南京国电南自电网自动化有限公司 杨 瑞 赵 谦 张宪军 梁志宝 晏平仲

1 引言

随着智能变电站在国内大面积推广，变电站网络交换机的使用数量越来越多，符合标准要求的工业级以太网交换机在变电站中的重要性越来越高，并成为变电站安全稳定运行不可或缺的重要组成部分[1]。

当前智能变电站绝大多数网络管理系统中，作为被管理对象的交换机一般通过SNMP trap 或IEC61850 Report 等协议直接将设备基本信息、告警信息上报到网管系统，网管系统是针对网络中的每台交换机的运行状态以及流量统计等常规功能进行监控和告警，而针对变电站网络通信的监控目前更是几乎处于空白状态。过程层网络传输SV、GOOSE 报文，报文的转发路径是按照SCD 文件预先配置的，即过程层网络是一个确定性的网络[2]。如果可以获取过程层网络中报文的真实转发路径，则可以对过程层网络的全局通信链路进行监控，再将实际转发路径与SCD 规划路径对比，对异常链路及时告警，则可以保证过程层网络实际转发与预配置一致，保证过程层网络的确定性。

2 智能变电站网络组成及监控概述

2.1 智能变电站网络组网

智能变电站典型网络结构如图1所示，分为站控层、间隔层和过程层。其中站控层包括服务器、人机设备等，实现变电站的监测控制、记录、故障分析及远程控制等；间隔层包括监控设备和继电保护设备等，实现对一次设备检测、控制操作闭锁和继电保护；过程层包括智能终端设备、合并单元，通过智能终端实现对断路器及隔离开关的控制和信号上传[3]。

图1 智能变电站典型组网

站控层和间隔层之间的网络为站控层网络，传输制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）报文；间隔层和过程层之间的网络为过程层网络，主要传输电流电压的采样值（Sampled Value，SV）和面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Events，GOOSE）报文。

2.2 过程层网络监控

针对智能变电站网络组网构成，过程层网络是智能变电站间隔层和过程层设备通信的基础，其各链路的通断直接影响保护设备是否能正确动作，进而影响整个变电站的运行安全，因此监控过程层网络运行状态有重要意义。

目前，智能变电站的站内监控方式主要是通过间隔层装置上送的告警信号对变电站过程层网络的GOOSE 和SV 链路状态进行监控，无法直接监视变电站网络的各链路状态。这导致过程层网络出现问题时无法快速进行故障定位。

实现过程层网络监控的常见方式是通过网络分析仪对过程层网络报文进行存储和分析[4]，在此基础上文献[5]提出基于过程层交换机的网络监控方法，通过LLDP 和ACL 学习网络规划拓扑，根据流量异常判断链路异常；文献[6]提出基于GOOSE/SV 的发布/订阅机制，绘制过程层网络图，但并未提出具体绘制方法；文献[7]提出一种过程层网络故障诊断方法，该方法能初步确定故障点在装置上还是交换机上，不适用于多级级联的复杂过程层网络。

过程层网络主要传输SV、GOOSE 报文，报文的转发路径是按照SCD 文件预先配置的，文献[8]详细描述基于SCD 文件的自动化配置通信设备的方法。SCD 文件是符合变电站配置语言（Substation Configuration Language，SCL）规范的全站唯一的系统配置文件，描述了智能变电站各个通信节点的数据类型和数据流向，目前智能变电站过程层装置和交换机均是基于SCD 文件进行统一配置，即过程层网络是一个确定性的网络。针对智能变电站过程层网络的特点，本文提出一种过程层网络监控的方法，该方法不仅对过程层网络实际全链路状况监视，又将实际路径与规划路径进行对比，对异常链路及时告警，保证过程层网络的确定性。

3 智能变电站过程层网络监控与确定性分析

本文提出的智能变电站过程层网络监控方法，总体思路为通过过程层交换机的FPGA 模块实现获取单个交换机内的GOOSESV 报文的局部转发路径，后台管理系统实时将局部路径收集并整合为全局路径，实现对过程层网络通信的实时监控；通过将实时路径与SCD 规划路径对比，及时发现异常链路，保证过程层网络的确定性。

3.1 过程层网络监控

3.1.1 局部路径提取

过程层交换机主要由以太网交换模块、CPU 模块、逻辑控制FPGA 模块等组成，其中逻辑控制FPGA 模块主要实现各种可编程控制和业务处理逻辑[8]。在FPGA 模块增加报文处理逻辑，分别在报文进和出时获取报文的APPID 以及组播地址及进出的端口号，形成一条局部转发路径记录并存储在FPGA 内部存储区域。如果同一个APPID 有多个出端口，根据出端口不同复制为多条记录；如果表中存在相同的记录，则不再存储。局部路径表示如下：

P(local)=[APPID,SwitchID,ImportID,Expor tID]

过程层交换机应用软件周期性的读取本地的局部路径表上送至后台管理系统。

3.1.2 全局路径整合

后台管理系统将从所有过程层交换机中接收到的局部路径整合为全局路径，步骤如下：①解析SCD文件，解析出智能变电站中各个装置和交换机的IED信息，通过IED 设备通信能力描述，提取出过程层网络的网络拓扑，即装置与交换机、交换机与交换机间的连接关系，连接关系可如表1所示，表示IED1的IED1_PORT 与IED2的IED2_PORT 连接；②筛 选出同一个APPID 的所有局部路径；③根据网络拓扑将同一个APPID 的所有局部转发路径进行排序和连接，得到全局的转发路径。

表1 网络连接关系表

图2表示全局路径的整合过程，针对同一个APPID 的每一条局部路径的入端口和出端口，在网络拓扑表中查询入端口和出端口的连接IED 及端口，如果与之连接的是装置，则表示这条局部路径为全局路径的头或尾；如果与之连接的是另一个交换机，则从剩余的局部路径中查找与之连接的交换机的局部路径，并将两者连接为一条较大的局部路径；再对这条较大的局部路径的入端口和出端口进行查询和连接，直至这条局部路径的入端口和出端口均与装置相连，两个装置间端对端的全局路径整合完成。按照如上步骤将一个APPID 的所有全局转发路径整合完成。两个装置间端对端的全局路径表示如下：

图2 路径整合示例图

P(global)=[APPID1,SwitchID1(Import ID,ExportID),SwitchID2(ImportID,Expo rtID),SwitchID3(ImportID,ExportID)……SwitchIDn(ImportID,ExportID)]

后台管理系统每间隔一定时间进行一次全局路径整合，根据整合的全局路径对过程层网络进行可视化绘制，达到过程层网络的实时监控的目的。

3.2 过程层网络确定性分析

变电站描述配置文件SCD 中包含了站内所有设备及其接口和通信能力，同时也描述了设备间的通信协议和数据接收关系，特别是IEC61850-2009对变电站通信设备和通信网络有了更详细的扩充后，通过解析SCD 文件，可以获得精确到每一路GOOSE/SV 报文的转发路径。

通过匹配各设备端口模型中的Cable 字段的值，如果一致则表示两个设备有连接关系，继而可以得出整个变电站网络的网络拓扑；通过解析每个交换机的csd 模型得到每一路GOOSE/SV 报文在交换机内部转发路径；通过3.1节描述的整合算法整合得到全局的规划路径。

将实时的全局转发路径与全局规划路径进行对比，正常情况下应为完全一致，若有不一致的路径则为异常路径，对比过程即可精确定位异常路径，及时故障排查，实时保证过程层网络的确定性。

4 应用测试

4.1 测试组网

测试拓扑如图3所示，测试设备包含过程层交换机PSW-618G（SW1、SW2），DBU-806ILB-G智能终端（IED1），DMU-831MMB-A-G 母线II 型合并单元（IED2），WMH-801DL-DA-G 母线保护装置（IED3），PAC-851G-DA-4母线测控（IED4），PCS-923A-DA-G 母联保护（IED5），WXH-822C 保护装置（IED6），网络分析仪（PC）。

图3 测试拓扑图

IED1发布APPID1（1001）的GOOSE 报文，IED3、IED4、IED5订阅；IED2发布APPID2（1002）的SV 报文，IED4、IED5、IED6订阅。

4.2 测试内容

4.2.1 网络实时监控测试

实时查看网络的转发路径，见图4所示，路径显示正确，说明可以正确获取报文的转发路径，实时监控网络通信。

图4 测试网络实时转发路径

4.2.2 网络确定性测试

测试模拟网络连接异常，断开SW2的port15端口和IED6的连接，系统发现异常路径显示告警，如图5所示。

图5 路径缺失异常

测试模拟交换机配置异常，手动在SW2中增加组播MAC 转发表，port15转发APPID1的报文，系统发现异常路径显示告警，如图6所示。

图6 非法路径异常

通过测试说明系统可以实时发现及定位异常路径，以供故障排查。

综上所述，本文提出的一种过程层网络全链路监控和告警的实现方法，通过过程层交换机的FPGA 模块获取GOOSESV 报文的局部转发路径，后台管理系统将局部路径整合为全局路径；通过将实际路径与SCD 规划路径对比，确保网络的确定性，对过程层网络的监控与研究具有重要意义。下一步研究工作将对网络数据流向和数据速率进行可视化显示，提高网络监控及维护的效率。