基于端口鏡像的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控仿真系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐軍沛 常曉萌 韓珊珊 王玉琴 王建功

（東方電子股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高[1]，若系統(tǒng)升級(jí)，必須無(wú)縫切換。前置采集和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition, SCADA）計(jì)算服務(wù)不能停機(jī)，無(wú)法進(jìn)行在線測(cè)試。但是測(cè)試環(huán)境很難同生產(chǎn)環(huán)境一致，用不能在生產(chǎn)環(huán)境驗(yàn)證的程序版本升級(jí)，存在很大風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)升級(jí)、換型發(fā)生在不同廠家的系統(tǒng)之間時(shí)，它們的圖模差異較大，還需接入幾百個(gè)通道調(diào)試系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了項(xiàng)目測(cè)試、調(diào)試工期。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)。在不影響生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，將生產(chǎn)系統(tǒng)通信報(bào)文通過(guò)前置采集網(wǎng)交換機(jī)端口鏡像到升級(jí)系統(tǒng)[2]。在升級(jí)系統(tǒng)中模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行，驗(yàn)證升級(jí)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否正常，從而保障生產(chǎn)系統(tǒng)、升級(jí)系統(tǒng)無(wú)縫切換。

1 端口鏡像在電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

端口鏡像是通過(guò)交換機(jī)或路由器，將一個(gè)或多個(gè)源端口的數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)到某一個(gè)指定端口來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)的方法。端口鏡像可以用來(lái)捕獲鏡像端口的數(shù)據(jù)流，在網(wǎng)絡(luò)故障定位、入侵檢測(cè)、路由器取證、網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)分析等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[3-4]。

電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)電力信號(hào)的采集、控制、數(shù)據(jù)分析等功能。其核心技術(shù)主要包括：面向服務(wù)的雙總線、一體化平臺(tái)；時(shí)序壓縮算法；基于基準(zhǔn)信號(hào)、開(kāi)放規(guī)則的智能告警技術(shù)等[5-8]。

端口鏡像仿真采集技術(shù)目前在電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中尚未有比較深入的研究與應(yīng)用[9-10]。本文是端口鏡像仿真技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)全新探索。本文所設(shè)計(jì)的仿真采集方式不需要在升級(jí)/換型系統(tǒng)接入冗余通道，而是通過(guò)鏡像“虛擬通道”到升級(jí)/換型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仿真采集。這種方式為電網(wǎng)系統(tǒng)升級(jí)/換型提供了一種安全高效的解決思路。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)針對(duì)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)/換型的實(shí)際需求，主要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)建模、前置通信報(bào)文鏡像、報(bào)文自適應(yīng)處理及數(shù)據(jù)解析等功能。各功能實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1）參數(shù)建模

升級(jí)/換型系統(tǒng)參數(shù)建模，包括前置遠(yuǎn)程終端單元（remote terminal unit, RTU）參數(shù)、路徑參數(shù)、通道參數(shù)和各個(gè)廠站的遙測(cè)、遙信、遙控點(diǎn)參數(shù)等，各種參數(shù)需要與運(yùn)行系統(tǒng)保持一致。

2）前置采集網(wǎng)交換機(jī)端口鏡像

配置生產(chǎn)系統(tǒng)前置采集網(wǎng)交換機(jī)的鏡像端口，將生產(chǎn)系統(tǒng)的通信報(bào)文鏡像到升級(jí)/換型系統(tǒng)。

3）前置模型匹配

將生產(chǎn)系統(tǒng)的通信報(bào)文和升級(jí)/換型系統(tǒng)的參數(shù)模型進(jìn)行匹配，識(shí)別出通道參數(shù)和鏡像通信報(bào)文的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4）報(bào)文處理

對(duì)鏡像通信報(bào)文進(jìn)行處理，分析出應(yīng)用層鏡像報(bào)文。

5）分發(fā)緩存

將應(yīng)用層鏡像報(bào)文分發(fā)到對(duì)應(yīng)通道的報(bào)文緩沖區(qū)。

6）緩存報(bào)文提交報(bào)文處理器

將緩沖區(qū)報(bào)文提交升級(jí)/換型系統(tǒng)驗(yàn)證功能，包括數(shù)據(jù)刷新、狀態(tài)變化告警、遙控模擬等功能。

7）無(wú)縫切換

升級(jí)/換型系統(tǒng)的功能驗(yàn)證完成，替代生產(chǎn)系統(tǒng)投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

圖2為基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)流程。該系統(tǒng)共包含三個(gè)通信處理子系統(tǒng)：電網(wǎng)模型處理子系統(tǒng)、端口鏡像子系統(tǒng)和鏡像報(bào)文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)。

圖2 基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)流程

3.1 電網(wǎng)模型處理子系統(tǒng)

電網(wǎng)鏡像模型處理子系統(tǒng)是把生產(chǎn)系統(tǒng)的電網(wǎng)模型參數(shù)，導(dǎo)入升級(jí)/換型系統(tǒng)。

首先將生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的電網(wǎng)模型導(dǎo)入升級(jí)/換型系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，再用關(guān)系庫(kù)/內(nèi)存庫(kù)同步工具將升級(jí)系統(tǒng)關(guān)系庫(kù)中的電網(wǎng)模型同步到內(nèi)存庫(kù)，最后用參數(shù)一致性校核工具檢查參數(shù)有效性。

升級(jí)/換型系統(tǒng)的通信模型生效，即可根據(jù)導(dǎo)入的電網(wǎng)鏡像模型信息，解析鏡像報(bào)文。

3.2 端口鏡像子系統(tǒng)

端口鏡像子系統(tǒng)是基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，主要功能是鏡像報(bào)文匯聚和鏡像報(bào)文自適應(yīng)分配。

1）鏡像報(bào)文匯聚

鏡像報(bào)文匯聚是把生產(chǎn)系統(tǒng)采集交換機(jī)上采集通信的端口作為鏡像源端口，同時(shí)在生產(chǎn)系統(tǒng)的采集交換機(jī)上選取某個(gè)空閑的端口作為鏡像目的端口，并把鏡像目的端口連到升級(jí)/換型系統(tǒng)采集服務(wù)器采集網(wǎng)卡上，實(shí)現(xiàn)在升級(jí)/換型系統(tǒng)獲取生產(chǎn)系統(tǒng)的鏡像通信報(bào)文。報(bào)文匯聚程序把鏡像通信報(bào)文統(tǒng)一存儲(chǔ)到報(bào)文匯聚容器中。

為保障報(bào)文匯聚程序正常運(yùn)行，需在鏡像配置文件中記錄所有的配置信息，包括：生產(chǎn)系統(tǒng)采集網(wǎng)交換機(jī)上的鏡像源端口、鏡像目的端口；生產(chǎn)系統(tǒng)的前置采集網(wǎng)絡(luò)、前置采集網(wǎng)卡、前置通信服務(wù)器等參數(shù)信息；升級(jí)/換型系統(tǒng)的前置采集網(wǎng)絡(luò)、前置采集網(wǎng)卡、前置通信服務(wù)器等參數(shù)信息。

報(bào)文匯聚程序通過(guò)鏡像模型配置信息檢測(cè)鏡像采集網(wǎng)卡狀態(tài)是否正常。如果采集網(wǎng)卡狀態(tài)正常，則進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)文捕獲，獲取鏡像通信報(bào)文；然后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)包解析技術(shù)，解析出需要和電網(wǎng)模型進(jìn)行匹配的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息，如網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中的IP地址和端口號(hào)等；最后，用模型匹配技術(shù)，根據(jù)電網(wǎng)的模型信息，采用報(bào)文自動(dòng)過(guò)濾及報(bào)文傳遞算法，自動(dòng)對(duì)鏡像報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾和模型匹配，匹配成功的報(bào)文分類(lèi)存放于報(bào)文匯聚容器。

2）鏡像報(bào)文自適應(yīng)分配

鏡像報(bào)文自適應(yīng)分配是為每個(gè)鏡像通道創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例，自適應(yīng)讀取報(bào)文匯聚容器中的鏡像通信報(bào)文，讀取成功后提交通道報(bào)文緩沖區(qū)，等待下一級(jí)報(bào)文傳遞。

首先，以鏡像通道為最小單位，為每個(gè)鏡像通道實(shí)例化一個(gè)設(shè)備對(duì)象。根據(jù)電網(wǎng)模型信息給每個(gè)通道在報(bào)文匯聚容器中分配一個(gè)讀寫(xiě)鏡像報(bào)文的“網(wǎng)絡(luò)號(hào)”和“連接號(hào)”。

其次，利用“網(wǎng)絡(luò)號(hào)”和“連接號(hào)”、鏡像錄波檢測(cè)函數(shù)從鏡像報(bào)文匯聚器中實(shí)時(shí)檢測(cè)屬于本通道的通信報(bào)文，鏡像報(bào)文獲取算法會(huì)返回鏡像報(bào)文匯聚器中通信報(bào)文的內(nèi)容及字節(jié)數(shù)，若匯聚器中有報(bào)文，調(diào)用“鏡像讀”操作獲取鏡像報(bào)文匯聚器中的鏡像報(bào)文。

最后，調(diào)用“鏡像寫(xiě)”操作將鏡像報(bào)文保存到通道報(bào)文緩沖區(qū)，提交鏡像報(bào)文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)處理。

3.3 鏡像報(bào)文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)

鏡像通信報(bào)文不同于常規(guī)通信報(bào)文，沒(méi)有報(bào)文發(fā)送流程，只有報(bào)文接收流程。鏡像報(bào)文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)必須支持監(jiān)聽(tīng)接收模式，才能自動(dòng)識(shí)別出鏡像報(bào)文。

鏡像報(bào)文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)為每個(gè)通道創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)處理對(duì)象及相應(yīng)的路徑對(duì)象、規(guī)約對(duì)象、報(bào)文緩沖區(qū)對(duì)象。它們工作在監(jiān)聽(tīng)模式，實(shí)時(shí)檢測(cè)通道報(bào)文緩沖區(qū)，讀取鏡像報(bào)文之后，發(fā)送給不同的規(guī)約對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)解析處理。

規(guī)約對(duì)象將通信報(bào)文送入“規(guī)約接收”流程進(jìn)行解析，解析完成后利用遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用將數(shù)據(jù)提交給SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新。

3.4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了更直觀地進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)和升級(jí)/換型系統(tǒng)的信號(hào)對(duì)比驗(yàn)證，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的遙信對(duì)比界面、遙測(cè)越限告警對(duì)比界面。驗(yàn)證過(guò)程如下。

遙信位置的驗(yàn)證過(guò)程：以RTU為單位，任意選擇想要對(duì)比的RTU，對(duì)比界面分別顯示兩個(gè)系統(tǒng)的遙信位置信息，如果遙信信號(hào)不一致，則進(jìn)行標(biāo)記。遙信數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 遙信數(shù)據(jù)對(duì)比

遙測(cè)跳變的驗(yàn)證過(guò)程：以RTU為單位，任意選擇想要對(duì)比的RTU，通過(guò)遙測(cè)對(duì)比界面可以觀察兩個(gè)系統(tǒng)的遙測(cè)刷新是否一致，是否有遙測(cè)越限的告警，且告警信息是否一致。如果遙測(cè)數(shù)據(jù)刷新不一致，則進(jìn)行標(biāo)記。遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。

圖4 遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

遙控模擬下發(fā)過(guò)程驗(yàn)證：遙控報(bào)文的正確下發(fā)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。因此在系統(tǒng)升級(jí)/換型前，必須對(duì)系統(tǒng)中的所有遙控進(jìn)行“預(yù)置”操作，在兩個(gè)系統(tǒng)中分別發(fā)送同一個(gè)遙控位置的“預(yù)置”命令，并分別提取“預(yù)置”報(bào)文進(jìn)行比較。檢查升級(jí)/換型系統(tǒng)下發(fā)的遙控報(bào)文（遙控號(hào)、遙控分合信息等）是否和生產(chǎn)系統(tǒng)一致，完全一致之后才能進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。

4 應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，需要實(shí)際接入通信通道來(lái)驗(yàn)證升級(jí)系統(tǒng)的遙測(cè)刷新頻率、遙信位置對(duì)應(yīng)情況，以及遙控報(bào)文的正確性。這種方式需要在升級(jí)系統(tǒng)接入幾百個(gè)通信通道來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，極大地增加了調(diào)試工作量。傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)的升級(jí)工期一般在幾個(gè)月到半年之間。自2018年起，基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到廣東廣州供電局、珠海供電局、佛山供電局等三十多個(gè)地調(diào)升級(jí)項(xiàng)目中，系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中遙測(cè)、遙信、遙控的信號(hào)比對(duì)工作，縮短到兩周左右，極大地縮短了信號(hào)比對(duì)的工期，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況表明：

1）電網(wǎng)模型處理子系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)系統(tǒng)的電網(wǎng)模型完整導(dǎo)入升級(jí)/換型系統(tǒng)，包括前置通信模型，SCADA點(diǎn)參數(shù)的模型信息，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)校核。若有模型信息不一致的情況會(huì)產(chǎn)生告警信息。調(diào)度運(yùn)行人員可以根據(jù)告警信息及時(shí)處理模型不一致的問(wèn)題，有效避免了因模型不一致影響電網(wǎng)數(shù)據(jù)刷新的問(wèn)題。

2）端口鏡像子系統(tǒng)能夠?qū)⑸a(chǎn)系統(tǒng)中的通信報(bào)文實(shí)時(shí)鏡像到升級(jí)/換型系統(tǒng)，并能夠成功地完成鏡像報(bào)文和電網(wǎng)參數(shù)模型的匹配，將鏡像報(bào)文分類(lèi)存放到報(bào)文匯聚器中。鏡像報(bào)文自適應(yīng)，能夠正確識(shí)別報(bào)文匯聚器中的通信報(bào)文并分發(fā)到相應(yīng)的通道報(bào)文緩沖區(qū)。

3）鏡像報(bào)文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)能夠自動(dòng)讀取通道報(bào)文緩沖區(qū)中的報(bào)文，并能夠正常解析通信報(bào)文，然后將解析的數(shù)據(jù)提交SCADA系統(tǒng)，進(jìn)行升級(jí)/換型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新及控制功能的驗(yàn)證。

4）升級(jí)/換型系統(tǒng)通過(guò)仿真采集的方式和生產(chǎn)系統(tǒng)并列運(yùn)行，并通過(guò)信號(hào)比對(duì)界面，實(shí)時(shí)比較兩個(gè)系統(tǒng)的電網(wǎng)采集信號(hào)。并列運(yùn)行期間的電網(wǎng)遙測(cè)、遙信、遙控?cái)?shù)據(jù)的差異信號(hào)得到了及時(shí)的診斷處理。系統(tǒng)實(shí)際切換時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的遙測(cè)刷新頻率、遙信位置信號(hào)完全一致，信號(hào)一致率達(dá)到100%，同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)系統(tǒng)的遙控模擬報(bào)文，遙控報(bào)文正確率達(dá)到100%，符合電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)升級(jí)驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，可以做到電網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)縫切換。

5 結(jié)論

基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)給升級(jí)/換型系統(tǒng)提供了實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，能夠驗(yàn)證升級(jí)/換型系統(tǒng)的各項(xiàng)功能,有效預(yù)防了遙信位置信號(hào)不對(duì)應(yīng)、遙測(cè)跳變等異常情況的出現(xiàn)，為電網(wǎng)系統(tǒng)安全、高效的升級(jí)切換提供了很好的參考。

在遙控功能驗(yàn)證時(shí)，目前該系統(tǒng)通過(guò)比較遙控報(bào)文來(lái)檢驗(yàn)遙控流程的正確性，升級(jí)系統(tǒng)同RTU子站沒(méi)有實(shí)際的通信連接，因此下行的遙控報(bào)文不能到達(dá)RTU子站，也無(wú)法接收子站的遙控返校報(bào)文，因此無(wú)法驗(yàn)證遙控返校信息的正確性。此項(xiàng)功能驗(yàn)證應(yīng)作為電網(wǎng)系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中需重點(diǎn)解決的問(wèn)題進(jìn)一步研究。