智能变电站网络分析与故障录波一体化系统设计与实现
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员何君、刘明慧等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，通过分析智能变电站网络分析装置和故障录波装置发展现状，提出了一种适用于网络分析和故障录波应用场景的一体化系统设计方案。
系统结构由管理单元和采集单元组成，文中阐述了系统信息采集方案和数据处理流程，并分别论述了管理单元和采集单元的软件实现方案，解释了管理单元和采集单元总体功能定义和各应用模块组成架构。通过实例对比分析，指出了一体化设计的优势，总结了设计方案的实用性和有效性。
智能变电站采用IEC 61850“三层两网”的网络架构，站内智能电子设备之间通过传输不同协议报文进行通信[1]。网络报文记录分析装置和故障录波装置作为智能变电站二次监视重要设备，二者都需进行站内网络报文的采集、分析和存储[2-3]，单独配置占用站内交换机资源。
对智能变电站中网络记录分析单元和故障录波单元进行数据流分析，简化合并同类应用，对提高智能变电站的运行可靠性、降低总体造价、加速智能变电站的普及和推广有重要作用。
文献[4-7]对智能变电站网络报文记录分析装置相关功能和技术进行了概述。文献[8]分析了智能变电站网络通信异常原因。文献[9-10]分析了数字化录波器与传统录波器在设计中的异同点。文献[11-12]设计了一种集网络报文分析记录和故障录波功能一体的单装置。
文献[13]提出管理单元和前置采集单元的一体化系统设计架构，系统内部使用站控层MMS网络通信。文献[14]提出“分散采集+集中分析”的思想，同样基于管理单元和采集单元架构，采集单元负责采集网络报文，管理单元实时分析和记录。
上述文献基于单装置的设计不能满足不同规模数据流量和组网方式情况下网络报文数据的采集要求。基于采集单元和管理单元的系统设计缺乏统一的技术标准，采集单元和管理单元功能定位不够合理，“分散采集+集中分析”对管理单元实时性能要求较高，未充分发挥采集单元的作用，采集单元和管理单元采用站内MMS网络通信不适应现行标准和规范对于网络分析记录装置的要求。
本文基于“分散采集分析+集中配置展示”思路，提出一种新的网络报文分析和故障录波一体化系统设计，系统由多（单）台套采集单元和一台管理单元组成，采集单元实现报文实时采集分析和故障录波功能，管理单元负责系统配置及分析结果的展示。
1 系统设计
本文设计的网分报文分析与故障录波一体化系统采其系统架构图如图1所示。
图1 系统架构
为适应不同电压等级和不同组网方式智能变电站的报文采集需求，系统基于分散采集分析和集中展示的思路，采集单元完成报文采集、记录、分析以及故障录波功能，管理单元承担网络报文分析及故障录波后台功能。
采集单元通过高速采集口采集过程层网络、站控层网络和站内调度通信网络报文，广播报文或GOOSE、SV等组播报文直接将交换机转发范围内的某端口接入采集端口，MMS、104等单播报文需要在交换机上做镜像，然后将镜像端口接入采集端口。
采集单元对采集报文进行记录并实时分析，将分析结果上传给管理单元。管理单元提供系统配置、分析结果显示、历史数据查询以及报文和波形的离线分析功能。管理单元和采集单通过网口直连的方式或使用独立交换机实现数据交互。管理单元和采集单元分别提供对外通信功能，适应各地区主子站通信的要求。
系统可实现功能灵活配置，形成独立网络报文分析装置、独立故障录波器以及一体化系统三种产品，适应不同地区的标准和应用需求。
2 信息采集方案
由于过程层和站控层的网络报文流量巨大，同时存在大量的冗余与其他协议报文，对采集单元实时采集和分析造成很大的压力，为实现快速有效的分析与诊断，采集单元需要预先配置数据模型以便对实时报文进行筛选和分析结果的关联。
通过分析变电站配置（SCD）文件，可获取IED设备信息、GOOSE配置、SV配置、数据集（dataset）和数据项（fcda）信息，同时建立数据之间的层际关系。MMS、104协议客户端和服务端IP和端口需要根据站内实际情况人工配置。
录波开关量通道和模拟通道从解析后的数据项中挑选，同时配置录波间隔、定值信息。管理单元保留全站数据模型，采集单元仅需配置其采集范围内的数据模型，对不在其分析范围内的报文数据产生未知链路告警，基于统一数据模型，管理单元可方便的对采集单元分析结果进行集中展示。
系统内部管理单元和采集单元之间的通信采用轮询加突发结合的方式，对实时性要求高的突发告警和交互命令类数据使用内部协议进行通信，对实时性较低的监视类数据采用轮询方式定时刷新，提高系统响应效率，系统数据流如图2所示。
为防止短时冗余告警刷屏淹没重要告警，影响运维人员操作，系统采用周期内冗余告警达到阈值次数闭锁和统计上周期内闭锁告警重复次数相结合的策略，在确保记录网络故障的前提下，提高系统的易用性。
图2 数据流图
3 软件设计
3.1 管理单元软件
管理单元主要提供各种可视化分析工具，辅助运维人员排查网络故障和电力系统故障，包含系统配置、在线监视、离线分析、对外通信4个主要功能模块，软件架构如图3所示。
图3 管理单元软件架构
1）系统配置模块提供以下功能：解析SCD文件，将SCD文件描述的半结构化数据存储为结构化数据，生成全站采集对象模型；配置采集单元运行参数，如采集单元运行方式，可选网络分析仪、故障录波器和网分故录一体化运行方式；管理单元和采集单元IEC61850建模。
2）在线监视模块实时展示各种监测信息，包括网络流量监测、各协议报文监视、故障录波在线监测，报文监视具备实时报文结构展示、SV 9-2实时波形和离散度统计功能，同时提供管理单元和采集单元运行期采集模型校验。
3）离线分析软件可输入pcap格式报文文件和录波波形文件，进行 GOOSE、SV、MMS和104报文详细分析和电力系统故障分析，具备故障波形和报文文件关联分析功能，通过选取某一时刻录波采样点可快速关联该时刻的GOOSE、SV报文。
4）对外通信模块负责与主站通信，提供IEC61850文件服务、IEC61850报告服务、IEC61850控制服务。
3.2 采集单元软件
集单元硬件采用模块化设计，全密闭无风扇，侧壁散热，双SATA 接口，支持SSD或HDD，最多4个硬盘模块。CPU采用Cavium C6645 10核1.1G带硬压缩协处理器，4G内存，最大可配8个独立MAC的100M/1000Mbps采集网口。采集单元软件平台选用嵌入式实时多任务操作系统Linux，采集单元软件架构如图4所示，由以下功能模块组成。
图4 采集单元软件架构
1）数据库模块存储采集单元参数配置、运行实时分结果和历史报文波形数据，实时库采用MySQL Memory引擎实现内存级读写速率。
2）报文采集模块负责接收各采集端口数据包，由CPU自带时标机制通过相对时间转换为绝对时间，时间戳精度10ns，然后将报文指针传给分析模块进行分析，当报文积累到一定大小或超过固定时间后，通知压缩存盘模块进行压缩存盘处理。
3）报文分析模块识别报文类型调用各协议分析子模块分析报文内容，分析结果更新实时库，然后调用压缩模块压缩存储。
4）录波模块访问GOOSE、SV报文解析结果共享内存，提取开关量和模拟量通道信息，实现录波实时值计算、故障判据起动录波、稳态及暂态波形文件生成等完整录波功能。
5）压缩存盘模块接收报文采集模块、报文分析模块、录波模块数据，进行原始报文文件和故障波形文件的压缩存储，同时将文件记录写入历史库。
6）通信模块实现采集单元IEC 61850通信功能。
采集单元功能模块均采用单进程或者多进程设计，通过指定处理器mask指定模块使用的内核范围，各模块占用核数见表1，可根据实际负载率调整。
表1 采集单元内核分配
4 实例分析
网络报文记录分析与故障录波一体化应用以220kV熙悦站为例，过程层采用GOOSE、SV共网方式，考虑站控层数据接入和故障录波需求，方案1）采用网络记录分析和故障录波分析独立配置，方案2）采用本文一体化系统，两种方案对比见表2。
表2 独立设计和一体化设计对比
通过比较可以看出，网络报文记录分析与故障录波一体化系统具备巨大优势和应用价值。经现场测试报文实时分析处理能力超过600Mbps，正常扰动报文压缩比可达7∶1，在预定流量和硬盘大小情况下，连续存储周期超过10天。
该系统经过设置运行参数实现功能模块投退，已分别在220kV莫合泉站和110kV太平水库站作为独立网络报文分析设备和独立故障录波器投入运行。
本文设计的网络报文记录分析和故障录波一体化系统实现方案，能够满足各种电压等级、组网方式以及不同应用场景的智能变电站的对网络分析和故障诊断设备的实际需求，具备高效的采集、分析功能，完善的对外通信功能，可扩展性搞，适应智能变电站的发展趋势，满足行业标准规范的要求。