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(fā)展迅速，技術(shù)先進［1-5］，其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息共享化的特性催生了很多新的智能設(shè)備和運維手段［6-9］，網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置是其中一種典型二次智能設(shè)備［10］。網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置主要用于記錄智能變電站內(nèi)二次設(shè)備間的通信報文，并對其進行分析，異常識別，為調(diào)試運維提供輔助手段［11］。相對于傳統(tǒng)的變電站二次設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置具有功能新穎、專業(yè)性較強、調(diào)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(yīng)用受到限制，實際使用情況不理想。文獻［12］、文獻［13］對網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的應(yīng)用進行了介紹，但重點關(guān)注在裝置本身的功能，且與現(xiàn)行規(guī)范已經(jīng)有了較大的差別。本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析裝置“四統(tǒng)一”最新技術(shù)規(guī)范，分析了其軟件硬件架構(gòu)、工作原理，給出了裝置的典型應(yīng)用場景，展望了裝置技術(shù)發(fā)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(wěn)定運行提供進一步的保障。

1 原理分析

網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置主要用于對智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)上的報文進行采集、記錄、解析，并對解析結(jié)果和記錄數(shù)據(jù)進行展示、統(tǒng)計、分析、輸出等，進而實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)健康狀況的診斷，給出報警，預(yù)防電力系統(tǒng)事故的發(fā)生［11］。

1.1 裝置架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置由采集單元和管理單元構(gòu)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(guī)約通信［11］，如圖1所示。

圖1 裝置架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)報文，并對報文打上精確的時標和報文頭，以方便后續(xù)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(tǒng)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(guī)則等進行存儲。

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

管理單元包括SCD配置文件解析模塊、網(wǎng)絡(luò)事件管理模塊、報文文件管理模塊、分析結(jié)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(gòu)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(wǎng)絡(luò)中，充斥著SV、GOOSE、MMS、104、1588等多種類型的報文。這些報文發(fā)送速率、發(fā)送格式完全不同。網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(yù)處理。這樣就可以保證數(shù)據(jù)處理實時性，運行穩(wěn)定可靠性和抗干擾能力，提升系統(tǒng)處理效率。經(jīng)過預(yù)處理的報文，通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xié)議棧如表1所示。

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

在分析模塊中，通過各協(xié)議的類型關(guān)鍵字可以進行初步識別，例如在鏈路層，通過以太網(wǎng)類型字段可以區(qū)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(wǎng)絡(luò)層，通過協(xié)議字段，可以區(qū)分TCP報文（協(xié)議字段為0X06）、UDP報文（協(xié)議字段為0X11）等。識別出具體協(xié)議后，再根據(jù)協(xié)議的標準格式進行后續(xù)的解析、異常判斷。

3）記錄模塊

報文記錄是網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)流量情況下，完整、準確、連續(xù)、循環(huán)地記錄網(wǎng)絡(luò)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(fā)送穩(wěn)定、格式固定、壓縮比較大；GOOSE報文流量小、發(fā)送不穩(wěn)定、格式固定、壓縮比較大；MMS流量不穩(wěn)定、發(fā)送不穩(wěn)定、格式不固定、壓縮比較小。根據(jù)每種報文的特點進行分類存儲，設(shè)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(jù)先進先出的原則，刪除較舊的報文文件，實現(xiàn)循環(huán)存儲功能。

4）人機交互模塊

為方便調(diào)試、檢修、運維人員使用網(wǎng)絡(luò)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?qū)崟r從采集單元獲取所需要信息，包括狀態(tài)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(qū)，進行實時展示。對于標準化的網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置，一般包含全站工況、實時監(jiān)視、查詢統(tǒng)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(yīng)用場景

網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置是智能變電站重要的二次輔助設(shè)備，在調(diào)試、運維、故障處理環(huán)節(jié)，均可以發(fā)揮重要的作用。

2.1 安裝調(diào)試場景

在智能變電站安裝調(diào)試環(huán)節(jié)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(wǎng)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(shè)備出現(xiàn)發(fā)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(guī)手段排查這些問題非常困難，效率較低，使用網(wǎng)絡(luò)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(fā)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(zhuǎn)發(fā)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(tài)、保護測控裝置狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置狀態(tài)，即可以快速定位故障點，進行問題排查，如表2。其中網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置接收到的SV報文狀態(tài)又可細分為通信中斷、配置異常、數(shù)據(jù)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(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)取代了電纜，一些隱含的問題不易發(fā)現(xiàn)，這給智能變電站帶來了隱患，也給運行維護環(huán)節(jié)帶來了不便。通過網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置可以直觀地查看全站通信鏈路狀態(tài)，通過鮮明的顏色標識，可以快速發(fā)現(xiàn)異常的通信鏈路，異常原因以及其對應(yīng)的IED，也可以查看某個IED的SV、GOOSE發(fā)布訂閱關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(tài)，如圖5所示［11］。

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

根據(jù)不同的顏色標識，可以快速發(fā)現(xiàn)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(guān)的所有通信鏈路以及SV、GOOSE發(fā)布訂閱關(guān)系。以圖6某個IED為示例，與該IED關(guān)聯(lián)通信鏈路有7個，其中2個MMS鏈路，2個GOOSE發(fā)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(guī)變電站中，電壓、電流、開關(guān)量的傳輸介質(zhì)為電纜，如圖8所示。發(fā)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(guān)量的的傳輸經(jīng)過了一個通信轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，如圖9所示，此時，僅通過錄波波形分析系統(tǒng)故障，會有一定的局限性。例如，采樣值精度降低，采樣值品質(zhì)缺失，通信環(huán)節(jié)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(guī)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(wǎng)絡(luò)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(fā)生故障時，可通過網(wǎng)絡(luò)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(yīng)時刻的報文。通過分析原始報文，可以獲取電壓、電流、開關(guān)量等更多細節(jié)信息。

1）獲取未經(jīng)過插值、同步、轉(zhuǎn)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(zhì)信息，如數(shù)據(jù)無效、檢修、溢出等，如圖11所示。

圖11 通道品質(zhì)信息Fig.11 Quality infomation of value

3）獲取數(shù)據(jù)發(fā)送附帶信息，如報文發(fā)送間隔是否正常、發(fā)送規(guī)律是否滿足標準等，如圖12所示。

圖12 報文發(fā)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(yīng)用場景，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的功能特點和智能變電站的發(fā)展情況，其應(yīng)用可以進一步擴展，文獻［16］-文獻［21］進行了研究，在以下領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置還有進一步挖掘的空間和更廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 SV、GOOSE數(shù)據(jù)高級分析

網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置屬于自動化類設(shè)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(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過提取關(guān)鍵時刻報文，進行數(shù)據(jù)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(jiān)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(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置只能進行單一環(huán)節(jié)的分析。例如分析調(diào)度主站與站內(nèi)網(wǎng)關(guān)機之間的104協(xié)議遙控過程，或站內(nèi)網(wǎng)關(guān)機與測控裝置之間的MMS協(xié)議遙控過程，通過各自規(guī)約的響應(yīng)報文判斷該遙控環(huán)節(jié)是否成功，如果發(fā)生遙控失敗，不能定位具體的失敗環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)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?shù)呐渲梦募?，?04遙控點號，MMS遙控對象ref，GOOSE通道號進行關(guān)聯(lián)，綜合分析3種協(xié)議報文的信息，即可定位發(fā)生遙控失敗的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)遙控全過程的監(jiān)視。

圖14 調(diào)度主站遙控Fig.14 Remote control of master station

3.3 在線監(jiān)視與診斷

隨著智能變電站的大規(guī)模建設(shè)和投入運行，智能變電站保護設(shè)備在線監(jiān)視與診斷技術(shù)也得到迅速地發(fā)展［18-21］。通過該技術(shù)可實現(xiàn)SCD文件管理、保護設(shè)備運行狀態(tài)和物理鏈路可視化、缺陷智能診斷和保護動作分析等?；谠摷夹g(shù)開發(fā)的系統(tǒng)已在實驗室和變電站進行了測試及試用，其中網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置是該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵點，實現(xiàn)過程層數(shù)據(jù)采集、分析和計算，如圖15所示。

圖15 在線監(jiān)視與診斷系統(tǒng)Fig.15 On-line monitoring and diagnosis system

網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置與診斷系統(tǒng)的通信可采用數(shù)據(jù)庫共享、內(nèi)部通信總線或DL/T 860等技術(shù)。根據(jù)智能變電站保護設(shè)備在線監(jiān)視與診斷技術(shù)要求，還需要通過交換機信息，實現(xiàn)物理鏈路的可視化。這對網(wǎng)絡(luò)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(shù)獲取交換機信息。在該領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置還有進一步發(fā)展空間。

4 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置是伴隨著智能變電站發(fā)展誕生的一個新設(shè)備，經(jīng)歷了從試點、不成熟到成熟的過程，為智能變電站穩(wěn)定運行提供了重要的輔助手段和技術(shù)保障。本文通過分析其工作原理、應(yīng)用場景和技術(shù)發(fā)展趨勢，進一步提升了裝置的可用性和使用前景，也為調(diào)試檢修人員使用網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置提供了技術(shù)參考，對提升智能變電站的調(diào)試運維水平有著重要的意義。