网络分析仪在智能站的作用

1、网络分析仪在智能站中的应用1.1 传统变电站向智能站的变革随着IEC 61850 通信建模标准的分阶段颁布实施和电子式互感器技术、智能开关技术、计算机网络通信技术的发展，以及国家建设坚强智能电网的战略发展规划的快速推进。变电站综自技术进入了数字化、智能化时代。数字化变电站的建成投产也为电网数字化建设奠定了基础, 在变电站发展历程史上具有划时代的意义, 是一次变电技术的革命。智能变电站相对于传统变电站有众多明显优势：1、高性能 通信网络采用统一的通信规约IEC 61850 , 提高了设备之间的互操作性，不需要进行规约转换, 加快了通信速度, 降低了系统的复杂度和设计、调试和维护的难度, 提高了通

2、信系统的性能。数字信号通过光缆传输避免了电缆带来的电磁干扰, 传输过程中无信号衰减、失真。无L 、C 滤波网络, 不产生谐振过电压。传输和处理过程中不再产生附加误差, 提升了保护、计量和测量系统的精度。光电互感器无磁饱和, 精度高, 暂态特性好。2、高安全性 光电互感器的应用, 避免了油和sF 6互感器的渗漏问题, 很大程度上减少了运行维护的工作量, 不再受渗漏油的困扰, 同时提高了安全性光电互感器高低压部分光电隔离, 使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路可能危及人身或设备等问题不复存在, 大大提高了安全性。 光缆代替电缆, 避免了电缆端子接线松动、发热、开路和短路的危险, 提高了变电站

3、整体安全运行水平。3、 高可靠性，设备自检功能强, 合并器收不到数据会判断通讯故障或互感器故障而发出告警, 既提高了运行的可靠性又减轻了运行人员的工作量。采集器的电源由能量线圈或激光电源提供, 两者自动切换, 互为备用。4、高经济性 采用光缆代替大量电缆, 降低成本。用光缆取代二次电缆, 简化了电缆沟、电缆层和电缆防火, 保护、自动化调试的工作量减少, 减少了运行维护成本。同时, 缩短工程周期, 减少通道重复建设和投资。 实现信息共享, 兼容性高, 便于新增功能和扩展规模, 减少变电站投资成本。光电互感器采用固体绝缘, 无渗漏问题, 减少了停运检修成本。 数字化变电站技术含量高, 电缆等耗材节

4、约, 具有节能、环保、节约社会资源的多重功效。1.2 以太网技术在智能站的应用IEC 61850使用以太网作为基本通信网络，变电站层与远方控制中心之间、变电站层与间隔层之间、间隔层与过程层之间分别通过基于以太网的远动网络、站级网络和过程网络交互信息。使测量、保护、控制、监测等不同专业真正实现信息共享。使不同功能可以方便地得到协调和集成，形成信息高度共享的变电站自动化系统。即基于以太网的变电站自动化系统。由于以太网具有标准化、灵活性、价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，在变电站自动化系统中，为各种特定功能构建的各自独立的专用网络将被全开放的以太网取代。

5、以以太网技术为基础的新一代数字变电站已经成为发展中的新亮点。1.3 变电站通信体系结构研究1.3.1 IEC 61850 标准概述IEC 61850-1绪论（Introduction and overview）。主要介绍了IEC 61850 产生的必要性，以及标准各部分主要内容的简介。IEC 61850-2术语（Glossary）。这部分内容为该标准中变电站自动化系统专门术语词汇表。IEC 61850-3总体要求（General requirements）。介绍了变电站自动化系统内通信系统的质量要求，包括可靠性、可用性、可维护性和安全性等等。IEC 61850-4系统和工程管理（System

6、and project management）。包括变电站内必备硬件配置的定义、功能和信号质量的适应性以及所有具体定义的文档。IEC 61850-5功能和设备模型的通信要求。（Communication requirements forsubstation automation system functions）。内容包括变电站功能和接口的逻辑分配、互操作方法、逻辑节点的概念、PICOM (Piece of information for communication通信信息片)的概念、功能定义的规则、功能分类、逻辑节点列表、逻辑节点和相关的PICOM、逻辑节点分配和交互原理、使用逻辑节点附加原

7、理、PICOM 表结果、报文类型以及动态性能要求。IEC 61850-6变电站智能电子设备（IED）结构语言（Configuration languagefor electrical substation IEDs）。主要介绍变电站配置语言SCL 的对象模型和语言内容。IEC 61850-7变电站和馈线装置的基本通信结构（Basic communicationstructure for substation and feeder equipment）。该部分是整个标准的核心内容，分为四个部分：7-1 原理和模型（Principles and models）；7-2 抽象通信服务接口(Abstr

8、act Communication Service Interface，ACSI)；7-3 公共数据模型（Commondata classes）；7-4 兼容逻辑节点和数据类（Compatible logical node classes and dataclasses）。IEC 61850-8变电站层与间隔层特定通信服务映射（Specific CommunicationService Mapping ，SCSM）。将变电站层的服务映射到具体通信服务，比如说映射成MMS, CORBA。IEC 61850-9间隔层与过程层特定通信服务映射（Specific CommunicationServic

9、e Mapping ，SCSM）。这一部分说明了间隔层和过程层之间通信的特定通信服务映射。该部分标准分为两个部分：9-1 特定通信服务映射通过连续单向多支路点对点连接传输采样值（Specific Communication Service Mapping (SCSM)Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link）；9-2 特定通信服务映射通过ISO/IEC 8802-3 传输采样值（Specific Communication ServiceMapping (SCSM)Sampled values

10、 over ISO/IEC 8802-3）。IEC 61850-10一致性测试（Conformance testing）。系统的一致性进行测试。1.3.2 变电站自动化系统层次结构IEC 61850 标准将变电站自动化系统按功能和逻辑通信抽象为3 层体系结构:变电站层(第2 层)、间隔层(第1 层)、过程层(第0 层)。变电站自动化三层体系各自代表的功能为变电站层功能、间隔层功能、过程层功能，其相应的逻辑接口如下图所示、 在间隔层和变电站层之间通过MMS交换数据（如：保护定值，遥测，遥信，动作报告，文件传输） 在间隔内通过GOOSE或私有协议交换数据;（如：闭锁控制）在过程层和间隔层之间通过S

11、MV交换PT、CT的实时采样数据 在过程层和间隔层之间通过GOOSE交换控制数据（如：跳闸信号，开关位置） 、 在变电站层和地调、省调通过远动协议（104）交换数据（如：四遥信号） 在间隔之间通过GOOSE直接交换快速功能数据（如：联锁信息）在变电站层之间通过私有协议交换数据（如：同步数据） 1.3.3 变电站设备与功能建模IEC 61850 除了将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之外，每个物理设备（IED）由服务器和应用组成，将服务器(Server)分层为逻辑设备(Logical Device)逻辑节点(Logical Node)数据对象(Data object)数据属(Data

12、 attributes)，物理设备内包含服务器(Server)和应用。服务器包含逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性。逻辑节点是执行交换数据的最小功能单元。每个逻辑节点都是由它的数据和方法所定义的对象，多个逻辑节点共同协调工作，完成变电站的控制、保护、测量以及它的功能。这些节点可能分布在一个或多个物理设备(PD，Physical Device)上。为了实现逻辑节点间的数据变换，逻辑节点间通过逻辑连接(LC，Logical Connection)相连。如图2.2 所示。图2.2 中实现两个功能F1 和F2。F1 功能分解成5 个逻辑节点LN1、LN2、LN3、LN4、L

13、N5；F2 功能分解成三个逻辑节点LN3、LN5、LN6。而在实际中这两个功能又由三个物理设备(IED)完成。如图2.2 第一个物理设备中含有三个逻辑节点，第二个设备中含有两个逻辑节点，第三个设备只有一个逻辑节点。它们之间的连线表示它们之间的通信联系。 功能分解示例1.3.4 变电站自动化通信建模与服务映射IEC 61850 标准把通信技术本身和要实现的通信功能分开。因为通信技术发展过快，即使最新制定出的通信协议也不一定能代表出版时的最新技术。IEC61850 标准规定了变电站功能和设备模型的通信要求，区分所有功能和通信要求。同时为支持功能的自由配置，对功能作了适当分解，分解成相互通信的逻辑节

14、点，而且IEC 61850 标准中列出了变电站各逻辑节点要交换的数据和性能要求。从信息抽象的角度来看，变电站的配置工作就成为定义变电站中的数据流向。IEC 61850 总结电力生产过程的特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务，设计出抽象通信服务接口(ACSI)40，它和具体的网络应用层协议(例如目前采用的MMS)独立，和采用的网络无关。ACSI 中的抽象概念可以归纳为两个方面：第一，ACSI 仅仅建模了通信网路可视访问的实际设备（例如断路器）或功能，抽象出各种层次结构的类模型和它们的行为。第二，ACSI 从设备信息交换角度进行抽象，并且仅仅定义了概念上的互操作。具体的信息在SCS

15、M 中定义。由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间要求不同，在变电站内需要采用不同的网络应用层协议和通信栈。不同的网络应用层协议和通信栈，只要改变相应特定通信服务映射（SCSM）43-45便可完成。不同的网络应用层协议和通信栈，由不同的SCSM 对应。特定通信服务映射定义了采用特定通信栈如何实现服务和模型，映射和采用的应用层定义通过网络交换数据的语法（具体编码）。SCSM 作为中间层提供抽象应用层所不支持的功能并将抽象应用层的抽象服务映射为实际的服务。无论是变电站总线还是过程总线，IEC 61850 都提供了相应的特殊通信服务映射。SCSM弥补了ACSI 提供的功能与所采用的应用层提供的

16、功能之间的差距。ACSI、SCSM 与应用通信层次模型如图2.3 所示。特定通信服务映射（SCSM）将抽象通信服务、对象和参数映射到特定的应用层，这些应用层提供了具体的编码。特定通信服务映射根据变电站内需要实现的不同功能，IEC61850 标准协议体系定义了如下的五类模型及其相应的服务：(1) 采样值传输模型（SV）；(2) 通用面向对象变电站事件模型（GOOSE）；(3) 时间同步模型（TimeSync）；(4) ACSI 核心服务模型；(5) 通用变电站状态事件模型（GSSE）。以上五类模型根据实时性的要求采用不同的通信协议栈结构及报文类型，见下图l 类型 1：快速报文；l 类型 1A：跳

17、闸报文；l 类型 2：中速报文；l 类型 3：低速报文；l 类型 4：原始数据报文；l 类型 5：文件传输功能；l 类型 6：时间同步报文。为了增强通信的实时性，采样值传输模型（SV）和通用面向对象变电站事件模型（GOOSE）经过应用层和表示层后直接映射到了以太网的数据链路层上。由上图可以看出，遵循IEC 61850 标准的变电站的底层通信网络全部是以太网。1.4 IEC61850通信报文解码1.4.1 ASN.1编码简介ASN1是一种标准的抽象语法定义描述语言，它提供了定义复杂数据类型以及确定这些数据类型值的方法。许多OSI应用协议标准都采用ASN1作为数据结构定义描述工具，尤其用来定义各种

18、应用协议数据单元(APDU)的结构。IEC61850的应用层、表示层协议都采用ASN1作为其编解码的规范。1.4.2 三种报文简介根据数字化变电站三层两网的概念。变电站内部通信主要应用到以下三种报文：GOOSE，SV，MMSGOOSE传输控制命令（跳合闸信号）和状态信息（开关刀闸的位置）SV采样值传输，传输电流、电压的测量值MMS后台与保护、测控设备之间的数据读写、目录列表上送、事件列表上送等服务 取代传统变电站使用的101、103规约l Goose/SV报文在网络上传输时采用的是OSI模型，但只用到OSI网络模型七层中的四层，应用层、表示层、数据链路层和物理层，传输层和网络层为空。应用层定义

19、协议数据单元PDU，经过表示层ASN.1编码后，不采用TCP/IP协议，而是直接映射到数据链路层和物理层。这种映射方式的目的是避免通信堆栈造成传输延时，从而保证报文传输、处理的快速性。l MMS协议使用ASN1语法描述MMS抽象语法，即MMS PDU格式，并规定任何遵循MMS协议标准的实系统都必须采用ASN1基本编码规则形成的传送语法来支持MMS抽象语法。ASN1编码，解码用于实现MMS语法和传送语法的转换。ASN1编码过程可分为两个步骤进行，首先通过对MMS PDU的ASN1定义和对应的数据结构的分析取出一对对标签和值，然后调用相应编码函数进行具体的编码；解码时，首先从接收的八位位组中依次取

20、出MMS PDU的标签，据此产生一个对应的空结构用来存放解码产生的值，。然后根据整个MMS PDU的长度依次取出标签和长度，进行具体的解码，获得的信息填入前面产生的结构中，返回给用户。解码和编码实际上是相反的过程。1.4.3 三种报文的详细解码1.4.3.1 GOOSE报文解码采用多播方式、直接通过以太网链路层发送,具有VLAN高优先级标识的快速报文，在网络上的传输延迟不应超过4ms,报文内容采用ASN.1编码，有新事件发生时：l ST顺序增加，SQ=0，数据集中的数据发生变化 l 连续、快速的重传几帧报文，之后以恒定的速率（5-10秒）传输报文GOOSE报文结构数据项个数由GOOSE头部的数

21、据集条目数决定 固定11个元素 1、GOOSE报文结构分析l 由以太网类型，PDU标识，APDU三部分组成，APDU由GOOSE头部和GOOSE数据集组成，以太网类型：0x88B8l 应用标识在0x0到0x3FFF之间，唯一了标识了一路GOOSEl GOOSE头部固定11个元素，GOOSE数据集元素个数不定，可以包含任意的数据类型 2、GOOSE原始报文解析3、GOOSE原始报文解析结果分析1）对照CID文件，由GOOSE控制块和数据集引用得知发送IED设备名称为： T1HPROC(#1主变高后备保护) ，逻辑设备为：CTRL，数据集引用为：dsGoYk(goose控制)2） 数据集中5个BO

22、OLEAN型数据的含义为：l 保护跳1#变高压侧开关l 保护跳1#变低压侧开关l 保护跳10kV分段I开关l 遥控合1#变高压侧开关l 遥控跳1#变高压侧开关 3）GOOSE报文解析结果4、GOOSE应用5、GOOSE报文需解析的内容l 动作判定，当有新事件产生时，对照CID文件，展示事件（如：跳#1高压侧开关，断路器当前位置）l 异常判定，包括：报文丢失、报文重复、SQ逆转、ST跳跃、ST逆转、错序（先发后到）、数据集虚假变位（ST递增数据集无变化或数据集有变化但ST没有递增）、超时、断链等l 解析难点：GOOSE头和数据集都需要ASN.1解码，较复杂，解析后需对照CID文件获得信号（数据集

23、数据项）含义1.4.3.2 SV报文解码1、SMV9-2报文结构分析 由以太网头，PDU标识，APDU（应用协议数据单元）三部分组成，以太网类型：0x88BA 应用标识在0x4000到0x7FFF之间，唯一了标识了一路采用值 一个报文中可以有多个ASDU， PDU标识之后指定ASDU数目 一个ASDU包括ASDU头部和ASDU数据集两部分，ASDU头部总共7个域，3个可选；ASDU数据集固定使用8个字节描述一路模拟量，前4个字节表示模拟量的值，后4个字节表示品质2、SMV9-2报文分析1）对照CID文件，由采样值ID得知IED设备名称为：PL1003（10kV馈线F3） ，逻辑设备为GOLD，

24、采样值控制块为：smvcb0 2.）ASDU中的6个模拟量分别为：l A项保护电流l B项保护电流l C项保护电流l A项测量电流l B项测量电流l C项测量电流3、SMV9-2报文的特点l ASDU长度不固定，报文长度不固定，一般在125到177个字节之间l ASDU中采样计数从0到采样频率递增，每整秒归零l 在每周波采样80点，50HZ频率下：ASDU采样计数在0-3999递增；每整秒ASDU采样计数为0，每秒传输4000个ASDU l 报文速率恒定，流量大，实时性要求高l 采样频率较大时一个报文可包含多个ASDU，一周波100点以内，一个报文包含一个ASDU4、 SMV9-2解析的内容l

25、 报文的结构分析，详细分析l 到达间隔是否有离散，是否有丢点，是否乱序（先发后到），多个MU的采样是否同步l 实时描绘波形l 实时计算并显示任意时间点的幅值，相角l 解析难点：报文格式灵活，需要ASN.1解码，流量大且实时性要求高，每天1个MU会发50GB的采样数据，存储困难 5、SMV9-2结果展示1.4.3.3 MMS报文解码1、MMS的核心内容l MMS是一种不对称客户端-服务器模式的通信协议，使用了发起者和响应者的概念 l 提供了在VMD模型中定义变量，变量列表，在客户端访问变量的各种服务l 61850数字化站中，间隔层设备作为MMS服务器，站控层后台是MMS客户端，后台通过MMS协议

26、请求间隔层设备提供的服务l 提供了一百多种服务l 数字化站常用的服务：变量列表、变量读写、召唤目录、召唤文件、报告主动上送等2、MMS对象到61850数据模型的映射1.5网分的接入方式1.5.1 过程程网络接入1.5.1.1 多播技术介绍概述IEC61850标准中过程层网络通信（GOOSE,SV报文）采用多播的传播方式。所以目的MAC地址均为多播地址。1.5.1.2 什么是多播多播（Multicast）传输：在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也只需复制一份的相同数据包。它提高了数据传送效率。减少了骨干网络出现拥塞的可能性。在网络中，存

27、在着三种发送报文的方式：单播（Unicast）、广播（broadcast）、多播（multicast）。1.5.1.3多播相对单播、广播的优势l 相比单播来说，多播的优势在于：由于被传递的信息在距信息源尽可能远的网络节点才开始被复制和分发，所以用户的增加不会导致信息源负载的加重以及网络资源消耗的显著增加。l 相比广播来说，多播的优势在于：由于被传递的信息只会发送给需要该信息的接收者，所以不会造成网络资源的浪费，并能提高信息传输的安全性；另外，广播只能在同一网段中进行，而多播可以实现跨网段的传输。1.5.1.4 多播协议分类根据多播协议工作的地方的不同，将多播协议分为“三层多播协议”及“二层多播

28、协议”l 三层多播协议工作在网络层的IP多播称为“三层多播”，相应的多播协议称为“三层多播协议”，包括IGMP、PIM、MSDP等。l 二层多播协议工作在数据链路层的IP多播称为“二层多播”，相应的多播协议称为“二层多播协议”。在变电站通信中，SV 报文和GOOSE 报文均是实时报文，要求通信时延小于4ms。为了降低SV 报文和GOOSE 报文的通信协议栈时间开销，保证报文传输的实时性，IEC 61850 对SV 报文和GOOSE 报文的特殊通信服务映射（SCSM）机制做了特殊规定，即SV 报文和GOOSE 报文在经过应用层和表示层处理后直接映射到了数据链路层，其传输层和网络层均为空，因此这两

29、种实时报文被限制在一个子网内，不能跨越路由器。所以过程层网络通信适用于二层多播协议1.5.1.5 多播报文过滤交换机在缺省情况下会将多播报文全网广播，这虽然能保证报文传输的实时性，也能保证报文能够送达目的装置，但是这也造成装置收到大量与自身无关的报文，特别是网络中有采样报文时，往往会造成装置CPU 过载。这就需要对多播报文过滤，即从大量的网络报文中接收需要的报文，丢弃不需要的报文。目前通用的多播报文过滤方法主要有以下三种：1 、VLAN 技术VLAN 是根据IEEE 802.1Q 标准，把一个物理上的局域网划分成多个逻辑上的局域网，每个VLAN 就是一个独立的广播域。VLAN 内的装置间通过传

30、统的以太网通信方式进行报文的交互，而不同VLAN 内的装置之间在逻辑上相互隔离。2、 GMRP 技术GMRP 是GARP Multicast Registration Protocol（GARP 多播注册协议）的缩写，是一种二层的多播过滤协议，非常适合变电站过程层多播GOOSE 和SV 报文过滤。3、 静态多播地址表一般的网管型交换机都支持静态多播地址表，这也是一种最为简单有效的多播过滤方法。静态多播地址表无须设置VLAN，装置也不需要支持GMRP 功能，只需要打开交换机的多播过滤功能，搞清楚装置所需要收到的GOOSE 或SV 报文的多播地址，把这些多播地址填写到交换机上与该装置连接端口的静态

31、多播地址表中即可。1.5.1.6 网络分析仪过程层接入办法对于网络分析仪而言，它需要接入所有IED设备的GOOSE/SV报文。将所有过程层通讯报文记录下来。针对数字化变电站内通行以上三种多播报文过滤技术，可分别作以下三种配置：l 对于设置了交换机端口VLAN的网络环境中，将网分所接入的交换机端口设置为允许所有VLAN标签通过。l 网络分析仪打开GMRP协议。l 对于设置了交换机静态多播域的网络环境中，将网分所接入的交换机端口加入到所有的静态多播域1.5.2 、站控层网络接入1.5.2.1站控层网络接入方式站控层报文即MMS报文。用于各IED设备同后台/远动装置的通讯。MMS报文属IP报文，采用TCP/IP协议传输，具有点对点通讯的点。所以网络分析仪要监听到所有IED设备的MMS报文交互，需要将网分所接入的交换机端口设为后台/远动的镜像端口。通过这个配置，可以将后台/远动装置的收、发报文复抽一份至网络分析仪。1.6 网络分析仪功能描述1.6.1 网络分析仪主要功能在数字化变电站 中, 模拟量通过采样值( SV) 报文传输, 状态量和跳闸等信息通过通用面向对象变电站事件( GOOSE) 报文传输; 间隔层的联闭锁也通过GOOSE 方式实现。在传统变电站中,故障录波器可以对模拟量和开关量进行记录, 其记录数据可以作为异常或事故分析的依据。在数字化变电站中, 为了保证系统正常运