數據通信網關機的雙機切換數據同步方法

方 偉，慕宗君，楊紅培，馬國強，鄭運召

（1.許繼電氣技術中心，河南 許昌461000；2.許昌電氣職業學院 信息工程系，河南 許昌461000）

0 引 言

數據通信網關機 （以下簡稱網關機）［1］在智能變電站中均為雙機冗余配置，運行中必然存在雙機切換過程。雙機切換過程中，若無數據同步功能或數據同步功能不完善，則目標主機易將原主機已發送過的遙信數據在雙機切換后再次發送，引起遙信重發現象；也易將雙機切換過程中發生的遙信事件漏發，引起遙信漏發現象。遙信的重發會加重主站維護使用的復雜度以及實時數據庫讀寫負載，影響遙信數據的時效性；遙信的漏發則會導致主站系統監視的狀態與實際運行設備狀態不一致。兩者均易引起運維人員對智能變電站當前運行狀態的誤判，而極大地影響電力系統的安全穩定運行。

針對雙機切換過程的遙信重發漏發問題，文獻 ［2］提出了一種基于時間序列的同步信息時間窗的雙機數據同步方法。該方法要求兩臺網關機時間必須具備一致性，雖然可以高效地將同步數據的接收時刻以前的其它數據從緩存中一次性刪除，但該方法采用了基于接收時間的模糊識別技術，因此有一定局限性，不能應用于雙機時間不一致的同步過程，也不能解決先動作卻后發送的多個遙信數據相繼發生的同步過程。

本文提出了一種基于逐點同步機制的雙機切換數據同步方法。該方法采用遙信索引、動作值和動作時間等3個遙信屬性作為遙信數據的唯一性標識，應用IEC61850／IEC104通信中斷的防漏重發機制，通過基于UDP 專網的同步數據傳輸協議，將已發送成功的遙信數據作為同步數據逐點傳輸給對機，對機接收同步數據后清除緩存中相同的遙信數據。實現了雙機切換過程中遙信數據盡可能避免重發、杜絕漏發的目標，以確保主站能夠安全可靠地監視智能變電站的運行狀態［3］。

1 雙機切換

1.1 系統結構

網關機在智能變電站中均為雙機冗余配置。與調度主站 （以下簡稱主站）的通信以IEC104［4］為主要通信規約；與變電站內間隔層裝置的通信采用IEC61850［5］規約。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

1.2 運行模式

運行模式可分為雙主和主備兩種：雙主模式指網關機A、B均同時與主站進行通信數據交互；主備模式指網關機A、B中僅一臺網關機與主站進行通信；而另一臺網關機處于熱備狀態，平時處于與主站通信中斷的狀態。

1.3 切換過程

雙主模式的切換過程分為兩種：雙機運行切換至單臺運行、單臺運行切換至雙機運行。

主備模式的切換過程如下：當與主站通信的網關機出現通信中斷時，備通道的網關機升級為主通道與主站恢復正常通信。

無論是雙主模式還是主備模式，切換過程中均伴隨著IEC104通信的中斷和恢復，均為主站監測到與網關機的IEC104通信中斷，而將通信 （或數據來源）切換至另外一臺網關機的過程。

1.4 切換原因

主要包括以下兩種原因：

（1）IEC104通信中斷：主要是調度數據網中斷、主站健康狀態異常以及網關機自身健康狀態異常等原因引起IEC104通信中斷，進而導致雙機切換。

（2）IEC61850 通信中斷：主要是站內間隔層網絡中斷、間隔層裝置健康狀態異常以及網關機自身健康狀態等原因導致IEC61850通信中斷，此時網關機判斷出自身數據采集不完備而主動關閉IEC104通信，最終導致雙機切換。

本方法僅討論網關機自身健康狀態良好的情形下的IEC61850／IEC104通信中斷導致的雙機切換。因為實際運行中，若網關機自身健康狀態出現異常，如內存出錯、硬件異常等現象，此時任何雙機切換數據同步機制均是無法解決的。

2 重發現象

重發現象是指主站接收到網關機上送的某個遙信數據兩遍及以上。雙機切換中的重發現象通常僅伴隨著IEC104通信中斷而發生，此時兩臺網關機的IEC61850通信卻是正常的，且均正確接收到站內間隔層裝置發送的遙信數據。

重發現象可分為不可避免和可避免兩種。

不可避免的重發現象也分為兩類。一類是規約防漏機制的重發。如：網關機向主站發送遙信數據A，因通信中斷，此時網關機若未收到主站發出的針對該遙信數據A 的IEC104確認報文；無論是否發生雙機切換，恢復通信的網關機均必須重發該遙信數據A，此時主站收到相同遙信數據A 兩遍，即主站接收到重發數據；若不重發，主站若未收到該遙信數據A 而不下發確認報文時，將導致漏發。此類重發為不可避免的正確的重發現象，且是少量可接受的。

另一類不可避免的重發現象是雙主模式正常運行下的重發。因兩臺網關機同時與主站交互數據，當變電站遙信數據發生時，主站必然會接收同一個遙信數據兩遍。

可避免的重發指除了上述的不可避免的重發現象以外的情形，多為雙機同步機制不完善或者程序問題導致。本方法主要討論的就是此類重發現象。主要有以下4種情形：

（1）未正確采用主站的IEC104確認報文作為數據已發送成功的判據，導致已發送成功的遙信數據未同步給對機。

（2）未及時將同步數據發送給對機。

（3）接收同步數據的網關機未正確完全清除對機已發送成功的遙信數據。

（4）未采用逐點精確同步的機制將數據發給對機。如采用模糊判斷導致對機未完全清除已發送成功的緩存數據。

3 漏發現象

漏發現象是指主站未接收到網關機的某個遙信數據。漏發現象是可避免的。主要有3種情形：

（1）間隔層裝置不具備防漏重發機制。IEC61850通信中斷又恢復后，未將通信中斷期間發生的遙信數據繼續正確發送給網關機。

（2）未正確采用主站的IEC104確認報文作為數據已發送成功的判據。將未被確認的遙信數據作為同步數據錯誤發送給對機，導致未成功發送給主站的數據在對機緩存中也被清除。

（3）接收同步數據的網關機錯誤地過多清除發送緩存。

4 主要原理

4.1 定 義

雙機數據同步功能是指當網關機A 的遙信數據向主站發送成功后，將發送成功的數據逐點同步給網關機B；網關機B將收到的間隔層遙信數據與同步數據庫進行比較，若找到相同遙信數據即為已成功發送的遙信數據，則不再向主站發送；若未找到相同數據即為主站仍未收到這些遙信數據，則須上送給主站。

相同遙信數據的判據為遙信數據的3 個屬性均相同；這3個屬性分別為遙信索引、動作值及動作時間；遙信索引為全站唯一的網關機數據庫索引；動作值為遙信的動作狀態，如合、分等；動作時間為該遙信發生的時間。這3個屬性值采用間隔層裝置 （或更早源端，如過程層設備）的賦值，以確保兩臺網關機收到的遙信數據是相同的。

遙信數據發送成功的判據為網關機發送數據后收到主站針對該遙信數據的IEC104確認報文。

4.2 邏輯原理

無論是雙主模式還是主備模式，若網關機IEC61850／IEC104通信狀態由運行切至中斷，或由中斷切至運行，如1.3中所述切換過程，均需經過雙機數據同步功能進行判斷遙信數據是否已成功發送。已成功發送的遙信數據為歷史數據，應將其從緩存中清除而避免重發；未成功發送的遙信數據應繼續上送給主站，從而避免漏發。

下面主要討論導致雙機切換的兩種通信中斷情況下的雙機數據同步。

（1）IEC61850通信中斷：IEC61850通信中斷時，即間隔層裝置與網關機通信中斷，此時若發生遙信事件，網關機無法收到間隔層裝置的遙信數據，間隔層裝置會緩存通信中斷期間發生的遙信數據。通信正常的網關機在這些遙信事件發生時，已將發送成功的遙信數據同步給通信中斷的網關機。通信中斷的網關機恢復正常運行時，每收到間隔層裝置緩存的一個遙信事件，即與同步數據庫中的遙信數據進行比較，若存在 （表示已成功發送），則不寫入遙信發送隊列緩存；若不存在 （表示未成功發送），則立即寫入遙信發送隊列發送給主站。示例如圖2所示。

圖2 IEC61850通信中斷

（2）IEC104通信中斷：IEC104通信中斷時，即主站與網關機通信中斷，此時若發生遙信事件，網關機可實時收到間隔層裝置發送的這些遙信數據，并作為待發送數據緩存在遙信發送隊列中。而通信正常的網關機收到間隔層發送的這些遙信事件并實時傳送給主站，同時將發送成功的遙信數據同步給通信中斷的網關機。當通信中斷的網關機收到這些已發送成功的遙信同步數據時，遙信發送隊列中已經存在了這些待發送的遙信數據，此時清除發送隊列中的這些已發送成功遙信數據，則在通信中斷的網關機恢復正常通信時，這些已發送成功的遙信數據因已被清除，則不會再上送給主站。示例如圖3所示。

圖3 IEC104通信中斷

另，雙主模式正常運行時的重發為不可避免的重發現象，此時雖然仍然運行雙機同步的發送／接收同步數據的邏輯，但不能進行緩存數據清除，否則易出現漏發現象。

5 功能實現

5.1 通信方式

采用UDP協議架設同步專網的模式。

UDP同步專網的優點：傳輸速率快；無其它網絡數據或傳輸機制干擾。如：存在網口數量有限問題的某些實際工程中，將同步數據網與站內數據網混用，則站內IEC61850的通信中斷也易引起同步數據網中斷，從而導致同步數據無法傳輸給對機的數據不同步的異常現象。

為了增加可靠性，同步專網也可采用雙網冗余［6，7］模式，即兩臺網關機通過雙網傳輸同步數據。

5.2 同步數據傳輸服務協議

（1）報文格式：傳輸服務協議的報文格式見表1。

表1 同步數據傳輸服務協議報文格式

（2）發送／接收序號：實現同步數據傳輸協議的防漏重發機制，與IEC104規約的發送／接收序號功能相同。

（3）同步原因：包括周期、請求、響應、突發、測試等6種類型。

周期：定時向對機發送最后一個同步數據。

請求／響應：通信恢復時，首先向對機發送請求同步數據幀，對機則以最后一個同步數據響應。

突發：當有新的已發送成功的遙信數據時，須立即作為同步數據以突發原因發送給對機。

測試：定時發送測試幀，檢查同步數據網通信狀態。

（4）同步數據結構：通過UDP通信傳輸的雙機同步數據結構CHLSYN＿DATA 定義如下：

5.3 同步數據庫

接收同步數據網關機按間隔層裝置建立同步數據庫，間隔層裝置的最大數量為MAX＿IED＿NUM ＿DCSYN；每臺裝置能夠緩存的同步數據數量為MAX＿YX＿NUM，如下：

5.4 邏輯實現

雙機數據同步的邏輯實現分為通信正常網關機和通信中斷網關機兩部分。通信正常網關機為發送同步數據一側；通信中斷網關機為接收同步數據并進行數據處理的一側。

5.4.1 通信正常網關機

通信正常網關機的遙信數據發送成功則立即向對機發送同步數據。遙信數據發送成功的判據如下。

當網關機遙信數據 （I格式報文）發送后，接收到主站對該遙信數據報文的確認幀 （S格式），則為遙信數據發送成功。示例如圖4所示。

圖4 IEC104主站接收數據成功

當網關機接收到主站確認幀（68 04 01 00 66 00）時，則四幀遙信數據（ASDU30）發送成功，此時立即向對機發送這4個遙信數據的雙機同步數據（CHLSYN＿DATA）。

5.4.2 通信中斷網關機

通信中斷的網關機接收對機的雙機同步數據 （CHLSYN＿DATA），并保存于同步數據庫中。通信中斷分為IEC61850通信中斷和IEC104通信中斷兩種類型。

（1）IEC61850 通信中斷：當IEC61850 通信中斷時，該網關機若接收到對機的雙機同步數據 （CHLSYN＿DATA），并保存與同步數據庫中，待IEC61850通信由中斷轉運行時進行同步數據處理。

當IEC61850通信由中斷轉正常時，間隔層裝置緩存的遙信數據發送給網關機，此時須通過IEC61850規約的條目標識符EntryID［8］功能來判斷該遙信數據是否為緩存遙信上送。IEC61850關聯過程中［9］，網關機發送讀請求BRCB 報告控制塊信息 （request）命令，間隔層裝置BRCB 讀響應（response）數據中EntryID 值若大于網關機保存的通信中斷前EntryID，則IEC61850通信中斷期間有新的BRCB 報告產生。這些新BRCB 報告的EntryID 值小于BRCB 讀響應EntryID 值，若這些報告中有遙信數據，則這些遙信數據為通信中斷期間變化產生，即為間隔層裝置緩存遙信。這些遙信數據須與雙機同步數據庫 （DCSYN＿ONEIED＿DATA）進行比較，若對機已發送則不轉發主站，反之則轉發主站。流程如圖5所示。

圖5 IEC61850通信中斷轉運行流程

IEC61850通信處于正常運行狀態，間隔層裝置的通信中斷期間緩存的遙信數據上送完畢后，若又有新遙信事件發生，這些遙信數據為實時遙信數據，無須經過雙機同步數據判斷，直接寫入IEC104 發送緩存中轉發主站。若此時還需經過雙機同步數據判斷，則降低了網關機遙信轉發效率。

（2）IEC104通信中斷：IEC104通信中斷時，若有遙信事件發生，網關機接收到間隔層裝置發來的遙信數據并存入IEC104 發送緩存。接收來自對機的雙機同步數據（CHLSYN＿DATA）后，存入同步數據庫的同時，與IEC104發送緩存進行比較，若已發送則清除緩存隊列中的該遙信數據。

當該IEC104通信由中斷轉正常運行時，發送緩存中剩余的遙信事件均為對機未發送的遙信數據，這些遙信數據須立即轉發主站。

6 結束語

本文分析了數據通信網關機IEC61850、IEC104等通信中斷導致的雙機切換中易出現遙信數據重發漏發現象的主要邏輯過程，并提出了一種雙機數據同步實現方法。采用IEC104協議確認報文作為遙信數據已發送成功的判據，向對機及時發送同步數據，對機將緩存中遙信數據與同步數據庫進行逐點比較，并過濾出相同的遙信數據并將其刪除。最終實現兩臺網關機的遙信數據精確同步，即已成功發送的遙信數據不再向主站發送，未被刪除的遙信數據即為主站仍未收到過的遙信數據，則繼續正確上送給主站。雖然本文僅以IEC104 協議為例進行了雙機數據同步方法的說明，但該方法可應用于所有具有防漏重發機制的遠動協議（如IEC101協議［10］），均可有效地解決遙信數據中可避免的重發漏發現象。

［1］FAN Chen，NI Yimin，DOU Renhui，et al.Interpretation of relevant specifications of integrated supervision and control systems in smart substations ［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36 （19）：1－5 （in Chinese）.［樊陳，倪益民，竇仁暉.智能變電站一體化監控系統有關規范解讀 ［J］.電力系統自動化，2012，36 （19）：1－5.］

［2］HUANG Shu，CHEN Jongcong，MA Kai，et al.Method of RTU channel synchronization based on time series ［J］.Computer Engineering and Design，2013，34 （9）：3358－3361 （in Chinese）.［黃曙，陳炯聰，馬凱，等.基于時間序列的遠動通道數據同步方法 ［J］.計算機工程與設計，2013，34 （9）：3358－3361.］

［3］HOU Maojun.Research on architecture of substation intelligent diagnosis and maintenance system ［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （10）：3964－3969 （in Chinese）.［侯貿軍.變電站智能診斷和維護系統體系結構研究 ［J］.計算機工程與設計，2012，33 （10）：3964－3969.］

［4］ZHOU Lianying，MU Xin.Design of home site based on electrical network mutil－protocol real－time monitor system ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （14）：3788－3790（in Chinese）.［周蓮英，穆鑫.基于多規約的電網實時監測主站系統的設計 ［J］.計算機工程與設計，2008，29 （14）：3788－3790.］

［5］HE Chun.Experience summary of IEC61850international interoperability test workshop ［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36 （2）：6－10 （in Chinese）. ［賀春.IEC61850國際互操作試驗經驗總結 ［J］.電力系統自動化，2012，36 （2）：6－10.］

［6］WANG Haifeng，DING Jie，CHEN Ailin，et al.Research on dual network communication based on IEC61850 ［J］.Power System Protection and Control，2009，37 （3）：76－78 （in Chinese）.［王海峰，丁杰，陳愛林，等.基于IEC61850 的雙網通訊探討 ［J］.電力系統保護與控制，2009，37 （3）：76－78.］

［7］ZHANG Ying，ZENG Xiang，WEN Ming，et al.Improvement of redundant communication in digital substation and its reliability analysis［J］.Power System Protection and Control，2012，40 （5）：124－128 （in Chinese）. ［張穎，曾翔，文明，等.數字化變電站通信冗余實施方案的改進及可靠性分析［J］.電力系統保護與控制，2012，40 （5）：124－128.］

［8］DU Jun，QI Zhong.Telecontrol gateway of substation based on IEC61850 ［J］.Electric Power Automation Equipment，2011，31 （2）：112－114 （in Chinese）. ［篤竣，祁忠.基于IEC61850的變電站新型遠動網關機 ［J］.電力自動化設備，2011，31 （2）：112－114.］

［9］REN Yanming，CAO Fengmei，ZHANG Jun.Technical analysis of IEC 61850Ed 2.0 ［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37 （3）：1－5 （in Chinese）. ［任雁銘，操豐梅，張軍.IEC61850Ed 2.0技術分析 ［J］.電力系統自動化，2013，37 （3）：1－5.］

［10］DI Wenhui，LI Jingwei，LIU Jun.Testing software of power telecontrol communication based on 101protocol［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （12）：3030－3034（in Chinese）.［狄文輝，李敬偉，劉晙.基于101規約的電力遠動通信測試軟件 ［J］.計算機工程與設計，2009，30（12）：3030－3034.］