和各種分析。記錄儀和分析儀可同機(jī)或分

5、布式安裝,可在不同的硬件平臺(tái)(PC 機(jī)或嵌入式裝置等及操作系統(tǒng)(W indo w s 或Linux 上運(yùn)行,具有很好的移植性。這些特性能夠適應(yīng)變電站各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)情況及其要求。如圖1所示,通過(guò)1臺(tái)或多臺(tái)記錄儀實(shí)現(xiàn)全站網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)視、 記錄。圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System architecture每臺(tái)記錄儀有多個(gè)以太網(wǎng)卡,分別監(jiān)視變電站不同的網(wǎng)段/子網(wǎng),如通過(guò)交換機(jī)的鏡像功能或級(jí)聯(lián)匯聚功能,將多個(gè)交換機(jī)、多個(gè)網(wǎng)口的數(shù)據(jù)鏡像匯聚到記錄儀的1個(gè)網(wǎng)口進(jìn)行監(jiān)視;也可以在每個(gè)子網(wǎng)使用單獨(dú)記錄儀進(jìn)行監(jiān)視;如果網(wǎng)絡(luò)報(bào)文密集或流 第34卷 第14期2010年7月25日V o l.34 No.14July

6、 25,2010量很大時(shí),可以使用多臺(tái)記錄儀共同完成監(jiān)視任務(wù)。各記錄儀和分析儀通過(guò)交換機(jī)組網(wǎng)并進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、記錄文件獲取和遠(yuǎn)程維護(hù)等;并實(shí)現(xiàn)了記錄儀狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和采集,以及GOOSE在線分析和預(yù)警信息的傳輸。針對(duì)具體工程制定配置方案時(shí),需要綜合考慮站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的劃分、網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)絡(luò)安全以及經(jīng)濟(jì)性等要求。2通信監(jiān)視及記錄記錄儀用于監(jiān)視、記錄變電站運(yùn)行過(guò)程中的所有網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文,充分利用內(nèi)存緩沖模式,減少硬盤寫入次數(shù),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文監(jiān)視與記錄的同步,確保記錄報(bào)文的完整性。數(shù)字化變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文的種類非常多,主要可分為以下4類:1基于客戶/服務(wù)器模式的通信報(bào)文,主要是變電站層系統(tǒng)及設(shè)備(如監(jiān)

7、控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)等,與間隔層設(shè)備間的通信報(bào)文。這類通信報(bào)文將IEC61850的應(yīng)用層抽象通信服務(wù)接口(ACSI2映射到制造報(bào)文規(guī)范(M M S7-8報(bào)文。目前應(yīng)用中M MS主要基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(T CP/IP實(shí)現(xiàn),因此需要通過(guò)交換機(jī)的端口鏡像功能進(jìn)行監(jiān)視。2基于發(fā)布/訂閱模式的GOOSE報(bào)文。過(guò)程層GOOSE通信需要?jiǎng)澐痔摂M局域網(wǎng)(VLAN9,這使得監(jiān)視GOOSE報(bào)文比監(jiān)視M MS報(bào)文復(fù)雜。記錄儀如果要監(jiān)視某個(gè)GOOSE報(bào)文,就必須加入到為該GOOSE劃分的VLAN中。記錄儀有多個(gè)網(wǎng)卡,一個(gè)網(wǎng)卡可以加入到1個(gè)或多個(gè)VLAN中,從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)卡監(jiān)視所有V LAN上GOOSE通信報(bào)文的

8、目的。3基于發(fā)布/訂閱模式的SV報(bào)文。SV報(bào)文監(jiān)視原理與GOOSE報(bào)文監(jiān)視類似,但SV帶來(lái)的主要問(wèn)題是報(bào)文密度和流量非常大。一臺(tái)合并單元(MU2,4,10的網(wǎng)絡(luò)帶寬約為6M bit/s,一個(gè)數(shù)字化變電站往往有數(shù)十臺(tái)M U,如此海量的報(bào)文對(duì)記錄儀網(wǎng)絡(luò)吞吐量和處理能力提出了很高的要求。實(shí)際上,如果一個(gè)網(wǎng)卡監(jiān)視多臺(tái)MU,同時(shí)考慮記錄儀的存儲(chǔ)處理,傳統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)不能適應(yīng)。針對(duì)SV監(jiān)視及記錄的需求,開(kāi)發(fā)了大吞吐量的智能網(wǎng)卡。與傳統(tǒng)網(wǎng)卡相比,智能網(wǎng)卡的自帶處理器減輕了對(duì)計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)載壓力,網(wǎng)絡(luò)吞吐量大大提高。每塊智能網(wǎng)卡可監(jiān)視5臺(tái)10臺(tái)M U;每臺(tái)記錄儀配備4塊智能網(wǎng)卡,可監(jiān)視20臺(tái)40臺(tái)M U。4變電

9、站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上除了上述3種報(bào)文外,還有其他種類報(bào)文。有些報(bào)文是用戶關(guān)注的,例如:簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議(SNT P報(bào)文、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNM P報(bào)文等。有的是TCP/IP底層報(bào)文,例如:地址解析協(xié)議(ARP報(bào)文等。對(duì)這些報(bào)文都進(jìn)行了記錄和統(tǒng)計(jì),對(duì)絕大多數(shù)種類的報(bào)文進(jìn)行了解析,這些結(jié)果對(duì)于分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況具有參考價(jià)值,例如:可以依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生了廣播風(fēng)暴。如圖2所示,記錄儀的智能網(wǎng)卡在監(jiān)視到報(bào)文后,經(jīng)高速壓縮模塊壓縮后以網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方式(iSCSI存儲(chǔ)到分析儀(分析儀同時(shí)作為存儲(chǔ)服務(wù)器;分析儀的iSCSI ser ver模塊先將報(bào)文轉(zhuǎn)存到高速環(huán)形緩沖, 再由存儲(chǔ)模塊按存儲(chǔ)策略保存到硬盤。圖2網(wǎng)絡(luò)

10、通信監(jiān)視及記錄Fig.2Network comm unication monitor and recorderGOOSE報(bào)文用于傳輸保護(hù)跳閘、遙控和開(kāi)關(guān)狀態(tài)等重要信息,與變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行緊密相關(guān)。對(duì)此,記錄儀在監(jiān)視到GOOSE報(bào)文后轉(zhuǎn)存到高速環(huán)形緩沖中,GOOSE在線分析模塊從該緩沖直接取出報(bào)文進(jìn)行在線分析,將異常/錯(cuò)誤情況通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上送給分析儀的在線預(yù)警模塊,以便盡快發(fā)現(xiàn)并提示GOOSE通信中的問(wèn)題;分析結(jié)果同時(shí)被存入歷史庫(kù)。表1列出了GOOSE發(fā)布的一些錯(cuò)誤/異常情況,主要根據(jù)GOOSE狀態(tài)序號(hào)(stNum和重發(fā)序號(hào)(sqNum進(jìn)行判斷。表1GOOSE發(fā)布的錯(cuò)誤/異常情況Table1Er

11、rors and abnormities of GOOSE public stNum sqNum說(shuō)明0值0保留,不允許使用11裝置復(fù)位10裝置復(fù)位時(shí),s qNum應(yīng)從1開(kāi)始不變不變重發(fā)或變化,stNum和sqNum至少有1個(gè)在遞增不變跳變每重發(fā)1次,s qNum應(yīng)該遞增1不變0GOOSE變化,stNum應(yīng)該遞增遞增非0GOOS E變化,stNum遞增,sqNum應(yīng)該為0跳變GOOSE變化,s tNu m應(yīng)該遞增1#新技術(shù)新產(chǎn)品#王治民,等網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用3 通信報(bào)文分析分析儀按照IEC 61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),采用面向應(yīng)用功能的策略,對(duì)記錄儀記錄的網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文進(jìn)行分析,并

12、給出分析結(jié)果及視圖。對(duì)通信過(guò)程中的各種錯(cuò)誤/異常,例如:底層抽象語(yǔ)法標(biāo)記(ASN.111編碼錯(cuò)誤、GOOSE/SV 發(fā)布錯(cuò)誤等,給出提示并著色,使維護(hù)人員可以快速定位及分析問(wèn)題。分析結(jié)果以簡(jiǎn)報(bào)方式輸出,作為維護(hù)人員對(duì)變電站運(yùn)行及網(wǎng)絡(luò)通信的綜合性分析及參考資料。如圖3所示,分析儀使用哈希池及內(nèi)存池等技術(shù),對(duì)記錄報(bào)文進(jìn)行快速及多個(gè)報(bào)文相關(guān)性分析。對(duì)基于TCP/IP 的MM S 報(bào)文經(jīng)重組后,形成完整的M M S 報(bào)文。對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析,將分析結(jié)果存入歷史庫(kù),便 于后期分析使用。圖3 網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文分析Fig.3 Network communication analysis分析儀對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程

13、進(jìn)行分析,給出各種視圖,如流量柱狀圖、協(xié)議分布圖等;分析潛在的網(wǎng)絡(luò)故障,對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估;統(tǒng)計(jì)設(shè)備連接的建立及釋放,分析設(shè)備通信的穩(wěn)定性。這些統(tǒng)計(jì)/分析功能,便于維護(hù)人員排查網(wǎng)絡(luò)通信中隱蔽的問(wèn)題,消除安全隱患,提高網(wǎng)絡(luò)安全性能。由于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是海量的,不可能進(jìn)行人工分析。為此,分析儀提供了強(qiáng)大的檢索和過(guò)濾功能。維護(hù)人員可設(shè)定多種條件進(jìn)行過(guò)濾,例如:時(shí)間、報(bào)文種類、網(wǎng)絡(luò)地址等,分析儀根據(jù)設(shè)定的過(guò)濾條件對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,檢索和過(guò)濾出需要的信息。4 系統(tǒng)運(yùn)行情況網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)的監(jiān)視和記錄功能對(duì)性能和可靠性要求較高,沒(méi)有太多面向應(yīng)用的功能;分析功能的目的在于輔助維護(hù)人員分析和快速定位網(wǎng)絡(luò)

14、通信中的異常和錯(cuò)誤,要求分析盡可能全面和專業(yè),且面向應(yīng)用,因此,分析功能需要在實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展中不斷改進(jìn)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,通過(guò)在線和離線結(jié)合分析,大多數(shù)通信中的異常和錯(cuò)誤能夠明顯地提示出來(lái)(參見(jiàn)附錄A 圖A1和圖A2,提高了工程維護(hù)的效率。5 結(jié)語(yǔ)數(shù)字化變電站的運(yùn)行和維護(hù)需要對(duì)其站內(nèi)的通信過(guò)程進(jìn)行記錄和分析。本文以開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)為例,對(duì)數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)通信記錄儀和分析儀的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)視及記錄文件為運(yùn)行維護(hù)提供了完整的異常和事故分析依據(jù),完成了各種復(fù)雜的分析工作,使維護(hù)人員不需要很熟悉IEC 61850的復(fù)雜技術(shù),也能快速地分析和定位問(wèn)題。該系

15、統(tǒng)通過(guò)其智能網(wǎng)卡,以較少的記錄儀監(jiān)視數(shù)字化變電站內(nèi)的多臺(tái)M U,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò),降低成本;同時(shí),對(duì)GOOSE 通信進(jìn)行在線分析,以便盡早發(fā)現(xiàn)GOOSE 通信中的問(wèn)題。目前市場(chǎng)上數(shù)字錄波器和網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析系統(tǒng)是2種產(chǎn)品,在數(shù)字化變電站中也是各自部署,獨(dú)立完成各自不同的應(yīng)用功能。實(shí)際上,兩者在網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)視和記錄等方面很相似,尤其在監(jiān)視M U 時(shí)面臨同樣的問(wèn)題(設(shè)備處理能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬等;不同的是,前者偏重于故障數(shù)據(jù)錄波及專業(yè)分析,后者記錄的信息更全面且面向通信過(guò)程分析。因此,從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看,兩者的應(yīng)用功能完全可以合二為一,集成為一個(gè)系統(tǒng),以利于減少變電站內(nèi)的設(shè)備、降低投資、簡(jiǎn)化運(yùn)行維護(hù)。附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)

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24、 pr ocess bus for the tr ansmissio n of A C signals, stat us sig nals and tr ipping signals based on the fiber-o ptic netw ork.It is necessary to r eco rd and analy ze the netw o rk co mmunication pr ocess fo r the operatio n and maintenance o f dig ital substat ions.A n actual sy stem is taken as a

25、n exam ple to analyze the key t echniques of t he co mmunication reco rder and analyzer invo lv ing t he co mmunicatio n on-line analysis and larg e amount o f data sto rag e.A specially desig ned smar t netw ork interface card(N ICis used to enhance t he netw or k thro ug hout and the amount o f me

26、rg ing unit(M Uconnected to the analy zer.T he technical trend o f netwo rk communication r eco rder and analyzer develo pment is fo recast ed.Key words:dig ital substat ion;IEC61850;communication recor der;on-line analy sis;fault analysis;o per ation and maintenance(上接第87頁(yè)continued fr om page874彭瑜,

27、何衍慶.IEC61131-3編程語(yǔ)言及應(yīng)用基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.5馬軍,焦邵華,鮑喜,等.基于二維節(jié)點(diǎn)控制的饋線保護(hù)原理.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(19:48-51.M A Jun,JIAO Shaohua,BAO Xi,et al.A new feed er protection schem e based on tw o-dim ention con tr ol node.Automation of E lectric Pow er Sys tems,2003,27(19:48-51.李娟(1972,女,博士研究生,副教授,主要研究方向:檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置。E-ma

28、il:ljtx2004 陳沖(1985,男,通信作者,碩士,主要研究方向:配電網(wǎng)自動(dòng)化。E-mail:chench9焦邵華(1972,男,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向:電站及工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。E-mail:jiaoshsf-aut o.co mA Fault Processing Scheme for Open Feeder Automation Based on IEC61131-3L I J uan1,CH EN Chong2,J I A O Shaohua3(1.Beijing Info rmatio n and T echnolog y U niv ersity,Beijing100192,China;2.Suzhou Electr ic Po wer Co mpany