网络报文记录分析及故障录波在数字化变电站中的应用

1、PCR-901 智能网络记录与分析系统,南京新和普电力科技有限公司 2013.8,网络报文记录分析 及故障录波 在数字化变电站中的应用,数字化变电站,数字化变电站的特征 网络通信的重要性 网络通信的复杂性 网络通信的不直观性,第一代：记录+离线分析 第二代：实时分析 第三代：实时分析+网络监测 第四代：状态监测?,网络报文记录分析必要性及其作用,网络报文记录分析在数字化变电站中存在的必要性 网络报文记录分析可在数字化变电站中发挥的作用(本质功能) 网络报文记录分析将数字化变电站的通信网络可视化 网络报文记录分析将数字化变电站的二次回路可视化 网络报文记录分析对数字化变电站网络通信故障定位 网络报文记录分析需要满足的特性,PCR-901网络报文记录分析装置,PCR-901网络信息处理流程,（高端FPGA） 采集、时间戳、解码,嵌入式实时操作系统 (RT Linux) 环形缓冲技术 （网络报文实时分析）,录波单元,PCI-E/DMA,CF卡 （操作系统 /循环日志存储）,企业级硬盘 （网络报文原始数据）,LAN,后台管理机 (实时数据库),超容量日志/事件存储,PCR-901,PCR-90

2、1,零丢包,零拷贝,PCR-901记录分析单元硬件结构图,FPGA并行处理(采集时间戳解码),PCI-E,32位高速嵌入式硬件系统 （RT Linux）,PCI-E,2Gb/s,企业级硬盘,Ethernet/Fiber,Ethernet/Fiber,Ethernet/Fiber,Ethernet/Fiber,Ethernet/Fiber,Ethernet/Fiber,灵活替换,前向网络报文采集通道共6路100Mb/s，采集模块配置两块128MB内存 采用单片FPGA完成报文接收、加盖时间戳，连续报文采集分辨力100ns，确保采集模块零丢包 通过PCI-E高速总线、直接内存访问(DMA)方式，不占用任何上位机CPU资源，达到数据零拷贝,PCR-901-数据采集原理,接收数据处理单元采用独特的环形内存技术，管理采集模块与上位机交互的内存缓冲，确保数据传输可靠、完整、高效； 采用存储预规划、存储均衡分布、存储负载平衡、存储多盘同读写等实用型技术组合实现超大数据量存储，采用数据零擦写、循环覆盖方式替代传统的删除旧文件、写入新文件的方式； 存储数据方式层次化：事件日志条目存储和报文数据存储；其中

3、报文数据存储不仅有常规的原始报文按照网络划分存储；还有按照协议存储，如站控层MMS、GOOSE；特别的还针对有异常的报文做出特别处理； 异常报文不仅有对应的事件告警信息条目存储，还有异常报文对应的原始报文数据存储，并且异常报文数据的存储有定值设置，即可以根据实际情况选择哪种异常状况需要启动异常报文数据存储； 报文存储格式：本公司特有格式ncap，还支持流行的pcap格式；其中支持pcap的常用的两类格式：微秒格式、纳秒格式,PCR-901-数据存储策略,网络报文信息三级处理解决方案：FPGA实现报文采集、统计、SV解码及模拟量数据抽取；CPU实现报文详细分析、事件告警；管理机实现综合分析处理及人机界面操作 运行模式是由一个管理单元和一个或多个采集单元构成，管理单元负责管理多个采集单元，实时显示和采用数据库存储采集单元分析触发的事件告警日志、系统日志；查看模拟量的有效值、相位、谐波等，查看开关量的实时状态；查看IED的历史告警事件；功能强大、细节入微的离线分析,PCR-901-数据分析策略,采取软件模块化弱耦合策略，报文分析模块和报文存储模块分离 报文存储模块任务逻辑非常简单清晰，只负责

4、将报文数据按照存储机制存储，除了硬盘硬件故障外，确保数据存储不会因为某些难以预知的非法状况引起程序退出造成数据丢失，由于逻辑简单，提升了其可靠性 报文分析模块任务逻辑繁杂，由非法报文或某些报文数据输入引起的bug可能性存在；所有协议的分析、统计、归类、事件告警、通信等都在这一模块实现，其中协议按照类型分类，设计为插件式，接口定义明确，方便未来扩展，并且在线协议分析插件和离线协议分析共用，确保在线和离线分析的一致性 具备故障自诊断功能，程序的异常退出，尤其是报文分析模块的退出概率还是存在的；所以提供了程序看门狗，大大增加系统运行的可靠性,PCR-901-软件设计策略,事件告警按照重要性分为三类：错误、重要(警告)、常规； 错误类型表示引起这类事件的原因可能会导致变电站二次系统运行行为异常，如SV采样序号异常、GOOSE stNum、sqNum变化规律异常、配置不一致等；这类事件告警信息需要查找原因，并设法去解决的，辨别是有何引起的这类故障，是网络原因还是IED的原因，是人为原因还是工具的原因等等； 重要类型表示引起这类事件的原因反应了一些需要特别关注的现象，如GOOSE新事件(开关变位)

5、、站控层的SOE事件、网络流量突变等；这类的事件可能反映了电力系统的行为变化，需要关注这些事件告警是否真正符合系统运行情况 常规类型表示的是一些大多是软件系统提示的内部信息,PCR-901-事件告警等级分类,支持以下等多项告警 1）、数据帧丢失、错序、重复 (采样序号异常) 2）、数据异常变大 3）、超时、中断 4）、抖动( 报文发送频率异常) 5）、采样品质变化 6）、双AD不一致 7）、检修状态位变化 8）、同步状态变化 9）、通道延时变化 10）、数据有效位变化 11）、配置不一致：APPID、组播地址、输出选项、ASDU数量、采样率、 数据引用、svID、版本号、通道数等,PCR-901-事件告警-SV,支持以下等多项告警 1）、发送机制错误 （T1、T2、T3时间间隔不规范） 2）、心跳报文抖动 (T0时间间隔不规范) 3）、超时、中断 4）、丢帧、错序、重复 (stNum和sqNum变化规律异常) 5）、状态改变 6）、状态虚变 7）、检修状态位变化 8）、重启 9）、配置不一致：APPID、组播地址、GoCBRef、DatSet、版本号、 GoID、数据总个数、数据类型等

6、 10）、数据条目数不吻合 11）、数据条目数改变 12）、数据条目的类型改变,PCR-901-事件告警-GOOSE,支持以下等多项告警 1）、报告控制块初始化异常 2）、与SCD文件配置不一致 3）、服务否定响应 4）、服务错误 5）、遥控 6）、修改定值 7）、切换定值区 8）、SOE报告 9）、SOE报告中数据值无效 10）、连接释放,PCR-901-事件告警-MMS,PTP(IEC1588): 1）、报文重复 2）、报文丢失 3）、报文错序 4）、Sync报文和Follw Up 顺序错误,PCR-901-事件告警-其它,TCP: 1）、连接重置、连接断开、建立连接成功 2）、数据重传 3）、传输丢帧 IP: 1）、IP分片过多 2）、非法IP地址(SCD中未配置) 3）、PING攻击 4）、ARP攻击,网络环境: 1）、节点突增 2）、流量异常 3）、网络中断 4）、网络风暴 通用分析: 1）、通信中断 2）、通信恢复 3）、报文格式错误,支持以下等多项告警,实时监测单元软件主要包含后台管理机主程序、系统日志程序、数据库程序、通信服务程序、进程监控程序和离线报文分析软件。通信服

7、务程序是后台管理机主程序和网络报文分析装置之间信息交换的桥梁。采集后台管理机程序主要实现人机交互操作和信息显示，含网络概貌、设备历史信息、MU监测、GOOSE监测、MU综合分析和文件、日志检索等。系统日志程序实时呈现在线分析的结果信息。数据库程序主要管理设备信息、统计信息和历史事件信息。离线分析软件主要对报文文件进行更详细具体的分析，以图文方式呈现分析结果。进程监控程序随主程序一起启动，如果发现主程序、通信服务程序、系统日志程序异常退出，会自动重新启动该程序。,PCR-901-软件模块之架构,记录仪配置及管理 需要根据现场情况配置一些参数，如变电站名称、配置文件名称、数据存储路径、记录仪名称、ip地址; 记录仪的删除、添加等 在线配置可以设置采集单元的采集端口信息、通信端口的地址、异常报文记录参数、是否使能站控层、GOOSE报文单独存储以及是否使能异常报文记录存储等,PCR-901-参数配置,对象配置(IED终端配置) 可以从SCD导入全站配置信息，也可以手工加入信息，保存后自动更新管辖范围内的采集单元配置信息，保证后台与采集单元使用共同的配置,分析配置 有关分析的配置全部在这里完成

8、通用在线分析配置：网络中断定值、流量异常阀值、风暴阀值、流量变化阀值等 SV分析设置：超时阀值、中断阀值、双AD误差阀值、抖动阀值、分析项目使能等 GOOSE分析设置：超时阀值、中断阀值、心跳周期抖动误差阀值、发送机制异常等 站控层实时分析设置：实时上报报告服务-SOE、实时上报所有报告、上报TCP连接、复位等,过程层数据 过程层网络（SV、GOOSE）数据采如果用组网方式接入，首先在考虑每个网络端口流量的基础上，对过程层交换机进行VLAN划分，然后通过光纤接入记录分析装置。如果采用点对点方式接入，需配置网路数据汇集接口装置，从汇集口接入记录分析装置,PCR-901-数据接入,站控层数据 站控层网络（MMS）数据接入之前，需要设置站控层交换机，把与监控主机相连的交换机端口的收发数据镜像到一个端口(Mirror Port)，再把镜像端口(Mirror Port)接入记录分析装置,采集分析单元的属性信息，包括采集分析单元的名称和IP地址； 采集分析单元各记录端口的名称编号，网络通信状态，绿灯表示通信正常（有数据）， 红灯表示通信中断（无数据）； 采集分析单元各记录端口对应的名称，如侦听的是

9、站控层(MMS)A 网，可标注为MMSA，可以直观显示各端口对应的子网的名称； 采集分析单元各记录端口记录的网络IED设备的数目； 采集分析单元各记录端口对应的每秒钟网络包的个数和网络流量的大小、协议分布和包大小分布； 采集分析单元各记录端口接入设备的相关信息，包括设备的名称、MAC地址、流量信息、设备状态等； 设备状态栏信息包含运行、通信中断、配置不一致、失步、检修模式、数据无效、 无效PDU等。根据此信息可实时了解设备的一些信息，快速判断设备的运行情况和 配置是否一致。,PCR-901-软件之网络概貌,双击网络概况页面设备名称视图中的某套设备【或者双击”设备列表”（通常隐藏在右上侧）中的某套设备】，或在网络概貌页面设备名称视图中按右键选择【设备历史信息】，将在设备信息界面中详细显示该设备的详细信息和历史事件信息，按鼠标右键可按信息类型（所有、常规、告警、错误）过滤,PCR-901-软件之设备历史信息,在网络概貌页面的设备名称视图中选择某合并单元按右键选择MU监测，或者切换页面到MU监测，在主界面右上角的【设备列表】中双击某合并单元，可以监测该MU的实时波形、通道名称、有效值、相位和离散度，见图,PCR-901-软件之MU值监测,在网络概貌页面的设备名称视图中选择某智能终端按右键选择GOOSE监测，或者切换页面到GOOSE监测，在主界面右上角的设备列表中双击某GSE控制块，可以实时监测该控制块的通道名称、状态等信息，见图,PCR-901-软件之GOOSE状态值监测,该页面主要同时监测多个MU（已经配置好）的通道采样值、相位、谐波等信息。在主界面右上角的设备列表中双击某合并单元，该合并单元的MAC地址会自动添加到图中的组合框中，可多次双击选择多个MU，也可以在设备列表中在相应MU位置上按鼠标右键挑选需要监测的通道。在图中双击某一个通道，该通道名称会显示在【相位基准通道】右侧，选中【相位基准通道】，其它通道的相位会以该通道相位为基准显示。见图,PCR-901-软件之MU值综合分析,该页面提供按时间和文件类型检索相应记录分析装置的报文文件列表，按时间检索日志信息，双击报文列表中的某一项，自动下载报文文件到本地（文件存放路径在【系统配置】-【记录仪管理

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