南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司 楊 瑞 趙 謙 張憲軍 梁志寶 晏平仲

1 引言

隨著智能變電站在國內(nèi)大面積推廣，變電站網(wǎng)絡(luò)交換機的使用數(shù)量越來越多，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機在變電站中的重要性越來越高，并成為變電站安全穩(wěn)定運行不可或缺的重要組成部分[1]。

當(dāng)前智能變電站絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中，作為被管理對象的交換機一般通過SNMP trap 或IEC61850 Report 等協(xié)議直接將設(shè)備基本信息、告警信息上報到網(wǎng)管系統(tǒng)，網(wǎng)管系統(tǒng)是針對網(wǎng)絡(luò)中的每臺交換機的運行狀態(tài)以及流量統(tǒng)計等常規(guī)功能進行監(jiān)控和告警，而針對變電站網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)控目前更是幾乎處于空白狀態(tài)。過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸SV、GOOSE 報文，報文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是按照SCD 文件預(yù)先配置的，即過程層網(wǎng)絡(luò)是一個確定性的網(wǎng)絡(luò)[2]。如果可以獲取過程層網(wǎng)絡(luò)中報文的真實轉(zhuǎn)發(fā)路徑，則可以對過程層網(wǎng)絡(luò)的全局通信鏈路進行監(jiān)控，再將實際轉(zhuǎn)發(fā)路徑與SCD 規(guī)劃路徑對比，對異常鏈路及時告警，則可以保證過程層網(wǎng)絡(luò)實際轉(zhuǎn)發(fā)與預(yù)配置一致，保證過程層網(wǎng)絡(luò)的確定性。

2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)組成及監(jiān)控概述

2.1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

智能變電站典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為站控層、間隔層和過程層。其中站控層包括服務(wù)器、人機設(shè)備等，實現(xiàn)變電站的監(jiān)測控制、記錄、故障分析及遠(yuǎn)程控制等；間隔層包括監(jiān)控設(shè)備和繼電保護設(shè)備等，實現(xiàn)對一次設(shè)備檢測、控制操作閉鎖和繼電保護；過程層包括智能終端設(shè)備、合并單元，通過智能終端實現(xiàn)對斷路器及隔離開關(guān)的控制和信號上傳[3]。

圖1 智能變電站典型組網(wǎng)

站控層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)為站控層網(wǎng)絡(luò)，傳輸制造報文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）報文；間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)為過程層網(wǎng)絡(luò)，主要傳輸電流電壓的采樣值（Sampled Value，SV）和面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Events，GOOSE）報文。

2.2 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

針對智能變電站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)構(gòu)成，過程層網(wǎng)絡(luò)是智能變電站間隔層和過程層設(shè)備通信的基礎(chǔ)，其各鏈路的通斷直接影響保護設(shè)備是否能正確動作，進而影響整個變電站的運行安全，因此監(jiān)控過程層網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)有重要意義。

目前，智能變電站的站內(nèi)監(jiān)控方式主要是通過間隔層裝置上送的告警信號對變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的GOOSE 和SV 鏈路狀態(tài)進行監(jiān)控，無法直接監(jiān)視變電站網(wǎng)絡(luò)的各鏈路狀態(tài)。這導(dǎo)致過程層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時無法快速進行故障定位。

實現(xiàn)過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的常見方式是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對過程層網(wǎng)絡(luò)報文進行存儲和分析[4]，在此基礎(chǔ)上文獻[5]提出基于過程層交換機的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法，通過LLDP 和ACL 學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃拓?fù)?，根?jù)流量異常判斷鏈路異常；文獻[6]提出基于GOOSE/SV 的發(fā)布/訂閱機制，繪制過程層網(wǎng)絡(luò)圖，但并未提出具體繪制方法；文獻[7]提出一種過程層網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法，該方法能初步確定故障點在裝置上還是交換機上，不適用于多級級聯(lián)的復(fù)雜過程層網(wǎng)絡(luò)。

過程層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸SV、GOOSE 報文，報文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑是按照SCD 文件預(yù)先配置的，文獻[8]詳細(xì)描述基于SCD 文件的自動化配置通信設(shè)備的方法。SCD 文件是符合變電站配置語言（Substation Configuration Language，SCL）規(guī)范的全站唯一的系統(tǒng)配置文件，描述了智能變電站各個通信節(jié)點的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)流向，目前智能變電站過程層裝置和交換機均是基于SCD 文件進行統(tǒng)一配置，即過程層網(wǎng)絡(luò)是一個確定性的網(wǎng)絡(luò)。針對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的特點，本文提出一種過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方法，該方法不僅對過程層網(wǎng)絡(luò)實際全鏈路狀況監(jiān)視，又將實際路徑與規(guī)劃路徑進行對比，對異常鏈路及時告警，保證過程層網(wǎng)絡(luò)的確定性。

3 智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與確定性分析

本文提出的智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法，總體思路為通過過程層交換機的FPGA 模塊實現(xiàn)獲取單個交換機內(nèi)的GOOSESV 報文的局部轉(zhuǎn)發(fā)路徑，后臺管理系統(tǒng)實時將局部路徑收集并整合為全局路徑，實現(xiàn)對過程層網(wǎng)絡(luò)通信的實時監(jiān)控；通過將實時路徑與SCD 規(guī)劃路徑對比，及時發(fā)現(xiàn)異常鏈路，保證過程層網(wǎng)絡(luò)的確定性。

3.1 過程層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

3.1.1 局部路徑提取

過程層交換機主要由以太網(wǎng)交換模塊、CPU 模塊、邏輯控制FPGA 模塊等組成，其中邏輯控制FPGA 模塊主要實現(xiàn)各種可編程控制和業(yè)務(wù)處理邏輯[8]。在FPGA 模塊增加報文處理邏輯，分別在報文進和出時獲取報文的APPID 以及組播地址及進出的端口號，形成一條局部轉(zhuǎn)發(fā)路徑記錄并存儲在FPGA 內(nèi)部存儲區(qū)域。如果同一個APPID 有多個出端口，根據(jù)出端口不同復(fù)制為多條記錄；如果表中存在相同的記錄，則不再存儲。局部路徑表示如下：

P(local)=[APPID,SwitchID,ImportID,Expor tID]

過程層交換機應(yīng)用軟件周期性的讀取本地的局部路徑表上送至后臺管理系統(tǒng)。

3.1.2 全局路徑整合

后臺管理系統(tǒng)將從所有過程層交換機中接收到的局部路徑整合為全局路徑，步驟如下：①解析SCD文件，解析出智能變電站中各個裝置和交換機的IED信息，通過IED 設(shè)備通信能力描述，提取出過程層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即裝置與交換機、交換機與交換機間的連接關(guān)系，連接關(guān)系可如表1所示，表示IED1的IED1_PORT 與IED2的IED2_PORT 連接；②篩 選出同一個APPID 的所有局部路徑；③根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⑼粋€APPID 的所有局部轉(zhuǎn)發(fā)路徑進行排序和連接，得到全局的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

表1 網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系表

圖2表示全局路徑的整合過程，針對同一個APPID 的每一條局部路徑的入端口和出端口，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔碇胁樵內(nèi)攵丝诤统龆丝诘倪B接IED 及端口，如果與之連接的是裝置，則表示這條局部路徑為全局路徑的頭或尾；如果與之連接的是另一個交換機，則從剩余的局部路徑中查找與之連接的交換機的局部路徑，并將兩者連接為一條較大的局部路徑；再對這條較大的局部路徑的入端口和出端口進行查詢和連接，直至這條局部路徑的入端口和出端口均與裝置相連，兩個裝置間端對端的全局路徑整合完成。按照如上步驟將一個APPID 的所有全局轉(zhuǎn)發(fā)路徑整合完成。兩個裝置間端對端的全局路徑表示如下：

圖2 路徑整合示例圖

P(global)=[APPID1,SwitchID1(Import ID,ExportID),SwitchID2(ImportID,Expo rtID),SwitchID3(ImportID,ExportID)……SwitchIDn(ImportID,ExportID)]

后臺管理系統(tǒng)每間隔一定時間進行一次全局路徑整合，根據(jù)整合的全局路徑對過程層網(wǎng)絡(luò)進行可視化繪制，達到過程層網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控的目的。

3.2 過程層網(wǎng)絡(luò)確定性分析

變電站描述配置文件SCD 中包含了站內(nèi)所有設(shè)備及其接口和通信能力，同時也描述了設(shè)備間的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)接收關(guān)系，特別是IEC61850-2009對變電站通信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)有了更詳細(xì)的擴充后，通過解析SCD 文件，可以獲得精確到每一路GOOSE/SV 報文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

通過匹配各設(shè)備端口模型中的Cable 字段的值，如果一致則表示兩個設(shè)備有連接關(guān)系，繼而可以得出整個變電站網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌煌ㄟ^解析每個交換機的csd 模型得到每一路GOOSE/SV 報文在交換機內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)路徑；通過3.1節(jié)描述的整合算法整合得到全局的規(guī)劃路徑。

將實時的全局轉(zhuǎn)發(fā)路徑與全局規(guī)劃路徑進行對比，正常情況下應(yīng)為完全一致，若有不一致的路徑則為異常路徑，對比過程即可精確定位異常路徑，及時故障排查，實時保證過程層網(wǎng)絡(luò)的確定性。

4 應(yīng)用測試

4.1 測試組網(wǎng)

測試拓?fù)淙鐖D3所示，測試設(shè)備包含過程層交換機PSW-618G（SW1、SW2），DBU-806ILB-G智能終端（IED1），DMU-831MMB-A-G 母線II 型合并單元（IED2），WMH-801DL-DA-G 母線保護裝置（IED3），PAC-851G-DA-4母線測控（IED4），PCS-923A-DA-G 母聯(lián)保護（IED5），WXH-822C 保護裝置（IED6），網(wǎng)絡(luò)分析儀（PC）。

圖3 測試拓?fù)鋱D

IED1發(fā)布APPID1（1001）的GOOSE 報文，IED3、IED4、IED5訂閱；IED2發(fā)布APPID2（1002）的SV 報文，IED4、IED5、IED6訂閱。

4.2 測試內(nèi)容

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控測試

實時查看網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，見圖4所示，路徑顯示正確，說明可以正確獲取報文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信。

圖4 測試網(wǎng)絡(luò)實時轉(zhuǎn)發(fā)路徑

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)確定性測試

測試模擬網(wǎng)絡(luò)連接異常，斷開SW2的port15端口和IED6的連接，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常路徑顯示告警，如圖5所示。

圖5 路徑缺失異常

測試模擬交換機配置異常，手動在SW2中增加組播MAC 轉(zhuǎn)發(fā)表，port15轉(zhuǎn)發(fā)APPID1的報文，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常路徑顯示告警，如圖6所示。

圖6 非法路徑異常

通過測試說明系統(tǒng)可以實時發(fā)現(xiàn)及定位異常路徑，以供故障排查。

綜上所述，本文提出的一種過程層網(wǎng)絡(luò)全鏈路監(jiān)控和告警的實現(xiàn)方法，通過過程層交換機的FPGA 模塊獲取GOOSESV 報文的局部轉(zhuǎn)發(fā)路徑，后臺管理系統(tǒng)將局部路徑整合為全局路徑；通過將實際路徑與SCD 規(guī)劃路徑對比，確保網(wǎng)絡(luò)的確定性，對過程層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與研究具有重要意義。下一步研究工作將對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流向和數(shù)據(jù)速率進行可視化顯示，提高網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及維護的效率。