网络报文记录分析仪在数字化变电站中的应用

网络报文记录分析仪在数字化变电站中的应用

宁楠，王磊，赵轩

（贵州电网公司六盘水供电局，贵州六盘水 553001）

摘要：网络报文记录分析仪，用于记录数字化变电站各智能设备间的通信及整个通信过程，并对记录的通信协议进行分析，为事故分析及运行维护提供依据。本文首先介绍了网络报文记录分析仪的基本概念、构成和功能，然后从工程应用的角度，阐述了如何用好网络报文记录分析仪，以及该设备目前有待研究和改进的地方。

关键词：网络报文记录分析仪；数据存储和分析；变电站；工程应用

0 引言

数字化变电站是以IEC 61850通信规范为基础，由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站，其特征是所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统。在数字化变电站中，站控层、间隔层和过程层之间按IEC 61850协议进行通信，模拟量通过采样值（SV，也称为SMV）报文传输，状态量、跳闸和联闭锁等信息通过通用面向对象变电站事件（GOOSE）报文传输，遥控、遥信等通过制造报文规范（MMS）报文传输，。以上信息均为数字量，即在综合自动化变电站中传输的各类隐形信息被数字信息所替代，把不可视信息可视化，这是数字化变电站先进性的体现。因此，如何能完整记录数字化变电站中各智能设备间的通信及整个通信过程，为事故分析和以后的二次设备状态检修提供依据，成为数字化变电站亟需解决的问题。网络报文记录分析仪就是这样一种能满足数字化变电站实际应用的设备[1]。

1 网络报文记录分析仪

网络报文记录分析仪（以下简称网分）是一种能够极好适应数字化变电站网络通信模式的监测设备，具有如下特点：

⑴透明性监测。单向接收报文，不对原有网络发送任何报文，因而不会对原有系统构成任何伤害，安全性极高。

⑵海量信息处理。能够接收并处理整个变电站内大量的、不确定的通信报文，处理方式包括报文存储、解析、数据在线及离线分析、一次系统工况再现、信息检索及管理等。

⑶精准时标。支持IRIG-B码和简单网络时间协议（SNTP）等多种时钟源对时，能够为每条报文打上精度优于1µs的时间戳，可为事故分析的逻辑时序提供依据。

⑷全面支持变电站配置描述（SCD）文件。SCD文件在数字化变电站的重要性十分关键，它全面描述了全站所有设备及其链路关系，结合SCD文件来解析通信报文，相当于具备了把计算机语言翻译成人类语言的能力，用人眼能够看得懂的信息来表现变电站的运行状况，也为IEC 61850技术在数字化变电站的工程应用提供了坚强支撑。

网分能够准确地记录数字化变电站过程层、站控层网络中交换的通信报文并打上精确时标，然后对这些报文进行有目的的多元化分析，实时对站内设备及网络出现的异常和故障现象进行预警。数字化变电站过程层网络结构主要有SV和GOOSE共网、SV点对点、GOOSE 组网[2]等方式，不同网络结构下，网分的接入方式也有所不同。网分主要由数据存储和数据分析2部分构成。

1.1 数据存储

网分记录的数据主要是MMS，GOOSE和SV，每类数据格式不同，其流量大小不一样，

例如间隔合并单元，发送给保护测控的采样频率为4000Hz[3]，根据《贵州电网数字化变电站采样值报文输出技术规范》要求，以SV报文为例，按22个通道标准配置，实测合并单元通过交换机端口的流量为7～8Mbit/s，因硬盘容量以Byte 为单位，1Byte=8bit，所以折算后约1MByte/s，按24h计算，数据容量大约有86GB，一个典型的110kV单母分段变电站，合并单元数量约13个，1d需记录的数据容量约1.1TB。贵州电网公司对于网分记录容量的要求是记录过程层SV网络原始报文和GOOSE原始报文，至少可以连续记录72个小时[10]，也就是说，在不考虑压缩的情况下需要有7TB的存储开销，这无疑是一个海量的数字。因此，对于主要用于事故追忆和分析功能的网分，需单独配置数据存储器，以实现海量数据的无损存储。当记录文件的记录容量达到最大值后，网分系统一般采用循环覆盖历史记录的方式进行再记录。

1.2 数据分析

采集分析单元实时对采集的网络数据进行网络分析和应用协议分析，实时发现网络通信过程中的异常和应用协议中的错误。

1.2.1 网络分析

详细分析各层网络协议的信息，如链路层、网间网协议（IP）层、传输控制协议（TCP）层、基于TCP的ISO传输服务（TPKT）层、面向连接传输层协议（COTP）层及表示层（PRES）层等，并实现对互联网时间同步的标准协议（NTP），SNTP，地址解析协议（ARP），卫星传输协议（STP），简单网络管理协议（SNMP），互联网控制信息协议（ICMP）等网络协议的完整分析。对网络通信过程进行实时分析，如IP分片与重组、TCP连接与断开等。

1.2.2 应用协议分析

1.2.2.1 SV采样值分析

目前，从合并单元至保护装置有3种通信协议：IEC 60044-8，IEC 61850-9-l及IEC 61850-9-2[9]，这3种通信协议各有优、缺点，目前国内采用的是IEC 61850-9-2协议[4]。主要分析内容有：

（1）对报文进行详细的解码及完整性分析。重点检查APDU和ASDU格式是否符合标准；confNo，svID，datSet，entriesNum等参数是否与配置文件一致。

（2）对报文进行应用功能分析。分析采样值报文是否丢帧或错序、采样值同步位变化情况（同步转失步或失步转同步）、采样值品质位变化情况、采样值频率是否发生抖动（采样值报文间时间间隔不恒定）、合并单元间是否同步、通信中断等。例如：

1）查看合并单元发送至保护装置的报文是否是等间隔发送，如采样率为80点每周波，则前后2个报文的间隔时间为250µs。

2）通过查看SV采样计数器来发现发送的采样值报文是否有漏包现象，如采样频率为80点每周波，则1s之内合并单元需发送4000帧报文，秒脉冲到来时，计数器清零，如果前后2帧报文计数值不连续，就说明有丢帧的情况发生。

3）数据同步性的判断。合并单元与保护装置采用报文通信以后，数据的同步性就显得异常重要，特别是主变差动保护、母差保护等需处理来自不同合并单元数据的装置，对数据的同步性要求非常高，否则容易导致保护的误动作。通过网分解析出各个时间合并单元计数器的值(记录仪对所记录报文的时标精确到微秒级)，可以判断出保护装置各侧采样值的同步性问题。

（3）采样值能以波形的方式实时显示。还原一次系统中电压、电流值及故障录波。

1.2.2.2 GOOSE分析

对于GOOSE报文的分析，应包括抽象通信服务接口（ACSI）层面的分析和以太网（ETHERNET）层面的分析，ACSI和ETHERNET的关系是相互对应（l<一>l），所以在分析时，二者的分析结果同时给出[5]。主要分析内容有：

（1）对GOOSE报文进行详细的解码，对报文完整性进行分析。检查GOOSE报文的APDU和ASDU格式是否符合标准；检查配置版本号（ConfNo），控制块引用（GoRef），数