CN102142720A - 网络通信记录仪及网络通信记录分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络通信记录仪和网络通信记录分析系统，对接入网络数据流进行无损压缩保存及重现网络通信数据流，进而对通信过程进行多层分析，以便辅助维护人员准确及时定位故障原因。该网络通信记录分析系统包括后台主机（21）、网络通信记录分析仪（21）及通信网络，所述网络数据记录仪（21）包括计算机主板（1）、硬盘（10）、数据采集卡（11）、电源（14）、数据采集模块（15）、数据记录模块（16）、协议分析模块（17）、通信处理模块（18），所述计算机主板（1）上装置有CPU（2）、内存（3）、SATA接口（4）、PCI-E接口（5）、网卡/网卡接口（8），所述数据采集卡（11）上装置有B码对时接口（12）、采集接口（13）。

Description

网络通信记录仪及网络通信记录分析系统

技术领域

本发明涉及一种网络通信记录仪及网络通信记录分析系统。

背景技术

传统变电站自动化系统的联调和运行中，常发生后台监控、无人值班集控站和调度自动化主站系统遥控式事件不完整、遥控不成功、测量跃变等情况，当这些情况发生在远方或本体自动闭环控制的无功电压自动控制、自动发电控制等系统时，其严重性更为突出，实践证明，这些情况都是由于通信故障引起的，然而缺乏有效的技术手段，无法重现问题发生时的通信过程，因此往往很难对问题进行判断、定位和处理。而且，随着数字化变电站的发展，通信技术越来越成为变电站自动化的关键。在过程层、间隔层及站控层上, 按照IEC 61850《变电站通信网络和系统》标准,该标准是基于通信网络平台的变电站自动化系统的国际标准，在该变电站自动化系统中，监控系统的联闭锁、继电保护及自动装置的跳合闸等功能均采用网络通信方式实现，传统的二次回路由直观电缆连接转为网络通信过程，各种信号的连接和传递由传统的硬接线方式改为通信方式实现，实现变电站内部以及变电站与集控站间的信息共享和互操作。目前国内已经有多个数字化变电站投入运行或开工建设,特别是随着数字化变电站核心技术的光电电压互感器和光电电流互感器陆续开始运行,高速网络通信技术已经逐渐为国内主流二次设备生产厂家成熟掌握。过程层的合并单元,间隔层的二次保护、测量、控制单元,站控层的后台软件也已日益开发完善。此时，传统的故障排查手段更是无法满足要求，通信过程错误难以再现。

电力系统故障录波器是研究现代电网的基础,也是评价继电保护动作行为及分析设备故障性质和原因的重要依据,性能优良的故障录波器装置对于保证电力系统安全运行及提高电能质量起到了重要的作用。电力系统故障录波器已成为电力系统记录动态过程必不可少的精密设备,其主要任务是记录系统大扰动如短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等发生大扰动后引起的系统电压、电流及其导出量,如系统有功功率、无功功率及系统频率的变化全过程尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种变电站自动化系统的网络通信记录仪和网络通信记录分析系统，对接入网络数据流进行无损压缩保存及重现网络通信数据流，进而对通信过程进行多层分析，以便辅助维护人员准确及时定位故障原因。

本发明网络通信记录仪所采用的技术方案为：所述网络通信记录仪包括计算机主板、硬盘、数据采集卡、电源，所述计算机主板上装置有CPU、内存、SATA接口、PCI-E接口、网卡/网卡接口，所述硬盘与所述SATA接口相连接，所述数据采集卡与所述PCI-E接口相连接，所述数据采集卡上装置有B码对时接口、采集接口，所述网络通信记录仪还包括：

数据采集模块，用于从变电站通讯系统捕获网络通信数据；

数据记录模块，用于对从所述数据采集模块捕获的网络通信数据采用工业无损压缩算法进行压缩，并存入所述硬盘；

协议分析模块，与所述数据记录模块同步进行，对所述数据采集模块捕获的网络通信数据进行快速的检测、分析、诊断，以查找故障或隐患并分析原因，以数据库方式存入所述硬盘；

通信处理模块，用于所述网络通信记录仪通过网络方式与后台主机建立通讯联接。

所述计算机主板上还设置有显卡/VGA接口、RS232串口/接口、USB接口。

所述数据采集模块具备接收IRIG-B码对时能力，对时精度达到50ns，记录网络数据的时间分辨率为0.1μs。

本发明网络通信记录分析系统所采用的技术方案为：所述网络通信记录分析系统包括变电站通讯系统、后台主机及所述通信记录分析仪，所述网络通信记录仪以电口或光口的通信采集方式，采用PCI-E总线技术的百兆和千兆网络小包线速数据捕获，对从所述变电站通讯系统采集到的网络通信数据进行工业无损压缩，并存入所述硬盘，对所述数据采集模块捕获的网络通信数据快速的检测、分析、诊断，以查找分析系统故障或隐患并分析原因，并以数据库方式存入所述硬盘。

所述后台主机包括后台分析模块与管理与配置模块，所述管理与配置模块用于对所述网络信息记录仪的网络接口、路由、规则等进行设置外，还设定被监测对象的相关参数，所述后台分析模块可自动或手动从所述网络数据记录仪下载记录文件，并进行报文详细分析，并直观的给出分析结果，并可提供查询手段和统计功能，帮助用户查找故障和对网络运行安全进行评估，所述后台分析模块包括：

网络基本分析，对网络分类流量、报文统计信息等进行分析，从而对网络的状况进行评估；

网络链路分析，解析各以太报文，分析所有链路通讯过程，对各种异常报文、异常过程进行分析；

采样值分析，包括SMV报文解析、SMV完整性分析、频率分析等；

GOOSE分析，包括GOOSE报文解析、GOOSE过程分析，解析报文过程各层信息，快速准确定位故障点及原因；

MMS分析，包括MMS报文解析、MMS过程分析；

ACSI分析，将各种信息与应用数据和功能对应，重新各种应用过程以及通讯网络对应用过程的影响；

所述网络通信记录分析系统还包括至少一个采集交换机，所述采集交换机用于从变电站通讯系统各层通讯接口透明接入，完整记录变电站通讯系统的通讯信息，同时通过对上述信息进行在线分析，实时将回路运行状态及故障报警信息上传至所述网络通信记录仪。

本发明的有益效果是：本发明包括计算机主板、硬盘、数据采集卡、电源，所述计算机主板上装置有CPU、内存、SATA接口、PCI-E接口、显卡/VGA接口，RS232串口/接口、网卡/网卡接口、USB接口、数据采集模块、数据记录模块、协议分析模块、通信处理模块，所述硬盘与所述SATA接口相连接，所述数据采集卡与所述PCI-E接口相连接，所述数据采集卡上装置有B码对时接口、采集接口，本发明充当了网络通信黑匣子的作用，在确保不影响正常运行的前提下，所述数据采集模块采用PCI-E总线技术的百兆和千兆网络小包线速数据捕获，所述数据记录模块对网络数据进行工业无损压缩，并存入所述硬盘，同时，所述协议分析模块与所述数据记录模块同步进行，对所述数据采集模块捕获的网络通信数据进行网络协议分析，以查找分析系统故障或隐患并分析原因，并以数据库方式存入所述硬盘，以记录和存储变电站内网络通信及其与监控中心通信的报文，报文以带时标的信息保存，使通信过程重现，以便辅助维护人员准确及时定位故障原因。

附图说明

图1是本发明网络通信记录仪的结构示意图；

图2是本发明网络通信记录分析系统软件模块结构示意图；

图3是本发明网络通信记录分析系统实施例的示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明中所述网络通信记录仪包括计算机主板1、硬盘10、数据采集卡11、电源14，所述计算机主板1上设有CPU2、内存3、SATA接口4、PCI-E接口5、显卡/VGA接口6，RS232串口/接口7、网卡/网卡接口8、USB接口9、数据采集模块15、数据记录模块16、协议分析模块17、通信处理模块18，所述硬盘10与所述SATA接口4相连接，所述数据采集卡11与所述PCI-E接口5相连接，所述数据采集卡11上装置有B码对时接口12、采集接口13，所述电源14与所述主板1、所述硬盘10连接，所述数据采集模块15对于以电口或光口的通信采集方式，采用PCI-E总线技术的百兆和千兆网络小包线速数据捕获，同时具备接收IRIG-B码对时能力，对时精度达到50ns，记录网络数据的时间分辨率为0.1μs，所述数据记录模块16用于对网络数据进行工业无损压缩，并存入所述硬盘10，可以将网络通信数据压缩为1/3-1/4，提高了数据写入速度，降低了硬盘使用容量，增强了系统可靠性，所述协议分析模块17，是用于对网络中所有传输的数据进行快速的检测、分析、诊断，发现关键性的故障，帮助用户规避安全风险，发现网络异常危机，提高安全性，统计和记录网络的流量，监视网络活动，分析各种网络协议，管理网络应用质量。管理整个网络首先要看到网络的整体流量，充分掌握网络的流量信息，便可随时调节网络的资源与策略，所述协议分析模块17实时统计网络流量信息，并按协议分类，可实时分别统计每个网络口的IP、ARP、TCP、UDP、GOOSE、SMV类型数据包流量，为了能对流量进行长期分析，统计信息不仅实时显示在查看器上，同时还存入数据库中，用以实现对网络流量的长期监控和查询，并可绘制成图表，同时分析所有网络数据包，当发现编码异常情况发出实时告警，所述协议分析模块17对GOOSE 信息进行在线分析并对丢帧、序号变化错误、时序错误、非法报文等进行告警，会对流经网络的GOOSE数据包依次解码分析，发现编码错误的数据包，并给出告警信息，可根据告警信息定位到故障IED；检测每一个GOOSE数据包内的ID是否在SCD文件中定义过，对未配置过的报文发出可定位到IED的告警信息；检测每一个的GOOSE数据包内的数据是否与配置相符，对与配置不相符的报文发出可定位到IED的告警信息；识别出GOOSE链路，并对每条链路上的sqNum和stNum进行监视，及时发现丢包、重传包、错序包、发送超时等问题。分析61850采样值传输使用的9-1、9-2报文，针对每种格式报文分别进行解析，在线分析并对丢帧、序号错误、频率异常等进行告警，检测以太网协议显示为9-1、9-2，但是数据包内容不符合采样值编码格式；检测每一个SMV数据包内的ID是否在SCD文件中定义过，对未配置过的报文发出可定位到IED的告警信息；检测SMV数据包内的数据是否与配置相符，对与配置不相符的报文发出可定位到IED的告警信息；对每条SMV链路上的数据包，通过分析采样频率、采样序号、时钟跳变标志之间的联系和变化，可知道SMV是否出现丢包、重复包、错序包现象，如果发现，给出告警，所述协议分析模块17产生的所有告警信息都会存入数据库，供需要时查询；告警信息提供对外接口，可被其它监控设备读取使用，所述通信处理模块18用于所述网络通信记录仪通过网络方式与后台主机建立通讯联接。

本发明网络通信记录分析系统包括网络通信记录仪21、后台主机22、采集交换机23以及通信网络，所述通信网络用以完成所述后台主机22与所述网络通信记录仪21之间的数据传递，所有数据包都经过网络的方式传输至所述后台主机22，所述采集交换机23用于从变电站通讯系统各层通讯接口透明接入，完整记录变电站通讯系统的通讯信息，同时通过对上述信息进行在线分析，实时将回路运行状态及故障报警信息上传至所述网络通信记录仪21，所述后台主机22包括后台分析模块19和管理与配置模块20，所述管理与配置模块20可对网络通信记录仪21进行配置，在配置的过程中，对所述网络通信记录仪21的网络接口、路由、规则等进行设置外，还设定被监测对象的相关参数，所述后台分析模块19可自动或手动从所述网络数据记录仪下载记录文件，并进行报文详细分析，并直观的给出分析结果，并可提供查询手段和统计功能，帮助用户查找故障和对网络运行安全进行评估，所述后台分析模块19用于网络基本分析、网络链路分析、采样值分析、MMS分析、GOOSE分析及ACSI分析，所述后台分析模块19将逐个分析获取到的数据包，将数据包按实际的通信链路进行分类，使繁杂的数据包流变得有序，同时对链路内容进行分析，对可疑报文进行提示，更容易发现故障点和故障原因。流分析非常有用，可将同条链路上传输的数据综合在一起，比如TCP的“查看TCP数据流”，可将多个TCP数据包连接起来，这样的作用比如可查看telnet流中的密码和命令。支持的链路和流分析有：TCP链路分析、MMS链路分析、GOOSE链路分析、SMV链路分析。MMS分析，对于MMS类型的数据包，按照GBT16720定义的MMS报文格式解析出各种MMS服务和参数， GOOSE分析，按照IEC61850-8-1的定义解析出GOOSE报文的包头信息和GOOSE数据。并根据SCD文件中的配置信息判断数据的合法性，解析出GOOSE数据的变电站含义，采样值分析，完整解析IEC68150 9-1和9-2两种格式的报文，对9-1的报文，可解析状态字和采样值两种类型的ASDU；对9-2报文，按照IEC61850-9-2的定义，可解析出报文的包头信息、APDU头信息和采样值数据。并可根据SCD文件中的配置信息判断数据的合法性，并解析出采样值数据的含义，IEC61850的变电站抽象通信服务接口（ACSI）是个抽象的概念，无法直接在网络数据报文中体现，按照IEC61850-8-1的映射，ACSI被映射到MMS/GOOSE/SMV数据报文中，我们根据各种映射的特点，做出了从数据报文到ACSI的反映射，可通过MMS/GOOSE/SMV报文，解析出ACSI内容，ACSI的操作过程和变电站模型有很强的联系性，后台分析通信过程时会表示出这种联系性，通过数据报文还原出IED之间操作的原本过程。后台分析的过程分析会按照变电站模型、IED、操作过程的顺序层层展示ACSI通信过程。变电站的所有通信链路、通信参数都会在SCL文件中定义，后台分析程序会按照SCL文件的定义来检测数据包的正确性和合法性。

Claims (6)

1.一种网络通信记录仪，其特征在于：所述网络通信记录仪包括计算机主板（1）、硬盘（10）、数据采集卡（11）、电源（14），所述计算机主板（1）上装置有CPU（2）、内存（3）、SATA接口（4）、PCI-E接口（5）、网卡/网卡接口（8），所述硬盘（10）与所述SATA接口（4）相连接，所述数据采集卡（11）与所述PCI-E接口（5）相连接，所述数据采集卡（11）上装置有B码对时接口（12）、采集接口（13），所述网络通信记录仪还包括：

数据采集模块（15），用于从变电站通讯系统捕获网络通信数据；

数据记录模块（16），用于对从所述数据采集模块（15）捕获的网络通信数据进行压缩，并存入所述硬盘（10）；

协议分析模块（17），与所述数据记录模块（16）同步进行，对所述数据采集模块（15）捕获的网络通信数据进行快速的检测、分析、诊断，以查找故障或隐患并分析原因，以数据库方式存入所述硬盘（10）；

通信处理模块（18），用于所述网络通信记录仪通过网络方式与后台主机建立通讯联接。

2.根据权利要求1所述的网络通信记录仪，其特征在于：所述计算机主板（1）上还设置有显卡/VGA接口（6）、RS232串口/接口（7）、USB接口（9）。

3.根据权利要求1所述的网络通信记录仪，其特征在于：所述数据采集模块（15）具备接收IRIG-B码对时能力，对时精度达到50ns，记录网络数据的时间分辨率为0.1μs。

4.一种包括至少一个如权利要求1所述网络通信记录仪的网络通信记录分析系统，其特征在于：所述网络通信记录分析系统还包括：

用于对电力进行管理的变电站通讯系统；

用于向所述网络通信记录仪采集历史数据、数据流量记录、实时告警信息、历史告警信息、配置文件的后台主机；

以及通信网络，用以完成所述后台主机与所述网络通信记录仪之间的数据传递。

5.根据权利要求4所述的网络通信记录分析系统，其特征在于：所述后台主机包括：

用于链路分析、采样值分析、mms分析及goose分析的后台分析模块（19）；用于对所述网络通信记录仪进行配置管理的管理与配置模块（20）。

6.根据权利要求4所述的网络通信记录分析系统，其特征在于：所述网络通信记录分析系统还包括用于记录变电站通讯系统的网络通讯信息、并将回路运行状态及故障报警信息上传至所述网络通信记录仪的至少一个采集交换机。

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