数字化变电站过程层网络监测和报文分析研究 20页

'数字化变电站过程层网络监测和报文分析研究一、目的和意义1．项目背景随着新型互感器技术、IEC61850标准、智能断路器技术、工业以太网通信技术的在变电站中的应用，为变电站新技术的研究和应用提供了广阔的前景。具有上述特征的数字化变电站在近年来得到了较快的发展。数字化变电站以智能化的一次设备为基础，实现了信号采集的数字化；以网络化的二次设备为架构，实现了信号处理、传输及控制的数字化；以IEC61850协议通信标准，实现了站内设备统一建模，为设备间信息共享及互操作提供了保证。数字化变电站自动化系统设备按功能分为：站控层、间隔层、过程层。二次设备分别组成站控层网络、过程层SV网络，过程层GOOSE网络，站内信息传输依赖网络通讯实现，通过网络真正实现资源的共享。近年来，国内许多电力公司、科研院所、自动化厂家密切跟踪数字化变电站技术的最新发展，开展了大量的相关研究及工程应用工作。国内数字化变电站的技术应用在变电站技术改造和新建上均有涉及，IEC61850标准的研究与应用，及完整意义上的数字化经历了两个主要阶段：第一阶段：变电站技术应用主要集中在、电子式互感器的应用。第二阶段：变电站的技术应用涉及数字化变电站的几大技术方面，整站具有完整的过程层通讯网络。目前，过程层网络实现采样值的传输、变化值的传输功能，即：将保护测控所需的电压、电流信号由合并单元传给保护测控设备；将开关的状态及主变等相关信号由（开关）智能单元传给保护测控设备，同时智能单元接受保护测控设备的跳合闸、遥控操作命令。由于信号类型、传输方式的差别，采用的是分网传输，过程层SV网络、过程层GOOSE网络分开传输。数字化变电站将传统的信号依赖电缆传输模拟电平信号改为以光缆传输数字信号，信号的传输方式发生了根本改变。这一变化对运行前信号的调试、运行中信号的监测、及检修中信号的检查核对都产生了非常大的影响。16 由于数字化变电站的迅速发展，变电站站控层、间隔层以及过程层的通信网络报文已经成为变电站智能设备间信息交互和共享的主要方式。智能设备和通信网络的健康状况将直接影响整个数字化变电站的通信，网络报文的发送端、接收端及通信网络异常或故障均可能导致电力系统重大事故，因此需要对网络报文进行有效的监视、记录和诊断，提前发现通信网络的薄弱环节和故障设备，预防电力系统事故的发生。当电力系统故障发生时，不仅需要对网络原始报文进行记录，还需要将网络报文进行解析，还原为对电力系统一次设备故障波形以及二次设备动作行为的记录，便于事故发生后进行分析和快速查找故障原因。随着数字化变电站的深入研究，国家电网公司又提出了智能变电站建设思想，进一步形成了《智能变电站技术导则》Q/GDW383-2009、《智能变电站继电保护技术规范》Q/GDW441-2010、《变电站智能化改造技术规范》Q/GDWZ414-2010，将数字化变电站上升到智能变电站的高度，并规范了国内变电站技术研究、设计和应用的方向。在《智能变电站技术导则》中“系统功能要求”节对变电站“网络报文分析”的监测、记录分析功能、部分做了较明确的阐述：可配置独立的网络报文记录分析系统，实现对全站各种网络报文的实时监视、捕捉、存储、分析和统计功能。网络报文记录分析系统宜具备变电站网络通信状态的在线监视和状态评估功能。本项目基于“网络报文分析”的功能实现要求，提出了相关的研究内容。2．项目意义本项目在深入分析过程层网络传输设备特点、报文内容、协议特点基础上，通过对智能变电站内过程层实时报文的监测、记录分析，可以查找出运行中的设备是否存在缺陷、网络通讯是否存在异常。1）根据实时的监测，给出相关的告警发现实时通讯中的报文是否存在漏包、错包、重包等影响保护测控装置计算处理的相关报文信息，并在出现异常后实时分析，并发出相关的报警；根据实时的监测，发现设备存在异常，根据某个设备是否一直发送出错的报文判别其是否存在异常，给出相关的告警。根据实时的监测，发现网络通讯的异常，根据报文的间断、报文的错误、遗漏发现某个通讯端口的通讯是否异常。2）根据离线的报文分析，给出相关的处理16 保护动作过程分析：根据历史记录中的故障量信息，分析整个的故障过程，为保护动作分析提供有力的支撑；根据记录的相关保护跳闸报文，分析保护跳闸信号的动作过程。异常的过程分析：根据记录异常的出现、异常的结束过程分析，为装置工作中的异常及异常处理做出有力的支持。3）根据报文的提示，为检修维护服务检修人员在不熟悉数字式保护测控装置、智能单元等设备的维护、报文分析时提供相应的帮助和技能培训，为设备检修服务。各自动化设备厂家及电力公司主要关注于数字化技术在变电站的实现，在变电站的设备运行及维护方面，往往较少关注，网络报文分析等设备的研制和应用目前处于起步阶段，有必要进行相关方面的深入研究。3．成果应用的途径本项目进行的网络监测和报文分析设备的研制，网络报文监视和记录系统研究，网络报文分析专家系统，可应用于已投运和在建的数字化变电站、智能变电站。4．项目效益数字化变电站目前投运时间仍较短，发现问题的概率也不高，但通过本项目的研究，增加过程网络报文的监测，为防止网络、设备异常导致运行缺陷，提供了解决的方案，并可以发现设备隐患，减少现场维护的工作量，保证了一次设备及电网的安全稳定运行。为后续变电站智能化建设提供网络监控的指导。一、国内外研究水平综述目前国内的多个自动化设备厂家，如南瑞继保、国电南自、北京四方、许继电气、南京新宁，提供整套的智能变电站设备及相关的数字化解决方案，为智能变电站的建设提供了保障。国内虽有厂家推出有关的网络记录及分析仪设备，与数字式保护测控装置及变电站自动化系统渐趋完善相比，过程层网络监测和报文分析装置这方面的研究还不完善，处于起步阶段。国内南京银山、武汉中元华电在前期成功开发故障录波装置的基础上，开发了相关的网络监测和记录报文分析装置，该装置主要由：实时报文记录装置和报文分析软件组成。记录装置主要捕获通讯口的报文并进行保存、16 报文分析软件主要读取将保存的报文文件，对相应的报文进行分析，给出相关的告警、错误提示。实时网络报文记录装置是基础硬件平台：由于记录的端口较多，保存报文数量庞大，其一般配置有大容量存储硬盘。同时也需要提供丰富的接口（特别是过程层SV网络接口），记录装置可根据现场需要配置多台。由于开发时间短，其可靠性没有相应的验证手段。报文分析软件：即将记录的报文文件，按时间、端口、关键字的方式查询，并读取到分析主机上，通过按字段、源码、以结构化列表的方式显示正在分析的报文，以检查出报文帧错误、报文序列错误、报文内容错误等多个异常。同时能实现对顺序报文的波形、图表等多个方式的显示。目前，现有的网络监测和记录报文分析装置，仍面临端口少、配置麻烦、灵活性差的问题，在现场使用中不常见。国外，在网络监测和记录报文分析方面已做过较多的研究，其中，报文捕获及分析软件以Ethereal和Wireshark等软件最为有名，且支持协议丰富，较为常用。关于网络监测和记录报文装置方面未见有整体供应的相关报道。一、项目的理论和实践依据1．项目的实践依据智能变电站的过程层网络以实时性高的采样值报文和GOOSE报文最常见，同时也有用于对时的PTP报文，这些报文传递的信号关系到数字式保护测控装置的采样、处理、控制的多个重要环节，这些报文中含有电力系统正常运行、事故的发生、保护动作命令的发出，系统故障的切除等重要内容，对这类报文进行捕获、存储，并于事后重现事故过程，分析故障处理有着非常重要的作用。同时过程层网络监测和报文分析进行以下工作的需要。实时网络通讯监测：网络实时通讯中，其端口的通讯中断、恢复、超时等变化需要监视。网络报文按类别进行流量统计、流量异常产生告警。实时网络报文记录：GOOSE报文顺序记录、采样值报文顺序记录、异常报文的记录与标记。网络报文检查：实现对过程层GOOSE报文序列及异常的检查、GOOSE报文内容及异常的检查。对过程层采样值报文序列及异常的检查、采样值报文内容及异常的检查。16 历史事件重现：实现对系统故障跳闸整个过程的完整监视和重放。显示采样值、GOOSE信号的变化过程。设备状态检修：实现历史记录报文的分析，可了解过程层设备的运行状态，为设备的状态检修和设备运行状况提供支持。2．项目研究的关键和难点1）智能变电站网络实时监测和报文分析记录设备硬件平台的研制；2）智能变电站网络报文监测和记录系统的研究；3）智能变电站网络通讯状态的在线监测和状态评估的研究；4）智能变电站网络报文分析专家系统的研究；一、项目研究内容和实施方案1.研究内容1）智能变电站网络实时监测和报文分析记录设备硬件平台的研制智能变电站过程层网络报文的采样值报文由站内的合并单元提供，目前使用的协议有IEC61850-9-1(FT3)、IEC61850-9-2，报文的信息量非常大，以4000Hz采样率计算，1个采样值输入接口为例，采样值采用9-2规范，每个APDU含有1个ASDU，每个采样值数据集包含12个数据对象，则每个采样值数据包的平均大小约为170个字节，则每秒产生的报文数据为：170*4000=0.68M，每天的数据量约为：0.68*3600*24=58.752GB，如此海量数据存储目前需要借助硬盘介质来实现。对一个500GB硬盘而言，只能保存8天的数据。目前已知的网络报文记录装置的数据存储方式都是基于操作系统的文件系统实现，因此，报文记录设备的报文记录硬件平台仍采用文件系统实现存储。记录设备接入过程层网络对应的交换机接口，对过程层网络报文进行实时的解码分析和原码存储，同时将解码分析以事件告警方式存储，通过管理口上传至管理机。为适应过程层网络接口需要，网络实时监测和报文分析记录设备硬件平台接口设计有：5个采样值接口（目前规划为：4个光纤以太网接口，1个FT3光纤接口）；4个GOOSE接口。因此，硬件平台外部接口为4个（采样值）以太网接口，1个采样值FT3接口，4个（GOOSE）以太网接口，1个管理口。16 系统硬件平台基于多智能板设计，其中采样值接口部分采用DSP＋FPGA结构，基于VxWorks系统或其他系统设计，GOOSE接口部分采用ARM+FPGA结构，基于VxWorks系统设计。存储部分：采用硬盘为介质，采样值和GOOSE报文的存储根据预先划定的磁盘区域以时间标签的标准文件的格式进行分别存储。2）智能变电站网络报文监测和记录系统的研究网络报文监测用于接收报文原码，并根据确定的采样值协议或GOOSE协议，解码分析检查丢帧、错序、失步、超时、中断、无效编码、流量突变等异常。GOOSE报文异常检查：分报文序列异常检查和报文内容异常检查两个主要检查项。报文序列检查：报文超时、报文丢帧、报文错序、报文重复等网络通讯的异常。报文内容检查：是检查GOOSE报文的APDU和ASDU格式是否符合协议标准格式。如GOOSE报文配置项与装置的CID文件的GOOSE配置部分不一致，则说明GOOSE报文内容存在错误。采样值报文异常检查：分报文序列异常检查和报文内容异常检查项。报文序列检查：报文超时、报文丢帧、报文错序、报文重复等网络通讯的异常。报文内容检查：是检查采样值报文的APDU和ASDU格式是否符合协议标准格式。网络报文记录用于将接收的报文原码，按时序特征，以文件格式存储到记录介质上。报文的记录按时序依次记录捕获报文，对于异常报文，在存储记录前将报文打上异常类型标记。支持以时段、报文类型、报文特征检索和报文提取方式。报文记录根据报文的时序特征，采用线性均衡循环存储算法，对硬盘空间进行线性规划，循环均衡存储，确保硬盘不产生磁盘碎片，使硬盘每个扇区的擦写保持均衡。3）智能变电站网络通讯状态的在线监测和状态评估的研究过程层网络通讯状态的在线监测根据网络口的通讯报文间隔，判断网络口通讯是否存在超时、中断等异常，并给出通讯异常的提示。根据网络口通讯报文的数量，进行流量统计，当交换机出现故障、通讯接口异常导致的流量大幅减少时，报告流量异常。网络流量可根据报文类型分别进行统计。网络通讯状态的状态评估16 根据网络通讯状态的变化和在线报文监视的异常信息，对网络通讯进行评估，对网络的异常给出异常告警分类评估。4）智能变电站网络报文分析专家系统的研究GOOSE通讯报文GOOSE报文是一种由事件触发的报文，其通信采用发布者/订阅者机制。为防止网络负载过重情况下丢失GOOSE报文，同一个GOOSE报文会重发多次，报文重发的时间间隔逐渐增大，当重发时间间隔增大到最大值时，GOOSE报文将以最大时间间隔不断重发该报文，一直到有新事件产生为止。GOOSE报文事件发送机制如图1所示：图1GOOSE报文变时间间隔重发机制说明：T0：为无事件状态下，报文重发时间间隔(一般为1024ms)；(T0)：从无事件状态过渡到有事件状态，报文重发时间间隔(因有事件产生而缩短)；T1：事件发生时，最短报文重发时间间隔；T2、T3：达到无事件状态前的报文重发时间间隔(T0＞T3＞T2＞T1)。采样值报文采样率根据预先的配置决定的，预定采样率数据报文，采样报文的APDU部分如下：1个APDU带若干ASDU，其中ASDU数据可配并于采样率有关，采用与基本编码规则（BER，BasicEncodingRule）相关的ASN.1(ASN.1，AbstractSyntaxNotationOne)对采样值进行编码。16 图2采样值报文的APDU抽象语法记法1是OSI提出的一种数据类型描述语言，已经成为定义数据结构和协议格式表示方法的通用语言，并且在定义应用层协议方面也取得了广泛的应用，引入ASN.1描述PDU，是因为它可以消除自然语言描述带来的二义性。ISO在制定ASN.1的同时也定义了一种标准的编码方案，即基本编码规则（BER），BER可用于描述各PDU所代表的数值，即将ASN.1所描述的报文转换为唯一的比特序列。由于ASN.1的中立性，不依赖于具体的计算机平台，它可解决分布式异构环境下数据表示的两个重要问题：a.在不同系统之间的数据交换有了一个共同的表示。b.在一个系统的内部，一个应用程序可使用某种特殊的数据表示，但使用ASN.1和BER，可自动解决互相协作的应用实体之间表示的差异。为保证报文传输的高实时性，避免在通信堆栈造成延时，应用层的PDU经表示层编码后直接映射到链路层和物理层。采样值报文有IEC61850-9-1和IEC61850-9-2两种规范。报文分析系统通过对规范报文的解析，将报文中的字段以结构化的形式，按字段及关键字进行细分，形成可读性强，阅读方便的报文解释和描述。报文分析系统一般将结构化解释和原始报文放在同一分析窗口进行比对，为用户熟悉、使用、检查、判断报文中存在的报文内容错误、报文帧错误、报文结构异化提供简单明了的指示。同时，报文分析系统针对现场报文中常出现的错误或问题进行归纳，并对报文的错误或潜在缺陷给出针对性、准确的提示信息。为用户发现问题，快速定位问题提供直接的帮助。2.实施方案本项目由无锡供电公司与江苏方天电力技术有限公司合作完成，拟采用接口和应用功能分析设计、硬件设计开发、软件功能模块设计开发、网络监测和报文分析系统开发和调试等阶段，并将样机用于现场试用，完成现场应用工作。16 项目研究需要购买仪器、设备及原因详见附件9。一、预期目标和成果形式1.　形成具有高可靠性、强大的实时处理能力、超大存储容量的智能变电站过程层网络实时监视和报文分析设备硬件平台方案；2.提出一种可行的过程层网络报文监视解决方案；3.提出一种可行的过程层网络报文分析工具解决方案；4.开发实用性强的网络实时监测和报文分析系统，并应用于江苏省首座数字化变电站110kV圆石变。二、合作单位或依托工程单位落实情况本项目的合作单位为江苏方天电力技术有限公司。三、项目承担单位的条件1项目负责人许小兵从事继电保护工作十年江苏省技术能手、江苏省五一创新能手2项目研究人员3实验室条件4理论研究环境编写要求：1.项目负责人的情况介绍；2.项目承担人员的专业、特长、工作量和在本项目中的应用；3.各承担单位具有的与本项目有关的工作业绩、实验室条件、理论研究环境。16 项目进度安排工作进度安排序号时间段主要工作内容111年1月至11年3月过程层网络报文监视解决方案的分析、制定。211年3月至11年5月过程层网络报文分析工具方案的研究制定。311年1月至11年10月过程层网络报文记录硬件平台及软件开发；网络报文分析软件的开发；411年11月至11年12月过程层网络监测和报文分析系统调试；现场应用。5年月至年月6年月至年月7年月至年月8年月至年月9年月至年月编写要求：1.列出分年度计划研究内容和人员、设备安排；2.分年度提供成果的内容和形式，要具有可检查性。16 一、项目经费预算　　　　　　　　　　　　单位：万元科目名称预算金额备注20年20年资本金成本资本金成本（一）直接费1.人工费(1)专职研究人员费40(2)临时性研究人员费2.设备费(1)仪器、设备购置费附件9-1(2)仪器、设备试制费40附件9-2(3)软件购置费附件9-3(4)现有仪器设备使用费253.业务费(1)材料费5附件9-4(2)资料费(3)印刷出版费(4)专利与知识产权事务费(5)会议费10(6)差旅费5(7)培训费4.场地使用费(1)场地物业费(2)场地使用租金5.其他直接费6.专家咨询费（二）间接费1.管理费2.其他间接费(1)项目预算执行审计费(2)不可预见支出（三）外委支出1.外委研究支出附件9-52.仪器设备租赁费53.外协测试试验与加工费附件9-6分年度合计130总计注：与项目有关的前期研究(包括阶段性成果)支出的各项经费不列入本项目预算。16 一、有关证明文件合作单位意见（对合作研究内容、参加人员及保证研究试验等签署具体意见）数字化变电站是今后综合自动化技术发展的主要趋势，省公司正在积极推进数字化变电站的建设，目前，在数字化变电站保护、自动化设备的运行状态监测是数字化变电站建设的一个重要方面，这也是本项目的研究内容。我公司承担了省内多个数字化变电站的开发、改造实施、建设、维护工作，在数字化保护与自动化设备开发方面有一定的经验积累。我公司一定积极协助配合项目研究工作，有能力保证该项目的顺利完成。单位（公章）年月日16 十一、申请单位领导审查意见（对经费预算是否合理，有无其他经费来源，能否偿还贷款，能否保证研究计划实施所需的人力，工作时间等基本条件提出具体意见）单位领导（签字）单位（公章）年月日16 附件7-1：项目参加人员表姓名单位性别出生年月技术职称专业承担的主要工作投入月数负责人许小兵无锡供电公司男1980.12工程师继电保护总体负责12鲍有理无锡供电公司男1966.12高工继电保护方案负责12李澄江苏方天男1970.7高工电力系统项目开发8主要工作人员朱健无锡供电公司男1974.7工程师继电保护现场实施6华东平无锡供电公司男1977.11工程师继电保护现场实施6葛永高江苏方天男1979.5工程师电气工程项目开发8陆玉军江苏方天男1972.9高工电力电子项目开发12陈颢江苏方天男1987.8工程师电力系统项目实施10徐行之无锡供电公司男1981.1工程师电力系统现场实施6史春旻无锡供电公司男1981.3工程师电力系统现场实施616 附件9－1仪器、设备购置预算明细表（单价5万元以上）单位：万元序号设备名称设备型号单　价(万元/台件)拟购置数量（台件）总价经费列支生产国别与地区主要技术性能指标购置理由、用途、拟安置单位（与本课题、子课题关系）单价5万元以上设备合计单价5万元以下设备累计16 附件9－2仪器、设备试制预算明细表（单价5万元以上）单位：万元序号设备名称单台价值(万元/台件)拟试制数量（台件）总价经费列支主要技术性能指标试制理由和用途（与本课题、子课题关系）1过程层网络交换机监控装置40140单价5万元以上设备合计单价5万元以下设备累计16 附件9－3软件购置预算明细表（单价2万元以上）单位：万元序号软件名称软件型号单价(万元/套)拟购置数量（套）软件总价安装调试费经费列支生产国别与地区主要技术性能指标购置理由、用途、拟安置单位（与本课题、子课题关系）单价2万元以上软件合计单价2万元以下软件合计累计16 附件9－4材料费预算明细表（大宗或贵重的材料）单位：万元序号材料名称规格或型号计量单位单价（万元/单位数量）材料费用经费列支大宗或贵重材料合计其他材料累计注：表中应包括：材料原价、供销部门手续费、包装费、运杂费、采购及保管费等内容。19 附件9－5外委研究支出预算明细表单位：万元序号协作研究任务名称协作研究任务内容协作研究任务承担单位经费列支累计19 附件9－6外协测试试验与加工费预算明细表（量大或价高的外协测试试验与加工项目）单位：万元序号外协测试试验与加工的内容外协测试化验与加工单位计量单位单价（万元/单位数量）外协测试化验与加工费用经费列支其他外协测试化验与加工项目累计19'