IEC61850网络报文分析系统在220kV三乡数字化变电站中的设计与应用

汤晓晖

（广东电网公司中山供电局，广东 中山 528400）

变电站站控层、间隔层以及过程层的通信网络报文是数字化变电站智能设备间信息交互和共享的主要载体。智能设备和通信网络的健康状况将直接影响整个数字化变电站的通信，网络报文的发送端、接收端及通信网络异常或故障均可能导致电力系统重大事故[1]，而数字式故障录波装置只能记录电压电流发生突变而引起的保护动作，不能分析由于某个智能单元出现故障，或者报文有误导致保护的误动或拒动，也不记录间隔层与站控层之间的事件，因此需要对网络报文进行有效的监视、记录和诊断，提前发现通信网络的薄弱环节和故障设备，预防电力系统事故的发生。IEC61850 网络报文记录与分析系统（以下简称“报文分析系统”）就是一种能满足数字化变电站网络数据采集与分析的系统。它记录整个变电站内智能单元间的通信报文，并对记录的通信报文进行分析，以重现当时设备间网络通信的全过程，为运行维护人员进行故障分析提供了有效的分析手段。

1 报文分析系统结构与功能

1.1 报文分析系统的结构

报文分析系统由报文记录仪与报文分析仪组成，各个记录仪与分析仪通过以太网相连。分析仪自动或手动从记录仪下载记录文件，并自动或手动进行报文分析，通过MMI 给出直观的分析结果，同时它还提供高效的查询手段和统计功能，帮助用户检索故障信息和对网络进行评估。在数字化变电站中，报文分析系统接入及运行不会对原系统通信网络的安全性、实时性与稳定性造成任何影响。其结构如图1所示。

图1 网络报文分析系统结构示意图

1）分析仪

分析仪由分析主机和显示器组成，能够实现MMS、GOOSE、SMV 网络在线通信状态监视，并通过各种画面报表、记录、曲线和文件显示出来。可对MMS 报文、GOOSE 报文、SMV(IEC 60044-8)报文开展离线分析。

2）记录仪

主要用于站控层网络（包括MMS A、B 双网，以及保护信息系统的MMS C 网）、间隔层网络（包括110 kV GOOSE A、B 双网；220 kV GOOSE A、B 双网）以及过程层网络的通信报文数据进行记录与分析。

1.2 报文分析系统主要功能

1）报文记录与数据存储

报文分析系统能对IEC61850 通信网络通信全过程进行报文记录（带绝对时标的完整网络通信报文）与数据存储，包括MMS 报文、GOOSE 报文以及SMV 采样值报文的记录存储。记录过程对原有通信网络不产生任何影响，不产生任何附加报文。同时，即使在记录仪出现故障、死机或断电的情况下，对原有通信网络也不产生任何影响[2]。记录仪能够在变电站现场环境下连续循环存储通信网络的原始数据，即在达到最大存储容量时进行循环存储，能够保证存储最近一周的通信原始报文。连续存储的最长时间根据网络流量的不同而不同，与系统配置的硬盘容量大小有关。

2）报文分析

报文分析系统可以手动（或自动）从记录仪下载历史报文，并通过规约分析模块对历史报文按逻辑通道进行离线式报文分析，能够直观显示通信规约详细信息，如报文类型、报文内容等，如图2所示。功能 1 区能够对数字化变电站内的 MMS、GOOSE 和SMV 报文进行点对点的归类筛选；功能2 区能够根据装置IP 信息给出简单的分析结果，同时具备对网络地址（MAC 和IP 地址）、TCP 连接、TCP 报文重发等进行统计的能力；功能3 区能对MMS 报文、GOOSE 报文内容进行解析，显示报文包含的数据信息与数据量具体参数值，如GOOSE StNum 与GOOSE SqNum 变化数据、SMV 报文结构、SMV 连续性分析、SMV 采样点间隔分析等。

3）在线监视

报文分析系统一方面实时监视变电站网络通讯，主要对网络节点数量变化、网络节点地址变化、节点连接关系变化进行监视；另一方面实时监视采样值（SMV），分析采样值完整性、频率稳定性、数据同步性等信息。

2 网络设计与接入

2.1 220kV 三乡数字化变电站网络结构

图2 报文分析系统MMI 界面功能图

中山220kV 三乡变电站系统网络由过程层、间隔层GOOSE 网络（包括110kV 和220kV GOOSE 网络）、站控层监控MMS 网络以及站控层保护信息系统MMS 网络构成。其中站控层监控MMS 网络和间隔层GOOSE 网络均采用双星型结构，站控层保护信息系统MMS 网络采用单星型网络结构，如图3所示。

其各网络功能如表1所示。

2.2 分析系统在三乡数字化变电站中的应用设计

根据中山220kV 三乡变电站的网络结构，主要从站控层MMS 通信、保护MMS C 网、220kV 过程层GOOSE 网、110kV 过程层GOOSE 网、采样值网络这5 个方面进行接入监视和记录，整体网络结构设计如图4所示，其对应功能设计如表2所示。

图3 三乡变电站设备结构体系示意图

表1 各网络功能分析对照表

表2 各网络监听功能设计

1）站控层（MMS 网络和保信MMS 网）监听方案

图4 整体应用方案设计图

通过对变电站站控层汇聚交换机进行监听记录，即可对整个变电站的站控层监控MMS 信息进 行全部记录[4]，因此选取站控层汇聚交换机的2 个接口进行监听记录。保信MMS 网方面，选取保护信息子站与汇聚交换机的连接口进行监听记录，可直接对保信子站与各保护装置之间的通信信息进行监听记录。

三乡站MMS 网络均采用PCS9882 交换机组网，可直接配置端口映射功能，实现对汇聚交换机其余端口的监听功能[5]。考虑到网口容量的限制，以及A、B 网相互独立，保护信息系统单独组网，因此将所有A 网数据映射到一个端口上，所有B 网数据映射的一个端口上，保信网络信息单独映射到一个端口，所以共需要3 个端口来完成网络报文记录功能，因此要求站控层汇聚交换机预留2 个网络端口（R1、R2）供NSAR512 通信记录仪接入，保信子站交换机柜中汇聚交换机则需预留1 个网络端口（R3）供NSAR512 通信记录仪接入，如图5所示。

2）过程层GOOSE 网络监听方案

三乡数字化变电站 GOOSE 网络由 110kV GOOSE 网络和220kV GOOSE 网络构成，两个网络均为A、B 双网设计，采用罗杰康RCS-2100 交换机组成双星型网络，如图6所示。

图5 站控层监控MMS 网络和 保信MMS 网络通信监听方案

图6 220kV GOOSE A 网交换机布置图

监听方案设计对GOOSE A 网信息（包含220kV和110kV）使用NSAR512 通信记录仪#2 完成记录功能，对GOOSE B 网信息（包含220kV 和220kV）使用NSAR512 通信记录仪#3 完成记录功能。具体功能布置如表3所示。

表3 GOOSE 网络监听功能分配设计

由于 GOOSE 信息采用组播传送，因此可对GOOSE 的A 网和B 网分别各指定一个交换机接口即可进行监听记录，如果GOOSE 信息进行了VLAN划分，需对交换机进行设置，将监听端口划入各个VLAN。

由配置图5可知，220kV 的GOOSE 交换机均与1 号汇聚交换机相连，因此通过汇聚交换机的一个端口即可对GOOSE 网信息进行监听记录。结合现场考察后，可用交换机的12 口作为监听记录端口。用NSAR512 通信记录仪#2 的记录口4 记录A网GOOSE 信息，使用NSAR512 通信记录仪#3 的记录口4 记录B 网GOOSE 信息，如图7所示。

3）采样值网络

由于采样值采用IEC 60850-9-1 标准点对点传送，若进行全过程全记录，则需要配置大量的NSAR512 通信记录仪，因此可对采样值的记录采用针对性的记录，配置NSAR512 通信记录仪#4，以记录口1-3 进行记录，将需要监视的合并单元（MU）通过光电转换器直接连至上述记录端口。记录端口4 则记录保护MMS C 网的通信信息，如图8所示。

图7 220kV 过程层GOOSE 网络通信监听端口布置图

图8 采样值网络监听方案

3 报文分析系统应用问题分析

3.1 记录仪与分析仪时标不一致

因为报文分析系统中记录仪记录的各类报文数据需要打上时标进行存盘，而历史数据时间检索条件则是基于分析仪的时间进行筛选，当记录仪时间与分析仪时间不一致时，按照某个时间段检索出来的内容将会是另一个时间段的内容，即检索结果与检索条件不对应，如果根据保护装置实际跳闸时间进行数据检索，将检索不到该时刻的动作信息，导致动作信息难以查找，给运行维护分析人员带来极大的不便。针对此问题，可在报文分析系统中考虑增加GPS 对时接收模块，由变电站GPS 时钟源统一对时，确保报文分析系统中各个装置时间一致，从而避免上述情况发生。

3.2 GOOSE 跳闸信息收集与分析

当保护装置动作，发出GOOSE 跳闸命令时，应开展GOOSE 跳闸信息的收集工作，并通过报文分析系统对其跳闸GOOSE 数据包进行分析，判断其数据准确性与网络传输延时等数据是否正常，确保数字化变电站的MMS、GOOSE、SMV 网络能够继续正常运行，时刻掌握网络健康水平，确保装置、网络的运行可靠性与稳定性。

3.3 与综自系统厂商的配合问题

由于报文分析系统的厂商往往与变电站综自系统厂商不同，两者在对一些规约细节的理解上存在差异，且报文分析系一定程度上依赖于综自系统厂商实际使用的SCD 文件与规约文本代码。因此，如果综自系统厂商的SCD 文件以及规约源代码不完全对报文分析系统厂商开放，将会大大影响分析系统的数据监听功能。

3.4 日常维护与巡视

报文分析系统作为数字化变电站运维的一种辅助系统，对站内智能设备、数字化保护装置、网络状态等存有详细的分析数据，可以通过数据实现某种程度上的设备状态评价，以达到检测装置、网络健康水平的目的，所以其日常巡视与维护工作不可忽视，应当加强巡视时候的维护工作，确保网络报文分析系统在任何时刻都能详细记录数字化保护设备的各种动作信息，以实现对动作信息、传输数据完整性的分析目的。

4 结论

与传统的综合自动化变电站不同，数字化变电站的网络通信涉及到采样及跳闸过程，变得越来越重要[6]。报文分析系统能够实时记录所有智能设备之间的报文，实现MMS、GOOSE、SMV 报文的监听，为分析通信故障提供了依据，同时为检验智能设备是否正确可靠的动作提供了依据。但是，现阶段报文分析系统与变电站自动化监控系统还未实现互联，报文分析系统产生的告警信息无法接入变电站自动化监控系统。今后需进一步完善相关功能，使报文分析系统成为数字化变电站中一种必不可少的辅助决策系统。

[1] 李兆祺,张旗,徐绍会.网络报文分析系统在智能变电站中的应用[J].2011年电力行业信息化年会论文集,2011.

[2] 谭文恕.变电站自动化系统的结构和传输规约[J].电网技术,1998,22(8):1-4.

[3] 中华人民共和国电力行业标准.变电站通信网络和系统第7-2 部分:变电站和馈线设备的基本通信结构-抽象通信服务接口(ACSI).

[4] 胡春潮,蔡泽祥,竹之.提高数字化变电站关键报文传输可靠性方法研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(9).

[5] 夏勇军,苏昊,胡刚,董永德.数字化变电站研究现状与应用展望[J].湖北电力,2007,31(3):9-12.

[6] 高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008.