智能变电站实验室方案书.doc

xx电力公司科技项目方案书项目名称：智能变电站实验室 目 录1.背景22.总体框架23.关键技术33.1模型检测33.2虚端子连线检测43.3网络通信的监视和分析44.技术原理44.1模型检测44.2iec61850通信测试54.3iec61850服务器端通信服务模拟54.4iec61850通信记录分析65.实施方案75.1使用标准75.2模型检测工具75.2.1装置模型文件（icd）检测75.2.2变电站配置文件（scd）检测85.2.3工程实例化装置配置文件（cid）检测85.3iec61850通信测试工具85.3.1实现iec61850客户端功能85.3.2goose发布/订阅功能95.3.3报文回放95.4iec61850服务器端通信服务模拟工具95.4.1模拟服务器端的通信服务95.4.2对点及雪崩测试105.4.3模型文件动态正确性测试105.5iec61850通信记录分析系统105.5.1mms/acsi分析105.5.2goose分析115.5.3sv分析115.5.4事故波形记录及分析125.5.5异常/错误分析125.5.6查询/统计125.5.7网络通信分析126.配置清单12161. 背景目前国家智能电网是使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机的电力传输与分配网络。通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，最终用以改善电力传送，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。智能变电站的建设是建立坚强智能电网的关键环节，应加快智能变电站建设的步伐，提高电网运行的智能化水平，节省人力资源，提高生产效率。为了满足这些要求，需要对使用的新技术和设备进行严格的检测，来尽可能的保证运行的稳定性、安全性，同时提高工作效率。因此，有必要建设智能变电站实验室。智能变电站在集成化、一体化、紧凑化和信息共享等方面也提出了要求，这是智能变电站实验室建立的有利条件；同时智能变电站实验室也是开展智能电网发展与建设的迫切需要，是电网发展的必然要求。智能变电站与传统变电站相比出现了很多新的技术和变化，尤其是过程层数字化、通信网络化及标准化、信息模型化，影响到了智能变电站的设计、工程实施和运行维护等多个环节，使得传统的测试手段及设备不能满足智能变电站及其设备的测试需要。另一方面，智能变电站所采用的iec 61850标准技术面向国际化的特点及其复杂性，不同的设备供应商对其理解和实现存在差异，影响了互联互通，由于缺乏相应的工程化规范及方便、直观的测试手段，使得问题的排查非常困难。基于上述考虑，本项目通过对智能变电站实验室建设及检测的研究，建立二次系统设备及网络的检测平台，提高设备互操作性，加快智能变电站及其技术的发展及普及，提高工程实施及运行维护的效率和水平，为后续智能变电站的建设提供技术支撑；实验室也可作为相关工作人员和技术人员的培训和研究平台。同时智能电网发展会不断有新需求和新技术研究，可在本项目的研究成果基础上开展前期技术积累与实践工作，为后续大规模推广应用做好技术储备。2. 总体框架智能变电站实验室主要包括2部分设备：智能变电站设备及检测设备。实验室的建设需要从变电站的设计、调试、检测、运行维护等多个环节考虑，按照智能变电站的3层（站控层、间隔层、过程层）网络结构搭建，包括主要常用的设备（数字化保护/测控、智能终端、合并单元、监控/远动、数字化录波器、gps等），形成小型但涉及全面的智能变电站。智能变电站实验室同时负责对设备及故障的检测和分析，需要研究和配置相应的检测技术、手段和设备，主要包括iec 61850的模型检测、网络通信记录和分析、虚端子连线测试、通信服务模拟等。智能变电站实验室示意图在上图中示意的智能变电站实验室按小型的智能变电站搭建，并配置了用于检测的工具和设备。其中，网络通信分析仪、记录仪、模型检测工具等用于对各厂家二次设备的模型及通信服务进行检测；测试仪/模拟断路器用于测试的输入和出口。3. 关键技术3.1 模型检测iec 61850 中针对二次设备模型定义了相对比较复杂的建模规范，而在实际工程应用中经常发现设备的模型存在错误或不规范的情况，影响了设备的互操作性，因此需要研究更为适用和更有效的模型检测方法和手段，能够快速的发现模型存在的问题，并给出分析建议；国内发布了面向工程的实施规范，目的是为了减少工程应用中不必要的分歧或问题，有效提高工程实施效率，这也是模型检测研究的关键内容之一。3.2 虚端子连线检测智能变电站信息数字化和通信网络化后，二次回路设计发生了很大变化，由传统的硬连线变为基于模型和通信报文的虚回路设计，即虚端子连线，使设计、工程实施和运行维护的难度加大。目前还缺乏具有指导性的二次回路连线设计规范和方法，以及连线正确性的测试手段。本项目针对这些问题主要研究如何进行有效且便捷的虚端子连线正确性测试。3.3 网络通信的监视和分析智能变电站网络化程度提高，出现了很多网络通信方面的问题，甚至有些复杂的通信问题无法复现、测试和分析。本项目通过多方面研究，包括通信服务及功能的测试、模拟，以及网络通信的监视和分析，实现更加方便和直观的通信测试及分析工具。4. 技术原理4.1 模型检测变电站配置语言（scl）定义了iec61850模型（icd/scd/cid）的格式规范、内容及扩展规则。scl是基于xml标准的行业扩展，根据scl定义的schema，大多数xml解析器都可以实现icd/scd/cid的格式良好性和schema合法性检测，其他的检测针对模型内容和工程实施规范。从xml角度，模型文件只是格式良好、schema合法的文件；但从iec61850的角度，模型文件中的几乎每个节点内容都是有实际意义的，更多的是根据名称和内容格式综合判断，实现检测的目的。如虚端子规范定义了相关节点的名称和格式，就可以检测icd/cid中虚端子的规范性；scd中虚端子的信息更丰富，按照标准/规范就可以检测二次回路虚端子的定义、连接，并输出。动态合法性检测基于标准定义的acsi从装置获取模型，然后与静态模型比对。所使用的acsi都是标准中规定为装置必须实现、支持的，因此使通用、合理的。4.2 iec61850通信测试与模型的动态合法性检测类似，通信测试工具可以在线获取装置的模型。并按照scl的定义形成模型树，为了使用的方便和关键技术的突出，会对模型树面向功能做一些调整。在测试工具和装置之间，通过对标准acsi所定义的数据格式和服务流程的支持，实现大多数acsi映射到mms的读写服务的可能性。通信测试包括mms/acsi、goose和sv。这些测试严格遵循标准定义，如通过标准的acsi实现遥控、定值操作、录波等操作功能，接收并分析装置上送的报告。在智能变电站中，goose的可靠性尤为重要。为了传输的可靠性，goose在稳定状态下以较长的周期发布，如果发生变化，马上发布，之后以较短的梯形时间周期发布（各厂家实现略有差异），直到稳定状态下的周期发布。这种发布机制是为了保证变化信息的及时传输，提高goose的快速性和可靠性。另外，goose基于vlan和优先级的网络传输，同样是为了保证goose的快速性。每个发布的goose都有允许存活时间信息（类似于ip的ttl作用），订阅者根据该时间检查goose通信中断。goose报文中有状态序号和重发序号计数器，用于标识goose的状态和发布情况，如重发序号为0表示goose变化，大于零表示为重发的报文。测试工具完整模拟goose的发布机制，并对订阅的goose按照同样的机制进行分析和检测。4.3 iec61850服务器端通信服务模拟有时需要对监控系统等iec61850客户端系统和设备进行对点和服务测试，或者进行雪崩试验测试网络负荷情况及客户端处理能力等。通常这些测试需要实际的间隔层设备和测试仪才能完成，雪崩测试则需要更多的设备。准备这样一个测试环境并不是很方便，往往是准备测试环境时间超出了实际测试的时间。因此，有必要对间隔层设备等服务器端通信服务进行模拟，并可以模拟置数，为上述测试提供方便的途径。iec61850服务器端通信服务模拟工具可模拟iec61850服务器端的通信服务，进行雪崩测试，也可以用于验证各厂家模型文件（icd/cid）的动态正确性；或者模拟信息、接受下行操作命令等，对iec61850客户端进行对点和服务测试等。通过这些模拟功能，缩短工程调试周期，为工程实施带来最大便利。4.4 iec61850通信记录分析在智能变电站中，对网络传输的可靠性要求很高。因此，通常会针对实际情况，划分多个物理子网络，记录仪对所有这些网络上的通信报文进行监视和记录，作为分析仪的原始报文数据。交换机是非共享式的报文交换，一个目的明确的报文只发往“目的”端口，而不是其他无关端口；“镜像”是指将一个端口的报文“复制”，发往另一个端口（镜像口），需要通过交换机的镜像配置实现；原理上，交换机的一个或多个端口可以被镜像到其他一个或多个端口；很明显，复杂或过多的“镜像”会影响交换机性能；使用的交换机必须支持镜像功能。通过镜像后，所有报文就可以流经至记录仪的监视网口，但只有目的地址匹配（网卡地址，加入的组播，广播），网卡才接收，否则丢弃；因此，需要设置监视网口为“混杂”模式，是指什么报文都接收，是网卡的一个隐性配置功能。goose和sv通常基于vlan传输。vlan，即虚拟局域网，是在物理网络上划分逻辑子网（vlan），使得报文仅在需要的逻辑子网内传输，而不是整个物理网络；如果要接收多个vlan的报文，就必须同时被划分在这些vlan中，vlan的划分方式很多，由具体工程确定使用的划分方式。实际网络中，为了避免性能降低及网络风暴，报文总是在一个小范围传输，不可能从一个监视网口接收到所有报文。“监视”首先要让所有的网络报文到达监视网卡（端口镜像，vlan划分），其次是让监视网卡接收这些报文（混杂模式）。实际安装配置时，根据变电站网络划分要求和网络流量，通过多个记录仪/监视网卡分散实现对所有报文的监视，即每个网卡只监视一部分网络报文。根据iec61850通信过程的特点，信息点的类型定义和值通过不同的服务传输，即读定义和读值服务，写值也不含类型信息。而系统是被动监视，不参与变电站运行实体间的通信，也就无法通过服务获取读写值报文中信息点的类型信息，导致应用分析无法给出值对应的类型信息，使得分析不是很清晰。可以根据iec61850标准中已经定义的类型信息（如报告成员定义及其在报文中的组织方式，遥控类型结构定义等），分析输出报文中数据对应的类型信息；其他符合scl规范，但又灵活定义的信息类型，可以通过解析静态模型，或动态服务（在安装调试时）获取，形成信息点路径与其类型映射关系配置，在分析时，由路径从配置中找到对应的类型定义。5. 实施方案5.1 使用标准iec 61850dl/t 860tcp/iprfc 1006iso 9506（mms）asn.1智能变电站导则q/gdw 3835.2 模型检测工具模型检测工具包括装置模型文件（icd）、变电站配置文件（scd）及工程实例化的装置模型文件（cid）的检测，作为kema实验室、中国电科院等检测机构的补充，同时提供针对dl/t860工程实施规范、南网电网数字化设计规范等的检测，以及面向工程实施的检测；检测中如果发现问题，给出提示，所有检测结果输出报告。5.2.1 装置模型文件（icd）检测包括静态合法性检测、动态合法性检测、动静态模型比对和虚端子检测等。静态合法性包括：格式良好性，schema合法性，是否遵循工程实施规范，厂家一致性申明验证（如支持的服务，最大的报告实例等）。动态检测从装置获取模型，对获取模型进行有效性检测，然后与静态模型比对；装置运行实例化后的一致性检测，如实例化是否正确，支持的最大关联和报告实例数检测，信息点的描述是否符合要求等。根据二次逻辑回路设计规范（虚端子规范），检验icd文件是否按照规范要求对装置所提供的输入输出端子进行了明确定义，虚端子的描述是否符合要求。5.2.2 变电站配置文件（scd）检测检测scd的格式良好性、schema合法性、拓扑连接信息、地址信息等。依据二次回路设计规范（虚端子规范）以及设计院提供的设计结果，检验scd文件所包含的各ied模型是否满足要求；同时，ied模型间的二次回路连接信息是否与设计院提供文件一致、配置是否正确，网络构成、初始参数是否正确。对scd进行解析处理，提取二次回路虚端子信息，以使用者方便的方式（例如表格）将二次回路信息显示出来。使用者将从scd提取的信息，与设计图纸进行比对，判断scd文件是否与设计院文件一致5.2.3 工程实例化装置配置文件（cid）检测依据iec61850标准、dl/t860工程实施规范对系统配置器输出的cid文件合法性进行检测，判断其是否满足这些标准或规范的要求。判断是否对二次信号进行了标示、是否定义了信号的传输方式、初始参数是否设定等。5.3 iec61850通信测试工具测试数字化保护/测控的通信一致性，测试时面向功能进行。通过该工具主动发起通信过程，通过与被测试保护装置通信测试其功能；对装置的压力测试，如长期通信，频繁关联/释放，建立多个客户端连接，发起重负荷通信服务等，尤其是在复杂的goose发布网中，对装置goose过滤及订阅处理能力的测试。5.3.1 实现iec61850客户端功能在线读取装置模型，并显示为面向应用和技术的模型树。实现客户端面向应用的操作功能，如遥控、定值操作、录波召唤等，以及面向iec61850技术的操作功能，如使能报告控制块、接收报告，读取模型实时值等；能够模拟传统监控后台或故障信息子站与保护装置进行通信，完成四遥、录波文件调用、定值切换等功能。能够检测装置通信中断，具备双网切换检测功能。如果通信过程失败，工具会提示必要的信息，帮助使用者判断失败原因。5.3.2 goose发布/订阅功能可读取scd文件，并模拟任意设备的goose输出端子进行数据发布，结合接收装置相应的动作反应（如面板点灯、对应保护事件），检测goose信号传输是否与二次回路设计相符。也可以完全人为定值发布的goose数据格式，使用不同的测试需求。goose发布完全模拟标准规定的发布机制，可以修改发布的数据值，模拟变化goose；可以订阅其他装置发布的goose，并检测订阅goose，即装置的goose发布是否正常。5.3.3 报文回放回放通信记录分析系统监视、记录的报文，检测保护装置是否能够正确出口、保护之间的配合是否正确。5.4 iec61850服务器端通信服务模拟工具iec61850服务器端通信服务模拟工具可模拟iec61850服务器端的通信服务，进行雪崩测试，也可以用于验证各厂家模型文件（icd/cid）的动态正确性；或者模拟信息、接受下行操作命令等，对iec61850客户端进行对点和服务测试等。通过这些模拟功能，缩短工程调试周期，为工程实施带来最大便利。5.4.1 模拟服务器端的通信服务iec61850服务器端通信服务模拟工具由模拟器终端及模拟器控制台组成。模拟器终端可以读入设备模型文件（icd/cid），或者从变电站配置文件（scd）中读入指定的设备模型，然后进行解析并分解为模型树，为每个模型数据对象分配一个数据生成器，通过数据生成器产生状态序列，并下传到模拟器控制台。模拟器终端与模拟器控制台可相互通信。模拟器控制台自动检索并解析模拟器终端分解出的已配置的设备模型，创建iec61850数据库，有序组织iec61850模型引用路径信息，根据数据生成器对应的模型引用路径寻址iec61850数据库，实时刷新iec61850数据库状态，通过iec61850与客户端系统，如监控系统等交互通信，从而完成iec61850服务器端的模拟。每个模拟器控制台就是一个模拟的服务器端，所有模拟出来的服务器端统一在模拟器终端进行管理。iec61850客户端，如监控系统，可以与每个模拟出来的服务器端建立关联通信，进行各种服务和功能测试。可以模拟10个或更多的服务器端，主要取决于测试环境，如计算机的处理能力。5.4.2 对点及雪崩测试在工程实施中，可能经常需要对监控系统、远动等iec61850客户端进行对点测试；或者进行雪崩试验，测试网络负荷情况及客户端系统的处理能力等。数据生成器用于对模拟的服务器端进行置数模拟，提供了多种模拟数据生成方式，可手动触发，也可定义一定的模拟规则序列，以达到更好的仿真模拟效果。通过多个模拟的服务器端为模拟雪崩测试提供了可能性。由于所有被模拟出来的服务器端都在模拟器终端统一管理和控制，模拟雪崩试验就很方便；在模拟器终端对各模拟的服务器端进行置数，然后统一触发，保证了雪崩测试的实效性。5.4.3 模型文件动态正确性测试模拟的服务器端可以加载任何厂家的设备模型文件。加载、解析和生成模型树等遵循标准、通用设计，因此可以测试设备模型文件是否可被正常加载处理，提示处理过程中的异常和错误信息；加载后生成动态模型树，可以通过iec61850客户端测试工具等测试动态模型的实例化情况。5.5 iec61850通信记录分析系统实时监视、记录变电站内的所有通信报文，并保存为记录文件，作为分析系统的原始报文数据。分析主要面向iec61850通信协议，包括mms、goose和sv等报文的原始数据解析，应用分析，各种错误/异常分析，绘制goose变化状态图和sv曲线视图；同时提供各种查询/过滤功能，方便使用者针对性的事件查询/分析。能够适应各种复杂的网络情况，并能够分析出通信中各种异常/错误。监视、记录完整、可靠，分析清晰、专业、可信。5.5.1 mms/acsi分析分析mms，并详细分析每个acsi；依据标准，分析报文中数据的结构成员及其值，使分析结果更加准确和清晰。同时分析mms/acsi的过程错误，如遥控失败，mms请求/响应不匹配等，对每个异常/错误都进行定义和分析，并提供方便的过滤功能。5.5.2 goose分析详细分析goose报文的每个成员，并按照goose报文的发布机制，分析装置goose发布的正确性，以及变化goose、装置复位等；同时，分析指出goose状态序号和重发序号的变化错误等，以及goose的变化状态视图。能够跟踪记录goose报文的二次逻辑回路信息（包括goose报文中的：appid、版本配置、组播地址、数据集内容等标识信息），并对逻辑回路相关信息（例如goose控制块、数据集名称、数据集成员等）的变化情况进行实时监视和记录。goose状态序号stnum和重发序号sqnum变化规则分析序号stnumsqnum说明10任何一个goose报文，stnum的值0保留，不允许使用211stnum和sqnum递增溢出需要很长的时间，因此可不考虑溢出的情况；stnum为1，认为是装置复位，且sqnum也应该为1；当前报文不与其前面的报文比较3104保持不变保持不变可能是重复报文；goose重发或变化，stnum和sqnum至少有一个在递增5保持不变递增不连续每重发一次，sqnum应该递增16保持不变01、可能是goose变化，stnum应该递增，实际未变；2、可能是sqnum溢出后未从1开始7递增非0goose变化，stnum递增，sqnum应该为08递增不连续goose每变化一次，stnum递增15.5.3 sv分析能够支持iec61850-9-1、iec61850-9-2（或iec61850-9-2le）格式，可实时监视并记录sv报文。依据iec61850-9-1、iec61850-9-2、asn.1规范、dl/t860工程实施规范对sv通信过程，包括通信机制、报文编码等进行检查，如发现不符合项，标记出来，并给出提示信息。分析sv报文的每个通道数据，并绘制曲线。5.5.4 事故波形记录及分析根据所记录的goose开关量，结合sv记录数据，可直观显示事故期间的goose开关量和模拟量波形，方便事故分析。5.5.5 异常/错误分析分析通信报文中的各种异常/错误，如编码错误，mms/acsi过程错误，goose机制错误等。装置通信建立、中断等统计分析。5.5.6 查询/统计提供丰富的查询/过滤功能，除基本的按时间段、ip地址、mac地址等查询外，还提供按mms/acsi类型查询，异常/错误查询；以及面向报文特征的查询，如根据goose的appid、vlan id、控制块路径等查询，或变化goose查询。5.5.7 网络通信分析可监测网络流量，对流量异常、数据异常的端口节点予以告警，评估网络风暴。分析网络会话过程，统计并绘制网络流量视图，网络协议分布视图等。6. 配置清单智能变电站实验室配置货物清单单价分析表金额单位：人民币万元序号组件材料费用项目名称型式规格，参数单位数量备注1主机柜（每套含）套11.1监控主机浪潮nf5280m2（待定）处理器字长：64位；cpu：2路（双核/路）；主频： 2.0 ghz；内存： 4 gb；显存： 512 mb；硬盘： 1t；网卡数量： 2 块；网卡速率： 1000 m；光驱：dvd刻录 52xdvd；操作系统： unix台11.2显示器优派显示器尺寸：22led液晶 分辨率： 1440x900 ；鼠标、键盘： 1 个台11.3gps对时装置csc-196台11.4站控层交换机东土sicom3024p-24t24电台11.5过程层交换机16光3电（千兆电口）rsg2100台31.6屏柜2260*800*1000面12操作员站套12.1操作员站hp-z600（待定） 处理器字长：32位；cpu：2路（双核/路）；主频： 2.0 ghz；内存： 2 gb；显存： 512 mb；硬盘： 1t；网卡数量： 2 块；网卡速率： 100 m；光驱：dvd刻录 52xdvd；台1放在控制台上2.2显示器优派显示器尺寸：22led液晶 分辨率： 1440x900 ；鼠标、键盘： 1 个台1放在控制台上3网络通信记录分析试验系统套13.1网络通信记录仪研华uno4672（带智能网卡）内存：2g，硬盘：1t 台1放在控制台上3.2网络通信分析仪hp-z600（hp待定） 处理器字长：32位；cpu：2路（双核/路）；主频： 2.0 ghz；内存： 2 gb；显存： 512 mb；硬盘： 1t；网卡数量： 2 块；网卡速率： 100 m；光