1、網絡分析儀在智能站中的應用1.1 傳統變電站向智能站的變革隨著IEC 61850 通信建模標準的分階段頒布實施和電子式互感器技術、智能開關技術、計算機網絡通信技術的發展，以及國家建設堅強智能電網的戰略發展規劃的快速推進。變電站綜自技術進入了數字化、智能化時代。數字化變電站的建成投產也為電網數字化建設奠定了基礎, 在變電站發展歷程史上具有劃時代的意義, 是一次變電技術的革命。智能變電站相對于傳統變電站有眾多明顯優勢：1、高性能 通信網絡采用統一的通信規約IEC 61850 , 提高了設備之間的互操作性，不需要進行規約轉換, 加快了通信速度, 降低了系統的復雜度和設計、調試和維護的難度, 提高了通

2、信系統的性能。數字信號通過光纜傳輸避免了電纜帶來的電磁干擾, 傳輸過程中無信號衰減、失真。無L 、C 濾波網絡, 不產生諧振過電壓。傳輸和處理過程中不再產生附加誤差, 提升了保護、計量和測量系統的精度。光電互感器無磁飽和, 精度高, 暫態特性好。2、高安全性 光電互感器的應用, 避免了油和sF 6互感器的滲漏問題, 很大程度上減少了運行維護的工作量, 不再受滲漏油的困擾, 同時提高了安全性光電互感器高低壓部分光電隔離, 使得電流互感器二次開路、電壓互感器二次短路可能危及人身或設備等問題不復存在, 大大提高了安全性。 光纜代替電纜, 避免了電纜端子接線松動、發熱、開路和短路的危險, 提高了變電站

3、整體安全運行水平。3、 高可靠性，設備自檢功能強, 合并器收不到數據會判斷通訊故障或互感器故障而發出告警, 既提高了運行的可靠性又減輕了運行人員的工作量。采集器的電源由能量線圈或激光電源提供, 兩者自動切換, 互為備用。4、高經濟性 采用光纜代替大量電纜, 降低成本。用光纜取代二次電纜, 簡化了電纜溝、電纜層和電纜防火, 保護、自動化調試的工作量減少, 減少了運行維護成本。同時, 縮短工程周期, 減少通道重復建設和投資。 實現信息共享, 兼容性高, 便于新增功能和擴展規模, 減少變電站投資成本。光電互感器采用固體絕緣, 無滲漏問題, 減少了停運檢修成本。¼ 數字化變電站技術含量高,

4、電纜等耗材節約, 具有節能、環保、節約社會資源的多重功效。1.2 以太網技術在智能站的應用IEC 61850使用以太網作為基本通信網絡，變電站層與遠方控制中心之間、變電站層與間隔層之間、間隔層與過程層之間分別通過基于以太網的遠動網絡、站級網絡和過程網絡交互信息。使測量、保護、控制、監測等不同專業真正實現信息共享。使不同功能可以方便地得到協調和集成，形成信息高度共享的變電站自動化系統。即基于以太網的變電站自動化系統。由于以太網具有標準化、靈活性、價格低廉、穩定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優點，在變電站自動化系統中，為各種特定功能構建的各自獨立的專用網絡將被全開放的

5、以太網取代。以以太網技術為基礎的新一代數字變電站已經成為發展中的新亮點。1.3 變電站通信體系結構研究1.3.1 IEC 61850 標準概述IEC 61850-1緒論（Introduction and overview）。主要介紹了IEC 61850 產生的必要性，以及標準各部分主要內容的簡介。IEC 61850-2術語（Glossary）。這部分內容為該標準中變電站自動化系統專門術語詞匯表。IEC 61850-3總體要求（General requirements）。介紹了變電站自動化系統內通信系統的質量要求，包括可靠性、可用性、可維護性和安全性等等。IEC 61850-4系統和工程管理（S

6、ystem and project management）。包括變電站內必備硬件配置的定義、功能和信號質量的適應性以及所有具體定義的文檔。IEC 61850-5功能和設備模型的通信要求。（Communication requirements forsubstation automation system functions）。內容包括變電站功能和接口的邏輯分配、互操作方法、邏輯節點的概念、PICOM (Piece of information for communication通信信息片)的概念、功能定義的規則、功能分類、邏輯節點列表、邏輯節點和相關的PICOM、邏輯節點分配和交互原理、使用邏

7、輯節點附加原理、PICOM 表結果、報文類型以及動態性能要求。IEC 61850-6變電站智能電子設備（IED）結構語言（Configuration languagefor electrical substation IEDs）。主要介紹變電站配置語言SCL 的對象模型和語言內容。IEC 61850-7變電站和饋線裝置的基本通信結構（Basic communicationstructure for substation and feeder equipment）。該部分是整個標準的核心內容，分為四個部分：7-1 原理和模型（Principles and models）；7-2 抽象通信服務接口

8、(Abstract Communication Service Interface，ACSI)；7-3 公共數據模型（Commondata classes）；7-4 兼容邏輯節點和數據類（Compatible logical node classes and dataclasses）。IEC 61850-8變電站層與間隔層特定通信服務映射（Specific CommunicationService Mapping ，SCSM）。將變電站層的服務映射到具體通信服務，比如說映射成MMS, CORBA。IEC 61850-9間隔層與過程層特定通信服務映射（Specific Communication

9、Service Mapping ，SCSM）。這一部分說明了間隔層和過程層之間通信的特定通信服務映射。該部分標準分為兩個部分：9-1 特定通信服務映射通過連續單向多支路點對點連接傳輸采樣值（Specific Communication Service Mapping (SCSM)Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link）；9-2 特定通信服務映射通過ISO/IEC 8802-3 傳輸采樣值（Specific Communication ServiceMapping (SCSM)Sampled

10、values over ISO/IEC 8802-3）。IEC 61850-10一致性測試（Conformance testing）。系統的一致性進行測試。1.3.2 變電站自動化系統層次結構IEC 61850 標準將變電站自動化系統按功能和邏輯通信抽象為3 層體系結構:變電站層(第2 層)、間隔層(第1 層)、過程層(第0 層)。變電站自動化三層體系各自代表的功能為變電站層功能、間隔層功能、過程層功能，其相應的邏輯接口如下圖所示、 在間隔層和變電站層之間通過MMS交換數據（如：保護定值，遙測，遙信，動作報告，文件傳輸） 在間隔內通過GOOSE或私有協議交換數據;（如：閉鎖控制）在過程層和間隔

11、層之間通過SMV交換PT、CT的實時采樣數據 在過程層和間隔層之間通過GOOSE交換控制數據（如：跳閘信號，開關位置） 、 在變電站層和地調、省調通過遠動協議（104）交換數據（如：四遙信號） 在間隔之間通過GOOSE直接交換快速功能數據（如：聯鎖信息）在變電站層之間通過私有協議交換數據（如：同步數據） 1.3.3 變電站設備與功能建模IEC 61850 除了將變電站自動化系統分成變電站層、間隔層、過程層之外，每個物理設備（IED）由服務器和應用組成，將服務器(Server)分層為邏輯設備(Logical Device)邏輯節點(Logical Node)數據對象(Data object)數據

12、屬(Data attributes)，物理設備內包含服務器(Server)和應用。服務器包含邏輯設備，邏輯設備包含邏輯節點，邏輯節點包含數據對象、數據屬性。邏輯節點是執行交換數據的最小功能單元。每個邏輯節點都是由它的數據和方法所定義的對象，多個邏輯節點共同協調工作，完成變電站的控制、保護、測量以及它的功能。這些節點可能分布在一個或多個物理設備(PD，Physical Device)上。為了實現邏輯節點間的數據變換，邏輯節點間通過邏輯連接(LC，Logical Connection)相連。如圖2.2 所示。圖2.2 中實現兩個功能F1 和F2。F1 功能分解成5 個邏輯節點LN1、LN2、LN3

13、、LN4、LN5；F2 功能分解成三個邏輯節點LN3、LN5、LN6。而在實際中這兩個功能又由三個物理設備(IED)完成。如圖2.2 第一個物理設備中含有三個邏輯節點，第二個設備中含有兩個邏輯節點，第三個設備只有一個邏輯節點。它們之間的連線表示它們之間的通信聯系。 功能分解示例1.3.4 變電站自動化通信建模與服務映射IEC 61850 標準把通信技術本身和要實現的通信功能分開。因為通信技術發展過快，即使最新制定出的通信協議也不一定能代表出版時的最新技術。IEC61850 標準規定了變電站功能和設備模型的通信要求，區分所有功能和通信要求。同時為支持功能的自由配置，對功能作了適當分解，分解成相互

14、通信的邏輯節點，而且IEC 61850 標準中列出了變電站各邏輯節點要交換的數據和性能要求。從信息抽象的角度來看，變電站的配置工作就成為定義變電站中的數據流向。IEC 61850 總結電力生產過程的特點和要求，歸納出電力系統所必需的信息傳輸的網絡服務，設計出抽象通信服務接口(ACSI)40，它和具體的網絡應用層協議(例如目前采用的MMS)獨立，和采用的網絡無關。ACSI 中的抽象概念可以歸納為兩個方面：第一，ACSI 僅僅建模了通信網路可視訪問的實際設備（例如斷路器）或功能，抽象出各種層次結構的類模型和它們的行為。第二，ACSI 從設備信息交換角度進行抽象，并且僅僅定義了概念上的互操作。具體的

15、信息在SCSM 中定義。由于電力系統生產的復雜性，信息傳輸的響應時間要求不同，在變電站內需要采用不同的網絡應用層協議和通信棧。不同的網絡應用層協議和通信棧，只要改變相應特定通信服務映射（SCSM）43-45便可完成。不同的網絡應用層協議和通信棧，由不同的SCSM 對應。特定通信服務映射定義了采用特定通信棧如何實現服務和模型，映射和采用的應用層定義通過網絡交換數據的語法（具體編碼）。SCSM 作為中間層提供抽象應用層所不支持的功能并將抽象應用層的抽象服務映射為實際的服務。無論是變電站總線還是過程總線，IEC 61850 都提供了相應的特殊通信服務映射。SCSM彌補了ACSI 提供的功能與所采用的

16、應用層提供的功能之間的差距。ACSI、SCSM 與應用通信層次模型如圖2.3 所示。特定通信服務映射（SCSM）將抽象通信服務、對象和參數映射到特定的應用層，這些應用層提供了具體的編碼。特定通信服務映射根據變電站內需要實現的不同功能，IEC61850 標準協議體系定義了如下的五類模型及其相應的服務：(1) 采樣值傳輸模型（SV）；(2) 通用面向對象變電站事件模型（GOOSE）；(3) 時間同步模型（TimeSync）；(4) ACSI 核心服務模型；(5) 通用變電站狀態事件模型（GSSE）。以上五類模型根據實時性的要求采用不同的通信協議棧結構及報文類型，見下圖l 類型 1：快速報文；l 類

17、型 1A：跳閘報文；l 類型 2：中速報文；l 類型 3：低速報文；l 類型 4：原始數據報文；l 類型 5：文件傳輸功能；l 類型 6：時間同步報文。為了增強通信的實時性，采樣值傳輸模型（SV）和通用面向對象變電站事件模型（GOOSE）經過應用層和表示層后直接映射到了以太網的數據鏈路層上。由上圖可以看出，遵循IEC 61850 標準的變電站的底層通信網絡全部是以太網。1.4 IEC61850通信報文解碼1.4.1 ASN.1編碼簡介ASN1是一種標準的抽象語法定義描述語言，它提供了定義復雜數據類型以及確定這些數據類型值的方法。許多OSI應用協議標準都采用ASN1作為數據結構定義描述工具，尤其

18、用來定義各種應用協議數據單元(APDU)的結構。IEC61850的應用層、表示層協議都采用ASN1作為其編解碼的規范。1.4.2 三種報文簡介根據數字化變電站三層兩網的概念。變電站內部通信主要應用到以下三種報文：GOOSE，SV，MMSGOOSE傳輸控制命令（跳合閘信號）和狀態信息（開關刀閘的位置）SV采樣值傳輸，傳輸電流、電壓的測量值MMS后臺與保護、測控設備之間的數據讀寫、目錄列表上送、事件列表上送等服務 取代傳統變電站使用的101、103規約l Goose/SV報文在網絡上傳輸時采用的是OSI模型，但只用到OSI網絡模型七層中的四層，應用層、表示層、數據鏈路層和物理層，傳輸層和網絡層為空

19、。應用層定義協議數據單元PDU，經過表示層ASN.1編碼后，不采用TCP/IP協議，而是直接映射到數據鏈路層和物理層。這種映射方式的目的是避免通信堆棧造成傳輸延時，從而保證報文傳輸、處理的快速性。l MMS協議使用ASN1語法描述MMS抽象語法，即MMS PDU格式，并規定任何遵循MMS協議標準的實系統都必須采用ASN1基本編碼規則形成的傳送語法來支持MMS抽象語法。ASN1編碼，解碼用于實現MMS語法和傳送語法的轉換。ASN1編碼過程可分為兩個步驟進行，首先通過對MMS PDU的ASN1定義和對應的數據結構的分析取出一對對標簽和值，然后調用相應編碼函數進行具體的編碼；解碼時，首先從接收的八位

20、位組中依次取出MMS PDU的標簽，據此產生一個對應的空結構用來存放解碼產生的值，。然后根據整個MMS PDU的長度依次取出標簽和長度，進行具體的解碼，獲得的信息填入前面產生的結構中，返回給用戶。解碼和編碼實際上是相反的過程。1.4.3 三種報文的詳細解碼1.4.3.1 GOOSE報文解碼采用多播方式、直接通過以太網鏈路層發送,具有VLAN高優先級標識的快速報文，在網絡上的傳輸延遲不應超過4ms,報文內容采用ASN.1編碼，有新事件發生時：l ST順序增加，SQ=0，數據集中的數據發生變化 l 連續、快速的重傳幾幀報文，之后以恒定的速率（5-10秒）傳輸報文GOOSE報文結構數據項個數由GOO

21、SE頭部的數據集條目數決定 固定11個元素 1、GOOSE報文結構分析l 由以太網類型，PDU標識，APDU三部分組成，APDU由GOOSE頭部和GOOSE數據集組成，以太網類型：0x88B8l 應用標識在0x0到0x3FFF之間，唯一了標識了一路GOOSEl GOOSE頭部固定11個元素，GOOSE數據集元素個數不定，可以包含任意的數據類型 2、GOOSE原始報文解析3、GOOSE原始報文解析結果分析1）對照CID文件，由GOOSE控制塊和數據集引用得知發送IED設備名稱為： T1HPROC(#1主變高后備保護) ，邏輯設備為：CTRL，數據集引用為：dsGoYk(goose控制)2） 數據

22、集中5個BOOLEAN型數據的含義為：l 保護跳1#變高壓側開關l 保護跳1#變低壓側開關l 保護跳10kV分段I開關l 遙控合1#變高壓側開關l 遙控跳1#變高壓側開關 3）GOOSE報文解析結果4、GOOSE應用5、GOOSE報文需解析的內容l 動作判定，當有新事件產生時，對照CID文件，展示事件（如：跳#1高壓側開關，斷路器當前位置）l 異常判定，包括：報文丟失、報文重復、SQ逆轉、ST跳躍、ST逆轉、錯序（先發后到）、數據集虛假變位（ST遞增數據集無變化或數據集有變化但ST沒有遞增）、超時、斷鏈等l 解析難點：GOOSE頭和數據集都需要ASN.1解碼，較復雜，解析后需對照CID文件獲得

23、信號（數據集數據項）含義1.4.3.2 SV報文解碼1、SMV9-2報文結構分析 由以太網頭，PDU標識，APDU（應用協議數據單元）三部分組成，以太網類型：0x88BA 應用標識在0x4000到0x7FFF之間，唯一了標識了一路采用值 一個報文中可以有多個ASDU， PDU標識之后指定ASDU數目 一個ASDU包括ASDU頭部和ASDU數據集兩部分，ASDU頭部總共7個域，3個可選；ASDU數據集固定使用8個字節描述一路模擬量，前4個字節表示模擬量的值，后4個字節表示品質2、SMV9-2報文分析1）對照CID文件，由采樣值ID得知IED設備名稱為：PL1003（10kV饋線F3） ，邏輯設備

24、為GOLD，采樣值控制塊為：smvcb0 2.）ASDU中的6個模擬量分別為：l A項保護電流l B項保護電流l C項保護電流l A項測量電流l B項測量電流l C項測量電流3、SMV9-2報文的特點l ASDU長度不固定，報文長度不固定，一般在125到177個字節之間l ASDU中采樣計數從0到采樣頻率遞增，每整秒歸零l 在每周波采樣80點，50HZ頻率下：ASDU采樣計數在0->3999遞增；每整秒ASDU采樣計數為0，每秒傳輸4000個ASDU l 報文速率恒定，流量大，實時性要求高l 采樣頻率較大時一個報文可包含多個ASDU，一周波100點以內，一個報文包含一個ASDU4、 SM

25、V9-2解析的內容l 報文的結構分析，詳細分析l 到達間隔是否有離散，是否有丟點，是否亂序（先發后到），多個MU的采樣是否同步l 實時描繪波形l 實時計算并顯示任意時間點的幅值，相角l 解析難點：報文格式靈活，需要ASN.1解碼，流量大且實時性要求高，每天1個MU會發50GB的采樣數據，存儲困難 5、SMV9-2結果展示1.4.3.3 MMS報文解碼1、MMS的核心內容l MMS是一種不對稱客戶端-服務器模式的通信協議，使用了發起者和響應者的概念 l 提供了在VMD模型中定義變量，變量列表，在客戶端訪問變量的各種服務l 61850數字化站中，間隔層設備作為MMS服務器，站控層后臺是MMS客戶端

26、，后臺通過MMS協議請求間隔層設備提供的服務l 提供了一百多種服務l 數字化站常用的服務：變量列表、變量讀寫、召喚目錄、召喚文件、報告主動上送等2、MMS對象到61850數據模型的映射1.5網分的接入方式1.5.1 過程程網絡接入1.5.1.1 多播技術介紹概述IEC61850標準中過程層網絡通信（GOOSE,SV報文）采用多播的傳播方式。所以目的MAC地址均為多播地址。1.5.1.2 什么是多播多播（Multicast）傳輸：在發送者和每一接收者之間實現點對多點網絡連接。如果一臺發送者同時給多個的接收者傳輸相同的數據，也只需復制一份的相同數據包。它提高了數據傳送效率。減少了骨干網絡出現擁塞的

27、可能性。在網絡中，存在著三種發送報文的方式：單播（Unicast）、廣播（broadcast）、多播（multicast）。1.5.1.3多播相對單播、廣播的優勢l 相比單播來說，多播的優勢在于：由于被傳遞的信息在距信息源盡可能遠的網絡節點才開始被復制和分發，所以用戶的增加不會導致信息源負載的加重以及網絡資源消耗的顯著增加。l 相比廣播來說，多播的優勢在于：由于被傳遞的信息只會發送給需要該信息的接收者，所以不會造成網絡資源的浪費，并能提高信息傳輸的安全性；另外，廣播只能在同一網段中進行，而多播可以實現跨網段的傳輸。1.5.1.4 多播協議分類根據多播協議工作的地方的不同，將多播協議分為“三層多

28、播協議”及“二層多播協議”l 三層多播協議工作在網絡層的IP多播稱為“三層多播”，相應的多播協議稱為“三層多播協議”，包括IGMP、PIM、MSDP等。l 二層多播協議工作在數據鏈路層的IP多播稱為“二層多播”，相應的多播協議稱為“二層多播協議”。在變電站通信中，SV 報文和GOOSE 報文均是實時報文，要求通信時延小于4ms。為了降低SV 報文和GOOSE 報文的通信協議棧時間開銷，保證報文傳輸的實時性，IEC 61850 對SV 報文和GOOSE 報文的特殊通信服務映射（SCSM）機制做了特殊規定，即SV 報文和GOOSE 報文在經過應用層和表示層處理后直接映射到了數據鏈路層，其傳輸層和網

29、絡層均為空，因此這兩種實時報文被限制在一個子網內，不能跨越路由器。所以過程層網絡通信適用于二層多播協議1.5.1.5 多播報文過濾交換機在缺省情況下會將多播報文全網廣播，這雖然能保證報文傳輸的實時性，也能保證報文能夠送達目的裝置，但是這也造成裝置收到大量與自身無關的報文，特別是網絡中有采樣報文時，往往會造成裝置CPU 過載。這就需要對多播報文過濾，即從大量的網絡報文中接收需要的報文，丟棄不需要的報文。目前通用的多播報文過濾方法主要有以下三種：1 、VLAN 技術VLAN 是根據IEEE 802.1Q 標準，把一個物理上的局域網劃分成多個邏輯上的局域網，每個VLAN 就是一個獨立的廣播域。VLA

30、N 內的裝置間通過傳統的以太網通信方式進行報文的交互，而不同VLAN 內的裝置之間在邏輯上相互隔離。2、 GMRP 技術GMRP 是GARP Multicast Registration Protocol（GARP 多播注冊協議）的縮寫，是一種二層的多播過濾協議，非常適合變電站過程層多播GOOSE 和SV 報文過濾。3、 靜態多播地址表一般的網管型交換機都支持靜態多播地址表，這也是一種最為簡單有效的多播過濾方法。靜態多播地址表無須設置VLAN，裝置也不需要支持GMRP 功能，只需要打開交換機的多播過濾功能，搞清楚裝置所需要收到的GOOSE 或SV 報文的多播地址，把這些多播地址填寫到交換機上與

31、該裝置連接端口的靜態多播地址表中即可。1.5.1.6 網絡分析儀過程層接入辦法對于網絡分析儀而言，它需要接入所有IED設備的GOOSE/SV報文。將所有過程層通訊報文記錄下來。針對數字化變電站內通行以上三種多播報文過濾技術，可分別作以下三種配置：l 對于設置了交換機端口VLAN的網絡環境中，將網分所接入的交換機端口設置為允許所有VLAN標簽通過。l 網絡分析儀打開GMRP協議。l 對于設置了交換機靜態多播域的網絡環境中，將網分所接入的交換機端口加入到所有的靜態多播域1.5.2 、站控層網絡接入1.5.2.1站控層網絡接入方式站控層報文即MMS報文。用于各IED設備同后臺/遠動裝置的通訊。MMS

32、報文屬IP報文，采用TCP/IP協議傳輸，具有點對點通訊的點。所以網絡分析儀要監聽到所有IED設備的MMS報文交互，需要將網分所接入的交換機端口設為后臺/遠動的鏡像端口。通過這個配置，可以將后臺/遠動裝置的收、發報文復抽一份至網絡分析儀。1.6 網絡分析儀功能描述1.6.1 網絡分析儀主要功能在數字化變電站 中, 模擬量通過采樣值( SV) 報文傳輸, 狀態量和跳閘等信息通過通用面向對象變電站事件( GOOSE) 報文傳輸; 間隔層的聯閉鎖也通過GOOSE 方式實現。在傳統變電站中,故障錄波器可以對模擬量和開關量進行記錄, 其記錄數據可以作為異常或事故分析的依據。在數字化變電站中, 為了保證系統正常運行, 各個設備之間需要能夠互操作并具有良好的配合關系, 例如: 通信報文編