基于IEC 61970 标准的网络报文记录分析装置组网技术研究及应用

郑 翔，杜奇伟，王海园

（1.国网浙江省电力有限公司衢州供电公司，浙江 衢州 324100；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

随着以IEC 61850 标准为核心的智能变电站的推广应用，网络报文记录分析装置已经成为智能变电站的标准配置，用于记录分析变电站过程层、间隔层和站控层IED（智能电子设备）间及IED 与站控系统之间的通信过程，以获取表征变电站网络状态的参数，并作为故障录波装置获取电网运行数据的基础[1]。同时，网络报文记录分析装置也能应用在常规变电站，记录分析二次设备通信报文，分析变电站二次设备数据质量问题[2-3]。

电网运行模式的变革以及设备在线分析管控的需要，推动了如何将分布在各变电站的网络分析装置进行系统集成的需求。

（1）二次设备在线监测诊断的需要。智能变电站对二次设备在线监测、智能诊断很大程度上依赖于网络报文分析，特别是智能设备的通信过程[4]，通过集成分布在各变电站的网络报文记录分析装置，可以为二次设备在线监测与诊断主站提供基础数据源。

（2）全过程通信故障分析的需要。特别是进行数据通信网关机通信故障分析时，可通过对比分析变电站站控层报文、数据通信网关机报文及EMS（能量管理系统）前置报文准确定位故障点，为快速故障定位和修复提供依据[5]。

（3）电网运行数据质量分析的需要。网络报文记录分析装置可分别获取过程层、站控层网络的通信报文和数据通信网关机上送通信报文，提取通信特征参数，解析获取电网运行数据，对同一数据点进行多数据源比对，实现电网运行数据质量分析。

主要有两种集成策略可实现分布式部署的网络报文记录分析装置在控制中心层面的集成。

第一种思路：构建变电站设备在线检测主站系统，即将所需信息全部集中到主站系统统一分析[6]。这种方式可以满足部分业务需求，由于需要对网络报文记录分析装置的所有信息进行汇集，对于通信报文这样的海量实时数据和报文历史记录，以及数据多源比对涉及的全模型数据，集中架构会显著增加系统对网络资源、存储资源和计算资源的消耗，成本较高、维护工作量大。

第二种思路：采用分布式架构，将网络报文记录分析装置与控制中心作为一个整体构建分布式架构。将分布在各变电站的网络报文记录分析装置作为一个节点，提供满足业务需求的服务，控制中心实现业务数据的分布式透明访问控制及应用功能。这种架构成本低且易于扩展维护。

本文采用第二种思路，分析了构建分布式架构实现网络报文记录分析装置组网需要解决的关键技术，并基于IEC 61970 CIS 接口规范，通过合并和扩展的方式，设计了一套分布式信息服务接口规范及信息集成平台。

1 关键技术

分布式架构组网技术层次如图1 所示，主要涉及3 个方面的系统集成技术。

图1 组网技术层次

（1）通信集成技术：目标是提供统一访问接口和通信服务，实现网络报文远方调阅。

（2）模型数据集成技术：目标是采用统一的信息建模规范和数据规范，管理来自多个网络报文记录分析装置的数据信息。

（3）应用集成技术：目标是开发统一的应用访问入口，实现网络报文记录分析装置信息的远程浏览和业务应用。

1.1 通信集成技术

通信集成技术主要采用统一访问接口和通信服务实现网络报文远程调阅，包括实时数据和历史数据。目前主要有IEC 60870-5-104 规约[7]、IEC 61850 MMS 规约[8]和IEC 61970 CIS[9]规范。

采用IEC 60870-5-104 规约是目前电力系统远方通信最成熟通行的方法，因其对非结构化信息处理能力和构建分布式系统能力弱，需要大量对点工作，不适合网络报文记录分析装置的组网。

采用IEC 61850 MMS 作为远方通信规约，目前有较多的研究和应用，如文献[10]和文献[11]。采用IEC 61850 MMS 作为远方通信规约比较容易适应那些采用IEC 61850 通信协议的变电站侧二次设备或系统，但需要在主站侧实现IEC 61850模型与IEC 61970 CIM 模型的融合[12]，并扩展IEC 61850 模型以支撑网络分析设备产生的通信报文等非结构化数据的建模。由于智能变电站网络分析设备本身不具备远程组网能力，如果采用IEC 61850，不但需要升级智能变电站网络报文记录分析装置，使其支持基于IEC 61850 MMS 协议，提供网络分析服务，还需要在主站开发支持IEC 61850 MMS 协议的应用软件，并实现与主站其他应用功能的集成。

虽然采用IEC 61970 CIS 规范作为远方通信的相关研究工作较少，但因其适用于在不同应用系统和设备间集成和共享模型数据及运行数据，不但提供GDA（通用数据访问）和HSDA（高速数据访问）等能力，同时也具备TSDA（时间序列数据访问）、通用事件和GES（订阅服务）等功能，对结构和非结构数据的适应性好，实现相对简单，因此本文采用基于IEC 61970 CIS 接口来实现通信集成。

1.2 模型数据集成技术

目前网络报文记录分析装置已实现模型标准化，但如何实现变电站网络通信报文、数据通信网关机通信报文与IEC 61850 标准中定义的IED模 型、IEC 61970 CIM 中 的RemoteUnit 模型关联，是模型数据集成的关键。

本文在充分研究变电站网络通信IEC 61850标准体系和能源管理系统IEC 61970 标准体系的基 础上，采用IEC 61970 CIM 建模方法，以IEC 61970 CIM 为基础，采用CIM 建模规范，将IEC 61850 标准定义的IED 模型映射到IEC 61970 CIM模型，通过这种建模方式实现统一信息模型建模，来满足网络报文记录分析装置的模型数据集成技术要求。

1.3 应用集成技术

应用集成的目标是开发统一的应用访问入口，实现网络报文记录分析装置信息的远程调用和基于网络报文分析的业务应用，这是网络报文记录分析装置组网的根本目的。

以业务为中心的应用集成技术是基于业务流程实现的，通过建立业务流程，整合系统功能，开发集成应用。由于网络报文记录分析装置组网的核心目的是为智能变电站二次设备和通信网络提供远程监控和运维支持，所涉及的业务流程相对比较分散。因此，基于业务流程进行功能整合不应成为网络分析设备集成的重点，而开发统一通用的网络报文分析工具，利用多源网络报文进行综合分析，实现系统级别的应用才是关键。

为此，网络报文记录分析装置组网集成技术研究应聚焦在两个重点方向，一是研究适合网络报文记录分析装置集成应用开发的技术平台，二是挖掘包括网络通信报文在内的电力二次系统大数据价值[13]，为EMS 和变电站监控系统运维提供有效支持。IEC 61970 标准体系定义了电网EMS的API（应用程序接口），为控制中心各类应用提供一个公共的应用集成框架，可以用于网络报文记录分析装置组网应用集成，作为实现应用开发平台的基础框架。

2 集成平台设计与实现

网络报文记录分析装置组网集成技术平台（以下简称“集成平台”）的逻辑技术架构如图2 所示，分为终端层、通信集成层、数据集成层和应用层。其中，终端层为集成的对象，如网络报文记录分析装置及其他在线监测设备；通信集成层主要包含接口适配层和传输网络；数据集成层主要包含数据总线、平台管理以及CIM 模型管理等；应用层包含网络报文记录分析装置集成平台主要业务应用，如设备运行监控HMI（人机交互）、电网运行数据质量分析、通信故障诊断等。

图2 集成平台逻辑架构

与标准的IEC 61970 CIS 规范定义的集成框架不同的是，本文将数据访问接口延伸到终端层（数据提供者），在数据集成层仅提供平台管理和模型管理所需要的数据，在集成平台层取消了传统的实时和历史数据库。在传统的主站系统中，需要建立实时数据库和历史数据库，用于集中存储来自各个站点的量测数据，并为主站系统应用提供实时和历史数据服务。而本文提出的分布式架构将网络报文记录分析装置产生的量测数据和抓取到的网络通信报文数据全部就地存储，应用层只在需要时远程调看某个节点的数据，实现海量数据“分布存储，按需调取”的服务模式，构建一种全新的分布式信息集成架构。

2.1 统一信息建模和管理

为了支撑这种全分布式集成架构，在数据集成层面平台实现数据资源的统一建模和集中管理。一方面为应用层提供模式一致的数据源，便于开发统一的API；另一方面为终端层通信集成提供统一的信息交换模型，便于定义一致的远程数据交换模型。通过信息模型的标准化和集中管理，为数据服务及访问接口标准化构建了一致的信息交换模型和接口，也为数据集成应用提供了统一的信息模型。

集成平台使用IEC 61970 CIM 建模规范，并借鉴文献[12]的模型协调方法融合IEC 61850 标准，构建了如图3 所示的集成平台统一信息模型。

图3 集成平台统一信息模型

集成平台统一信息模型与IEC 61970 标准CIM 相比，主要进行了以下3 个方面的处理：

（1）除了将IEC 61850 的IED 模型映射到IEC 61970 CIM 外，还将“Subnetwork”映射到IEC 61970 CIM 中，以表达网络报文记录分析装置的主要分析对象之一“变电站通信网络和远动通信网络”。

（2）更改了IEC 61970 CIM 中定义的类RemoteUnit，使其从IED 类导出，并基于IED 类定义了一个新类FEPUnit（前置通信单元）。一方面，利用RemoteUnit 类对网络报文记录分析装置进行建模；另一方面，通过FEPUnit 类覆盖智能变电站网络报文记录分析装置的处理对象，包括智能设备、远动通信装置和前置通信单元。

（3）基于Measurents 类，扩展出非结构化数据类型——Traffic 类（通信报文），这类数据是一类特殊的“量测”，可以与普通的“量测”一样与IED 关联。

2.2 分布式访问接口适配和安全控制

以CIM 建模为基础，采用IEC 61970 CIS 规范作为集成平台信息交换接口规范，并针对集成平台的业务特点进行了适合全分布式部署的技术处理。

由于集成平台业务应用对实时数据访问没有全面集中的需求，而是按需访问，如在进行人机界面展示时，需要持续访问特定人机界面关联的量测实时数据，当相关人机界面关闭时，对这种数据的订阅将自动取消，因此，在分布式接口适配中，针对CIS 规范定义的HSDA/GES 接口，保留实时数据的订阅/发布机制，为了提高订阅的效率和减少对通信带宽的占用，对相关的订阅/发布接口进行合并，形成了适合分布式接口部署的HSDA+和GES+接口。

以GES 访问接口为例，CIS 规范GES 接口原接口定义[12]如下：

经过合并后，演变成如下所示接口。接口数据类型定义比原接口大大简化，更适合远程数据传输。

针对历史数据访问、通信报文浏览访问等，依照上述同样的方法，分别进行接口合并和扩展定义，形成适合分布式部署的CIS 接口适配。

接口分布式部署后，应用客户端可以直接访问分散部署在各变电站的网络报文记录分析装置，如果采用IP 认证模式的安全控制机制，系统将无法实现不同的应用客户端访问不同数据的细分授权访问控制要求，而且增加应用客户端，需要对分布式部署的每个接口服务进行IP 配置授权，不利于系统的扩展。为此，系统集成平台利用基于角色的授权访问机制，构建了CIS 接口级别的安全授权机制，如图4 所示。

图4 接口级别的安全访问控制原理

通过接口级别的安全访问机制，配合企业的CA 基础设施，可以实现对各类应用细分的数据访问控制机制，确保数据的私密性以及操作的安全性。

3 结语

随着新一代变电站二次系统建设和电网数字化转型需求，网络报文分析将在变电站二次设备智能运维、通信故障分析诊断、电网运行数据质量分析中发挥越来越重要的作用。本文重点分析了网络报文记录分析装置组网应用中涉及的分布式架构选择、信息建模和接口设计问题，重点解决了如何扩展IEC 61970 CIS 接口规范以满足数据共享和集成应用问题，设计并实现了主要的关键技术。针对目前智能变电站已部署的网络报文记录分析装置，可通过外挂一个分布式节点，利用与厂商的私有协议接口获取原装置的数据信息，同时实现本文提出的CIS 扩展接口，从而实现既有网络报文记录分析装置的无缝集成。