基于IEC 61850變電站網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷原因分析及解決方案

羅凱文（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司南寧局，廣西南寧市530028）

基于IEC 61850變電站網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷原因分析及解決方案

羅凱文（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司南寧局，廣西南寧市530028）

IEC 61850代表了變電自動化系統(tǒng)的最新趨勢，是數(shù)字化、智能化變電站的關(guān)鍵技術(shù)，各大廠商受限于當(dāng)時研究深入程度及硬件條件的限制導(dǎo)致對于基于IEC 61850的第一代建設(shè)的變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計及硬件要求存在一定的局限性，導(dǎo)致影響監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡(luò)中斷問題越來越凸顯，本文通過對問題進(jìn)行原因分析，找出導(dǎo)致該問題的因素，并制定解決方案。

IEC 61850變電站；網(wǎng)絡(luò)中斷；原因分析；解決方案

引言

隨著電網(wǎng)發(fā)展及電力需求的增加，線路擴(kuò)建逐漸增多，掛接在監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備也越來越多，基于當(dāng)時IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)變電站的設(shè)計的局限性及不足越來越明顯，有時還還影響到監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，最典型的就是監(jiān)控系統(tǒng)中有大量網(wǎng)絡(luò)報文導(dǎo)致通信堵塞，引起設(shè)備頻繁出現(xiàn)中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不刷新、死機(jī)，以及測控裝置之間的閉鎖因GOOSE報文異常導(dǎo)致裝置異常閉鎖，同時引起裝置通信中斷隨機(jī)性大，目前通過重啟裝置或經(jīng)過長時間等待系統(tǒng)即可自動恢復(fù)正常，該問題已經(jīng)影響到監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；本文針對該問題現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，找出導(dǎo)致該問題的幾種因素，并正制定解決方案。

1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

該變電站監(jiān)控系統(tǒng)采用南瑞繼保的RCS-9700分散式微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，RCS-9700系統(tǒng)采用最新的IEC 61850通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，按安裝地點和功能，分位主控樓內(nèi)的站控層和現(xiàn)場小室內(nèi)的間隔層設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。站控層通過光纖與間隔層相連。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)全部采用光纖或屏蔽雙絞線以太網(wǎng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線型。站控層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)按雙以太網(wǎng)配置，且按全站終期規(guī)模配置。間隔層也采用雙以太網(wǎng)，間隔層設(shè)備采用具備以太網(wǎng)接口的測控單元直接接入網(wǎng)絡(luò)，與站控層設(shè)備通訊。

2 原因分析及處理方案

監(jiān)控系統(tǒng)中測控裝置間采用GOOSE報文進(jìn)行間隔層聯(lián)鎖交互信息。根據(jù)現(xiàn)場頻繁出現(xiàn)裝置通信狀態(tài)發(fā)生“通/斷”現(xiàn)象，初步判斷可能存在如下原因：

（1）站內(nèi)裝置Mac地址沖突；

（2）交換機(jī)網(wǎng)口或裝置網(wǎng)口芯片老化；

（3）網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加導(dǎo)致裝置CPU處理通信報文速度變慢。

2.1 MAC地址沖突（略）

2.2 MAC地址沖突現(xiàn)象分析

當(dāng)發(fā)生沖突時，后臺或遠(yuǎn)動同一時刻只能收到一臺裝置的通信報文，該報文可能是后臺或遠(yuǎn)動需要的報文，也肯能是不需要的報文。對于不需要的報文，會被丟棄，從而導(dǎo)致裝置通信狀態(tài)“斷”，當(dāng)又收到正確文本后，該裝置通信狀態(tài)又變?yōu)椤巴ā薄ｉL時間這樣，就可能會出現(xiàn)裝置頻繁“通/斷”現(xiàn)象。

例如：

A裝置Mac=93：73：E0：63：0A：03，IP=198.120.0.3

B裝置Mac=93：73：E0：63：0A：03，IP=198.120.0.4

交換機(jī)通過ARP、UDP或其它TCP報文學(xué)習(xí)每臺裝置的Mac。當(dāng)A和B都與遠(yuǎn)動通信時，由于Mac沖突，遠(yuǎn)動發(fā)送給A的命令報文可能被交換機(jī)到轉(zhuǎn)發(fā)到A，并收到A回復(fù)；也可能被交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到B，卻收不到回復(fù)。如果交換機(jī)學(xué)習(xí)到Mac（對應(yīng)不同IP）在頻繁改變，就會出現(xiàn)裝置頻繁“通/斷”現(xiàn)象。

裝置Mac都是根據(jù)自身設(shè)置（裝置地址、IP地址……）確定的，當(dāng)設(shè)置不當(dāng)可能出現(xiàn)Mac沖突現(xiàn)象。

2.2.1 MAC地址沖突異常查找

排查該問題可通過在現(xiàn)場將一臺Hub級聯(lián)后臺并接入中心交換機(jī)抓取網(wǎng)絡(luò)報文分析進(jìn)行分析。

通過抓取報文分析是否存在IP/Mac沖突或A/B/C網(wǎng)絡(luò)被串聯(lián)，正常運行時要求三網(wǎng)必須從物理上斷開。

2.2.2 MAC地址沖突處理方法

如果判定IP/Mac沖突，只需要將沖突的裝置Mac地址修改即可。并在后臺重新做靜態(tài)ARP綁定。如果A/B/C網(wǎng)絡(luò)發(fā)生串聯(lián)，則需要找到源頭，從物理上斷開。

現(xiàn)場經(jīng)過測試未發(fā)現(xiàn)存在IP/Mac沖突及A/B/C網(wǎng)絡(luò)發(fā)生串聯(lián)，因此可排除該因素引起的通信中斷。

2.3 交換機(jī)網(wǎng)口芯片老化

2.3.1 交換機(jī)網(wǎng)口芯片老化現(xiàn)象

當(dāng)交換機(jī)網(wǎng)口芯片老化，尤其是主控室中心核心交換機(jī)，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報文頻繁重發(fā)現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象下，后臺或遠(yuǎn)動、裝置都會可能出現(xiàn)收到不到對方的報文，從而出現(xiàn)頻繁“通/斷”現(xiàn)象。

一方面可通過后臺抓取正在通信的報文，從報文中判斷是否出現(xiàn)頻繁的網(wǎng)絡(luò)報文重發(fā)現(xiàn)象。同理可以判斷遠(yuǎn)動是否存重發(fā)報文；另一方面通過檢查查看交換機(jī)運行指示燈及登錄交換機(jī)查看運行狀態(tài)。

2.3.2 交換機(jī)網(wǎng)口芯片老化處理方法

若確認(rèn)為當(dāng)交換機(jī)網(wǎng)口芯片老化，該問題交換機(jī)會降低或喪失對網(wǎng)絡(luò)報文處理能力，可通過更換交換機(jī)即可。

現(xiàn)場通過逐臺交換機(jī)排查未發(fā)現(xiàn)交換存在故障問題，可排除該因素。

2.4 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加導(dǎo)致裝置CPU處理通信報文速度變慢

網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加導(dǎo)致裝置CPU處理速度變慢現(xiàn)象：

裝置CPU除了處理通信報文外，還要處理采樣、邏輯等運算。當(dāng)站內(nèi)裝置增多，網(wǎng)絡(luò)報文量會成幾何數(shù)級增長，導(dǎo)致CPU處理數(shù)據(jù)變多。對于裝置而言，尤其是測控，通信處理任務(wù)一般為最低優(yōu)先級。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)報文量增加，裝置CPU處理有效報文的時間就會減少，從而導(dǎo)致來不及回復(fù)后臺或遠(yuǎn)動發(fā)來的命令，進(jìn)而引起頻繁通信“通/斷”現(xiàn)象。

可通過通過后臺抓取全站文，從報文判斷裝置發(fā)送報文是否頻繁。

3 現(xiàn)場排查情況及采取方案

3.1 站內(nèi)報文類型

通過報文抓取軟件對變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)報文進(jìn)行抓起，網(wǎng)絡(luò)報文主要由以表1中類型組成。

表1

3.2 站內(nèi)報文分析機(jī)處理方案

變電站監(jiān)控系統(tǒng)正常運行時，沒有保護(hù)動作發(fā)生、沒有SOE產(chǎn)生、沒有運行方式切換，僅遙測值微小變化。在這種情況下，同時從后臺A網(wǎng)抓取5min左右報文。其報文大致分析如圖1所示。從報文總量來看，報文量正常，在裝置承受范圍內(nèi)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)報文統(tǒng)計

根據(jù)表1站內(nèi)報文類型特點可知，對裝置通信狀態(tài)有影響的主要為：UDP、GOOSE、ARP三類報文，以下結(jié)合抓包具體分析。

3.3 ARP報文影響

從現(xiàn)場A網(wǎng)抓包數(shù)據(jù)來看（如圖2黑色柱狀圖，圖3黑色字體部分），第138.786～138.806s、139.786～139.806s的兩段20ms間隔中，出現(xiàn)了10幀ARP。根據(jù)運行經(jīng)驗，這種規(guī)模的ARP報文在裝置正常處理范圍內(nèi)，不會引起通信異常。如果在多個連續(xù)的500ms時間段內(nèi)出現(xiàn)40幀以上ARP報文，或則每隔1、2s就密集產(chǎn)生一波密集ARP報文（多于30幀）時，裝置就會耗費大量資源處理它們，進(jìn)而延遲處理遠(yuǎn)動/后臺發(fā)來的MMS命令報文，從而使得裝置與遠(yuǎn)動/后臺出現(xiàn)通信異常的幾率急劇上升。如果此時再有GOOSE、UDP、MMS遙信/遙測量報文增加，并持續(xù)一段時間后，裝置很容易出現(xiàn)通信“通/斷”現(xiàn)象。

圖2 ARP和GOOSE報文統(tǒng)計柱狀圖

圖3 各類報文順序圖

對于ARP報文的影響，可在后臺和遠(yuǎn)動采用“靜態(tài)ARP綁定”方案。目前該變電站已經(jīng)實施該方案，通過對比實施前后的報文，可以發(fā)現(xiàn)ARP報文量和出現(xiàn)頻率已經(jīng)大大降低。

4 結(jié)束語

通過對早期基于IEC 61850建設(shè)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷原因分析，找出了引起網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷為網(wǎng)絡(luò)報文量劇增所至，根據(jù)深入報文類型，并針對每類報文特點采取靜態(tài)綁定及劃分VLAN限制報文的廣播，從而顯著降低網(wǎng)絡(luò)報文的流量，消除變電站網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷問題。

通過對早期基于IEC 61850建設(shè)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷問題分析論證得出的結(jié)論，可為早期建設(shè)及后期建設(shè)的變電站改造或改進(jìn)提供借鑒意義。目前該站點出現(xiàn)的問題已申報技改項目進(jìn)行整改，項目完成實施將消除監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷問題，提高站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)運行的可靠性。

[1]陳安偉，朱松林，樂全明，朱炳銓.IEC 61860在變電站中的工程應(yīng)用.2012.

[2]葉海明.變電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實時監(jiān)聽及分析[A].第三屆浙江中西部科技論壇論文集（第四卷電力分卷）[C].2006.

TM63

A

2095-2066（2016）36-0090-02

2016-12-13

羅凱文（1986-），男，自動化技師，學(xué)士，主要從事電網(wǎng)自動化設(shè)備狀態(tài)技術(shù)研究工作。