数字化变电站过程层网络监测和报文分析研究

数字化 变电站过程层网络监测和报文分析研究 一、 目的和意义 1 项目背景 随着新型互感器技术、 1850 标准、智能断路器技术、 工业以太网 通信技术的 在 变电站 中的应用，为变电站新 技术 的 研究和应用 提供了广阔的前景 。 具有上述特征的 数字化变电站 在近年来得到了较快的发展。数字化变电站以智能化的一次设备为基础，实现了信号采集的数字化；以网络化的二次设备为架构，实现了信号处理 、 传输 及控制 的数字化 ； 以 议 通信标准 ，实现了 站内设备统一建模， 为设备间信息共享及互操作提供了保证。 数字化变电站自动化系统 设 备 按功能分为： 站控层、间隔层、过程层。二次设备 分别组成站控层网络、过程层 络，过程层 络 ， 站内信息传输依赖网络通讯实现， 通过网络真正实现资源的共享 。 近年来，国内许多电力公司、科研院所、自动化厂家密切跟踪数字化变电站技术的最新发展，开展了大量的相关研究及工程应用工作。 国内数字化变电站的技术应用 在变电站技术改造和新建上均有涉及 ， 准的研究与应用，及完整意义上的数字化 经历了 两个 主要 阶段 ： 第一阶段： 变电站技术应用主要集中在、电子式互感器的应用。 第二阶段： 变电站的 技术应用涉及数字化变 电站的几大技术 方面 ， 整站具有完整的过程层通讯网络。 目前，过程层网络实现采样值的传输、变化值的传输功能 ，即：将保护测控所需的电压、电流信号由合并单元传给保护测控设备； 将开关的状态及主变等相关信号由（开关）智能单元传给保护 测控设备，同时智能单元接受保护测控设备的跳合闸、遥控操作命令。 由于信号类型、传输方式的差别，采用的是分网传输 ，过程层 程层 数字化变电站 将传统的信号依赖电缆传输模拟电平信号改为以光缆传输数字信号，信号的传输方式发生了根本改变 。 这一变化对运行前信号的调试、运行中信号的监测、及检修中信号的检查核对都产生了非常大的影响。 由于数字化变电站的迅速发展，变电站站控层、间隔层以及过程层的通信网络报文已经成为变电站智能设备间信息交互和共享的主要方式。智能设备和通信网络的健康状况将 1 直接影响整个数字化变电站的通信，网络报文的发送端、接收端及通信网络异常或故障均可能导致电力系统重大事故，因此需要对网络报文进行有效的监视、记录和诊断，提前发现通信网络的薄弱环节和故障设备，预防电力系统事故的发生。当电力系统故障发生时，不仅需要对网络原始报文进行记录，还需要将网络报文进行解析，还原为对电 力系统一次设备故障波形以及二次设备动作行为的记录，便于事故发生后进行分析和快速查找故障原因。 随着数字化变电站的深入研究，国家电网公司又提出了智能变电站建设思想，进一步形成了智能变电站技术导则 Q/83智能变电站 继电保护技术 规范 Q/41变电站 智能 化改造技术 规范 Q/ 414数字化变电站上升到智能变电站的高度， 并 规范了国内 变电站 技术研究、设计和应用 的方向 。 在 智能变电站技术导则 中“系统功能要求”节对变电站“网络报文分析”的监测、记 录分析功能、部分做了较明确的阐述： 可配置独立的网络报文记录分析系统，实现对全站各种网络报文的实时监视、捕捉、存储、分析和 统计 功能。 网络报文记录分析系统宜具备变电站网络通信状态的在线监视和状态评估功能。 本项目基于 “网络报文分析”的功能实现要求， 提出了相关的研究内容。 2 项目意义 本项目 在 深入分析过程层网络传输 设备 特点 、报文内容、协议特点基础上 ，通过对智能变电站内过程层实时报文的监测、记录分析，可以查找出运行中的设备是否存在缺陷、网络通讯是否存在异常。 1）根据实时的监测，给出相关的告警 发现实时通 讯中的报文是否存在漏包、错包、重包等影响保护测控装置计算处理的相关报文信息，并在出现异常后实时分析，并发出相关的报警； 根据实时的监测，发现设备存在异常，根据某个设备是否一直发送出错的报文判别其是否存在异常，给出相关的告警。 根据实时的监测，发现网络通讯的异常，根据报文的间断、报文的错误、遗漏发现某个通讯端口的通讯是否异常。 2）根据离线的报文分析，给出相关的处理 2 保护动作过程分析： 根据历史记录中的故障量信息，分析整个的故障过程，为保护动作分析提供有力的支撑；根据记录的 相关 保护跳闸报文， 分析 保护跳闸信号的动作过程。 异常的过程分析：根据记录异常的出现、异常的结束过程分析，为装置工作中的异常及异常处理做出有力的支持。 3）根据报文的提示，为检修维护服务 检修人员在不熟悉数字式保护测控装置、智能单元等设备的维护、报文分析时提供相应的帮助和技能培训，为设备检修服务。 各自动化设备厂家及电力公司主要关注于数字化技术在变电站的实现，在变电站的设备运行及维护方面，往往较少关注， 网络报文分析等设备的研制和应用目前处于起步阶段，有必要进行相关方面的深入研究 。 3 成果应用的途径 本 项目 进行的 网络监测和报文分析 设备 的研制，网络报文监视和记录系统研究，网络报文分析专家系统 ， 可应用于已投运和在建的数字化变电站、 智能变电站 。 4 项目效益 数字化变电站目前投运时间仍较短，发现问题的概率也不高，但通过本项目的研究，增加 过程网络报文的 监测，为防止网络、设备异常导致 运行缺陷 ，提供了解决的方案， 并 可以 发现设备隐患， 减少 现场维护的工作量， 保证了一次设备及电网 的安全稳定运行 。 为后续变电站 智能化 建设提供 网络监控的指导 。 二、 国内外研究水平综述 目前国内的多个自动化设备厂家，如南瑞继保、国电南自、北京四方、许继电气、南京新宁，提供整套 的 智能变电站 设备及相关的数字化解决方案，为 智能变电站 的建设提供了保障。 国内虽有厂家推出有关的网络记录及分析仪设备， 与数字式保护测控装置 及变电站自动化系统 渐趋完善相比，过程层网络监测和报文分析装置这方面的研究 还不完善， 处于起步阶段。 国内南京银山、武汉中元华电 在 前期 成功 开发故障录波装置的 基础上 ，开发了相关的网络监测 和记录报文分析装置，该装置主要由：实时报文记录装置 和报文分析 软件 组成 。 记录装置主要捕获通讯口的报文并进行 保存 、 报文分析软件主 3 要读取将保存的报文文件，对相应的报文进行分析，给出相关的告警、错误提示。 实时网络报文记录装置是基础硬件平台：由于记录的端口较多，保存报文数量庞大，其一般配置有大容量存储硬盘。同时也需要提供丰富的接口（特别是过程层 记录装置可根据现场需要配置多台。由于开发时间短，其可靠性没有相应的验证手段。 报文分析软件：即将记录的报文 文件 ， 按时间、端口、关键字的方式查询，并读取到分析主机上， 通过按字段、源码、以结构化列表的方式显示 正在 分析 的报文，以 检查出报文帧错误、报文序列错误、报文内容错误 等多个异常。同时能实现对顺序报文的波形、图表等多个方式的显示。 目前，现有的网络监测 和记录报文分析装置，仍面临端口少、配置麻烦、灵活性差的问题，在现场使用中不常见。 国外，在网络监测和记录报文分析方面已做过较多的研究，其中，报文捕获及分析软件以 软件最为有名，且支持协议丰富，较为常用。关于网络监测和记录报文装置方面未见有整体供应的相关报道。 三、 项目的理论和实践依据 1项目的实践依据 智能变电站 的过程层 网络 以 实时性高的采样值报文和 时也有用于对时的 些报文传递的信号关系到数字式保护测控装置的采样、处理、控制的多个重要 环节，这些报文中含有电力系统 正常运行、 事故的发生、保护动作命令的发出，系统故障的切除等重要内容， 对这类报文进行捕获、存储，并于 事后 重现事故过程，分析故障处理有着非常重要的作用 。 同时过程层网络监测和报文分析 进行 以下工作的需要。 实时网络通讯监测：网络 实时 通讯中，其端口的通讯中断、恢复、超时等变化需要监视。网络报文按类别进行流量统计、流量异常产生告警。 实时网络报文记录： 文顺序记录、采样值报文顺序记录、异常报文的记录与标记。 网络报文检查： 实现对过程层 文序列及异常的检查、 文内容及异常的检查。对过程层采样值报文序列及异常的检查、采样值报文内容及异常的检查。 4 历史事件重现：实现对系统故障跳闸整个过程的完整监视和重放。显示采样值、 设备状态检修：实现历史记录报文的分析，可了解过程层设备的运行状态，为设备的状态检修和设备运行状况提供支持。 2项目研究的关键和难点 1） 智能变电站网络实时监测和报文分析记录设备硬件平台的研制； 2） 智能变电站网络报文监测和记录系统的研究； 3）智能变电站网络通讯状态的在线监测和状态评估的研究； 4）智能变电站网 络报文分析专家系统的研究； 四、 项目研究内容和实施方案 1） 智能变电站网络实时监测和报文分析记录设备硬件平台的研制 智能变电站过程层网络报文的采样值报文 由站内的合并单元提供，目前使用的 协议有 文的信息量非常大，以 40001个采样值输入接口为例，采样值采用 9每个 个 个采样值数据集包含 12个数据对象，则每个采样值数据包的平均大小约为 170个字节，则每秒产生的报文数据为： 170*4000=天的数据量约为： 600*24=如此海量数据存储目前需要借助硬盘介质来实现。对一个 500盘而言， 只能保存 8天的数据。 目前已知的网络报文记录装置的数据存储方式都是基于操作系统的文件系统实现，因此，报文记录设备的报文记录硬件平台仍采用文件系统实现存储。 记录设备接入过程层网络对应的交换机接口，对过程层网络报文进行实时的解码分析和原码存储，同时将解码分析以事件告警方式存储，通过管理口上传至管理机。 为适应过程层网络接口需要，网络实时监测和报文分析记录设备硬件 平台接口设计有： 5 个采样值接口（目前规划为： 4 个光纤以太网接口， 1 个 纤接口）； 4 个 口。因此，硬件平台外部接口为 4 个（采样值）以太网接口， 1个采样值 口， 4个（ 太网接口， 1个管理口。 系统硬件平台基于多智能板设计，其中采样值接口部分采用 5 基于 统或其他系统设计， 口部分采用 构，基于存储部分：采用硬盘为介质， 采样值和 时间标签的标准文件的格式 进行 分别存储。 2） 智能变电站网络报文监测和记录系统的研究 网络报文监测 用于接收报文原码，并根据确定的采样值协议或 解码分析检查丢帧、错序、失步、超时、中断、无效编码、流量突变等异常。 文异常检查：分报文序列异常检查和报文内容异常检查两个主要检查项。报文序列检查：报文超时、报文丢帧、报文错序、报文重复等网络通讯的异常。报文内容检查：是检查 如 说明 采样值报文异常检查：分报文序列异常检查和报文内容异常检查项。报文序列检查：报文超时、报文丢帧、报文错序、报文重复等网络通讯的异常。报文内容检查：是检查采样值报文的 式是否符合协议标准格式。 网络报文记录 用于将接收的报文原码，按 时序特征， 以文件格式存储到记录介质上 。 报文的记录按时序依次记录捕获报文，对于异常报文，在存储记录前将报文打上异常类型标记。支持以时段、报文类型、报文特征检索和报文提取方式。 报文记录根据报文的时序特征，采用线性均衡循环存储算法，对硬盘空间 进行线性规划，循环均衡存储，确保硬盘不产生磁盘碎片，使硬盘每个扇区的擦写保持均衡。 3） 智能变电站网络通讯状态的在线监测和状态评估的研究 过程层网络通讯状态 的在线监测 根据 网络口的通讯报文间隔，判断网络口通讯是否存在超时、中断等异常 ，并给出通讯异常的提示。 根据网络口通讯报文的数量，进行流量统计，当交换机出现故障、通讯接口异常导致的流量大幅减少时，报告流量异常。 网络流量可根据报文类型分别进行统计。 网络通讯状态的状态评估 6 根据网络通讯状态的变化和在线报文监视的异常信息，对网络通讯进行评估，对网络 的 异常给出异常告警 分类评估 。 4）智能变电站网络报文分析专家系统的研究 讯报文 通信采用发布者 /订阅者机制。为防止网络负载过重情况下丢失 一个 文重发的时间间隔逐渐增大，当重发时间间隔增大到最大值时， 直到有新事件产生为止。 所示： T 0 T 0（ T 0 ）T 1 T 1T 2 T 3 O S E 报 文 传 输 时 间有 事 件 产 生图 1 文变时间间隔重发机制 说明： 无事件状态下，报文重发时间间隔 (一般为 1024 (从无事件状态过渡到有事件状态，报文重发时间间隔 (因有事件产生而缩短 )； 件发生时，最短报文重发时间间隔； 到无事件状态前的报文重发时间间隔 ( 采样值报文 采样率根据预先的配置决定的，预定采样率数据报文，采样报文的 分如下： 1个 若干 中 据可配并于采样率有关，采用与基本编码规则 （ 相关的 采样值进行编码。 7 图 2 采样值报文的 象语法记法 1是 经成为定义数据结构和协议格式表示方法的通用语言，并且在定义应用层协议方面也取得了广泛的应用，引入 因为它可以消除自然语言描述带来的二义性。 基本编码规则（ ， 代表的数值，即将 描述的报文转换为唯一的比特序列。由 于 依赖于具体的计算机平台，它可解决分布式异构环境下数据表示的两个重要问题： a. 在不同系统之间的数据交换有了一个共同的表示。 b. 在一个系统的内部，一个应用程序可使用某种特殊的数据表示，自动解决互相协作的应用实体之间表示的差异。 为保证报文传输的高实时性，避免在通信堆栈造成延时，应用层的 样值报文有 报文 分析系统 通过对规范报文的解析，将报文中的字段以结构化 的形式，按字段及关键字进行细分，形成可读性强，阅读方便的报文解释和描述。 报文分析系统一般将结构化解释和原始报文放在同一分析窗口进行比对，为用户熟悉、使用、检查、判断报文中存在的报文内容错误、报文帧错误、报文结构异化提供简单明了的指示。 同时，报文分析系统针对现场报文中常出现的错误或问题进行归纳，并对报文的错误或潜在缺陷给出针对性、准确的提示信息。为用户发现问题，快速定位问题提供直接的帮助。 案 本项目由 无锡 供电公司与江苏方天电力技术有限公司合作完成，拟采用 接口和应用功能分析设计、硬件设计开发 、软件功能模块设计开发、网络监测和报文分析系统开发和调试等阶段，并将样机用于现场试用，完成现场应用工作 。 8 项目研究需要购买仪器 、 设备 及原因详见附件 9。 五、 预期目标和成果形式 1. 形成具有高可靠性、强大的实时处理能力、超大存储容量的智能变电站过程层网络实时监视和报文分析设备硬件平台方案； 2. 提出一种可行的过程层网络报文监视解决方案 ； 3. 提出一种可行的过程层网络报文分析工具解决方案 ； 4. 开发实用性强的网络实时监测和报文分析系统， 并应用于江苏省首 座 数字化变电站 110石变。 六、 合作单位或 依托工程单位落实情况 本项目的合作单位为江苏方天电力技术有限公司。 七、 项目承担单位的条件 1 项目负责人 许小兵 从事继电保护工作十年 江苏省技术能手、江苏省五一创新能手 2 项目研究人员 3 实验室条件 4 理论研究环境 编写要求： 1. 项目负责人的情况介绍； 2. 项目承担人员的专业、特长、工作量和在本项目中的应用； 3. 各承担单位具有的与本项目有关的工作业绩、实验室条件、理论研究环境。 9 八、 项目进度安排 工作进度安排 序号 时间段 主 要 工 作 内 容 1 11年 1月 至 11年 3 月 过程层网络 报文监视解决方案的分 析、制定。 2 11年 3 月 至 11年 5 月 过程层网络 报文分析工具方案的研究制定。 3 11年 1 月 至 11年 10 月 过程层 网络报文记录硬件平台及软件开发； 网络报文分析软件的开发； 4 11年 11 月 至 11年 12 月 过程层网络 监测和 报文 分析系统调试； 现场应用。 5 年 月 至 年 月 6 年 月 至 年 月 7 年 月 至 年 月 8 年 月 至 年 月 9 年 月 至 年 月 编写要求： 1. 列出分年度计划研究内容和人员、设备安排； 2. 分年度提供 成果的内容和形式，要具有可检查性。 10 九、 项目经费预算 单位：万元 科目名称 预算金额 备 注 20 年 20 年 资本金 成本 资本金 成本 （一）直接费 (1)专职研究人员费 40 (2)临时性研究人员费 (1)仪器、设备购置费 附件 92)仪器 、 设备试制费 40 附件 93)软件购置费 附件 94)现有仪器设备使用费 25 (1)材料费 5 附件 92)资料费 (3)印刷出版费 (4)专利与知识产权事务费 (5)会议费 10 (6)差旅费 5 (7)培训费 (1)场地物业费 (2)场地使用租金 （二）间接费 (1)项目预算执行审计费 (2)不可预见支出 （三）外委支出 附件 9 5 附件 9年度合计 130 总计 注： 与项目有关的前期研究 (包括阶段性成果 )支出的各项经费不列入本项目预算。 11 十、 有关证明文件 合作单位意见 （对合作研究内容、参加人员及保证研究试验等签署具体意见） 数字化变电站是今后综合自动化技术发展的主要趋势，省公司正在积极推进数字化变电站的建设，目前，在 数字化变电站保护、自动化设备 的运行状 态监测是数字化变电站建设的一个重要方面，这也是本项目的研究内容。 我公司 承担了省内多个数字化变电站的开发、改造实施、建设、维护工作， 在 数字化保护与自动化设备开发 方面有一定 的 经验 积累 。 我公司一定积极协助 配合项目研究工作 ， 有能力 保证该项目的顺利完 成 。 单位（公章） 年 月 日 12 十一 、申请单位领导审查意见 （对经费预算是否合理，有无其他经费来源，能否偿还贷款，能否保证研究计划实施所需的人力，工作时间等基本条件提出具体意见） 单位领导（签字） 单位（ 公 章） 年 月 日 13 附件 7目参加人员表 姓 名 单 位 性 别 出生年月 技术职称 专 业 承担的主要工作 投入月数 负 责 人 许小兵 无锡供电公司 男 程师 继电保护 总体负责 12 鲍有理 无锡供电公司 男 工 继电保护 方案负责 12 李澄 江苏方天 男 工 电力系统 项目开发 8 主 要 工 作 人 员 朱健 无锡供电公司 男 程师 继电保护 现场实施 6 华东平 无锡供电公司 男 程师 继电保护 现场实施 6 葛永高 江苏方天 男 程师 电气工程 项目开发 8 陆玉军 江苏方天 男 工 电力电子 项目开发 12 陈颢 江苏方天 男 程师 电力系统 项目实施 10 徐行之 无锡供电公司 男 程师 电力系统 现场实施 6 史春旻