智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析原理與應(yīng)用-竇中山課件

1、許繼電氣智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析原理與應(yīng)用主要內(nèi)容1、以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)2、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽原理3、報(bào)文分析基礎(chǔ)4、智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析功能概述5、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的實(shí)現(xiàn)6、在智能變電站中的應(yīng)用(一)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)IEEE802.3 帶碰撞檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA/CD)訪問方法和物理層規(guī)范多路訪問/沖突檢測(cè)的原理：先聽后講的策略。檢測(cè)到傳輸信道空閑才發(fā)送，發(fā)送過程中繼續(xù)監(jiān)聽。如果此時(shí)檢測(cè)到發(fā)送沖突，則立即停止發(fā)送，并等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后重新開始檢測(cè)傳輸信道狀態(tài)。以太網(wǎng)的MAC地址每塊網(wǎng)卡在出廠時(shí)都有一個(gè)全世界唯一的硬件地址，即MAC地址。長(zhǎng)度為6字節(jié)（48位）其中，前3字節(jié)為IEEE分配給廠商的

2、廠商代碼，后3字節(jié)為網(wǎng)卡編號(hào)。IEEE 802.3規(guī)定：以太網(wǎng)的第48bit用于表示這個(gè)地址是組播地址還是單播地址。為“0”時(shí)，表示是單播地址；為“1”時(shí)，表示是組播地址。如果所有位全為“1”時(shí)，表示是廣播地址（FF:FF:FF:FF:FF:FF）。組播地址示例：01-80-C2-00-00-0001-80-C2-00-00-01/develop/regauth/grpmac/public.html (一)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)關(guān)于以太網(wǎng)傳輸順序以太網(wǎng)線路上按“Big Endian”字節(jié)序傳送報(bào)文（也就是最高字節(jié)先傳送），而比特序是”Little Endian”（也就是最低位先傳送 )。(一)以太網(wǎng)基

3、礎(chǔ)知識(shí)以太網(wǎng)最小幀64字節(jié)的由來(lái)在10Mbps網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用中繼器時(shí)對(duì)于兩個(gè)站點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離為2500米，由4個(gè)中繼器連接而成，其碰撞檢測(cè)的沖突窗口時(shí)間為2倍電纜傳輸延遲加上4個(gè)中繼器的雙向延遲之和，合計(jì)為51.2us。對(duì)10Mbps網(wǎng)絡(luò)而言，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)等于發(fā)送512bit，即64字節(jié)的時(shí)間。這就是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中最小幀長(zhǎng)度為64字節(jié)的來(lái)由。考慮如下極限的情況，主機(jī)發(fā)送的幀很小，而兩臺(tái)沖突主機(jī)相距很遠(yuǎn)。在主機(jī)A發(fā)送的幀傳輸?shù)紹之前，B開始發(fā)送幀。這樣，當(dāng)A的幀到達(dá)B時(shí)，B檢測(cè)到?jīng)_突，于是發(fā)送沖突信號(hào)。假如在B的沖突信號(hào)傳輸?shù)紸之前，A的幀已經(jīng)發(fā)送完畢，那么A

4、將檢測(cè)不到?jīng)_突而誤認(rèn)為已發(fā)送成功。這也是為什么必須有個(gè)最小幀長(zhǎng)的限制。(一)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)注：由于都采用了碰撞檢測(cè)技術(shù)，意味著網(wǎng)絡(luò)速度越快，傳輸距離越短。以太網(wǎng)的類型標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)-最開始以太網(wǎng)只有10Mbps的吞吐量，它所使用的是CSMA/CD（帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問）的訪問控制方法，通常把這種最早期的10Mbps以太網(wǎng)稱之為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)?？焖僖蕴W(wǎng)-也就是我們現(xiàn)在大量使用的100Mbps以太網(wǎng)?？焖僖蕴W(wǎng)由 IEEE 802.3u 標(biāo)準(zhǔn)定義，基本與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)相同，但速度比標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)快十倍。 千兆以太網(wǎng)-向前兼容的速度更快的以太網(wǎng)。由IEEE 802.3z標(biāo)準(zhǔn)定義。(一)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)常見

5、以太網(wǎng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(一)以太網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)廣播風(fēng)暴：是指網(wǎng)絡(luò)上不正確的數(shù)據(jù)流包，或者廣播消息的過度傳送。在一個(gè)局域網(wǎng)中，任何一臺(tái)主機(jī)發(fā)出的廣播報(bào)文都會(huì)被同一廣播域中的所有其他主機(jī)接收到。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)中的廣播報(bào)文越來(lái)越多，廣播報(bào)文占用的網(wǎng)絡(luò)資源越來(lái)越多，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能，這就是所謂的廣播風(fēng)暴的問題。解決廣播泛濫問題的主導(dǎo)思想：將沒有互訪需求的主機(jī)隔離開。虛擬局域網(wǎng)(VLAN)：是把一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯工作組的邏輯網(wǎng)段。標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1Q。注： VLAN無(wú)法解決廣播風(fēng)暴，你只能通過較小的VLAN劃分來(lái)減少?gòu)V播風(fēng)暴的發(fā)生率。廣播風(fēng)暴與VLAN(二)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的原理網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽技術(shù)主要

6、基于以下三個(gè)條件:一塊網(wǎng)卡正常情況下網(wǎng)卡只接收與自身硬件地址相同的數(shù)據(jù)報(bào)文，以及廣播和組播報(bào)文?；祀s模式（Promiscuous Mode）混雜模式就是不管目的地址，接收所有經(jīng)過本網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)報(bào)文的工作模式。 支持報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)集線器（HUB）支持網(wǎng)管的交換機(jī)（SWITCH）端口鏡像VLAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽-利用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口截獲目的地為其它計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)文。注：在普通交換式網(wǎng)絡(luò)中通過ARP欺騙的方式也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽。(二)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的原理Window-winpcapwireshark/ethereal，Comview，SnifferLinux/Unix-libpcaptcpdump，wireshar

7、k 9-19-2GOOSEARPRARPTCPUDPIGMPICMPSNTP1588GMRP(三)報(bào)文分析基礎(chǔ)IEC61850功能與協(xié)議集(三)報(bào)文分析基礎(chǔ)MMS應(yīng)用協(xié)議集MMS 是一個(gè)國(guó)際信息通訊標(biāo)準(zhǔn)，提供適用于多種智能設(shè)備(IED)和控制設(shè)備范圍廣泛的服務(wù)。MMS由兩部分組成：服務(wù)定義（Servicedefinition）和協(xié)議規(guī)范（Protocol specification）。MMS 使用了抽象語(yǔ)法標(biāo)記(ASN.1) 來(lái)描述它們所傳輸?shù)腜DU。(三)報(bào)文分析基礎(chǔ)OSI傳輸協(xié)議集(三)報(bào)文分析基礎(chǔ)9-2報(bào)文解析實(shí)例(三)報(bào)文分析基礎(chǔ)百兆以太網(wǎng)每秒最大傳輸幀數(shù)的計(jì)算公式（傳輸能力）下面以以

8、太網(wǎng)最小幀長(zhǎng)64字節(jié)的報(bào)文為例計(jì)算網(wǎng)絡(luò)流量：有效數(shù)據(jù)流量計(jì)算：60byte x 148809幀/秒 x 8bit/byte = 71428320bit/秒 = 71.428Mbps網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載計(jì)算：(12+8+60+4)byte x 148809幀/秒 x 8bit/byte = 99999648bit/秒 = 99.999Mbps注：同理我們來(lái)推算百兆以太網(wǎng)最多能傳輸多少臺(tái)采樣率為4000Hz的MU報(bào)文，假設(shè)MU的SVID為11個(gè)字符，22個(gè)通道，每幀1個(gè)點(diǎn)，帶4字節(jié)VLAN信息。通過捕獲報(bào)文可以知道每幀有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為242字節(jié)。通過以上公式可以得到46992幀/秒。46992/400011

9、臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)傳輸能力（網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)算）(四)智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析功能概述缺少針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的監(jiān)視手段 智能設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)的健康狀況將直接影響整個(gè)智能變電站的通信，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送端、接收端及通信網(wǎng)絡(luò)異?；蚬收暇赡軐?dǎo)致電力系統(tǒng)重大事故，因此需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行有效的監(jiān)視、記錄和診斷，提前發(fā)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)和故障設(shè)備，預(yù)防電力系統(tǒng)事故的發(fā)生。 原始數(shù)據(jù)的記錄與追溯 當(dāng)電力系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，不僅能對(duì)記錄的網(wǎng)絡(luò)原始報(bào)文進(jìn)行分析，還能還原電力系統(tǒng)一次設(shè)備故障波形以及二次設(shè)備動(dòng)作行為，便于事故發(fā)生后進(jìn)行分析和快速查找故障原因。為什么需要網(wǎng)絡(luò)分析(四)智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析功能概述從物理設(shè)備上分：合并單元智能終端保護(hù)測(cè)控

10、監(jiān)控后臺(tái)交換機(jī)？從協(xié)議類型和邏輯節(jié)點(diǎn)分：SV節(jié)點(diǎn)GOOSE節(jié)點(diǎn)IP節(jié)點(diǎn)1588 監(jiān)視和分析的對(duì)象(四)智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析功能概述1）記錄數(shù)據(jù)的分辨率： 1us；2）SV報(bào)文連續(xù)記錄存儲(chǔ)： 3天；3）GOOSE報(bào)文連續(xù)記錄存儲(chǔ)： 15天；4）MMS報(bào)文連續(xù)記錄存儲(chǔ)： 15天；5）報(bào)文異常事件記錄存儲(chǔ)： 1000條；6）文件格式： pcap格式報(bào)文數(shù)據(jù)記錄將被監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的所有報(bào)文打上時(shí)標(biāo)后，無(wú)損記錄。(四)智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析功能概述 裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視及分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的增加和刪除、報(bào)文流量、幀速、通信狀態(tài)等，給出預(yù)警信息并啟動(dòng)報(bào)文記錄。啟動(dòng)報(bào)文記錄的條件包括：流量異常、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、

11、節(jié)點(diǎn)突增、通信超時(shí)、通信中斷等。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視及分析 實(shí)時(shí)監(jiān)視電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如有效值、相角、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、差流、阻抗等當(dāng)前量值及開關(guān)量當(dāng)前狀態(tài)的能力。 實(shí)時(shí)分析以下異常：電壓突變、電壓（相/正序）越限、負(fù)序電壓越限、零序電壓越限、二次諧波電壓越限、三次諧波電壓越限、五次諧波電壓越限、七次諧波電壓越限、電流突變、電流越限、負(fù)序電流越限、零序電流越限、頻率越限、頻率變化率、開關(guān)量變位等，并給出相應(yīng)的告警信息。電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視及分析(五)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)標(biāo)MU的離散度1-10us存儲(chǔ) 性能400Mbps流量容量 4TB/天管理算法點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多網(wǎng)卡采集光口

12、數(shù)量散熱分析網(wǎng)絡(luò)或報(bào)文故障診斷模型MMS協(xié)議集分析多MU數(shù)據(jù)同步技術(shù)報(bào)文高速分析與顯示技術(shù)(五)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)硬件壓縮-相對(duì)提高存儲(chǔ)速度與增大存儲(chǔ)容量問題。多硬盤多分區(qū)交錯(cuò)使用及數(shù)據(jù)格式化技術(shù)多硬盤均衡使用，提高硬盤使用壽命；寫入與刪除不在同一硬盤同時(shí)進(jìn)行，提高硬盤使用效率；格式化刪除減少硬盤碎片。數(shù)據(jù)索引技術(shù)-使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文件索引，提高文件查詢效率。容量問題解決途徑：大容量硬盤增加硬盤數(shù)量數(shù)據(jù)壓縮性能問題解決途徑：并行寫入數(shù)據(jù)壓縮減少文件碎片減少同時(shí)操作相同硬盤的幾率注：在完善了診斷模型后，故障式數(shù)據(jù)記錄是解決容量問題的辦法。(五)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多網(wǎng)卡采集分體式多采集器模式。(五)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置的實(shí)現(xiàn)(六) 應(yīng)用方案下面以三網(wǎng)合一的淇縣變工程為例，進(jìn)行說(shuō)明。站控層采用A、B雙網(wǎng)，交換機(jī)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如下：過程層有110kV、220kVA、220kVB三個(gè)主干交換機(jī)，17個(gè)子交換機(jī)。交換機(jī)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如下：(六) 應(yīng)用方案配置方案：采用4臺(tái)記錄裝置。站控層： 1#記錄裝置接入2臺(tái)主干交換機(jī)。過程層： 2#記錄裝置接入110kV5臺(tái)交換機(jī)，3#記錄裝置接入220kVA網(wǎng)內(nèi)的5+1臺(tái)交換機(jī)，4#記錄裝置接入220kVB網(wǎng)內(nèi)的5+1個(gè)臺(tái)