無人值守變電站網絡監控系統

張書偉，多 恩，石洲華，趙麗萍，張雪巖， 李永剛

(1.國網冀北電力有限公司張家口供電公司， 河北 張家口 075000；2.國網冀北電力有限公司北京博望華科科技有限公司， 北京 100000)

1 引言

隨著電網的飛速發展，建設無人值守變電站及集控站已經成為電網運行、管理、生產的必然選擇。無人值守變電站主要通過安裝計算機在線監測系統來監視設備運行狀態、電網的運行參數以及自行檢測與診斷自身的異常情況，并通過通訊網絡，將信息和數據上傳至上一級電力主管部門的計算機系統(包括必需的各種量值、潮流方向、開關電器的位置、變壓器調壓分接頭位置、補償電容器投切組數等)。

影響變電站真正實現無人值守的原因之一是監控系統、遠程工作站運行的可靠性有待提高。為保障無人值守變電站運行的穩定性及可靠性，及時有效地發現、排除變電站電氣設備運行故障顯得尤為重要。遠傳系統經常發生誤發信號、通訊中斷等問題，使得值班人員對監控系統的可靠性產生懷疑。在電力系統實際運行中，變電站終端設備通訊中斷時有發生，若現場同時發生異常跳閘事故，則主站將不能獲取異常跳閘事故的重要報文信息，失去對故障的判斷能力，嚴重危害了系統的安全穩定運行。

文獻[1]提出在電力系統實際運行中，變電站終端設備通訊中斷時有發生，若現場同時發生異常跳閘事故，則主站將不能獲取異常跳閘事故的重要報文信息，失去對故障的判斷能力，嚴重危害了系統的安全穩定運行。這些通訊中斷缺陷主要包括單一間隔設備通訊中斷、同時多間隔設備通訊中斷、全站設備(某一通道)通訊中斷三大類。變電站內發生單一間隔設備通訊中斷是較為普遍的缺陷。站端同時發生多間隔設備通訊中斷時，交換機、保護管理機這類設備硬件損壞導致通訊中斷的事件時有發生。全站設備通訊中斷不常發生，但主站若發生站端某一通道通訊中斷則較為普通，站端通訊中斷的原因可分為兩大類：一是遠動機程序進入循環導致通道上產生大量數據而不向主站上送新數據；二是通信回路物理連接發生錯誤。文獻[2]中，變電站通訊中斷原因是由于設備間通訊速率不匹配，逐步占據所有可用的網絡數據儲存器緩存，進而造成所有的網絡數據都發不出去。文獻[3]中，變電站通訊中斷原因是交換機過熱保護頻繁重啟，最終引發網絡風暴，造成網絡通訊中斷。

本文在前期理論研究及針對無人值守變電站現場通訊中斷問題調研的基礎之上，提出并實現了一種無人值守變電站網絡監控系統。本文給出了無人值守變電站網絡監控系統的組成結構，并詳細介紹了系統的軟件設計開發過程。

2 系統總體設計方案

無人值守變電站網絡由路由器、交換機及各種監控設備組成。各變電站的圖像數據信號經過各級交換機、路由器上傳至監控中心。

無人值守變電站網絡監控系統由網絡監控管理終端、數據處理服務器及手機APP組成。網絡監控管理終端采用SNMP協議對網路進行監控管理[4]，通過對無人值守變電站路由器/交換機的狀態信息實時監測，實現對無人值守變電站網絡的監控。通過對監控數據的分析，及時發現通訊中斷的設備、網絡通訊流量異常、設備過熱等問題，并生成網絡異常信息記錄并上報給數據處理服務器，或以短信的方式告知指定的手機用戶。此外，數據處理服務器還能以手機APP推送的方式發送信息給指定的用戶。手機用戶可以通過手機APP查看管理權限范圍內的網絡監控管理終端設備的數據記錄。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框架

3 系統主要功能模塊設計

3.1 網絡監控管理終端

網絡監控管理終端主要包含如下功能。

(1)通過SNMP協議查詢路由器/交換機接口信息：是否開啟監測功能、是否開啟日志記錄功能、是否開啟實時告警功能、是否開啟流量記錄功能、接通狀態等。

(2)監測接入設備的IP地址與MAC地址：檢測路由器/交換機各接口接入設備的IP地址與MAC地址，及時發現設備的接入斷開情況，以便上報處理。

(3)監控當前TCP、UDP通訊狀態：監控TCP頻繁重連等異常現象。

(4)配置查詢設備的網絡安全策略：如對路由器進行ACL、IP選項過濾、uPPF、QoS、RTBH、QPPB配置。

(5)通過上述信息與本設備配置表，比較分析出當前網絡異常狀態：如上述的設備接入/斷開、TCP異常，設備通訊流量異常等。

(6)按照用戶配置的記錄上報規則，及時上報異常記錄、統計數據給數據處理服務器。

(7)支持本地網絡(本地維護網絡端口)、串口對監測設備信息配置、MIB表更新、抄讀策略、上報策略、安全策略等參數的修改；查詢當前網絡運行狀態、網絡運行歷史數據、TCP狀態、流量統計等。

(8)支持使用被授權的手機遠程查看當前設備網絡運行狀態、異常記錄及網絡數據統計(各設備日月流量統計、TCP斷線重連次數、IP和MAC變更記錄等)。

網絡監控管理終端采用ARM嵌入式微處理器為主控核心，硬件設計結構如圖2所示。

網絡監控管理終端軟件結構如圖3所示。

3.2 數據處理服務器

數據處理服務器的主要功能是定時采集網絡監控管理終端的接入設備信息及網絡拓撲圖、TCP/UDP通訊狀態、異常記錄、網絡數據統計等信息；響應網絡監控管理終端上報的異常信息并把異常信息已推送的方式(安裝手機APP管理軟件的用戶)/短信的方式發送給綁定的手機用戶；響應處理手機APP管理軟件登錄、查詢、設置等操作(不同的用戶管理權限不同)。

圖2 硬件設計結構

圖3 軟件設計結構

3.2.1 數據字典

根據系統需求，設計數據表如表1所示，總計18個數據項。

表1 數據字典

3.2.2 數據結構

數據結構如表2所示。

表2 數據結構

根據以上分析，設計數據邏輯關系模型如下(注：下劃線加粗體表示主鍵，波浪線表示外鍵)：

變電站信息表(廠站編號，地址，名稱)。

用戶信息表(用戶編號，用戶手機號，用戶名，用戶密碼，用戶郵箱)。

終端信息表(記錄日期，終端編號，終端數據)。

網絡管理終端信息表(終端編號，廠站編號，終端地址)。

權限信息表(權限編號，終端查詢，終端配置，安全策略配置，用戶信息修改)。

用戶、權限、變電站關系表(編號，用戶編號，廠站編號，權限編號)。

3.2.3 數據庫關系

數據處理服務器數據庫結構關系如圖4所示。

圖4 數據庫關系

3.3 手機APP設計

用戶可以通過手機登錄數據處理服務器，該用戶可以使用權限范圍內功能操作，并接收主站的異常推送信息。

手機APP軟件分為三層，即底層接口層、業務邏輯層、用戶界面層。底層接口層涉及網絡通訊、文件目錄管理、配置文件。業務邏輯層包括用戶登錄處理、權限管理、與數據處理服務器通訊管理、推送管理、獲取的數據處理。用戶界面層包括用戶登錄界面、變電站選擇界面、變電站網絡拓撲結構圖界面、網絡監控管理終端選擇界面、網絡狀態表界面、事件記錄查詢界面、TCP/UDP通訊監測界面、安全策略管理界面。如圖5所示。

3.3.1 手機軟件系統功能模塊

手機APP軟件主要功能：用戶權限管理、通訊管理、推送管理、數據管理、數據解析、功能管理、拓撲圖管理、安全策略配置、用戶界面，系統詳細的功能模塊如圖6 所示。

圖5 手機軟件總體架構

圖6 手機軟件系統功能模塊

用戶通過用戶名和密碼登陸后，根據訪問權限，系統為用戶提供相應的服務需求，包含變電站選擇，變電站網絡拓撲圖以及查詢安全配置等。數據處理服務器可以通過通訊管理向用戶推送異常信息，以便用戶及時掌握變電站網絡運行狀態，及時排查網絡故障。

3.3.2 手機軟件界面設計

手機APP軟件主要功能界面設計如圖7，8所示。

圖7 變電站選擇界面和網絡拓撲

圖8 監控管理終端選擇和數據查詢主界面

如圖7所示，變電站選擇界面向用戶提供變電站名稱以及變電站地址；根據所選擇的變電站可以查詢變電站的網絡拓撲圖。如圖8所示，監控管理終端選擇界面向用戶提供終端地址和變電站名稱，選擇相應的終端可以查看該終端的網絡狀態表，事件記錄，TCP/UDP通訊監控以及歷史網絡狀態記錄查詢。

4 結語

本系統通過對無人值守變電站網絡狀態的實時監控，可以及時發現監控網絡的異常情況，并及時把情況通知給用戶。這不僅方便變電站用戶及時發現處理網絡中斷問題，而且還可以 根據監控到的網絡流量數據、TCP/UDP狀態記錄等數據分析出中斷產生的原因。此外，根據檢測到的網絡狀態數據來 分析網絡使用情況，以預防網絡中斷的發生，為無人值守變電站網絡維護人員提供了極大的便利。