羅凌璐, 彭 奇, 王德輝, 李 超, 沈 健

(1. 南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106; 2. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇省南京市 211106)

0 引言

過程層網(wǎng)絡(luò)是智能變電站間隔層和過程層設(shè)備進(jìn)行信息共享的基礎(chǔ)[1-2],其運(yùn)行狀況關(guān)系到保護(hù)設(shè)備能否正確動作,進(jìn)而影響整個電網(wǎng)的運(yùn)行安全[3-5],因此對過程層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控有著重要意義。

目前,智能變電站的站內(nèi)監(jiān)控后臺只能通過間隔層裝置上送的告警信號監(jiān)視過程層通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)或采樣值(SV)鏈路的狀態(tài),無法直接監(jiān)視過程層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。這將導(dǎo)致過程層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時無法快速進(jìn)行故障定位,存在較大的運(yùn)行風(fēng)險[6-7]。

實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的常見方式是給變電站配備網(wǎng)絡(luò)分析儀等報文監(jiān)聽儀實(shí)現(xiàn)報文存儲和分析,從而監(jiān)視過程層網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)[8-9]。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[10]針對過程層信息流特征提出了流量保護(hù)方案。此類方式只能在網(wǎng)絡(luò)故障后,人工分析故障時刻報文找出故障點(diǎn),無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時自動故障定位。文獻(xiàn)[11]提出了不依賴網(wǎng)絡(luò)分析儀的過程層網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法。該方法能夠初步確定故障點(diǎn)是在裝置還是在交換機(jī)上,對于多級級聯(lián)的復(fù)雜過程層網(wǎng)絡(luò),無法準(zhǔn)確定位。文獻(xiàn)[12]及文獻(xiàn)[13]分別提出了以靜態(tài)配置為基礎(chǔ)的過程層故障定位方式。此類方式能夠通過查表法快速定位故障點(diǎn),效率較高,但在建立全站模型或設(shè)備模型時需要工程人員手動添加自定義的物理鏈路拓?fù)涿枋鲂畔?不同廠家模型在集成時難以統(tǒng)一。此外,該類方法只能進(jìn)行故障定位,無法對過程層網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)流進(jìn)行具體監(jiān)控。

針對過程層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),本文提出一種通過過程層交換機(jī)動態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌酚成潢P(guān)系的過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法。該方法既能實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)故障快速定位,又能對過程層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,為智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維提供一種有效手段。

1 基于交換機(jī)的過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控原理及方法

1.1 基于交換機(jī)的過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控原理

智能變電站中,過程層設(shè)備與間隔層設(shè)備的通信依賴于全站配置描述(substation configuration description,SCD)文件中的GOOSE/SV訂閱關(guān)系,即GOOSE/SV虛鏈路。然而SCD文件中只描述了每條虛鏈路的發(fā)送方和接收方,沒有描述該虛鏈路經(jīng)過的實(shí)際物理鏈路(包括交換機(jī)等中間節(jié)點(diǎn)),因此無法得知虛鏈路與物理鏈路的映射關(guān)系[12]。當(dāng)虛鏈路出現(xiàn)故障時(如斷鏈等),接收方設(shè)備只能觸發(fā)斷鏈告警,無法判斷故障出現(xiàn)的具體物理節(jié)點(diǎn),增大了故障排查的困難。

過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,級聯(lián)交換機(jī)數(shù)量越多,虛鏈路出現(xiàn)故障時定位故障點(diǎn)的難度就越大。因此,建立過程層網(wǎng)絡(luò)虛鏈路與物理鏈路之間的映射關(guān)系是實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的關(guān)鍵。

在過程層網(wǎng)絡(luò)中,過程層交換機(jī)及其物理連接是實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)通信的中間節(jié)點(diǎn)和重要媒介[14]。因此,可以將過程層交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控單元,通過過程層交換機(jī)對過程層報文進(jìn)行初步的統(tǒng)計和分析,動態(tài)計算過程層網(wǎng)絡(luò)虛鏈路對應(yīng)的物理路徑,分析虛鏈路數(shù)據(jù)在各節(jié)點(diǎn)的傳輸狀況。綜合分析各交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控數(shù)據(jù),就能夠?qū)收线M(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)對整個過程層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。

1.2 基于交換機(jī)的過程層網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)控方法

通過過程層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)控的方法如圖1所示。

圖1 基于過程層交換機(jī)的過程層網(wǎng)絡(luò)動態(tài)監(jiān)控方法Fig.1 Dynamic monitoring method of process level network based on process level switch

過程層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)由交換機(jī)進(jìn)行采集。通過報文統(tǒng)計及簡單的報文解析,交換機(jī)可以獲取每個端口經(jīng)過的虛鏈路集合,以及這些虛鏈路在交換機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)路徑,由此可以獲得單個交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的一組鏈路映射關(guān)系,如附錄A圖A1所示。

交換機(jī)將各自的鏈路映射關(guān)系及報文統(tǒng)計等信息上送到網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)每個交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的鏈路映射關(guān)系及報文統(tǒng)計等信息進(jìn)行綜合計算,即可獲得完整的過程層網(wǎng)絡(luò)鏈路映射關(guān)系(如附錄A圖A2所示),并據(jù)此分析整個過程層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流向和運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)交換機(jī)發(fā)生故障時,根據(jù)虛鏈路和物理鏈路的映射關(guān)系可以對故障進(jìn)行定位,從而實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。

該方法只需要在交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行開發(fā),不僅能實(shí)現(xiàn)故障定位,還能對虛鏈路流量進(jìn)行監(jiān)控,不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的影響。

2 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案的總體結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)基于交換機(jī)的過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,需要通過過程層交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息收集和初步分析。具體功能包括交換機(jī)物理連接關(guān)系收集、單節(jié)點(diǎn)鏈路映射關(guān)系的計算及虛鏈路流量統(tǒng)計及告警等。此外,還需通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行綜合分析,具體功能包括根據(jù)過程層交換機(jī)上送的信息建立過程層全網(wǎng)絡(luò)鏈路映射關(guān)系、故障定位及虛鏈路流量監(jiān)控等。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中IED表示智能電子設(shè)備。

圖2 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of network monitoring at process level

過程層交換機(jī)可以通過鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(link layer discovery protocol,LLDP)實(shí)現(xiàn)收集物理連接關(guān)系,獲取鄰居交換機(jī)信息。該協(xié)議主要用來發(fā)現(xiàn)和記錄裝置(尤其是交換機(jī))某端口的鄰居設(shè)備信息[15]。鏈路映射關(guān)系計算及虛鏈路流量統(tǒng)計可以通過設(shè)定交換機(jī)的訪問控制列表(access control list,ACL)實(shí)現(xiàn)[16]。通過設(shè)定一系列與GOOSE/SV報文APPID等關(guān)鍵字相關(guān)的ACL規(guī)則,能夠?qū)崿F(xiàn)對虛鏈路報文進(jìn)行流量統(tǒng)計,并通過端口重定向?qū)笪倪M(jìn)行初步解析,獲取過程層和間隔層設(shè)備的物理鏈路和虛鏈路信息。虛鏈路流量告警可通過遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控(remote network monitoring,RMON)規(guī)范實(shí)現(xiàn)[17]。利用RMON規(guī)范中的事件組和告警組,可以方便地獲取單位時間內(nèi)特定報文的變化量,從而監(jiān)控虛鏈路流量。

通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對交換機(jī)上送的信息進(jìn)行綜合分析的具體流程如下。首先,根據(jù)交換機(jī)的鄰居交換機(jī)信息建立交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?然后根據(jù)與交換機(jī)相連的過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備信息建立過程層網(wǎng)絡(luò)物理連接關(guān)系,接著根據(jù)各交換機(jī)的鏈路映射關(guān)系建立過程層全網(wǎng)絡(luò)鏈路映射關(guān)系,最后以鏈路映射關(guān)系為索引,根據(jù)交換機(jī)上送的虛鏈路流量統(tǒng)計告警進(jìn)行故障定位和綜合分析,從而實(shí)現(xiàn)對整個過程層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。

2.2 過程層交換機(jī)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕?/h3>

過程層交換機(jī)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕⒁訪LDP協(xié)議為基礎(chǔ),其具體流程如附錄A圖A3所示。

過程層交換機(jī)使能LLDP功能,信息交互完成后,即可獲取任意級聯(lián)端口的鄰居設(shè)備(交換機(jī))信息。交換機(jī)將收集到的鄰居交換機(jī)信息以既定方式(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(simple network management protocol,SNMP)或制造報文規(guī)范(manufacturing message specification,MMS)等)上送到網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀將各交換機(jī)級聯(lián)端口到鄰居信息的關(guān)系記錄為:

(1)

式中:L為某交換機(jī)本地信息集合,包含本地裝置名lDEV及本地連接端口lPORT;R為鄰居節(jié)點(diǎn)信息集合,即鄰居節(jié)點(diǎn)的裝置名rDEV、鄰居裝置連接端口rPORT及鄰居裝置MAC地址rMAC;g(·)表示該交換機(jī)某端口到鄰居節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系。整理所有交換機(jī)的鄰居信息,即可得到交換機(jī)組成的過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2.3 過程層鏈路映射關(guān)系及流量統(tǒng)計列表的建立

過程層鏈路映射關(guān)系及流量等信息的收集由過程層交換機(jī)的ACL模塊實(shí)現(xiàn),具體流程如圖3所示。

圖3 通過ACL動態(tài)獲取虛鏈路關(guān)系及流量統(tǒng)計列表流程Fig.3 Flow chart of dynamically obtaining virtual link relationship and list of traffic statistics by ACL

如圖3所示,過程層交換機(jī)的ACL分為兩類,第一類以二層報文類型字段(TYPE)為關(guān)鍵字,對應(yīng)的動作是將報文完整復(fù)制到交換機(jī)CPU;第二類ACL以TYPE字段和GOOSE/SV報文的APPID字段組合為關(guān)鍵字,對應(yīng)的動作是報文統(tǒng)計。

第一類ACL由交換機(jī)靜態(tài)添加,用于生成鏈路映射關(guān)系,以及獲取第二類ACL的關(guān)鍵字APPID。根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),GOOSE/SV報文中包含了GOOSE/SV控制塊的APPID,裝置名稱iedName等信息[18]。交換機(jī)通過這些信息可獲取非級聯(lián)端口的鄰居設(shè)備(間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備)信息,上送到網(wǎng)絡(luò)分析儀后同樣以式(1)的形式記錄。然后交換機(jī)再根據(jù)自身的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)表和組播表,查詢到該報文在交換機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。由于APPID與GOOSE/SV控制塊一一對應(yīng),該報文在交換機(jī)內(nèi)的物理傳輸路徑即為該報文對應(yīng)的GOOSE/SV虛鏈路在交換機(jī)內(nèi)的物理路徑。將該鏈路映射關(guān)系上送至網(wǎng)絡(luò)分析儀后,記為鏈路映射關(guān)系f,表示為:

(2)

式中:V為虛鏈路相關(guān)信息的集合,包含該虛鏈路的APPID號vAPPID、類型vTYPE(GOOSE/SV)、VLAN號vVLAN及目的MAC地址vDMAC;P為虛鏈路V在交換機(jī)中對應(yīng)的物理路徑相關(guān)信息集合,包括該物理鏈路的交換機(jī)名pSWITCH,輸入端口pPORT_IN及輸出端口pPORT_OUT;f為虛鏈路V到物理路徑P的鏈路映射關(guān)系。

網(wǎng)絡(luò)分析儀集合所有交換機(jī)的鏈路映射關(guān)系信息,即可建立整個過程層網(wǎng)絡(luò)的鏈路映射關(guān)系,其過程如下。對任意交換機(jī)RSWn內(nèi)經(jīng)過的任意虛鏈路Vm,有鏈路映射關(guān)系f,使得物理路徑Pm=f(Vm),其中:

Pm={RSWn,pm_PORT_IN,pm_PORT_OUT2,…,

pm_PORT_OUTk}

(3)

根據(jù)虛鏈路Vm在交換機(jī)RSWn的輸入端口及輸出端口鄰居節(jié)點(diǎn)信息:

(4)

可以推出:

(5)

即虛鏈路Vm在交換機(jī)RSWn附近的物理鏈路為RIN.rIN_PORT→RSWn.pm_PORT_IN→RSWn.pm_PORT_OUTj→ROUTj.rOUTj_PORT(j=1,2,…,k)。

對于任意鄰居設(shè)備信息R∈{RIN,ROUT1,ROUT2,…,ROUTk},若R是交換機(jī),則重復(fù)上述步驟,獲取虛鏈路Vm在交換機(jī)R附近的物理鏈路。由此可以逐步補(bǔ)齊虛鏈路Vm完整物理鏈路Pm,從而獲得整個過程層網(wǎng)絡(luò)的鏈路映射關(guān)系。

第二類ACL由第一類ACL上送報文至交換機(jī)CPU后根據(jù)報文TYPE及APPID動態(tài)添加,用于針對虛鏈路進(jìn)行流量統(tǒng)計。其優(yōu)先級高于第一類ACL,因此,被解析過的虛鏈路報文將不會再次上送交換機(jī)CPU。相關(guān)報文計數(shù)存儲在交換芯片中,可供交換機(jī)CPU隨時獲取。以TYPE+APPID為關(guān)鍵字的流量統(tǒng)計以附錄A表A1所示的形式記錄。

2.4 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及故障定位的實(shí)現(xiàn)

2.4.1過程層虛鏈路流量監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

過程層報文以GOOSE/SV報文為主,穩(wěn)態(tài)情況下GOOSE/SV報文傳輸最小速率基本不變[19],因此單位時間內(nèi)某虛鏈路的報文數(shù)可以反映該虛鏈路的運(yùn)行狀態(tài)。

虛鏈路流量監(jiān)控由交換機(jī)的RMON模塊實(shí)現(xiàn)。通過RMON告警組及事件組可以對虛鏈路流量的變化量進(jìn)行監(jiān)控。針對不同類型報文的特點(diǎn),設(shè)定RMON告警組中報文變化量的極限值,即可在報文流量異常時向網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出對應(yīng)的流量告警。

由于標(biāo)準(zhǔn)MIB中沒有與變電站虛鏈路流量相關(guān)的節(jié)點(diǎn),需要自定義私有MIB節(jié)點(diǎn),詳見附錄A表A2。該MIB節(jié)點(diǎn)不僅可供RMON告警上送,也可在需要時供網(wǎng)絡(luò)分析儀或其他網(wǎng)管隨時讀取虛鏈路流量統(tǒng)計情況。

2.4.2虛鏈路斷鏈故障定位

虛鏈路斷鏈?zhǔn)沁^程層網(wǎng)絡(luò)的常見故障。虛鏈路斷鏈的故障定位由網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)流量告警信息及鏈路映射關(guān)系分析實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)某間隔層裝置發(fā)出斷鏈告警,對應(yīng)的虛鏈路流量大幅度減小,過程層交換機(jī)通過RMON模塊監(jiān)控到流量異常后會上送告警信息到網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)該虛鏈路對應(yīng)的物理鏈路順序,可以找到最先發(fā)出RMON告警信息的節(jié)點(diǎn),從而可以判斷故障點(diǎn)就在該節(jié)點(diǎn)及前后節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的范圍內(nèi),如交換機(jī)、網(wǎng)口/光模塊、網(wǎng)線/光纖等。

3 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖4所示,以3臺交換機(jī)級聯(lián)模擬過程層網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中接入合并單元MU2201、保護(hù)裝置PL2202以及用PC代替的網(wǎng)絡(luò)分析儀。保護(hù)裝置訂閱了合并單元的SV控制塊,其APPID為4 000。

圖4 過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺拓?fù)鋱DFig.4 Topology of experimental platform of process level network

通過LLDP協(xié)議及ACL控制訪問列表,動態(tài)建立過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。例如交換機(jī)SW1的鄰居信息如附錄A表A3所示。

根據(jù)過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼癆CL控制訪問列表,動態(tài)建立虛鏈路與物理鏈路映射關(guān)系。合并單元MU2201發(fā)送的SV報文所在虛鏈路到物理鏈路的映射關(guān)系如附錄A表A4所示。

各交換機(jī)在SV報文輸入端口對該報文的統(tǒng)計計數(shù)如圖5所示。在9 min時禁用交換機(jī)SW1的級聯(lián)端口p11,此時保護(hù)裝置報告SV斷鏈,一個統(tǒng)計周期后交換機(jī)SW2及SW3在報文輸入端口的報文數(shù)大幅度減少。模擬網(wǎng)絡(luò)分析儀隨即收到SW2及SW3上送的RMON流量異常告警(fallingAlarm),告警列表如附錄A圖A4所示,具體內(nèi)容如附錄A圖A5所示。根據(jù)附錄A表A4所示的鏈路映射關(guān)系,可以定位故障點(diǎn)在交換機(jī)SW1附近。

圖5 交換機(jī)輸入端口SV報文數(shù)統(tǒng)計(APPID=4 000)Fig.5 Statistics of SV message count at the switch input port (APPID=4 000)

4 結(jié)語

本文針對過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中的鏈路映射關(guān)系問題,提出了一種通過過程層交換機(jī)建立動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼版溌酚成潢P(guān)系實(shí)現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及故障定位的方法,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法將過程層交換機(jī)作為過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集單元,為智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供了一種靈活有效的維護(hù)手段。

目前,本文提出的方法在故障定位方面僅能實(shí)現(xiàn)斷鏈故障定位,后續(xù)工作將進(jìn)一步分析過程層虛鏈路流量特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)丟點(diǎn)等其他網(wǎng)絡(luò)故障的定位,并以可視化的方式展現(xiàn)鏈路映射關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控數(shù)據(jù)及故障定位結(jié)果,提升用戶體驗(yàn)。最終,在智能變電站中進(jìn)行試點(diǎn),進(jìn)一步驗(yàn)證基于交換機(jī)的過程網(wǎng)絡(luò)層監(jiān)控方法的實(shí)際效果。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

參 考 文 獻(xiàn)

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