无人值守变电站网络监控系统

张书伟，多 恩，石洲华，赵丽萍，张雪岩， 李永刚

(1.国网冀北电力有限公司张家口供电公司， 河北 张家口 075000；2.国网冀北电力有限公司北京博望华科科技有限公司， 北京 100000)

1 引言

随着电网的飞速发展，建设无人值守变电站及集控站已经成为电网运行、管理、生产的必然选择。无人值守变电站主要通过安装计算机在线监测系统来监视设备运行状态、电网的运行参数以及自行检测与诊断自身的异常情况，并通过通讯网络，将信息和数据上传至上一级电力主管部门的计算机系统(包括必需的各种量值、潮流方向、开关电器的位置、变压器调压分接头位置、补偿电容器投切组数等)。

影响变电站真正实现无人值守的原因之一是监控系统、远程工作站运行的可靠性有待提高。为保障无人值守变电站运行的稳定性及可靠性，及时有效地发现、排除变电站电气设备运行故障显得尤为重要。远传系统经常发生误发信号、通讯中断等问题，使得值班人员对监控系统的可靠性产生怀疑。在电力系统实际运行中，变电站终端设备通讯中断时有发生，若现场同时发生异常跳闸事故，则主站将不能获取异常跳闸事故的重要报文信息，失去对故障的判断能力，严重危害了系统的安全稳定运行。

文献[1]提出在电力系统实际运行中，变电站终端设备通讯中断时有发生，若现场同时发生异常跳闸事故，则主站将不能获取异常跳闸事故的重要报文信息，失去对故障的判断能力，严重危害了系统的安全稳定运行。这些通讯中断缺陷主要包括单一间隔设备通讯中断、同时多间隔设备通讯中断、全站设备(某一通道)通讯中断三大类。变电站内发生单一间隔设备通讯中断是较为普遍的缺陷。站端同时发生多间隔设备通讯中断时，交换机、保护管理机这类设备硬件损坏导致通讯中断的事件时有发生。全站设备通讯中断不常发生，但主站若发生站端某一通道通讯中断则较为普通，站端通讯中断的原因可分为两大类：一是远动机程序进入循环导致通道上产生大量数据而不向主站上送新数据；二是通信回路物理连接发生错误。文献[2]中，变电站通讯中断原因是由于设备间通讯速率不匹配，逐步占据所有可用的网络数据储存器缓存，进而造成所有的网络数据都发不出去。文献[3]中，变电站通讯中断原因是交换机过热保护频繁重启，最终引发网络风暴，造成网络通讯中断。

本文在前期理论研究及针对无人值守变电站现场通讯中断问题调研的基础之上，提出并实现了一种无人值守变电站网络监控系统。本文给出了无人值守变电站网络监控系统的组成结构，并详细介绍了系统的软件设计开发过程。

2 系统总体设计方案

无人值守变电站网络由路由器、交换机及各种监控设备组成。各变电站的图像数据信号经过各级交换机、路由器上传至监控中心。

无人值守变电站网络监控系统由网络监控管理终端、数据处理服务器及手机APP组成。网络监控管理终端采用SNMP协议对网路进行监控管理[4]，通过对无人值守变电站路由器/交换机的状态信息实时监测，实现对无人值守变电站网络的监控。通过对监控数据的分析，及时发现通讯中断的设备、网络通讯流量异常、设备过热等问题，并生成网络异常信息记录并上报给数据处理服务器，或以短信的方式告知指定的手机用户。此外，数据处理服务器还能以手机APP推送的方式发送信息给指定的用户。手机用户可以通过手机APP查看管理权限范围内的网络监控管理终端设备的数据记录。系统总体框图如图1所示。

图1 系统设计框架

3 系统主要功能模块设计

3.1 网络监控管理终端

网络监控管理终端主要包含如下功能。

(1)通过SNMP协议查询路由器/交换机接口信息：是否开启监测功能、是否开启日志记录功能、是否开启实时告警功能、是否开启流量记录功能、接通状态等。

(2)监测接入设备的IP地址与MAC地址：检测路由器/交换机各接口接入设备的IP地址与MAC地址，及时发现设备的接入断开情况，以便上报处理。

(3)监控当前TCP、UDP通讯状态：监控TCP频繁重连等异常现象。

(4)配置查询设备的网络安全策略：如对路由器进行ACL、IP选项过滤、uPPF、QoS、RTBH、QPPB配置。

(5)通过上述信息与本设备配置表，比较分析出当前网络异常状态：如上述的设备接入/断开、TCP异常，设备通讯流量异常等。

(6)按照用户配置的记录上报规则，及时上报异常记录、统计数据给数据处理服务器。

(7)支持本地网络(本地维护网络端口)、串口对监测设备信息配置、MIB表更新、抄读策略、上报策略、安全策略等参数的修改；查询当前网络运行状态、网络运行历史数据、TCP状态、流量统计等。

(8)支持使用被授权的手机远程查看当前设备网络运行状态、异常记录及网络数据统计(各设备日月流量统计、TCP断线重连次数、IP和MAC变更记录等)。

网络监控管理终端采用ARM嵌入式微处理器为主控核心，硬件设计结构如图2所示。

网络监控管理终端软件结构如图3所示。

3.2 数据处理服务器

数据处理服务器的主要功能是定时采集网络监控管理终端的接入设备信息及网络拓扑图、TCP/UDP通讯状态、异常记录、网络数据统计等信息；响应网络监控管理终端上报的异常信息并把异常信息已推送的方式(安装手机APP管理软件的用户)/短信的方式发送给绑定的手机用户；响应处理手机APP管理软件登录、查询、设置等操作(不同的用户管理权限不同)。

图2 硬件设计结构

图3 软件设计结构

3.2.1 数据字典

根据系统需求，设计数据表如表1所示，总计18个数据项。

表1 数据字典

3.2.2 数据结构

数据结构如表2所示。

表2 数据结构

根据以上分析，设计数据逻辑关系模型如下(注：下划线加粗体表示主键，波浪线表示外键)：

变电站信息表(厂站编号，地址，名称)。

用户信息表(用户编号，用户手机号，用户名，用户密码，用户邮箱)。

终端信息表(记录日期，终端编号，终端数据)。

网络管理终端信息表(终端编号，厂站编号，终端地址)。

权限信息表(权限编号，终端查询，终端配置，安全策略配置，用户信息修改)。

用户、权限、变电站关系表(编号，用户编号，厂站编号，权限编号)。

3.2.3 数据库关系

数据处理服务器数据库结构关系如图4所示。

图4 数据库关系

3.3 手机APP设计

用户可以通过手机登录数据处理服务器，该用户可以使用权限范围内功能操作，并接收主站的异常推送信息。

手机APP软件分为三层，即底层接口层、业务逻辑层、用户界面层。底层接口层涉及网络通讯、文件目录管理、配置文件。业务逻辑层包括用户登录处理、权限管理、与数据处理服务器通讯管理、推送管理、获取的数据处理。用户界面层包括用户登录界面、变电站选择界面、变电站网络拓扑结构图界面、网络监控管理终端选择界面、网络状态表界面、事件记录查询界面、TCP/UDP通讯监测界面、安全策略管理界面。如图5所示。

3.3.1 手机软件系统功能模块

手机APP软件主要功能：用户权限管理、通讯管理、推送管理、数据管理、数据解析、功能管理、拓扑图管理、安全策略配置、用户界面，系统详细的功能模块如图6 所示。

图5 手机软件总体架构

图6 手机软件系统功能模块

用户通过用户名和密码登陆后，根据访问权限，系统为用户提供相应的服务需求，包含变电站选择，变电站网络拓扑图以及查询安全配置等。数据处理服务器可以通过通讯管理向用户推送异常信息，以便用户及时掌握变电站网络运行状态，及时排查网络故障。

3.3.2 手机软件界面设计

手机APP软件主要功能界面设计如图7，8所示。

图7 变电站选择界面和网络拓扑

图8 监控管理终端选择和数据查询主界面

如图7所示，变电站选择界面向用户提供变电站名称以及变电站地址；根据所选择的变电站可以查询变电站的网络拓扑图。如图8所示，监控管理终端选择界面向用户提供终端地址和变电站名称，选择相应的终端可以查看该终端的网络状态表，事件记录，TCP/UDP通讯监控以及历史网络状态记录查询。

4 结语

本系统通过对无人值守变电站网络状态的实时监控，可以及时发现监控网络的异常情况，并及时把情况通知给用户。这不仅方便变电站用户及时发现处理网络中断问题，而且还可以 根据监控到的网络流量数据、TCP/UDP状态记录等数据分析出中断产生的原因。此外，根据检测到的网络状态数据来 分析网络使用情况，以预防网络中断的发生，为无人值守变电站网络维护人员提供了极大的便利。