IEC61850網絡報文分析系統在220kV三鄉數字化變電站中的設計與應用

湯曉暉

（廣東電網公司中山供電局，廣東 中山 528400）

變電站站控層、間隔層以及過程層的通信網絡報文是數字化變電站智能設備間信息交互和共享的主要載體。智能設備和通信網絡的健康狀況將直接影響整個數字化變電站的通信，網絡報文的發送端、接收端及通信網絡異?；蚬收暇赡軐е码娏ο到y重大事故[1]，而數字式故障錄波裝置只能記錄電壓電流發生突變而引起的保護動作，不能分析由于某個智能單元出現故障，或者報文有誤導致保護的誤動或拒動，也不記錄間隔層與站控層之間的事件，因此需要對網絡報文進行有效的監視、記錄和診斷，提前發現通信網絡的薄弱環節和故障設備，預防電力系統事故的發生。IEC61850 網絡報文記錄與分析系統（以下簡稱“報文分析系統”）就是一種能滿足數字化變電站網絡數據采集與分析的系統。它記錄整個變電站內智能單元間的通信報文，并對記錄的通信報文進行分析，以重現當時設備間網絡通信的全過程，為運行維護人員進行故障分析提供了有效的分析手段。

1 報文分析系統結構與功能

1.1 報文分析系統的結構

報文分析系統由報文記錄儀與報文分析儀組成，各個記錄儀與分析儀通過以太網相連。分析儀自動或手動從記錄儀下載記錄文件，并自動或手動進行報文分析，通過MMI 給出直觀的分析結果，同時它還提供高效的查詢手段和統計功能，幫助用戶檢索故障信息和對網絡進行評估。在數字化變電站中，報文分析系統接入及運行不會對原系統通信網絡的安全性、實時性與穩定性造成任何影響。其結構如圖1所示。

圖1 網絡報文分析系統結構示意圖

1）分析儀

分析儀由分析主機和顯示器組成，能夠實現MMS、GOOSE、SMV 網絡在線通信狀態監視，并通過各種畫面報表、記錄、曲線和文件顯示出來?？蓪MS 報文、GOOSE 報文、SMV(IEC 60044-8)報文開展離線分析。

2）記錄儀

主要用于站控層網絡（包括MMS A、B 雙網，以及保護信息系統的MMS C 網）、間隔層網絡（包括110 kV GOOSE A、B 雙網；220 kV GOOSE A、B 雙網）以及過程層網絡的通信報文數據進行記錄與分析。

1.2 報文分析系統主要功能

1）報文記錄與數據存儲

報文分析系統能對IEC61850 通信網絡通信全過程進行報文記錄（帶絕對時標的完整網絡通信報文）與數據存儲，包括MMS 報文、GOOSE 報文以及SMV 采樣值報文的記錄存儲。記錄過程對原有通信網絡不產生任何影響，不產生任何附加報文。同時，即使在記錄儀出現故障、死機或斷電的情況下，對原有通信網絡也不產生任何影響[2]。記錄儀能夠在變電站現場環境下連續循環存儲通信網絡的原始數據，即在達到最大存儲容量時進行循環存儲，能夠保證存儲最近一周的通信原始報文。連續存儲的最長時間根據網絡流量的不同而不同，與系統配置的硬盤容量大小有關。

2）報文分析

報文分析系統可以手動（或自動）從記錄儀下載歷史報文，并通過規約分析模塊對歷史報文按邏輯通道進行離線式報文分析，能夠直觀顯示通信規約詳細信息，如報文類型、報文內容等，如圖2所示。功能 1 區能夠對數字化變電站內的 MMS、GOOSE 和SMV 報文進行點對點的歸類篩選；功能2 區能夠根據裝置IP 信息給出簡單的分析結果，同時具備對網絡地址（MAC 和IP 地址）、TCP 連接、TCP 報文重發等進行統計的能力；功能3 區能對MMS 報文、GOOSE 報文內容進行解析，顯示報文包含的數據信息與數據量具體參數值，如GOOSE StNum 與GOOSE SqNum 變化數據、SMV 報文結構、SMV 連續性分析、SMV 采樣點間隔分析等。

3）在線監視

報文分析系統一方面實時監視變電站網絡通訊，主要對網絡節點數量變化、網絡節點地址變化、節點連接關系變化進行監視；另一方面實時監視采樣值（SMV），分析采樣值完整性、頻率穩定性、數據同步性等信息。

2 網絡設計與接入

2.1 220kV 三鄉數字化變電站網絡結構

圖2 報文分析系統MMI 界面功能圖

中山220kV 三鄉變電站系統網絡由過程層、間隔層GOOSE 網絡（包括110kV 和220kV GOOSE 網絡）、站控層監控MMS 網絡以及站控層保護信息系統MMS 網絡構成。其中站控層監控MMS 網絡和間隔層GOOSE 網絡均采用雙星型結構，站控層保護信息系統MMS 網絡采用單星型網絡結構，如圖3所示。

其各網絡功能如表1所示。

2.2 分析系統在三鄉數字化變電站中的應用設計

根據中山220kV 三鄉變電站的網絡結構，主要從站控層MMS 通信、保護MMS C 網、220kV 過程層GOOSE 網、110kV 過程層GOOSE 網、采樣值網絡這5 個方面進行接入監視和記錄，整體網絡結構設計如圖4所示，其對應功能設計如表2所示。

圖3 三鄉變電站設備結構體系示意圖

表1 各網絡功能分析對照表

表2 各網絡監聽功能設計

1）站控層（MMS 網絡和保信MMS 網）監聽方案

圖4 整體應用方案設計圖

通過對變電站站控層匯聚交換機進行監聽記錄，即可對整個變電站的站控層監控MMS 信息進 行全部記錄[4]，因此選取站控層匯聚交換機的2 個接口進行監聽記錄。保信MMS 網方面，選取保護信息子站與匯聚交換機的連接口進行監聽記錄，可直接對保信子站與各保護裝置之間的通信信息進行監聽記錄。

三鄉站MMS 網絡均采用PCS9882 交換機組網，可直接配置端口映射功能，實現對匯聚交換機其余端口的監聽功能[5]?？紤]到網口容量的限制，以及A、B 網相互獨立，保護信息系統單獨組網，因此將所有A 網數據映射到一個端口上，所有B 網數據映射的一個端口上，保信網絡信息單獨映射到一個端口，所以共需要3 個端口來完成網絡報文記錄功能，因此要求站控層匯聚交換機預留2 個網絡端口（R1、R2）供NSAR512 通信記錄儀接入，保信子站交換機柜中匯聚交換機則需預留1 個網絡端口（R3）供NSAR512 通信記錄儀接入，如圖5所示。

2）過程層GOOSE 網絡監聽方案

三鄉數字化變電站 GOOSE 網絡由 110kV GOOSE 網絡和220kV GOOSE 網絡構成，兩個網絡均為A、B 雙網設計，采用羅杰康RCS-2100 交換機組成雙星型網絡，如圖6所示。

圖5 站控層監控MMS 網絡和 保信MMS 網絡通信監聽方案

圖6 220kV GOOSE A 網交換機布置圖

監聽方案設計對GOOSE A 網信息（包含220kV和110kV）使用NSAR512 通信記錄儀#2 完成記錄功能，對GOOSE B 網信息（包含220kV 和220kV）使用NSAR512 通信記錄儀#3 完成記錄功能。具體功能布置如表3所示。

表3 GOOSE 網絡監聽功能分配設計

由于 GOOSE 信息采用組播傳送，因此可對GOOSE 的A 網和B 網分別各指定一個交換機接口即可進行監聽記錄，如果GOOSE 信息進行了VLAN劃分，需對交換機進行設置，將監聽端口劃入各個VLAN。

由配置圖5可知，220kV 的GOOSE 交換機均與1 號匯聚交換機相連，因此通過匯聚交換機的一個端口即可對GOOSE 網信息進行監聽記錄。結合現場考察后，可用交換機的12 口作為監聽記錄端口。用NSAR512 通信記錄儀#2 的記錄口4 記錄A網GOOSE 信息，使用NSAR512 通信記錄儀#3 的記錄口4 記錄B 網GOOSE 信息，如圖7所示。

3）采樣值網絡

由于采樣值采用IEC 60850-9-1 標準點對點傳送，若進行全過程全記錄，則需要配置大量的NSAR512 通信記錄儀，因此可對采樣值的記錄采用針對性的記錄，配置NSAR512 通信記錄儀#4，以記錄口1-3 進行記錄，將需要監視的合并單元（MU）通過光電轉換器直接連至上述記錄端口。記錄端口4 則記錄保護MMS C 網的通信信息，如圖8所示。

圖7 220kV 過程層GOOSE 網絡通信監聽端口布置圖

圖8 采樣值網絡監聽方案

3 報文分析系統應用問題分析

3.1 記錄儀與分析儀時標不一致

因為報文分析系統中記錄儀記錄的各類報文數據需要打上時標進行存盤，而歷史數據時間檢索條件則是基于分析儀的時間進行篩選，當記錄儀時間與分析儀時間不一致時，按照某個時間段檢索出來的內容將會是另一個時間段的內容，即檢索結果與檢索條件不對應，如果根據保護裝置實際跳閘時間進行數據檢索，將檢索不到該時刻的動作信息，導致動作信息難以查找，給運行維護分析人員帶來極大的不便。針對此問題，可在報文分析系統中考慮增加GPS 對時接收模塊，由變電站GPS 時鐘源統一對時，確保報文分析系統中各個裝置時間一致，從而避免上述情況發生。

3.2 GOOSE 跳閘信息收集與分析

當保護裝置動作，發出GOOSE 跳閘命令時，應開展GOOSE 跳閘信息的收集工作，并通過報文分析系統對其跳閘GOOSE 數據包進行分析，判斷其數據準確性與網絡傳輸延時等數據是否正常，確保數字化變電站的MMS、GOOSE、SMV 網絡能夠繼續正常運行，時刻掌握網絡健康水平，確保裝置、網絡的運行可靠性與穩定性。

3.3 與綜自系統廠商的配合問題

由于報文分析系統的廠商往往與變電站綜自系統廠商不同，兩者在對一些規約細節的理解上存在差異，且報文分析系一定程度上依賴于綜自系統廠商實際使用的SCD 文件與規約文本代碼。因此，如果綜自系統廠商的SCD 文件以及規約源代碼不完全對報文分析系統廠商開放，將會大大影響分析系統的數據監聽功能。

3.4 日常維護與巡視

報文分析系統作為數字化變電站運維的一種輔助系統，對站內智能設備、數字化保護裝置、網絡狀態等存有詳細的分析數據，可以通過數據實現某種程度上的設備狀態評價，以達到檢測裝置、網絡健康水平的目的，所以其日常巡視與維護工作不可忽視，應當加強巡視時候的維護工作，確保網絡報文分析系統在任何時刻都能詳細記錄數字化保護設備的各種動作信息，以實現對動作信息、傳輸數據完整性的分析目的。

4 結論

與傳統的綜合自動化變電站不同，數字化變電站的網絡通信涉及到采樣及跳閘過程，變得越來越重要[6]。報文分析系統能夠實時記錄所有智能設備之間的報文，實現MMS、GOOSE、SMV 報文的監聽，為分析通信故障提供了依據，同時為檢驗智能設備是否正確可靠的動作提供了依據。但是，現階段報文分析系統與變電站自動化監控系統還未實現互聯，報文分析系統產生的告警信息無法接入變電站自動化監控系統。今后需進一步完善相關功能，使報文分析系統成為數字化變電站中一種必不可少的輔助決策系統。

[1] 李兆祺,張旗,徐紹會.網絡報文分析系統在智能變電站中的應用[J].2011年電力行業信息化年會論文集,2011.

[2] 譚文恕.變電站自動化系統的結構和傳輸規約[J].電網技術,1998,22(8):1-4.

[3] 中華人民共和國電力行業標準.變電站通信網絡和系統第7-2 部分:變電站和饋線設備的基本通信結構-抽象通信服務接口(ACSI).

[4] 胡春潮,蔡澤祥,竹之.提高數字化變電站關鍵報文傳輸可靠性方法研究[J].電力系統保護與控制,2011,39(9).

[5] 夏勇軍,蘇昊,胡剛,董永德.數字化變電站研究現狀與應用展望[J].湖北電力,2007,31(3):9-12.

[6] 高翔.數字化變電站應用技術[M].北京:中國電力出版社,2008.