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

為解決上述問題，本文設(shè)計實現(xiàn)基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)。在不影響生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行的前提下，將生產(chǎn)系統(tǒng)通信報文通過前置采集網(wǎng)交換機端口鏡像到升級系統(tǒng)。在升級系統(tǒng)中模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的運行，驗證升級系統(tǒng)的各項功能是否正常，從而保障生產(chǎn)系統(tǒng)、升級系統(tǒng)無縫切換。

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

端口鏡像是通過交換機或路由器，將一個或多個源端口的數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)到某一個指定端口來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的方法。端口鏡像可以用來捕獲鏡像端口的數(shù)據(jù)流，在網(wǎng)絡(luò)故障定位、入侵檢測、路由器取證、網(wǎng)絡(luò)客戶分析等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)電力信號的采集、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；時序壓縮算法；基于基準(zhǔn)信號、開放規(guī)則的智能告警技術(shù)等。

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。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)用的一個全新探索。本文所設(shè)計的仿真采集方式不需要在升級/換型系統(tǒng)接入冗余通道，而是通過鏡像“虛擬通道”到升級/換型系統(tǒng)實現(xiàn)仿真采集。這種方式為電網(wǎng)系統(tǒng)升級/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

基于端口鏡像的SCADA仿真系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

1）參數(shù)建模

升級/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)和各個廠站的遙測、遙信、遙控點參數(shù)等，各種參數(shù)需要與運行系統(tǒng)保持一致。

2）前置采集網(wǎng)交換機端口鏡像

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

3）前置模型匹配

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

4）報文處理

對鏡像通信報文進(jìn)行處理，分析出應(yīng)用層鏡像報文。

5）分發(fā)緩存

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

6）緩存報文提交報文處理器

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

7）無縫切換

升級/換型系統(tǒng)的功能驗證完成，替代生產(chǎn)系統(tǒng)投入運行，實現(xiàn)無縫切換。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

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)和鏡像報文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)。

圖2 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/換型系統(tǒng)。首先將生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的電網(wǎng)模型導(dǎo)入升級/換型系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，再用關(guān)系庫/內(nèi)存庫同步工具將升級系統(tǒng)關(guān)系庫中的電網(wǎng)模型同步到內(nèi)存庫，最后用參數(shù)一致性校核工具檢查參數(shù)有效性。升級/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)，主要功能是鏡像報文匯聚和鏡像報文自適應(yīng)分配。

1）鏡像報文匯聚

鏡像報文匯聚是把生產(chǎn)系統(tǒng)采集交換機上采集通信的端口作為鏡像源端口，同時在生產(chǎn)系統(tǒng)的采集交換機上選取某個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/換型系統(tǒng)采集服務(wù)器采集網(wǎng)卡上，實現(xiàn)在升級/換型系統(tǒng)獲取生產(chǎn)系統(tǒng)的鏡像通信報文。報文匯聚程序把鏡像通信報文統(tǒng)一存儲到報文匯聚容器中。

為保障報文匯聚程序正常運行，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/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。

報文匯聚程序通過鏡像模型配置信息檢測鏡像采集網(wǎng)卡狀態(tài)是否正常。如果采集網(wǎng)卡狀態(tài)正常，則進(jìn)行實時報文捕獲，獲取鏡像通信報文；然后，通過網(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)報文中的IP地址和端口號等；最后，用模型匹配技術(shù)，根據(jù)電網(wǎng)的模型信息，采用報文自動過濾及報文傳遞算法，自動對鏡像報文進(jìn)行過濾和模型匹配，匹配成功的報文分類存放于報文匯聚容器。

2）鏡像報文自適應(yīng)分配

鏡像報文自適應(yīng)分配是為每個鏡像通道創(chuàng)建一個對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動實例，自適應(yīng)讀取報文匯聚容器中的鏡像通信報文，讀取成功后提交通道報文緩沖區(qū)，等待下一級報文傳遞。

首先，以鏡像通道為最小單位，為每個鏡像通道實例化一個設(shè)備對象。根據(jù)電網(wǎng)模型信息給每個通道在報文匯聚容器中分配一個讀寫鏡像報文的“網(wǎng)絡(luò)號”和“連接號”。

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

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

3.3 鏡像報文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)

鏡像通信報文不同于常規(guī)通信報文，沒有報文發(fā)送流程，只有報文接收流程。鏡像報文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)必須支持監(jiān)聽接收模式，才能自動識別出鏡像報文。

鏡像報文數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)為每個通道創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)處理對象及相應(yīng)的路徑對象、規(guī)約對象、報文緩沖區(qū)對象。它們工作在監(jiān)聽模式，實時檢測通道報文緩沖區(qū)，讀取鏡像報文之后，發(fā)送給不同的規(guī)約對象進(jìn)行數(shù)據(jù)解析處理。

規(guī)約對象將通信報文送入“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)驗證

為了更直觀地進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)和升級/換型系統(tǒng)的信號對比驗證，專門設(shè)計實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的遙信對比界面、遙測越限告警對比界面。驗證過程如下。

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

圖3 遙信數(shù)據(jù)對比

遙測跳變的驗證過程：以RTU為單位，任意選擇想要對比的RTU，通過遙測對比界面可以觀察兩個系統(tǒng)的遙測刷新是否一致，是否有遙測越限的告警，且告警信息是否一致。如果遙測數(shù)據(jù)刷新不一致，則進(jìn)行標(biāo)記。遙測數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

圖4 遙測數(shù)據(jù)對比

遙控模擬下發(fā)過程驗證：遙控報文的正確下發(fā)對電網(wǎng)穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。因此在系統(tǒng)升級/換型前，必須對系統(tǒng)中的所有遙控進(jìn)行“預(yù)置”操作，在兩個系統(tǒng)中分別發(fā)送同一個遙控位置的“預(yù)置”命令，并分別提取“預(yù)置”報文進(jìn)行比較。檢查升級/換型系統(tǒng)下發(fā)的遙控報文（遙控號、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。

4 應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)升級時，需要實際接入通信通道來驗證升級系統(tǒng)的遙測刷新頻率、遙信位置對應(yīng)情況，以及遙控報文的正確性。這種方式需要在升級系統(tǒng)接入幾百個通信通道來驗證系統(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)的升級工期一般在幾個月到半年之間。

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地調(diào)升級項目中，系統(tǒng)升級過程中遙測、遙信、遙控的信號比對工作，縮短到兩周左右，極大地縮短了信號比對的工期，且現(xiàn)場實際運行情況表明：

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/換型系統(tǒng)，包括前置通信模型，SCADA點參數(shù)的模型信息，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動校核。若有模型信息不一致的情況會產(chǎn)生告警信息。調(diào)度運行人員可以根據(jù)告警信息及時處理模型不一致的問題，有效避免了因模型不一致影響電網(wǎng)數(shù)據(jù)刷新的問題。

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

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

4）升級/換型系統(tǒng)通過仿真采集的方式和生產(chǎn)系統(tǒng)并列運行，并通過信號比對界面，實時比較兩個系統(tǒng)的電網(wǎng)采集信號。并列運行期間的電網(wǎng)遙測、遙信、遙控數(shù)據(jù)的差異信號得到了及時的診斷處理。系統(tǒng)實際切換時，兩個系統(tǒng)的遙測刷新頻率、遙信位置信號完全一致，信號一致率達(dá)到100%，同時監(jiān)測兩個系統(tǒng)的遙控模擬報文，遙控報文正確率達(dá)到100%，符合電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)升級驗收的標(biāo)準(zhǔn)，可以做到電網(wǎng)系統(tǒng)的無縫切換。

5 結(jié)論

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

在遙控功能驗證時，目前該系統(tǒng)通過比較遙控報文來檢驗遙控流程的正確性，升級系統(tǒng)同RTU子站沒有實際的通信連接，因此下行的遙控報文不能到達(dá)RTU子站，也無法接收子站的遙控返校報文，因此無法驗證遙控返校信息的正確性。此項功能驗證應(yīng)作為電網(wǎng)系統(tǒng)升級過程中需重點解決的問題進(jìn)一步研究。

本文編自2021年第11期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于端口鏡像的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為唐軍沛、常曉萌 等。