智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機在線監(jiān)測設(shè)計與實現(xiàn)

徐 勇，陸玉軍，張 雷

(1.宿遷供電公司，江蘇宿遷 223800；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102)

通信技術(shù)是變電站自動化系統(tǒng)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，所采用的技術(shù)必須滿足變電站內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的要求。在以IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)實現(xiàn)的智能變電站中，過程層通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值SV 報文和通用變電站事件GOOSE 報文信息關(guān)系到二次設(shè)備的正確采集、處理及控制輸出，影響到一次設(shè)備的正確動作和安全運行，信息傳輸?shù)目煽啃?、實時性和安全性要求非常高[1]。

根據(jù)前述要求，在網(wǎng)絡(luò)交換機應(yīng)用方面，往往優(yōu)先采用性能優(yōu)越、高可靠性的品牌工業(yè)交換機，因是網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備，其可靠性將影響到與網(wǎng)絡(luò)交換機連接的多個保護(hù)設(shè)備正常運行，部分現(xiàn)場甚至不惜重金大量采用。在當(dāng)前應(yīng)用中，由于缺少交換機及網(wǎng)絡(luò)性能的在線監(jiān)測手段，無法及時獲知交換機內(nèi)部狀態(tài)、接口通訊、網(wǎng)絡(luò)流量等實時信息，難以發(fā)現(xiàn)交換機和網(wǎng)絡(luò)的異常征兆、無法預(yù)估交換機何時會出現(xiàn)故障而影響系統(tǒng)運行安全。雖由交換機或網(wǎng)絡(luò)故障引起的保護(hù)誤動或拒動的情況不多，但從獲知的智能變電站內(nèi)交換機和網(wǎng)絡(luò)異常事件看，開展交換機性能及網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測將有助于幫助發(fā)現(xiàn)運行中的潛在缺陷，并及時采取正確地處理措施。針對異常進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計、改善性能、減少冗余、簡化配置的目標(biāo)。

1 變電站交換機使用與管理現(xiàn)狀

1.1 交換機的設(shè)備配置

為保證過程層信息傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性，在智能變電站內(nèi)一般是將站控層和過程層分網(wǎng)傳輸。并且在過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選用上，只考慮工業(yè)級、高性能的可網(wǎng)管交換機，而普通的交換機因為不能實現(xiàn)網(wǎng)管的配置應(yīng)用，即使在智能變電站的站控層中也很少有應(yīng)用。目前應(yīng)用較多的交換機品牌有HIRSCHMANN（赫斯曼）、RuggedCom（羅杰康）、MOXA（摩莎）等。

變電站網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計中一般采用雙網(wǎng)、或雙網(wǎng)雙套、或冗余交換機配置，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，依靠另一網(wǎng)絡(luò)的投入保證網(wǎng)絡(luò)的可靠運行。

1.2 交換機的管理方式

（1）串口管理：通過串口線，主機與交換機提供的菜單控制臺界面或命令行界面進(jìn)行交互操作。

（2）Web 管理：在主機瀏覽器中輸入交換機管理IP 訪問，但部分網(wǎng)管交換機不支持Web 管理。

（3）網(wǎng)管軟件管理：通過局域網(wǎng)，利用主機上安裝的網(wǎng)管軟件訪問交換機。網(wǎng)管軟件有通用型和廠家為自身產(chǎn)品定制的專用型網(wǎng)管軟件，如赫斯曼公司的Hivision、思科公司的Cisco works、華為3Com的IMC等軟件均為專用型。

1.3 交換機的管理現(xiàn)狀

一般按網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、設(shè)備配置和數(shù)據(jù)傳輸要求，采用報文過濾、環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)配置交換機；運行中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)或交換機設(shè)備是否有異常，檢查設(shè)備狀態(tài)或調(diào)取故障信息分析；缺陷處理或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備校驗時，使用工具軟件查看內(nèi)部狀態(tài)信息或針對故障查找設(shè)備內(nèi)部缺陷[2]。

2 變電站交換機網(wǎng)絡(luò)管理分析

目前的網(wǎng)絡(luò)管理方法是一種被動的管理策略，往往等缺陷暴露后才能發(fā)現(xiàn)問題，易對系統(tǒng)運行造成不利的影響。本文提出采用一種主動的管理方法即實現(xiàn)對交換機運行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊流量等信息的采集，建立對交換機的在線監(jiān)測，通過對數(shù)據(jù)的分析處理，判定是否存在網(wǎng)絡(luò)異?；蚬收?、分析定位故障發(fā)生的設(shè)備節(jié)點或?qū)е氯毕莸木売?，及時提醒監(jiān)控運行維護(hù)人員采取主動處理措施的管理方式，防范因設(shè)備癱瘓或網(wǎng)絡(luò)缺陷而引起的事故。

2.1 監(jiān)測對象

根據(jù)ISO/IEC 7498-4 中的定義，網(wǎng)絡(luò)管理的功能主要分故障管理、計費管理、配置管理、性能管理、安全管理5個方面。而變電站交換機網(wǎng)絡(luò)管理從網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測、交換機狀態(tài)監(jiān)測角度采集信息，通過分析處理，實時獲取交換機和網(wǎng)絡(luò)性能的狀態(tài)，側(cè)重性能管理、故障管理。例如通過對通訊數(shù)據(jù)處理可獲得：帶寬占用率高、流量突變、通訊異常等信息。

（1）網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測的信息：交換機端口通訊連接狀態(tài)、輸入輸出流量、帶寬占用率、輸入丟包率、輸入錯誤率，輸出丟包率、輸出錯誤率。

（2）交換機性能監(jiān)測信息：CPU 負(fù)荷率、內(nèi)存利用率、內(nèi)部模塊自檢狀態(tài)、電源工作狀態(tài)、工作溫度、交換機風(fēng)扇狀態(tài)，交換機重啟（故障或失電引起）及其他自定義異常事件。

2.2 采集信息

上述需要監(jiān)測的信息位于交換機信息庫MIB 中，通過仔細(xì)分析MIB的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)變電站交換機性能監(jiān)測的信息主要分布在：端口通訊變量、系統(tǒng)信息變量、內(nèi)部狀態(tài)變量、及故障異常變量等部分[3]。

（1）端口通訊信息。位于交換機MIB庫的Interfaces 子節(jié)點下ifTable的表對象中，對象標(biāo)識OID為1.3.6.1.2.1.2，這部分包含：端口一般信息，如標(biāo)記ifIndex、描述ifDescr、類型ifType、速率ifSpeed；端口狀態(tài)信息，如端口管理狀態(tài)up 或down，端口工作狀態(tài)linkup 或linkdown；端口流量信息，如輸入和輸出流量的累計數(shù)據(jù)。

（2）系統(tǒng)信息。位于交換機MIB 庫中的System子節(jié)點下，OID為1.3.6.1.2.1.1，這部分含有：交換機描述、交換機ID、交換機上電時間等信息。如根據(jù)上電時間可發(fā)現(xiàn)交換機是否有宕機或失電現(xiàn)象。

（3）內(nèi)部狀態(tài)信息。位于MIB 庫中的private.enterprises 子節(jié)點下，OID為1.3.6.1.4.1，這部分為廠家私有MIB 信息，需要關(guān)注的部分內(nèi)部信息有：交換機系統(tǒng)時間、程序版本、電源狀態(tài)，交換機溫度、CPU 負(fù)荷率、風(fēng)扇工作狀態(tài)等信息。由于是設(shè)備的內(nèi)部專有信息，需通過廠商的技術(shù)資料才能進(jìn)行解讀。

（4）trap 事件信息。交換機的故障異常信息一般通過trap 命令由網(wǎng)管交換機主動發(fā)給管理主機，SNMPv1 協(xié)議中描述部分故障異常信息：交換機重啟、端口通訊中斷與恢復(fù)、及交換機自定義故障異常事件。

2.3 通訊數(shù)據(jù)處理

前述端口通訊信息為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，需要處理才可以獲得網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)信息。如通過2 次輪詢的數(shù)據(jù)除以輪詢間隔時間，則可得到一段時間的流量信息[4，5]。與網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)的統(tǒng)計指標(biāo)有：

（1）端口流量。以2 次采集的輸入/ 出字節(jié)數(shù)之差反映一段時間內(nèi)端口流量：

式（1—3）中：ΔBin為2 次輸入字節(jié)數(shù)差值；ΔBout為2 次輸出字節(jié)數(shù)差值；ΔT為采集間隔時間。

（2）端口帶寬占用率。以端口速率和流量獲得一段時間帶寬占用率：

式（4）中：Spt為端口速率。

（3）端口通訊包數(shù)。反應(yīng)一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包數(shù)：

式（5）中：ΔPin，ΔPiu，ΔPinu為輸入包數(shù)、輸入單播包數(shù)、輸入非單播包數(shù)，同樣可獲得輸出包數(shù)。

（4）端口錯誤率。反應(yīng)一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包的出錯率：

式（6）中：ΔEin為輸入錯誤包，同樣可獲得輸出錯誤率。

（5）端口丟包率。反應(yīng)一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)包的丟包率：

式（7）中：ΔDin為輸入丟包數(shù)，同樣可獲得輸出丟包率。

2.4 交換機信息處理

根據(jù)采集的交換機信息及設(shè)定的異常閾值處理，判斷硬件設(shè)備的異常，如電源異常、溫度高異常、CPU利用率、內(nèi)存占用率高異常等指標(biāo)信息均是交換機設(shè)備異常的反映。

（1）獲取時間信息。采集獲取交換機的上電時間是自上電后運行至當(dāng)前時間的累計，不能直觀反應(yīng)上電時刻，可通過下式獲得：

式（8）中：Tup為上電時間；Tdev為交換機時間；Tsec為交換機上電的秒數(shù)。

交換機端口變位時間是相對系統(tǒng)啟動時間的10 ms 數(shù)據(jù)，通過下式獲得端口連斷時間：

式（9）中：Tpt為端口連/斷時間；Tlc為端口變位時間。

如交換機時間與當(dāng)前時間相差較大，則應(yīng)以當(dāng)前時間做依據(jù)，否則無法準(zhǔn)確獲知端口變位時刻。

2.5 信息處理及告警上傳

整站交換機的監(jiān)測信息量已不少，如不篩選信息來上傳，過多的告警將使運行人員判別處理困難，難以區(qū)分真實的異常。應(yīng)用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，以設(shè)備告警信息、設(shè)定閾值越限來判定是否產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)異?；蚬收?、通過分析定位故障發(fā)生的環(huán)節(jié)，以狀態(tài)信息或告警事件向管理人員或變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送，提醒運行人員采取主動的處理措施。由交換機在線監(jiān)測系統(tǒng)（或監(jiān)控軟件）篩選處理后需上傳的信息如表1 所示。

表1 交換機監(jiān)控上傳信息

3 變電站交換機監(jiān)測管理設(shè)計

變電站實際使用中的交換機由不同廠家、端口數(shù)量不一、多個不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)組成，站內(nèi)統(tǒng)一監(jiān)測需能實現(xiàn)上述全部設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視，同時含能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)分析處理、事件或日志查詢等網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用需要，建立的變電站交換機網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)具備以下功能模塊：交換機配置管理、通訊采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)視、告警事件、日志或數(shù)據(jù)查詢等模塊，如圖1 所示。

圖1 交換機監(jiān)測功能模塊

（1）交換機配置管理模塊。針對滿足不同交換機類型、不同廠家、不同接口數(shù)量、不同接口設(shè)備、不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交換機進(jìn)行配置管理的需要，建立交換機統(tǒng)一配置管理模塊，主要實現(xiàn)交換機類型管理、交換機所在網(wǎng)絡(luò)管理、交換機通訊信息采集管理、接口數(shù)量及不同接口設(shè)備的屬性管理、實現(xiàn)不同交換機MIB 對象信息管理，特別是交換機廠家私有變量信息的管理。

（2）SNMP通訊模塊。交換機的信息均通過SNMP輪詢和trap 事件采集獲得，通訊采集時需兼顧多臺設(shè)備的同時通訊及阻塞等問題，因此需為每臺受監(jiān)控的交換機建立“輪詢+trap”的獨立線程管理，使交換機的采集通訊相互獨立，互不影響，保證了信息采集的實時性。實現(xiàn)方法是啟動交換機通訊采集時創(chuàng)建線程，停止采集時關(guān)閉創(chuàng)建的線程。

（3）采集數(shù)據(jù)處理模塊。根據(jù)采集的交換機系統(tǒng)信息、端口流量數(shù)據(jù)、內(nèi)部狀態(tài)信息進(jìn)行處理，獲得與網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)的統(tǒng)計指標(biāo)、與交換機設(shè)備異常相關(guān)的事件告警、超限告警信息，輸出可直接觀測和便于理解的信息。

（4）數(shù)據(jù)圖形顯示模塊。將交換機的采集數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)、告警信息事件分類進(jìn)行顯示，以數(shù)據(jù)及表格、狀態(tài)圖、趨勢圖、告警事件等方式進(jìn)行展示。

（5）狀態(tài)數(shù)據(jù)輸出模塊。對處理后的交換機及端口信息，建立監(jiān)控信息上傳表，實現(xiàn)告警數(shù)據(jù)上傳，便于實現(xiàn)監(jiān)控統(tǒng)一管理。支持以IEC61850MMS 或IEC104 協(xié)議輸出。輸出的每臺交換機狀態(tài)信息數(shù)據(jù)可查詢、可監(jiān)視。

（6）告警輸出模塊。對所有的操作、通訊事件提供帶時標(biāo)的詳細(xì)告警信息，并按類別、分窗口顯示，告警事件按建立的日志文件可實現(xiàn)多條事件的自動實現(xiàn)存儲，可控制存儲文件大小、和控制日志文件保存的天數(shù)。輸出的告警事件文件可方便查看。告警事件支持選中清除。

4 變電站交換機在線監(jiān)測實現(xiàn)

4.1 變電站交換機監(jiān)測系統(tǒng)介紹

根據(jù)前述交換機監(jiān)測分析設(shè)計，基于VS2005 開發(fā)套件開發(fā)了以SNMP 通訊協(xié)議實現(xiàn)信息采集、支持多個廠家、不同型號交換機設(shè)備、可實現(xiàn)變電站內(nèi)多臺交換機的同時網(wǎng)管在線監(jiān)測軟件。根據(jù)變電站交換機在線監(jiān)測的需要，為交換機監(jiān)測配備了專用的變電站網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測設(shè)備具有豐富的網(wǎng)絡(luò)接口和強大的功能，支持多路以太網(wǎng)和光纖的接入，可實現(xiàn)變電站內(nèi)多個不同網(wǎng)絡(luò)的同時接入監(jiān)測，避免了不同網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)。監(jiān)測的交換機數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)均可通過配置實現(xiàn)，監(jiān)測軟件可適用于任意規(guī)模的變電站交換機的在線監(jiān)測，具有通用性。

鑒于變電站內(nèi)監(jiān)控設(shè)備的豐富及另安裝專用監(jiān)測設(shè)備的麻煩，本監(jiān)測程序也可運行于基于Windows 平臺的變電站監(jiān)控后臺，或網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置中。也可作為一個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的檢查分析工具，在現(xiàn)場用調(diào)試筆記本進(jìn)行交換機實時狀態(tài)信息的檢查維護(hù)。

程序采用多線程防阻塞的設(shè)計方案，為每臺交換機創(chuàng)建獨有的“SNMP 輪詢+SNMPtrap”通訊線程，控制交換機MIB 信息數(shù)據(jù)采集，避免了單臺交換機管理通訊中斷引起的阻塞問題，保證了數(shù)據(jù)采集、程序處理的實時性和準(zhǔn)確性，同時監(jiān)控上傳信息的通訊也采用獨立的線程進(jìn)行管理。程序采用多文檔框架窗口設(shè)計，每臺交換機畫面由單獨子框架窗口管理，子框架視圖采用多畫面分類顯示采集信息、處理信息、告警狀態(tài)、輸出信號，并依據(jù)告警信息類型實現(xiàn)分類管理和綜合存儲，方便查看。支持交換機接口界面的自適應(yīng)布置，可實現(xiàn)顯示界面的端口布局與實際設(shè)備一致。

4.2 變電站交換機監(jiān)測應(yīng)用

本項目在蘇北某110 kV 智能變電站現(xiàn)場實現(xiàn)了交換機的監(jiān)測接入，共有站控層3 臺和過程層2 臺交換機在運行中實現(xiàn)了監(jiān)測。現(xiàn)場1 臺過程層交換機的連接監(jiān)測的端口數(shù)據(jù)、流量等變化狀態(tài)信息如圖2、圖3 所示。

圖2 某一時刻交換機端口數(shù)據(jù)

圖3 交換機監(jiān)測的端口流量

圖2 中顯示交換機自上電運行以來16個端口各自的接收（Rx）和發(fā)送（Tx）數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，縱坐標(biāo)為兆字節(jié)數(shù)（MB），橫坐標(biāo)為端口標(biāo)記。

圖3 顯示在監(jiān)測的1000 s時間內(nèi)的流量結(jié)果，端口1的平均輸入流量為5.3 kB、輸出流量為2.0 kB、端口總流量＜8 kB，帶寬占用率為0.06%（＜0.1%）。

通過現(xiàn)場的實際監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場運行的交換機存在以下問題：

（1）交換機運行時間較短，且多臺交換機上電時間一致，判斷為設(shè)備在運行中曾發(fā)生過失電，可能存在直流電源異常，或誤操作。

（2）根據(jù)監(jiān)測端口的上電時間信息，獲知個別端口連接設(shè)備存在通訊中斷現(xiàn)象，需進(jìn)一步排查。

（3）個別交換機的時間不準(zhǔn)確，需進(jìn)行對時。

交換機端口通訊及內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測顯示站控層交換機和過程層GOOSE 交換機的端口數(shù)據(jù)流量均較小，交換機性能顯示正常，變電站的交換機設(shè)置和配置未發(fā)現(xiàn)缺陷。

5 結(jié)束語

盡管目前變電站內(nèi)采用的交換機可靠性高、出現(xiàn)異常的概率低，但無法徹底避免存在的運行風(fēng)險，通過本項目的開展可以初步掌握變電站網(wǎng)絡(luò)交換機運行中存在的問題，為今后改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、提高網(wǎng)絡(luò)性能、規(guī)避網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險提供一種有益的工具。

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