基于Wireshark软件的智能变电站检验等效交换机设计

张 伟，龙崦平，田一哲，李佳敏

（国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

智能变电站是坚强智能电网的建设基础和重要组成部分，是未来智慧电网发展的重要方向之一。随着智能电网的大力发展，越来越多的智能变电站投入使用。相比传统变电站，智能变电站最大的优势在于采样数据高度共享，而实现数据共享的基础便是电力交换机。随着GOOSE、SV以及1588对时报文等多网合一模式的开发应用，交换机虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）与静态组播技术在抑制网络风暴、实现SV等采样报文快速传输等方面的优势也越来越明显[1]。但更为广泛的应用同时也对电力交换机提出了更高的要求。如应设法降低交换机网络传输压力，避免产生交换机网络风暴，实现保护动作快速出口；应尽可能实现SV等数据可靠快速转发，减少网络传输延时和报文抖动性，避免由于报文采样异常而引起的智能变电站保护装置误动或拒动现象的发生；应尽量减少因电力交换机异常或检修等原因而被迫退出运行时对保护设备的影响[2]。

智能变电站继电保护装置的使用技术和调试技术已经趋于成熟，但由于智能变电站二次安全措施执行的硬性规定对虚回路造成的破坏，使得现场检修人员难以一次性对停电间隔的虚回路进行完整查验。此外，目前对于电力交换机的调试检修方法尚处于起步状态。一方面是因为电力技术人员不够重视电力交换机，另一方面是因为目前缺乏能够实现电力交换机专项测试的仪器和手段。

现阶段，变电站的检修现场仍主要依靠交换机厂家技术人员的技术支持，且缺乏相关的监督检修机制。特别是采用大规模组网模式的500 kV智能变电站时，站内电力交换机的数量较多，虚回路复杂，这对于电力交换机应急抢修的时效性以及设备正常检修和调试工作的安全性而言意味着更高的要求与更大的挑战。综上，本文给出了一种基于Wireshark软件的应用于智能变电站检验过程中的等效交换机解决方案，该等效交换机专注于智能变电站检修调试与应急抢修两种应用场景，以期能弥补现有的智能变电站虚回路完整性检查措施与电力交换机应急抢修措施的不足之处。

1 设计需求分析

本文研制的等效交换机基于等效替代的思想，即令该等效交换机等效替代原本智能变电站中某台电力交换机的功能和作用时，应不会对虚回路的联系和各保护装置的功能实现产生任何影响。基于这一主体思想，期望该等效交换机主要应用于以下两种应用场景。

1.1 应急抢修

智能变电站过程层交换机上联间隔层设备下联过程层设备，若过程层交换机因故障而被迫退出运行时，则可能造成站内同时长期退出多套保护的风险，造成一失万无的现场。此时系统一旦出现扰动或者区外故障，则可能造成大量越级跳闸，导致系统大面积停电事故。如果有应急电力交换机，就可以在无厂家技术人员支援的情况下，以最短的时间恢复异常运行的保护，从而极大缩短一次设备无保护运行时间，提高系统安全稳定运行的可靠性。

抢修人员在抵达现场后，直接将故障交换机上所有光纤转接至等效交换机上，并进行VLAN划分，因此该交换机应具有足够数量的光口，并配备适量光口转接头以适配不同类型的光纤接口。此外，为了维持与其他运行中交换机的级联关系，替代使用的等效交换机应具备适当数量的电网口。该等效交换机将作为临时替代持续运行至原本的电力交换机故障修复完毕为止，且在该过程中应能实时监控各装置报文，对异常报文进行报警，监控网络风暴等。为此显然有必要设计一个专用的人机接口程序，以便抢修人员更好地监控交换机所处的网络状态[3,4]。

1.2 例行检修与调试

在智能变电站检修现场中，当某一间隔停电后，最可靠的二次安全措施是电气隔离（拔出光纤、退出智能终端硬压板），以此实现对检修设备和运行设备的安全隔离。这种隔离方式虽能够在一定程度上降低失误率，提高整体的安全性能，但也往往会破坏过程层网络的完整性。尤其是500 kV智能站二次设备的检修，往往需要隔离众多组网光纤，从而造成在试验过程中不能同时监测二次设备光纤回路中发送和接收的报文信息，不能验证二次虚回路的完整性，极易忽略部分二次虚回路的验证。以澧州变500 kV孱澧Ⅰ线B套保护为例，根据国网湖南省电力有限公司对继电保护二次安全措施的硬性规定，应采取拔出光纤的方式对虚回路进行可靠隔离，具体如图1所示。

图1 保护隔离组网示意

由图1可以看出，该间隔检修安全措施隔离完毕后，虽然将检修设备与运行设备进行了有效隔离，但整个间隔网络将处于极不完整的状态，同时停电间隔内检修设备与检修设备之间的网络也被破坏。在这种状态下进行检修例试，只能进行单一装置的检验和单一间隔的传动试验，将无法正确进行《继电保护和电网安全自动装置检验规程》等有关规定中要求的二次回路完整性以及整组试验的验证。若过程层组网虚回路错误且在例行检修试验和调试中没有发现，则极易酿成保护误动或拒动的重大事故。

将相关停电间隔的保护装置、智能终端以及合并单元均从原本的电力交换机改接入本文研制的等效交换机中，既能满足继电保护二次安全措施中有效隔离检修设备与运行设备间所有联系的安全性要求，又能确保停电间隔各装置之间的所有虚回路仍能保持完整性，为检修人员完整检查虚回路的需求提供了有力保障。为了能校验接入等效交换机中的虚回路，分析各装置报文，显然上述的人机接口程序还应当能实现对关键数据进行抓包、嗅探与分析等业务[5]。

2 硬件结构设计

基于上述需求分析，本文研制的等效交换机按如图2所示的硬件架构进行设计。装置硬件主要包括光电端口、电力交换机、电源系统、充电管理系统、锂电池以及电量指示灯。基于现场使用需求与电磁兼容考虑，设计27个对外端口，其中24个为光模块端口，用于接入各保护装置、智能终端以及合并单元等的组网光纤。3个为RJ45电口，用于与其他交换机级联以及连接人机交互界面[6]。本装置设计的充电管理模块由电池充电管理芯片、充电回路、控制MOS、船型开关等组成，具有充电指示、适配器插入检测与充满自动断电保护等功能。通过充电管理系统为蓄电池充电，借助充电模块可在无外接电源的情况下使用，实现了移动便携使用的需求，大大减少了应用场景的限制[7]。电源系统、锂电池以及电量指示，采用直流12 V的充电电源。

图2 等效交换机硬件架构

最终完成搭建的等效交换机硬件部分如图3所示，其外尺寸同大部分电力交换机一样采用1U标准尺寸，以便于临时安置在保护屏柜内使用。

图3 等效交换机硬件部分实物

3 软件设计与开发

3.1 Wireshark软件简介

Wireshark是开源软件项目，所有的源代码在通用公共许可证（General Public License，GPL）框架下都可以免费使用。开发人员很容易在Wireshark上添加新的协议解析器，或者将其作为插件整合到自己的程序里。基于以上原因，Wireshark包含了极其丰富的协议解析器，包括智能变电站中使用到的MMS协议、SV协议、GOOSE协议、104协议、PTP协议以及SNTP协议等，因此其在智能变电站调试检修中应用范围广泛。基于这一点，本文研制的等效交换机选择该软件来进行人机接口程序的开发[8]。

3.2 开发思路

在Wireshark软件里，针对智能变电站设备检修，开关量（GOOSE）一般是以“点”的形式出现，在检修人员看来这与常规站无异，但模拟量（SV）是以“面”的形式出现，换言之是以底层SV报文的形式呈现，而底层SV报文采用的是ASN.1语法描述，这就意味着现场检修人员需要对底层报文具有一定的解析能力和判别故障的能力，而这也给现场检修人员带来极大的不便，限制了该软件在智能变电站中的应用。因此本文应用程序的设计与开发主要着力于改进Wireshark软件对SV报文的二次处理。由于对SCD配置文件解析能力与SV通道数据解析能力的不足，Wireshark软件在捕捉解析SV报文方面具有明显的短板，主要表现为以下4个方面[9]。一是不能在树形结构中展示SV通道数据；二是不能对SV语义上的异常进行识别；三是不能以波形方式展示SV通道数据；四是不能给每帧报文打上精准的时标。

为弥补上述4个软件方面的缺陷，需要在Wireshark框架基础上进行二次开发，结合本文前述的需求分析，二次开发软件的基本思路如下。一是增加SCD配置解析和SV通道数据解析功能；二是根据上述解析结果进行异常识别和波形展示；三是裁剪掉Wireshark自带的报文捕捉模块，分析基于网络报文分析记录装置捕捉到的报文；四是通过对比分析，选择使用QT作为界面开发框架。

综合上述关于Wireshark软件二次开发的考虑，需要增加能解析SCD配置文件、解析SV通道数据、展示SV模拟量波形以及识别SV报文异常的4个模块。

3.2.1 SCD配置解析模块

智能变电站科学引文数据库（Science Citation Database，SCD）配置文件含有全站所有二次设备的全部信息，为了从中获取SV控制块的内容，并在此基础上为其手动配置SCD文件所未包含的SV通道相别、一二次变比等信息，必须设法对SCD配置文件进行解析。考虑到SCD配置文件使用XML语言编写，在众多解析XML文件的库中，最终确定选用Qt提供的QtXml模块来对SCD文件进行解析，由此可获得的SV控制块信息，包括MAC地址、APPID、svID、DataSet、confRev、数据集元素个数以及各个通道的信息，包含通道描述和通道类型。其中需要手动为各个通道配置通道相别、设备一次变比、二次变比等信息。

3.2.2 SV通道数据解析模块

为了能提取SV通道中的模拟量信息并展示波形，必须设法获取SV报文中通道数据值。在分析SV报文帧格式后不难发现，其中各个通道的模拟量数据是直接编码在报文中，并非使用ASN.1语法的BER编码。由于Wireshark软件本身的SV协议解析器只能将SV报文解析至BER编码部分，无法翻译各通道中的模拟量数据相关编码，为此必须新增SV通道解析处理相关的代码并将其加入Wireshark的SV协议解析器中。

3.2.3 语义异常识别模块

Wireshark软件本身只能判别SV报文的一些基本语法错误，如不符合编码规则、长度不符合要求等，而对于SV报文语义上的部分异常却无法进一步识别，如SV失步、SV检修、SV数据无效、SV配置不一致、SV丢帧以及SV抖动等语义。为此特意新增一个语义异常识别模块，该模块将综合前述SCD配置解析模块和SV通道数据解析模块中获取的信息，并用于对SV报文中的异常语义进行特异性识别。

3.2.4 波形展示模块

利用前述新增的SCD配置解析模块，可以提取出每个SV通道的通道描述信息、通道类型信息、通道相别信息以及设备一二次变比信息等。而借助前述新增的SV通道数据解析模块，又可以提取出每个SV通道中的原始模拟量数据。结合以上两者，可以推知采样步长与采样频率，再由Wireshark软件读取每个采样点处的瞬时值，使用Qt界面提供的QPainter模块即可完成模拟量的波形绘制。

3.3 软件实现

考虑到目前智能变电站检修现场普遍使用诺思谱瑞和凯默等厂家的手持式调试设备，本装置将上位机选定为诺思谱瑞CRX200S手持式智能装置测试仪，其使用平板触摸屏，轻巧简便，利于人机交互，同时向用户开放搭载App软件的功能。本装置的人机接口程序App采用模块化的规划设计方法，其开发环境基于Android Studio进行搭建，采用Android通用版组态软件。在Android应用中，有Activity、Service、Broadcast Receiver以及Content Provider共4大组件，而Activity是目前应用最广泛的组件之一。它为应用程序提供了可用于交互的可视化界面，开发人员可在界面中自由添加相应的组件实现特定的功能[10,11]。基于该组件，添加了前述开发思路中提及的4种模块的Wireshark软件工具被整合成一款本装置专用的App，其最终可以实现对交换机VLAN进行划分、实时监控报文、报文异常报警、监控网络风暴以及抓包关键数据等业务功能，最终实装效果如图4所示。

图4 搭载于CRX200S的等效交换机专用App

4 软硬件联调

在完成等效交换机硬件设计与软件开发后，通过交换机预留的RJ45电网口将搭载了专用App的CRX200S手持式智能装置测试仪接入等效交换机中进行软硬件联调。实地选取了220 kV通益变电站作为初步调试的场所，将全站SCD文件下装至测试仪中后，利用站内#2主变停电检修的机会将与该间隔相关的保护装置、智能终端、合并单元以及合智一体设备的组网光纤接入至等效交换机内，调用专用App对各装置进行了VLAN划分，并通过数据抓包得到各接入装置的IED信息，如图5所示。可见本文研制的等效交换机可切实起到替换变电站中电力交换机的作用，保留了停电间隔内完整的虚回路连接，且在适用变电站例行停电检修的同时，也可在电力交换机发生故障的情况下作为临时交换机使用。

图5 等效交换机软硬件联调实际效果

5 结 论

本文研制了一款智能变电站专用的等效交换机，其主要思路在于等效替代智能站中原本的电力交换机，并用专门设计的App扩展业务范围，开创式地实现了在变电站例行停电检修时期对停电间隔内所有虚回路进行一次性的完整核查。此外还能在站内电力交换机发生故障被迫退运的情况下，作为临时交换机替代其使用投入，并通过专用App赋予其实时监控报文、识别异常报文并报警以及监控网络风暴等功能，为智能站的安全稳定运行再添新保障。

综合而言，该款智能变电站检验等效交换机具有以下特点。一是泛用性，交换机本体光口数量多，可实现多路数据传输，解决端口不足问题，且根据智能变电站不同的光纤接口类型配备相应的光口转换配件，可满足多种场合下的使用。二是轻量性，交换机本体重量轻，体积小，易于携带。三是便捷性，交换机本身内置可充电电源，便于开展移动作业。配套软件所搭载的测试仪可单手手持使用，基于诺斯谱瑞测试仪平台开发的智能化人机交互界面，通过网线即连即用，无需额外设置。四是多功能，借助基于Wireshark软件开发的专用App，实现对交换机VLAN划分、报文实时监控、报文报警、网络风暴监控、关键数据抓包以及制定智能检修策略等业务。

进一步的测试将在征求专业管理部门许可后，在国网湖南省电力有限公司检修公司维护的智能变电站中开展，并定期收集在不同班组和不同变电站现场使用后的具体问题反馈，形成现场应用工作总结，改进本款等效交换机的用户体验。