专利名称：数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电力系统数字化变电站的网络数据获取及网络性能分析方
法，属电力信息自动化技术领域。
背景技术：
在电力系统中，常规变电站自动化系统存在以下问题(l)不同设备厂商使用的网络和通信协议互不兼容，设备间互操作性能差；(2)信息难以共享；(3)系统可扩展性差等。为解决这些问题，在变电站自动化系统中实现设备的互操作性，同时满足保护测控功能在不同的设备间自由分配的需要，并保持系统的长期稳定性，国际电工技术委员会IEC第57技术委员会制定了 IEC61850协议体系标准，该标准是基于通用网络平台的变电站自动化系统的唯一国际标准，它改变了目前变电站自动化系统封闭式的结构，使之成为开放性和标准性的系统，我国对该标准进行了等同采用。 网络通信技术是IEC61850通讯体系的重要基础。随着基于IEC61850通讯体系的数字化变电站系统的推广应用，变电站的结构发生了翻天覆地的变化，如图1所示为数字化变电站系统结构示意图。 常规变电站中需要用电缆硬接线方式跳合断路，在数字化站中则要通过网络，以数字信号通信的方式来完成。所以在数字化变电站中，对站控层及过程层网网络性能提出了极高的要求，一旦变电站中的网络出现问题则可能引发灾难性后果。这对于数字化变电站中网络管理而言是一个严峻的挑战。以太网内部过多的数据通信，使得网络及网络设备在负载、工作效率以及安全方面都承受着巨大的压力。电力系统中的管理、运行人员，必须有效地了解网络中的通讯数据传输是否正常、智能电子设备(IED)以及网络设备是否过载运行、局域网内部以及局域网与互联网的连接是否正常、IED之间的数据传输是否正常(如GOOSE信息、互操作信息、故障录波信息、控制信息)等等，同时，在遇到网络时断时续、网络内部站控层网络、过程层网络故障时，必须能快速定位故障点并将其排除。因而，需要对数字化变电站网络性能进行实时监测与评估，如何获取各类网络报文而不影响网络的正常通信并对网络报文进行分析成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是，为实现电力系统数字化变电站的通信网络性能评价，提出一种网络数据获取及网络性能分析方法。 本发明的技术方案是，本发明通过对网络硬件设备不同工作模式进行强制设定，采用网络嗅探技术获取数字化变电站中的各类网络报文，对获取的网络报文进行分类统计分析实现了对网络性能进行实时监测与评估的目标。 本发明数字化变电站的网络数据获取及网络性能分析方法的步骤为 1、设定网卡工作模式。在以太网络中，所有通讯都是以广播方式工作的，同一个网
段内的所有网络接口都可以访问在物理媒体上传输的所有数据，而每一个网络接口都有一个唯一的硬件地址，即MAC地址。在正常的情况下，一个网络接口只可能响应以下两种数据帧与自己MAC地址相匹配的数据帧和发向所有机器的广播数据帧。但在实际的系统中，数
据的收发一般都是由网卡完成的，而网卡的工作模式有以下4种(l)广播这种模式下的网卡能接收发给自己的数据帧和网络中的广播数据帧，这是默认的工作方式；(2)组播这种模式下的网卡只能够接收组播数据帧；(3)直接这种模式下的网卡只能接收发给自己的数据帧；(4)混杂这种模式下的网卡能接收通过网络设备上的所有数据帧。
在本发明方法中将网卡强制置于混杂模式工作，从而可接收所有通过网络设备的数据，而不管该数据的目的地是谁。 2、所述方法利用网络嗅探技术，捕获网络报文。具体流程为(l)查找网络设备，通过调用pc即Jookupdev函数得到可用的网络接口 ；(2)打开网络设备接口，通过调用pCap_0pen_liVe函数得到包捕获描述指针；(3)设置数据包过滤规则，通过调用pc即—setfilter函数完成；(4)进行数据包捕获操作，这项操作需要调用pc即Joop或者pc即—dispatch函数来完成。 3、所述方法网络性能分析包括以下内容(l)通过MAC地址扫描分析、数据包播放等操作，完成网络的应用管理和故障诊断等功能；(2)通过分析网络报文中的源地址、目的地址信息，根据地址表与设备的对应关系，绘制出变电站二次系统中保护控制设备、合并单元之间的连接状况矩阵图，方便查看网络的使用情况，查找带宽占用最大者，找出最为活跃的自动化设备；(3)对网络报文进行详尽的统计分析，得出特定时段的数据变化情况，得到不同协议或端点之间的各类统计信息；(4)对网络报文进行分类分析，可得到设备会话分析图，提供网络中各IED之间在IEC 61850网络进行的会话通讯信息；(5)对网络报文进行网络端点统计分析，可快速找定位通讯量最大的IP端点和物理端点，并给出每个网络协议的端点流量明晰统计排名情况。 本发明与现有技术比较的有益效果是，(1)本发明方法无需改变网络原有拓朴结构；(2)本发明直接从数字化变电站的网络层(站控层、过程层或单独的G00SE网络)捕获并解析G00SE报文，在不影响变电站正常运行的情况下，完成对站控网及过程层网络数据的捕获，进而实现对网络性能进行测试与评价，实现了与数字化变电站的高度融合。
本发明方法适用于电力系统数字化变电站的网络数据获取及网络性能分析。
图1为数字化变电站系统结构示意 图2为网络报文捕获流程图。
具体实施例方式
本发明数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法的具体实施方式
包括以下步骤 1、设定网卡工作模式 本发明实施例首先设定网卡工作模式，将网卡强制置于混杂模式工作，接收所有通过网络设备的数据。 2、利用网络嗅探技术，捕获网络报文
设置网卡工作于混杂模式后，所有数据帧都会被网卡驱动程序上传给网络层。分 组数据到了网络层后，网络层处理程序还要对其目的IP地址进行判断，如果是本地IP，则 上传给传输层处理(传输层再根据目的端口号来决定由哪个上层应用处理数据报文)，否 则丢弃。上层应用也无法"抓"到本不属于自己的数据包。这就需要一个直接与网卡驱动程 序接口的驱动模块，通过该模块网卡上传的数据帧就有了两个去处一个是正常的协议栈， 另一个就是分组捕获及过滤模块，对于非本地的数据包，前者会丢弃，后者会根据上层应用 要求来决定上传还是丢弃。 本实施例的分组捕获机制，采用winpc即(windows packet c即ture)工具， winpc即是windows平台下一个免费、公共的网络访问系统，它为win32应用程序提供了访 问网络底层的能力。利用Wincap完成以下功能(l)捕获原始数据报文，包括在共享网络 上各主机发送/接收的以及相互之间交换的数据报文。(2)在数据报文发往应用程序之前， 按照自定义的规则将某些特殊的数据报文过滤掉。(3)在网络上发送原始的数据报文。(4) 收集网络通信过程中的统计信息。Winpc即包括内核级的数据包监听设备驱动程序、低级动 态连接库packet, dll和高级系统无关库wpc即.dll。数据包监听设备驱动程序直接从数据 链路层取得网络数据包不加修改地传递给运行在用户层的应用程序，也允许用户发送原始 数据包。低级动态连接库packet, dll运行在用户层，把应用程序和数据包监听设备驱动程 序隔离开，使得应用程序可以不加修改地在不同的Windows系统上运行。不同Windows系 统上的packet, dll并不相同，但他们提供了一套相同的调用接口，使高级系统无关库不依 赖于特定Windows平台。高级系统无关库wpc即.dll和应用程序编译在一起，它使用低级 动态连接库提供的服务，向应用程序提供完善的监听接口。 捕获网络报文的流程如下(1)查找网络设备，通过调用pc即Jookupdev函数得 到可用的网络接口 ；(2)打开网络设备接口，通过调用pc即—open—live函数得到包捕获描 述指针；(3)设置数据包过滤规则，通过调用pCap_Setfilter函数完成；(4)进行数据包捕 获操作，这项操作需要调用pc即Joop或者pc即—dispatch函数来完成。整个网络数据捕 获流程如图2所示。
3、网络性能分析 在获取到网络报文以后，可通过对报文的各种处理，完成不同的通讯网络性能分 析功能。包括如下分析 (1)通过MAC地址扫描分析、数据包播放等操作，完成网络的应用管理和故障诊断 等功能； (2)通过分析网络报文中的源地址、目的地址信息，根据地址表与设备的对应关 系，绘制出变电站二次系统中保护控制设备、合并单元之间的连接状况矩阵图，矩阵图可以 非常方便地查看网络的使用情况，查找带宽占用最大者，也可以找出最为活跃的自动化设 备； (3)对网络报文进行详尽的统计分析，得出特定时段的数据变化情况，得到不同协 议或端点之间的各类统计信息； (4)对网络报文进行分类分析，可得到设备会话分析图，提供网络中各IED之间在 IEC 61850网络进行的会话通讯信息； (5)对网络报文进行网络端点统计分析，可快速找定位通讯量最大的IP端点和物理端点，并给出每个网络协议的端点流量明晰统计排名情况。
权利要求
一种数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法，其特征在于，所述方法通过对网络硬件设备不同工作模式进行强制设定，采用网络嗅探技术获取数字化变电站中的各类网络报文，对获取的网络报文进行分类统计分析实现对网络性能进行实时监测与评估的目标。
2. 根据权利要求1所述的数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法，其特征在于，所述强制设定为将网卡强制置于混杂模式工作，从而可接收所有通过网络设备的数据。
3. 根据权利要求1所述的数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法，其特征在于，所述网络嗅探技术捕获网络报文的具体流程为(l)查找网络设备，通过调用PC即—lookupdev函数得到可用的网络接口 ；(2)打开网络设备接口，通过调用pc即—open—live函数得到包捕获描述指针；(3)设置数据包过滤规则，通过调用pCap_Setfilter函数完成；(4)进行数据包捕获操作。
4. 根据权利要求1所述的数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法，其特征在于，所述网络性能分析包括以下内容(l)通过MAC地址扫描分析、数据包播放等操作，完成网络的应用管理和故障诊断等功能；(2)通过分析网络报文中的源地址、目的地址信息，根据地址表与设备的对应关系，绘制出变电站二次系统中保护控制设备、合并单元之间的连接状况矩阵图，方便查看网络的使用情况，查找带宽占用最大者，找出最为活跃的自动化设备；(3)对网络报文进行详尽的统计分析，得出特定时段的数据变化情况，得到不同协议或端点之间的各类统计信息；(4)对网络报文进行分类分析，可得到设备会话分析图，提供网络中各IED之间在IEC 61850网络进行的会话通讯信息；(5)对网络报文进行网络端点统计分析，可快速找定位通讯量最大的IP端点和物理端点，并给出每个网络协议的端点流量明晰统计排名情况。
全文摘要
本发明公开了一种数字化变电站网络数据获取及网络性能分析方法，通过强制设置网卡工作模式并采用网络嗅探技术获得数字化变电站站控层网络及过程层网络报文，对通讯网络报文进行统计分析，从而对网络性能给出了评价。本发明无需改变数字化变电站原有的网络拓朴结构，在不影响变电站正常运行的情况下，完成对站控网及过程层网络数据的捕获，进而实现对通讯网络性能进行测试与评价的目标，实现了与数字化变电站的高度融合。本发明方法适用于电力系统数字化变电站的网络数据获取及网络性能分析。
文档编号H02J13/00GK101719692SQ20091018678
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者孙旻, 苏永春, 辛建波, 郑蜀 申请人:江西省电力科学研究院