网络通信记录分析系统在数字化变电站中的应用

1、网络通信记录分析系统在数字化变电站中的应用王治民1,陈炯聪2,任雁铭1,王 斌1,孙凤娇1(1.北京四方继保自动化股份有限公司,北京市100085; 2.广东电网公司电力科学研究院,广东省广州市510600摘要:在数字化变电站中,过程总线将替代电缆硬连接用于模拟量、状态量和跳闸信号的传输。为了便于运行和维护,有必要对数字化变电站的通信过程进行记录和分析。文中以一套实际系统为例,对网络通信记录仪和分析仪实现的关键技术进行了分析,涉及通信在线分析和大数据量存储等;该系统通过采用特殊设计的智能网卡,提高了网卡吞吐量,从而提高了记录仪可接入的合并单元数量。文中还对网络记录分析系统未来的发展趋势进行了预

2、测。关键词:数字化变电站;IEC 61850;通信记录;在线分析;事故分析;运行维护收稿日期:2009-09-04;修回日期:2010-05-12。0 引言在数字化变电站1-3中,模拟量通过采样值(SV4报文传输,状态量和跳闸等信息通过通用面向对象变电站事件(GOOSE报文传输;间隔层的联闭锁也通过GOOSE 方式实现。在传统变电站中,故障录波器可以对模拟量和开关量进行记录,其记录数据可以作为异常或事故分析的依据。在数字化变电站中,为了保证系统正常运行,各个设备之间需要能够互操作并具有良好的配合关系,例如:通信报文编码的正确性、参数的合法性、时序的合理性等。这些问题要比传统的电缆硬连接复杂得多

3、,有必要在数字化变电站中布置网络通信记录与分析系统,实现对网络通信过程的监视与记录;记录的报文真实地反映了各设备的运行行为和数据交换,是理想的异常和事故分析依据,也可通过报文回放测试设备功能和复现问题,或用于网络性能及潜在问题的分析与评估等。目前已有同类产品5-6实现了网络通信的监视、记录以及基于记录文件的离线分析,但不具有GOOSE 在线分析和报文回放测试等功能。在数字化变电站网络报文中,SV 是最密集的报文,对记录仪的要求很高,这些产品在SV 报文很多时,需要配置较多的记录仪,增加了成本。另外,这些产品在跨平台移植、异构系统部署方面支持力度不高。对此,研发了一套网络通信记录分析系统。该系统

4、通过采用高速数字信号处理技术的智能网卡提高SV 的接入数量,并通过环形缓冲和网络存储等技术以提高系统性能和数据安全;对GOOSE 报文进行在线分析,即时发现和预警通信中存在的问题。在设计和实现时,充分考虑了移植性和部署灵活性,能够适应复杂的环境,或者与站内其他系统很好集成。经过实际的应用和测试,GOOSE 在线分析能够在1s 内完成预警;大部分数字化变电站只需1台记录仪就可以接入所有的网络通信报文,对站内网络划分影响很小,有效地降低了成本。1 系统构成开发的网络通信记录分析系统从功能上主要分为记录仪和分析仪2个子系统,协同实现变电站内网络通信的在线监视、记录和各种分析。记录仪和分析仪可同机或分

5、布式安装,可在不同的硬件平台(PC 机或嵌入式装置等及操作系统(W indo w s 或Linux 上运行,具有很好的移植性。这些特性能够适应变电站各种复杂的网络情况及其要求。如图1所示,通过1台或多台记录仪实现全站网络通信的监视、 记录。图1 系统构成Fig.1 System architecture每台记录仪有多个以太网卡,分别监视变电站不同的网段/子网,如通过交换机的镜像功能或级联汇聚功能,将多个交换机、多个网口的数据镜像汇聚到记录仪的1个网口进行监视;也可以在每个子网使用单独记录仪进行监视;如果网络报文密集或流 第34卷 第14期2010年7月25日V o l.34 No.14July

6、 25,2010量很大时,可以使用多台记录仪共同完成监视任务。各记录仪和分析仪通过交换机组网并进行通信,实现网络存储、记录文件获取和远程维护等;并实现了记录仪状态的实时监视和采集,以及GOOSE在线分析和预警信息的传输。针对具体工程制定配置方案时,需要综合考虑站内网络的划分、网络流量、网络安全以及经济性等要求。2通信监视及记录记录仪用于监视、记录变电站运行过程中的所有网络通信报文,充分利用内存缓冲模式,减少硬盘写入次数,实现网络报文监视与记录的同步,确保记录报文的完整性。数字化变电站内网络通信报文的种类非常多,主要可分为以下4类:1基于客户/服务器模式的通信报文,主要是变电站层系统及设备(如监

7、控系统、远动等,与间隔层设备间的通信报文。这类通信报文将IEC61850的应用层抽象通信服务接口(ACSI2映射到制造报文规范(M M S7-8报文。目前应用中M MS主要基于传输控制协议/因特网互联协议(T CP/IP实现,因此需要通过交换机的端口镜像功能进行监视。2基于发布/订阅模式的GOOSE报文。过程层GOOSE通信需要划分虚拟局域网(VLAN9,这使得监视GOOSE报文比监视M MS报文复杂。记录仪如果要监视某个GOOSE报文,就必须加入到为该GOOSE划分的VLAN中。记录仪有多个网卡,一个网卡可以加入到1个或多个VLAN中,从而实现多个网卡监视所有V LAN上GOOSE通信报文的

8、目的。3基于发布/订阅模式的SV报文。SV报文监视原理与GOOSE报文监视类似,但SV带来的主要问题是报文密度和流量非常大。一台合并单元(MU2,4,10的网络带宽约为6M bit/s,一个数字化变电站往往有数十台M U,如此海量的报文对记录仪网络吞吐量和处理能力提出了很高的要求。实际上,如果一个网卡监视多台MU,同时考虑记录仪的存储处理,传统设备已经不能适应。针对SV监视及记录的需求,开发了大吞吐量的智能网卡。与传统网卡相比,智能网卡的自带处理器减轻了对计算机CPU的负载压力,网络吞吐量大大提高。每块智能网卡可监视5台10台M U;每台记录仪配备4块智能网卡,可监视20台40台M U。4变电

9、站内部网络上除了上述3种报文外,还有其他种类报文。有些报文是用户关注的,例如:简单网络对时协议(SNT P报文、简单网络管理协议(SNM P报文等。有的是TCP/IP底层报文,例如:地址解析协议(ARP报文等。对这些报文都进行了记录和统计,对绝大多数种类的报文进行了解析,这些结果对于分析网络运行状况具有参考价值,例如:可以依据统计数据判断是否发生了广播风暴。如图2所示,记录仪的智能网卡在监视到报文后,经高速压缩模块压缩后以网络存储方式(iSCSI存储到分析仪(分析仪同时作为存储服务器;分析仪的iSCSI ser ver模块先将报文转存到高速环形缓冲, 再由存储模块按存储策略保存到硬盘。图2网络

10、通信监视及记录Fig.2Network comm unication monitor and recorderGOOSE报文用于传输保护跳闸、遥控和开关状态等重要信息,与变电站的安全稳定运行紧密相关。对此,记录仪在监视到GOOSE报文后转存到高速环形缓冲中,GOOSE在线分析模块从该缓冲直接取出报文进行在线分析,将异常/错误情况通过网络上送给分析仪的在线预警模块,以便尽快发现并提示GOOSE通信中的问题;分析结果同时被存入历史库。表1列出了GOOSE发布的一些错误/异常情况,主要根据GOOSE状态序号(stNum和重发序号(sqNum进行判断。表1GOOSE发布的错误/异常情况Table1Er

11、rors and abnormities of GOOSE public stNum sqNum说明0值0保留,不允许使用11装置复位10装置复位时,s qNum应从1开始不变不变重发或变化,stNum和sqNum至少有1个在递增不变跳变每重发1次,s qNum应该递增1不变0GOOSE变化,stNum应该递增递增非0GOOS E变化,stNum递增,sqNum应该为0跳变GOOSE变化,s tNu m应该递增1#新技术新产品#王治民,等网络通信记录分析系统在数字化变电站中的应用3 通信报文分析分析仪按照IEC 61850协议标准,采用面向应用功能的策略,对记录仪记录的网络通信报文进行分析,并

12、给出分析结果及视图。对通信过程中的各种错误/异常,例如:底层抽象语法标记(ASN.111编码错误、GOOSE/SV 发布错误等,给出提示并着色,使维护人员可以快速定位及分析问题。分析结果以简报方式输出,作为维护人员对变电站运行及网络通信的综合性分析及参考资料。如图3所示,分析仪使用哈希池及内存池等技术,对记录报文进行快速及多个报文相关性分析。对基于TCP/IP 的MM S 报文经重组后,形成完整的M M S 报文。对通信过程进行详细的分析,将分析结果存入历史库,便 于后期分析使用。图3 网络通信报文分析Fig.3 Network communication analysis分析仪对网络通信过程

13、进行分析,给出各种视图,如流量柱状图、协议分布图等;分析潜在的网络故障,对网络性能进行评估;统计设备连接的建立及释放,分析设备通信的稳定性。这些统计/分析功能,便于维护人员排查网络通信中隐蔽的问题,消除安全隐患,提高网络安全性能。由于存储的数据是海量的,不可能进行人工分析。为此,分析仪提供了强大的检索和过滤功能。维护人员可设定多种条件进行过滤,例如:时间、报文种类、网络地址等,分析仪根据设定的过滤条件对海量数据进行快速处理,检索和过滤出需要的信息。4 系统运行情况网络通信记录分析系统的监视和记录功能对性能和可靠性要求较高,没有太多面向应用的功能;分析功能的目的在于辅助维护人员分析和快速定位网络

14、通信中的异常和错误,要求分析尽可能全面和专业,且面向应用,因此,分析功能需要在实际应用和发展中不断改进。在实际的工程应用中,通过在线和离线结合分析,大多数通信中的异常和错误能够明显地提示出来(参见附录A 图A1和图A2,提高了工程维护的效率。5 结语数字化变电站的运行和维护需要对其站内的通信过程进行记录和分析。本文以开发的网络通信记录分析系统为例,对数字化变电站网络通信记录仪和分析仪的关键技术问题进行了分析。该系统对变电站网络通信的监视及记录文件为运行维护提供了完整的异常和事故分析依据,完成了各种复杂的分析工作,使维护人员不需要很熟悉IEC 61850的复杂技术,也能快速地分析和定位问题。该系

15、统通过其智能网卡,以较少的记录仪监视数字化变电站内的多台M U,优化网络,降低成本;同时,对GOOSE 通信进行在线分析,以便尽早发现GOOSE 通信中的问题。目前市场上数字录波器和网络通信记录分析系统是2种产品,在数字化变电站中也是各自部署,独立完成各自不同的应用功能。实际上,两者在网络通信监视和记录等方面很相似,尤其在监视M U 时面临同样的问题(设备处理能力和网络带宽等;不同的是,前者偏重于故障数据录波及专业分析,后者记录的信息更全面且面向通信过程分析。因此,从技术发展趋势看,两者的应用功能完全可以合二为一,集成为一个系统,以利于减少变电站内的设备、降低投资、简化运行维护。附录见本刊网络

16、版(http:/aeps.sg epri.sg 。参考文献1任雁铭,秦立军,杨奇逊.IEC 61850通信协议体系介绍和分析.电力系统自动化,2002,26(8:62-64.REN Yan ming,QIN Lijun,YANG Qixun.Study on IEC 61850commun ication protocol ar chitectu re.Automation of Electric Pow er S ystems ,2002,26(8:62-64.2IE C 61850Communication netw orks and system s in subs tations.20

17、04.3张杰.IEC 61850的狭义应用和广义应用.电力系统自动化,2005,29(10:92-96.ZH ANG Jie.S pecializ ed and generalized application of IE C 61850.Automation of Electric Pow er S ystem s,2005,29(10:92-96.4殷志良,刘万顺,杨奇逊,等.基于IEC 61850标准的过程总线通信研究与实现.中国电机工程学报,2005,25(8:84-89.YIN Zh iliang,LIU Wanshu n,YANG Qix un,et al.Research and

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21、message sp ecification:Part1s ervice defin ition.2003.9IEEE802.1Q IEEE s tandards for local and metropolitannetwork s:virtu al bridged local area netw orks.1998.10IE C60044-8Instru ment transformers:Part8electroniccurrent transformers.2002.11IS O/IEC8824-1Information tech nologyab stract syntaxnotat

22、ion on e(ASN.1:Part1specification of basic notation.2000.王治民(1978,男,工程师,主要研究方向:变电站自动化系统。E-mail:w ang zhiminsf-陈炯聪(1977,男,硕士,高级工程师,主要研究方向:变电站自动化系统。任雁铭(1972,男,通信作者,博士,教授级高级工程师,英国IET特许工程师,IEC T C57W G10成员,主要研究方向:变电站自动化系统。E-mail:yanmingsf-Application of Network C ommunication Recorder and Analyzer in Di

23、gital SubstationsWA N G Zhimin1,CH EN J iongcong2,REN Yanming1,W A N G Bin1,S UN Fengj iao1(1.Beijing Sifang A uto mation Co.Lt d.,Beijing100085,China;2.G uang dong Po wer T est&Research Inst itute,Guangzhou510600,ChinaAbstract:In digital substations,the har d-w ir ed cables are r eplaced by the

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页continued fr om page874彭瑜,

27、何衍庆.IEC61131-3编程语言及应用基础.北京:机械工业出版社,2009.5马军,焦邵华,鲍喜,等.基于二维节点控制的馈线保护原理.电力系统自动化,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:检测技术及自动化装置。E-ma

28、il:ljtx2004 陈冲(1985,男,通信作者,硕士,主要研究方向:配电网自动化。E-mail:chench9焦邵华(1972,男,博士,高级工程师,主要研究方向:电站及工业过程自动化。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