网络报文记录分析装置在数字化变电站中的实践

杨登平 周宇 李义 郭顺军 王成龙

摘要：科技发展带动社会进步，社会经济发展，各项生产生活对电力需求逐渐增加，促进变电站不断发展，使其向数字化方法不断进步发展。文章对网络报文记录分析仪器进行简单介绍，主要对网络报文记录分析装置在的数字化变电站中的实践详细分析，以实际案例为支持， 对网络报文记录深入分析，旨在为促进数字化变电站持续发展提供有力参考。

关键词：网络报文记录;分析;装置;数字化;变电站

数字化变电站落实IEC 61850规范为支持，对一次设备及二次设备分层设置，确保变电中信息高速传递和共享[1]。数字化变电站将模拟信号转换为数字化信号，建立对应的通信网系统。对数字化智能变电站而言，站控层、间隔层、过程层以IEC 61850协议实现通信。模拟量以SMV报文传输，状态量、跳闸等以对象百能电站COOSE实现报文传输。数字化变电站中，各项信息通过数字信息所表达，将信息直观的表现在大众面前， 表现出数字化技术优越性。

1.网络报文记录分析装置

网络报文记录分析装置（以下称之为网分）可适应数字化变电站网络通信模式传输需求，具有显著优势：

1.1透明性优势

单向接受报文，将不影响原网络运行，不向原有网络发送报文，安全性可靠。

1.2.信息处理量大

可接收处理变电站大量信息，处理一些通信报文，通过读报文储存、分析、数据在线/离线分析， 对信息检索并管理。

1.3精准时标

支持以IRIG-B码的不同时钟源对时，可为各个报文打上精度在1μs左右的时间戳，为故障精确分析奠定基础。

1.4支持SCD文件

SCD文件可以反映变电站设备及链路关系，通过SCD解析报文，将计算机语言表达为人类语言，以简单易懂的信息反映变电站运行详情的，为数字化变电站持续运行奠定基础[2]。

网分可反映出数字化变电站不同部分通信报文实际信息。对报文进行有针对性的分析， 对故障提前預警。数字化变电站过程网络结构有SV、GOOSE共网，不同的网络结构下，对应网分接入方式具有的差异性。

2.网络报文记录分析装置的发展分析

2.1调试设备

数字化变电站建设后，以网分支持便于调试，分析通信中存在的异常行为。网分装置被定位网络通讯黑匣子，对通信故障过程记录，定位故障。以网分装置作调试用，其自身独立运行，内部信息保密，以专用界面反映出通信异常[3]。

2.2运行设备

网分装置还可做运行设备，规范网分装置功能，以解决网分信息隐私性及功能不规范问题。《智能变电站网络报文记录及分析装置技术条件》（2013）对网分装置技术要求给出明确规定，明确网分装置功能及结构（软件和硬件），硬件上将其分为采集和管理部分，按照DL/T860设计装置信息模型及通信服务，使网分融入到变电站信息系统中。

当下，网分信息标准化模型将不同厂家报文分析结合起来，如图1所示，展现出不同的功能。

网分装置具体分工不明确，制定模型需注重避免模型内容固定，导致后来局限功能发展。 需以一种合适的交换文件方法，适应数字化变电站长久发展需求。

2.3和其他系统的融合分析

网分装置自身特有的网络报文监听能力，其可以和其他系统融合起来，满足不同系统功能需求。在《智能变电站保护设备在线监视与诊断技术规范》（2014）中，以二次运维为支持，提出在数字化变电站建设在线监测系统，将数据采集、数据管理共同构成二次设备系统[4]。在数据采集单元接入过程网络，获取合并单元，及SV、GOOSE报文，以专业性SNMP获得交换机实际信息。就数据采集单元技术而言，其和网分装置的技术的特点具有一致性。将网分装置用作二次设备检测系统，开展数据采集，以网分成熟技术，强化系统建设，减少不必要的资金浪费。

3.网分信息构成及作用

3.1网分信息构成

针对实际生产法实施不同，网分信息也具有差异性。

3.1.1原始数据

原始数据分为两种，一种是交换机端口映射网络的原始报文，另一种是原始报文中提取的应用层实际数据，针对协议不同，有SV采样值、GOOSE信号等区别[5]。

充分发挥SCD文件最大价值，将MMS转化还原为具有信息含义的IEC161850的ACSI服务内容，便于理解，可以还原为遥控操纵，报告控制块激活。此时，MMS数据是二次设备以固定协议和外界进行交换后的运行信号代表值。

网分提取的保护运行信息如下所示：（1）保护动作，对故障发生的录波、报告进行保护处理。（2）压板状态，主要是确保功能压板稳定运行，保障软压板状态正常。（3）确保运行定制稳定。（4）反馈装备自检信息。（5）保护实际模拟量。（6）对各项命令及操作落实，确保控制的实时性和 有效性。

3.1.2数据分析

由网分装置对应分析模块对数据分析，包含其产生信息、原始报文、应用层数据等分析。按照实际作用不同，则可分为不同内容：（1）分析通信网络，检查网络流量是否满足需求，是否存在网络风暴，网络连接是否稳定，交换机及设备通信连接是否稳定。（2）分析报文结构出现的异常，例如发现报文长度异常、ASN.1编码的TLV结构出现异常，及时警报。（3）分析通信逻辑，及时发现GOOSE帧序异常、遥控控制不准确等问题。（4）数字化变电站配置统一系统，报文内容及SCD文件不一致，（5）分析装置采集数据是否有价值，例如，对同源不同数据进行比对分析，分析GOOSE信号频繁变位现象。（6）对二次设备运行分析，针对装置上传自检信息及报警极限对装置异常现象分析研究[6]。

3.2网分信息实际作用分析

3.2.1为变电站二次运维检修提供支持

为确保二次设备检测诊断稳定开展，电网公司对具体的智能设备性能做出规范，要求就地及远方自动化系统可以及时反映系统设备板卡、回路，及时发现故障，便于设备检修[7]。网分装置可高效获取故障自检信息，且还具有以下几方面优势：

首先，网分装置可对变电站通信网络实施全面监视，实时检测二次设备工作的状态;再者，通过网分装置可以更高效的网络发生的故障进行定位报警。例如，变电站曾发生交换机故障，导致保护及另一台设备出现大量通讯中断，导致通信闭锁，给检修工作正常进行带来较大麻烦。 而通过网分装置支持，可迅速发现两故障设备，为迅速解决故障提供依据。

数字化的变电站中，网络通信是二次系统重要内容，对电网安全运行有重要影响[8]。对网分装置而言，其可以对物理网络运行进行切实监督，掌握全面的二次信息，获取完整设备运行状况，可结合其他自动化技术，实现在线监测及诊断，强化设备运行维护。

3.2.2为专业及调度提供有力服务

以MMS数据获取保护运行信息，可实现电网故障、保护行为、辅助定值核对等多项功能。随着智能化技术不断发展，保护动作相关信息已经可以和监控、主站等系统联系起来，若保护动作发生，则装置生成大量相关信息，融入到监控系统中，将动作事件、故障简报、录波文件等上送。信息上送后， 客户端保护当下运行定值。在保护系统通信繁忙时，客户端数量增加将提高保护装置运行负担，造成一定负面影响，但是网分装置并不和保护装置直接通信，其对正常运行无干扰，仍可实现从其他客户端通信中获取动作信息、保护信息。通过网分装置，继电保护专项功能得以更好实现。

4.网分应用特点及实现

4.1应用特点

4.1.1系统功能可扩展性

传统二次智能设备有功能范围限制，以IED信息模型功能节点及语义描述作为体现。网分装置自身网分分析功能具有一定的不确定性。网分装置发展是分析功能发展的过程， 按照常规二次设备设计需求，若对网分装置功能标准处理，则必然局限功能发展，这是网分信息模型制定的一大困难。

4.1.2信息不规整

网分采集的信息中，既有原始网络报文，也有原始报文中应用层的数据，不同网分装置掌握变电站中大量二次信息，可以从不同的角度反映出系统运行的实际情况。相较于传统的四遥类型，IEC61850主要以层次化结构梳理数据的内容，数据内容包含子对象、数据属性包含子属性等。网份产生分析数据，为确保网分功能扩大发展，则需预先定义所有数据模式，信息数据的不规整特征，导致网分数据适合以对象化进行表达、储存、分析等模式。

4.1.3服务对象具有多样性

网分可分为多部门，有不同的专业人员进行服务。首先，其为设备制造厂家的设备调试进行服务，可及时发现通信中发生的异常现象，为调试提供力所能及的帮助;再者，网分装置为数字化变电站运行维护人员进行服务，其能够反映出二次系统实际运行状态，为设备更稳定的运行奠定坚实基础，为一些变电站的异常处理提供技术支持;最后，网分装置为继电保护、调度人员提供科学的服务，通过收集大量的处理电网故障信息，为及时处理电网事故，解决电网事故提供科学决策支持。

4.2网分的实现方式

网分信息自身种类繁多，不同种类信息的层次性关系较很复杂，涉及数据量庞大，具有“大数据特征”。其数据规模大，数据信息流转速度较快，数据类型迥异，具有真实性、低价值等特点。针对网分信息的这种特征，可以采用大数据技术对其进行的储存和管理，实现海量数据的有序管理。采用当下成熟的大数据储存技术，构建出大数据应用平台，在逻辑结构上将网分装置设计为信息采集及信息管理两部分。一部分包含信息采集、储存及共享，构成网分信息平台，信息管理上主要是对信息进行分析应用。

采集单元的主要作用是收集到的原始数据保留到数据库中，以模块化软件进行设计，将各项分析功能以服务方向，組织为独立嵌入模块， 便于针对需求进行配置，为变电站将来扩大设计提供支持，将模块产生的结果都同步到大数据库当中，采用NoSQL数据库为网分提供信息支持，提供接口访问，将网分有用数据共享到需要的自动化系统当中，发挥信息最大化价值，实现分布式计算机及应用。

5.工程应用

当下，通过对数字化变电站态势验收了解到， 武汉中元华电ZH-5N、国电南四NSAR513等在数字化变电站中应用广泛，但是，其网分在实际应用中还存在一定问题，一些网分的强大分析能力没有得到有效发挥。

首先，在端口流量控制上，网分以防水尾缆和过程层A、B网汇总交换机相连接，可获取SV采样值及GOOE报文。其涉及到采样值、报文数据量较大，在110kV单母分段变电站中，合并单元达到13+，交换机侧配置1光端口给网分实现数据传输，端口数据流量约为120-130Mbit/s，对100Mbit工业级过程层交换机而言，端口可能丢失数据，导致网分采集到的数据不完整，需控制好网分监听端口数据流量， 确保数据完整。

可采取多种措施解决上述问题：（1）在网分及100Mbit过程层汇总交换机侧配置1000Mbit光端硬件，满足使用需求。（2）进行数据分流，A网及B网过程层汇总交换机分配2+路端口资源，作用于网分，网分侧配置2路监听端口，接受数据，发挥VLAN划分功能，将变电站按照流量划分为2部分，进入网分对应监听端口。

6.结束语

综上所述，网络报文记录分析装置自身实施监督监视能力较强，对电网事故记忆性分析、运行维护及状态检修提供有力支持，应注重在的数字化变电站中合理应用网络报文记录分析装置，开发SCD文件解析工具，将网络报文记录分析装置融入到变电站信息系统中，减少故障发生，提供变电站运维检修效率。

参考文献

[1]胡伟， 陈晓榕， 周铀，等. 网络报文记录分析装置在数字化变电站中的角色和应用[J]. 自动化技术与应用， 2018， 37（4）：79-82.

[2]张勇. 数字化变电站继电保护的GOOSE网络方案分析[J]. 通讯世界， 2017（22）：123-124.

[3]周历， 吴高华， 黄文奇，等. 数字化牵引变电所网络报文在线分析工具设计[J]. 电工技术， 2017（7）：19-20.

[4]邹宇亮. 基于IEC61850标准在变电站中误发远传历史报文故障分析[J]. 通讯世界， 2017（9）：162-163.

[5]王蕾， 李金龙， 谢蓓敏，等. 基于网络分析的变电站调度自动化故障定位系统研究[J]. 现代制造， 2017（21）：6-7.

[6]吕占彪， 吕彦召， 邓显俊，等. 智能变电站过程层网络报文特性分析与通信配置研究[J]. 科技资讯， 2018， 16（1）：20-21.

[7]郑玉平， 吴通华， 戴魏，等. 变电站二次设备就地化系统网络架构探讨[J]. 电力系统自动化， 2017， 41（16）：20-26.

[8]席禹， 邹俊雄， 蔡泽祥，等. 基于报文识别与流量管控的智能变电站保护控制信息安全防护方法[J]. 电网技术， 2017， 41（2）：624-629.