(深圳市国电南思系统控制有限公司 518059)
摘要：智能变电站间隔层网络报文具有流量大、数据变化快的特点，对智能站内的网络报文记录和分析装置的报文实时分析性能来说是一个巨大的挑战。通过对间隔层网络报文的研究分析，本文提出了一种快速报文分析的方法，可以有效降低分析功能对计算能力的要求，从而提高装置的分析性能。经过采用实际数据的对比测试，该方法在提升分析性能方面效果显著，解决了智能变电站中网络报文记录和分析装置的分析瓶颈问题。
关键词：间隔层报文分析技术；智能站网络报文记录和分析装置；应用
引言
智能变电站以数字化作为其主要特征，即以光纤介质的以太网络来代替原来的二次回路电气接线方式，一个典型的智能变电站结构包含站控层、间隔层和过程层三个层次，以及站控层网络和间隔层网络，即“三层两网”[1]。在智能站中，网络报文记录及分析装置成为监视和记录二次回路信息的主要手段，可以对数字回路中信号的传输进行记录，并对信号进行实时分析，发现异常情况可以产生告警[2]。
本文在分析二次回路报文结构及特点的基础上，探讨了应用于智能装置尤其是网络报文记录及分析装置上的间隔层报文快速分析技术，解决智能装置应对间隔层网络大流量数据的性能问题。
1智能站间隔层网络报文介绍
智能变电站间隔层网络报文类型主要为采样值报文和GOOSE报文，其中采样值信息主要有DL/T 860-9-1规范和DL/T 860-9-2规范，分别针对点对点传输方式和网络传输方式[3]，目前智能站的建设以DL/T 860-9-2规范为主。
采样值和GOOSE报文基于ISO/IEC8802-3进行链路传输，即我们通常称为以太帧的报文格式，如图1。其中以太网类型用于区分间隔层网络报文的类型：GOOSE信号的类型为十六进制88B8，采样值信号的类型为十六进制88BA。
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图1：ISO/IEC8802-3格式
对于采样值APDU（应用协议数据单元），允许将连续多次采样的数据值用一个以太帧传输，即多个ASDU（应用服务数据单元）封装在一个APDU中，要求是ASDU必须按照采样先后顺序排列，如图2。
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图2：采样值APDU格式
采样值和GOOSE信号的APDU均采用ASN.1编码方式进行信息编码。ASN.1是一种数据定义语言，可以描述在不同系统间通信的协议中使用的数据信息结构和数据类型，通信对象可以根据本地系统进行数据映射，但在信息交换过程中则能够保证一致性[4]。
2间隔层网络报文分析要求
根据分析功能针对的数据对象的性质不同，间隔层信号分析功能包含两个方面：一个是针对信号的结构、动态特性、规范性的分析；另一个是针对信号中电网运行数据的合法性、合理性的分析。另一方面，根据分析结果数据的种类，分析功能又包含三个方面的内容，即信号的状态分析、异常分析和统计分析，可以分别产生状态量、告警信息和统计数据这三种分析结果。
对采样值信号分析应支持9-1和9-2两种格式。采样值状态分析包括：对信号的连续性进行判断；监视采样值中的同步位、测试位及数据品质位的置位情况；采样值报文中的描述信息与变电站配置文件SCD中配置的描述信息是否一致。采样值异常分析主要针对采样值丢帧的四种情况进行告警。统计类分析功能按照指定的分析周期来进行，包括帧结构错误的次数、丢帧的次数、发生帧间隔异常次数以及采样值报文的帧流量和字节流量统计。由此可见，按照规范要求一个信号的分析项目众多，分析功能所需的计算量也比较大。
3间隔层网络报文实时分析难点
间隔层网络报文实时分析的难点，在于对间隔层数据流的线速处理，而间隔层网络流量的主要数据是采样值报文。以一个220kV智能站为例，统计各种合并单元数量，一般可达20个左右，由于采用双重化配置，更使采样值信号数量翻了一倍，以每个采样值到8到10Mbps计算，对于分析能力不低于是200Mbps的网络报文分析装置来说[2]，需要具有每秒钟实时分析至少20个采样值信号，80000个采样值帧的运算能力。
按照常规的分析方式，对一个采样值帧的处理步骤都是从以太帧头开始，顺序扫描整个帧数据，并根据网络协议进行解析，提取其中的数据，然后对提取的数据进行计算、比较，生成分析结果。由于ASDU中数据为ASN.1编码结构，按照BER编码规则来解析，需要分析嵌套的TLV三元组，解析过程可能使用递归调用，由外向里逐层进行处理，这进一步增加了分析的运算量。
4报文快速分析方法
针对间隔层报文的特点，我们提出一个快速报文分析的方案，减少ASN.1解码的计算量，对报文中的动态数据部分和静态数据部分采用不同的分析处理方式，以提高分析的性能。
首先，将以太帧中的数据分为“静态数据”和“动态数据”两类，静态数据指以太帧头的内容和ASN.1编码字段的TL（类型及长度）部分，动态数据主要指ASN.1编码字段的V（值）部分，然后采用以下分析步骤生成帧数据分析模板：
1)记录帧长度；
2)按照常规完整帧分析方式扫描整个帧数据，将以太帧头部分的静态数据的位置保存在分析模板中，如源/目标组播地址、以太帧类型、APPID等；
3)按照ASN.1编码对APDU头部进行分析，分别将每个TLV中的TL（类型及长度）部分和V（值）部分的偏移记录在分析模板中，提取ASDU数量字段的值，并生成对应数量的ASDU分析模板数据结构，分析模板包含ASDU中全部可能字段，除了必需的如svID、dataset等字段外，也包括像smpRate的可选字段；
4)扫描ASDU数据，按照ASN.1规则进行解码，将每个TLV对应到分析模板中相应的字段，并分别记录静态数据和动态数据部分的偏移；
5)处理所有ASDU直到帧尾，按照前面分析的结果，提取全部静态数据，采用校验算法生成校验值，保存在分析模板中；
6)构造分析模板步骤完成；
模板生成成功后，即可对后续帧数据采用模板定位的方式进行快速分析。为了提高分析效率，在数据处理过程中，还需要注意一些细节：第一是信号的查找应采用哈希算法，对关键字APPID或者组播地址进行哈希编址，可以有效减少比较次数；另外，报文分析过程应尽可能采用数据的原地分析处理，采用传递报文地址加偏移的方式在各个分析过程中传递数据，避免不必要的数据拷贝、移动；此外，对静态字段的校验算法可以采用计算量最小的校验和算法。
5实测效果及结论
按照上述分析方法及流程，实现快速分析计算程序，并在实际网分装置硬件平台上进行对比测试。数据源采用20个模拟MU采样值信号，帧长度为225字节，包含18个采样值通道，发送频率为4000帧/秒。为了测试分析功能，其中一个采样值信号包含3处需要进行告警或统计的项目点。分析按照规范要求的全部采样值信号分析项目，分别采用完整分析方式和快速分析方式，测试结果如下：
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图3：分析方法实际测试结果
测试结果数据表明，相对于完整分析算法，快速分析算法将分析运算所需的CPU时间缩短了33%，释放的CPU资源可以满足其他功能对计算能力的需求，从而有利于提高装置的整体性能及稳定性。
参考文献:
[1] 曹团结,黄国方. 智能变电站继电保护技术与应用 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2013.
[2] 国家电网公司. Q/GDW 715 — 2016 智能变电站网络报文记录及分析装置技术规范. 北京: 中国电力出版社, 2016.
[3] 郑新才，施鲁宁，杨光等，IEC61850标准下采样值传输规范9-1、9-2的对比和分析电力系统保护与控制2008，32(18)：47-50．
[4] GB/T 16263.1-2006 信息技术 ASN.1编码规则 第1部分：基本编码规则(BER)、正则编码规则(CER)和非典型编码规则(DER)规范