网络报文记录分析装置在智能变电站中的应用与展望

栾庆武，岳 蔚

（国电南瑞科技股份有限公司深圳分公司，广东 深圳 518055）

0 引言

智能变电站发展迅速，技术先进［1-5］，其数字化、网络化和信息共享化的特性催生了很多新的智能设备和运维手段［6-9］，网络报文记录分析装置是其中一种典型二次智能设备［10］。网络报文记录分析装置主要用于记录智能变电站内二次设备间的通信报文，并对其进行分析，异常识别，为调试运维提供辅助手段［11］。相对于传统的变电站二次设备，网络报文记录分析装置具有功能新颖、专业性较强、调试运维人员操作使用不熟练的特点。这导致该装置在智能变电站中应用受到限制，实际使用情况不理想。文献［12］、文献［13］对网络报文记录分析装置的应用进行了介绍，但重点关注在装置本身的功能，且与现行规范已经有了较大的差别。本文结合网络报文记录及分析装置“四统一”最新技术规范，分析了其软件硬件架构、工作原理，给出了装置的典型应用场景，展望了装置技术发展趋势和前景，进而提升了装置在智能变电站中的使用范围和可用性，为智能变电站的稳定运行提供进一步的保障。

1 原理分析

网络报文记录分析装置主要用于对智能变电站通信网络上的报文进行采集、记录、解析，并对解析结果和记录数据进行展示、统计、分析、输出等，进而实现通信网络健康状况的诊断，给出报警，预防电力系统事故的发生［11］。

1.1 装置架构

网络报文记录分析装置由采集单元和管理单元构成，硬件相互独立，二者之间使用基于TCP/IP的私有或通用的规约通信［11］，如图1所示。

图1 装置架构Fig.1 Device architecture

采集单元包括采集、分析、记录3个模块，如图2所示。采集模块负责采集接收到的网络报文，并对报文打上精确的时标和报文头，以方便后续分析和记录。分析模块逐帧分析从采集模块传递过来的报文，对报文进行识别，分类，统计，字段解析，异常判断等。记录模块对传递过来的报文进行汇总，添加文件头，然后按照端口、类型、时间规则等进行存储。

图2 采集单元软件架构Fig.2 Capture unit software architecture

管理单元包括SCD配置文件解析模块、网络事件管理模块、报文文件管理模块、分析结果展示模块、对上通信模块、离线分析模块等，如图3所示。

图3 管理单元软件架构Fig.3 Management unit software architecture

1.2 工作原理

1）采集模块

在智能变电站的站控层、间隔层、过程层的通信网络中，充斥着SV、GOOSE、MMS、104、1588等多种类型的报文。这些报文发送速率、发送格式完全不同。网络报文记录分析装置需要完整准确采集，且捕获时间分辨率小于1μs。普通的网卡不能满足这样的要求，需要采用CPU+FPGA方式，通过全硬件回路对报文采集、增加时间戳、完成多报文同步、缓存、预处理。这样就可以保证数据处理实时性，运行稳定可靠性和抗干扰能力，提升系统处理效率。经过预处理的报文，通过数据总线传递至分析模块和记录模块。

2）分析模块

DL/T 860体系中，包含多种类型报文［14］，主要有类型1（快速报文），类型1A（跳闸报文），类型2（中速报文），类型3（低速报文），类型4（原始数据报文），类型5（文件传输报文），类型6（时间同步报文），各类型报文用途及映射协议栈如表1所示。

表1 报文类型及协议栈映射Table 1 Message types and protocols stack mapping

在分析模块中，通过各协议的类型关键字可以进行初步识别，例如在链路层，通过以太网类型字段可以区分SV报文（类型字段为0X88BA）、GOOSE报文（类型字段为0X88B8）、IP报文（类型字段为0X0800）。在网络层，通过协议字段，可以区分TCP报文（协议字段为0X06）、UDP报文（协议字段为0X11）等。识别出具体协议后，再根据协议的标准格式进行后续的解析、异常判断。

3）记录模块

报文记录是网络报文记录分析装置最基本的和核心的功能，需要在大负荷的网络流量情况下，完整、准确、连续、循环地记录网络报文，并方便快速检索。在智能变电站中，每种报文都有各自的特点，SV报文流量大、发送稳定、格式固定、压缩比较大；GOOSE报文流量小、发送不稳定、格式固定、压缩比较大；MMS流量不稳定、发送不稳定、格式不固定、压缩比较小。根据每种报文的特点进行分类存储，设置不同的文件生成策略，是一种可行的方式。同时，需要标识每个文件的存储时间，在磁盘写满时，可以根据先进先出的原则，删除较旧的报文文件，实现循环存储功能。

4）人机交互模块

为方便调试、检修、运维人员使用网络报文记录分析装置，具备一个方便、快捷、友好的人机交互界面是必要的。要达到这个要求，需要管理单元能够实时从采集单元获取所需要信息，包括状态信息、事件信息、文件信息、装置信息、原始报文信息等，并按类型、功能划分展示区，进行实时展示。对于标准化的网络报文记录分析装置，一般包含全站工况、实时监视、查询统计、记录文件管理、装置信息5个模块，对上述信息进行完整展示。

2 应用场景

网络报文记录分析装置是智能变电站重要的二次辅助设备，在调试、运维、故障处理环节，均可以发挥重要的作用。

2.1 安装调试场景

在智能变电站安装调试环节中，一方面配置尚不完善，SCD文件更改较为频繁；另一方面光纤、网线、交换机均为初次部署，损坏或出错机率较大。这些会导致合并单元、智能终端、保护测控等二次设备出现发送异常、无法跳闸、采样异常、通讯中断等问题［15］。由于使用光纤取代了电缆，通过常规手段排查这些问题非常困难，效率较低，使用网络报文记录分析装置可以达到事半功倍的效果。

以一台保护测控装置发生采样异常为例。如图4所示，可能有以下几种原因：

图4 装置采样过程示例Fig.4 Sample process example of device

1）合并单元输出异常；

2）光纤1异常；

3）过程层交换机转发异常；

4）光纤2异常；

5）保护测控装置接收异常。

通过综合分析合并单元状态、保护测控装置状态、网络报文分析装置状态，即可以快速定位故障点，进行问题排查，如表2。其中网络报文分析装置接收到的SV报文状态又可细分为通信中断、配置异常、数据异常、包速率异常、离散度异常等，通过这些信息，可以快速定位故障原因，并进行排查处理。

表2 采样异常分析Table 2 Analysis of sample abnormal

2.2 运行维护场景

在智能变电站中，数字化通信网络取代了电缆，一些隐含的问题不易发现，这给智能变电站带来了隐患，也给运行维护环节带来了不便。通过网络报文记录分析装置可以直观地查看全站通信链路状态，通过鲜明的颜色标识，可以快速发现异常的通信链路，异常原因以及其对应的IED，也可以查看某个IED的SV、GOOSE发布订阅关系以及虚端子连接和实时值，提高了智能变电站运行检修的效率。

在网络报文记录分析装置管理单元的“全站工况”模块中，展示了全站IED的通信链路状态，如图5所示［11］。

图5 全站工况示例Fig.5 Status of whole substation example

根据不同的颜色标识，可以快速发现异常的IED，颜色标识含义如表3所示［11］。

表3 颜色标识含义Table 3 Meaning of color

点击某个具体的IED，可查看与该IED相关的所有通信链路以及SV、GOOSE发布订阅关系。以图6某个IED为示例，与该IED关联通信链路有7个，其中2个MMS链路，2个GOOSE发布链路，2个GOOSE订阅链路，1个SV订阅链路。

图6 IED通信链路示例Fig.6 IED communication link example

点击某个GOOSE或SV链路，可以查看虚端子连接情况和实时值，如图7所示。

图7 GOOSE虚端子连接及实时值示例Fig.7 GOOSE virtual terminals link and real time value

2.3 故障处理场景

在常规变电站中，电压、电流、开关量的传输介质为电缆，如图8所示。发生短路故障或断路器异常分合时，可通过分析录波波形，基本确认故障原因以及继电保护的动作行为。在智能变电站中，电压、电流、开关量的的传输经过了一个通信转换的中间环节，如图9所示，此时，仅通过录波波形分析系统故障，会有一定的局限性。例如，采样值精度降低，采样值品质缺失，通信环节异常等。这些信息无法通过录波文件获取，需要查看原始报文做进一步的问题分析。

图8 常规变电站采样过程Fig.8 Sample process of conventional substation

图9 智能变电站采样过程Fig.9 Sample process of smart substation

网络报文记录分析装置可以完整准确地记录过程层全部通信报文，其中SV报文存储时间不低于3天，GOOSE报文不低于7天［11］。在变电站发生故障时，可通过网络报文记录分析装置管理单元人机界面的“记录文件管理”模块，查询下载对应时刻的报文。通过分析原始报文，可以获取电压、电流、开关量等更多细节信息。

1）获取未经过插值、同步、转换等处理的高精度的原始值，如图10所示。

图10 高精度原始值Fig.10 High precision original value

2）获取通道的全部品质信息，如数据无效、检修、溢出等，如图11所示。

图11 通道品质信息Fig.11 Quality infomation of value

3）获取数据发送附带信息，如报文发送间隔是否正常、发送规律是否满足标准等，如图12所示。

图12 报文发送时间信息Fig.12 Time infomation of message send

3 前景展望

除了上述三个典型应用场景，结合网络报文记录分析装置的功能特点和智能变电站的发展情况，其应用可以进一步扩展，文献［16］-文献［21］进行了研究，在以下领域，网络报文记录分析装置还有进一步挖掘的空间和更广阔的应用前景。

3.1 SV、GOOSE数据高级分析

网络报文记录分析装置属于自动化类设备，对于继电保护方面的分析是其薄弱项。例如在谐波分析，矢量分析，波形分析，动作行为分析等方面做得不足，这限制了其在继电保护方面应用。网络报文记录分析装置记录了全站的过程层报文，这为其分析继电保护行为提供了数据基础。通过提取关键时刻报文，进行数据分析计算，逻辑判断，可以完成继电保护动作行为分析，如图13所示。

图13 继电保护动作分析Fig.13 Analysis of relay protection

3.2 遥控全过程监视

在智能变电站中，一次完整的遥控过程如图14所示［16-17］。针对该遥控过程，当前网络报文记录分析装置只能进行单一环节的分析。例如分析调度主站与站内网关机之间的104协议遥控过程，或站内网关机与测控装置之间的MMS协议遥控过程，通过各自规约的响应报文判断该遥控环节是否成功，如果发生遥控失败，不能定位具体的失败环节，网络报文记录分析装置捕捉了从站控层至过程层的全部报文，通过适当的配置文件，将104遥控点号，MMS遥控对象ref，GOOSE通道号进行关联，综合分析3种协议报文的信息，即可定位发生遥控失败的环节，实现遥控全过程的监视。

图14 调度主站遥控Fig.14 Remote control of master station

3.3 在线监视与诊断

随着智能变电站的大规模建设和投入运行，智能变电站保护设备在线监视与诊断技术也得到迅速地发展［18-21］。通过该技术可实现SCD文件管理、保护设备运行状态和物理链路可视化、缺陷智能诊断和保护动作分析等。基于该技术开发的系统已在实验室和变电站进行了测试及试用，其中网络报文记录分析装置是该系统的一个关键点，实现过程层数据采集、分析和计算，如图15所示。

图15 在线监视与诊断系统Fig.15 On-line monitoring and diagnosis system

网络报文记录分析装置与诊断系统的通信可采用数据库共享、内部通信总线或DL/T 860等技术。根据智能变电站保护设备在线监视与诊断技术要求，还需要通过交换机信息，实现物理链路的可视化。这对网络报文记录分析装置提出了新的要求，需要能够采集交换机信息，可采用SNMP或DL/T 860技术获取交换机信息。在该领域，网络报文记录分析装置还有进一步发展空间。

4 结语

网络报文记录分析装置是伴随着智能变电站发展诞生的一个新设备，经历了从试点、不成熟到成熟的过程，为智能变电站稳定运行提供了重要的辅助手段和技术保障。本文通过分析其工作原理、应用场景和技术发展趋势，进一步提升了装置的可用性和使用前景，也为调试检修人员使用网络报文记录分析装置提供了技术参考，对提升智能变电站的调试运维水平有着重要的意义。