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南京南瑞繼保電氣有限公司的研究人員何君、劉明慧等，在2018年第8期《電氣技術》雜志上撰文，通過分析智能變電站網(wǎng)絡分析裝置和故障錄波裝置發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種適用于網(wǎng)絡分析和故障錄波應用場景的一體化系統(tǒng)設計方案。

系統(tǒng)結構由管理單元和采集單元組成，文中闡述了系統(tǒng)信息采集方案和數(shù)據(jù)處理流程，并分別論述了管理單元和采集單元的軟件實現(xiàn)方案，解釋了管理單元和采集單元總體功能定義和各應用模塊組成架構。通過實例對比分析，指出了一體化設計的優(yōu)勢，總結了設計方案的實用性和有效性。

智能變電站采用IEC 61850“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡架構，站內智能電子設備之間通過傳輸不同協(xié)議報文進行通信[1]。網(wǎng)絡報文記錄分析裝置和故障錄波裝置作為智能變電站二次監(jiān)視重要設備，二者都需進行站內網(wǎng)絡報文的采集、分析和存儲[2-3]，單獨配置占用站內交換機資源。

對智能變電站中網(wǎng)絡記錄分析單元和故障錄波單元進行數(shù)據(jù)流分析，簡化合并同類應用，對提高智能變電站的運行可靠性、降低總體造價、加速智能變電站的普及和推廣有重要作用。

文獻[4-7]對智能變電站網(wǎng)絡報文記錄分析裝置相關功能和技術進行了概述。文獻[8]分析了智能變電站網(wǎng)絡通信異常原因。文獻[9-10]分析了數(shù)字化錄波器與傳統(tǒng)錄波器在設計中的異同點。文獻[11-12]設計了一種集網(wǎng)絡報文分析記錄和故障錄波功能一體的單裝置。

文獻[13]提出管理單元和前置采集單元的一體化系統(tǒng)設計架構，系統(tǒng)內部使用站控層MMS網(wǎng)絡通信。文獻[14]提出“分散采集+集中分析”的思想，同樣基于管理單元和采集單元架構，采集單元負責采集網(wǎng)絡報文，管理單元實時分析和記錄。

上述文獻基于單裝置的設計不能滿足不同規(guī)模數(shù)據(jù)流量和組網(wǎng)方式情況下網(wǎng)絡報文數(shù)據(jù)的采集要求。基于采集單元和管理單元的系統(tǒng)設計缺乏統(tǒng)一的技術標準，采集單元和管理單元功能定位不夠合理，“分散采集+集中分析”對管理單元實時性能要求較高，未充分發(fā)揮采集單元的作用，采集單元和管理單元采用站內MMS網(wǎng)絡通信不適應現(xiàn)行標準和規(guī)范對于網(wǎng)絡分析記錄裝置的要求。

本文基于“分散采集分析+集中配置展示”思路，提出一種新的網(wǎng)絡報文分析和故障錄波一體化系統(tǒng)設計，系統(tǒng)由多（單）臺套采集單元和一臺管理單元組成，采集單元實現(xiàn)報文實時采集分析和故障錄波功能，管理單元負責系統(tǒng)配置及分析結果的展示。

1 系統(tǒng)設計

本文設計的網(wǎng)分報文分析與故障錄波一體化系統(tǒng)采其系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

為適應不同電壓等級和不同組網(wǎng)方式智能變電站的報文采集需求，系統(tǒng)基于分散采集分析和集中展示的思路，采集單元完成報文采集、記錄、分析以及故障錄波功能，管理單元承擔網(wǎng)絡報文分析及故障錄波后臺功能。

采集單元通過高速采集口采集過程層網(wǎng)絡、站控層網(wǎng)絡和站內調度通信網(wǎng)絡報文，廣播報文或GOOSE、SV等組播報文直接將交換機轉發(fā)范圍內的某端口接入采集端口，MMS、104等單播報文需要在交換機上做鏡像，然后將鏡像端口接入采集端口。

采集單元對采集報文進行記錄并實時分析，將分析結果上傳給管理單元。管理單元提供系統(tǒng)配置、分析結果顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報文和波形的離線分析功能。管理單元和采集單通過網(wǎng)口直連的方式或使用獨立交換機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。管理單元和采集單元分別提供對外通信功能，適應各地區(qū)主子站通信的要求。

系統(tǒng)可實現(xiàn)功能靈活配置，形成獨立網(wǎng)絡報文分析裝置、獨立故障錄波器以及一體化系統(tǒng)三種產品，適應不同地區(qū)的標準和應用需求。

2 信息采集方案

由于過程層和站控層的網(wǎng)絡報文流量巨大，同時存在大量的冗余與其他協(xié)議報文，對采集單元實時采集和分析造成很大的壓力，為實現(xiàn)快速有效的分析與診斷，采集單元需要預先配置數(shù)據(jù)模型以便對實時報文進行篩選和分析結果的關聯(lián)。

通過分析變電站配置（SCD）文件，可獲取IED設備信息、GOOSE配置、SV配置、數(shù)據(jù)集（dataset）和數(shù)據(jù)項（fcda）信息，同時建立數(shù)據(jù)之間的層際關系。MMS、104協(xié)議客戶端和服務端IP和端口需要根據(jù)站內實際情況人工配置。

錄波開關量通道和模擬通道從解析后的數(shù)據(jù)項中挑選，同時配置錄波間隔、定值信息。管理單元保留全站數(shù)據(jù)模型，采集單元僅需配置其采集范圍內的數(shù)據(jù)模型，對不在其分析范圍內的報文數(shù)據(jù)產生未知鏈路告警，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，管理單元可方便的對采集單元分析結果進行集中展示。

系統(tǒng)內部管理單元和采集單元之間的通信采用輪詢加突發(fā)結合的方式，對實時性要求高的突發(fā)告警和交互命令類數(shù)據(jù)使用內部協(xié)議進行通信，對實時性較低的監(jiān)視類數(shù)據(jù)采用輪詢方式定時刷新，提高系統(tǒng)響應效率，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示。

為防止短時冗余告警刷屏淹沒重要告警，影響運維人員操作，系統(tǒng)采用周期內冗余告警達到閾值次數(shù)閉鎖和統(tǒng)計上周期內閉鎖告警重復次數(shù)相結合的策略，在確保記錄網(wǎng)絡故障的前提下，提高系統(tǒng)的易用性。

圖2 數(shù)據(jù)流圖

3 軟件設計

3.1 管理單元軟件

管理單元主要提供各種可視化分析工具，輔助運維人員排查網(wǎng)絡故障和電力系統(tǒng)故障，包含系統(tǒng)配置、在線監(jiān)視、離線分析、對外通信4個主要功能模塊，軟件架構如圖3所示。

圖3 管理單元軟件架構

1）系統(tǒng)配置模塊提供以下功能：解析SCD文件，將SCD文件描述的半結構化數(shù)據(jù)存儲為結構化數(shù)據(jù)，生成全站采集對象模型；配置采集單元運行參數(shù)，如采集單元運行方式，可選網(wǎng)絡分析儀、故障錄波器和網(wǎng)分故錄一體化運行方式；管理單元和采集單元IEC61850建模。

2）在線監(jiān)視模塊實時展示各種監(jiān)測信息，包括網(wǎng)絡流量監(jiān)測、各協(xié)議報文監(jiān)視、故障錄波在線監(jiān)測，報文監(jiān)視具備實時報文結構展示、SV 9-2實時波形和離散度統(tǒng)計功能，同時提供管理單元和采集單元運行期采集模型校驗。

3）離線分析軟件可輸入pcap格式報文文件和錄波波形文件，進行 GOOSE、SV、MMS和104報文詳細分析和電力系統(tǒng)故障分析，具備故障波形和報文文件關聯(lián)分析功能，通過選取某一時刻錄波采樣點可快速關聯(lián)該時刻的GOOSE、SV報文。

4）對外通信模塊負責與主站通信，提供IEC61850文件服務、IEC61850報告服務、IEC61850控制服務。

3.2 采集單元軟件

集單元硬件采用模塊化設計，全密閉無風扇，側壁散熱，雙SATA 接口，支持SSD或HDD，最多4個硬盤模塊。CPU采用Cavium C6645 10核1.1G帶硬壓縮協(xié)處理器，4G內存，最大可配8個獨立MAC的100M/1000Mbps采集網(wǎng)口。采集單元軟件平臺選用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)Linux，采集單元軟件架構如圖4所示，由以下功能模塊組成。

圖4 采集單元軟件架構

1）數(shù)據(jù)庫模塊存儲采集單元參數(shù)配置、運行實時分結果和歷史報文波形數(shù)據(jù)，實時庫采用MySQL Memory引擎實現(xiàn)內存級讀寫速率。

2）報文采集模塊負責接收各采集端口數(shù)據(jù)包，由CPU自帶時標機制通過相對時間轉換為絕對時間，時間戳精度10ns，然后將報文指針傳給分析模塊進行分析，當報文積累到一定大小或超過固定時間后，通知壓縮存盤模塊進行壓縮存盤處理。

3）報文分析模塊識別報文類型調用各協(xié)議分析子模塊分析報文內容，分析結果更新實時庫，然后調用壓縮模塊壓縮存儲。

4）錄波模塊訪問GOOSE、SV報文解析結果共享內存，提取開關量和模擬量通道信息，實現(xiàn)錄波實時值計算、故障判據(jù)起動錄波、穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)波形文件生成等完整錄波功能。

5）壓縮存盤模塊接收報文采集模塊、報文分析模塊、錄波模塊數(shù)據(jù)，進行原始報文文件和故障波形文件的壓縮存儲，同時將文件記錄寫入歷史庫。

6）通信模塊實現(xiàn)采集單元IEC 61850通信功能。

采集單元功能模塊均采用單進程或者多進程設計，通過指定處理器mask指定模塊使用的內核范圍，各模塊占用核數(shù)見表1，可根據(jù)實際負載率調整。

表1 采集單元內核分配

4 實例分析

網(wǎng)絡報文記錄分析與故障錄波一體化應用以220kV熙悅站為例，過程層采用GOOSE、SV共網(wǎng)方式，考慮站控層數(shù)據(jù)接入和故障錄波需求，方案1）采用網(wǎng)絡記錄分析和故障錄波分析獨立配置，方案2）采用本文一體化系統(tǒng)，兩種方案對比見表2。

表2 獨立設計和一體化設計對比

通過比較可以看出，網(wǎng)絡報文記錄分析與故障錄波一體化系統(tǒng)具備巨大優(yōu)勢和應用價值。經(jīng)現(xiàn)場測試報文實時分析處理能力超過600Mbps，正常擾動報文壓縮比可達7∶1，在預定流量和硬盤大小情況下，連續(xù)存儲周期超過10天。

該系統(tǒng)經(jīng)過設置運行參數(shù)實現(xiàn)功能模塊投退，已分別在220kV莫合泉站和110kV太平水庫站作為獨立網(wǎng)絡報文分析設備和獨立故障錄波器投入運行。

結論

本文設計的網(wǎng)絡報文記錄分析和故障錄波一體化系統(tǒng)實現(xiàn)方案，能夠滿足各種電壓等級、組網(wǎng)方式以及不同應用場景的智能變電站的對網(wǎng)絡分析和故障診斷設備的實際需求，具備高效的采集、分析功能，完善的對外通信功能，可擴展性搞，適應智能變電站的發(fā)展趨勢，滿足行業(yè)標準規(guī)范的要求。