基于IEC 61850的智能變電站通信異常分析

李啟本，許菲菲，俞 玲

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司,上海 200090)

35 kV其昌變電站采用某國(guó)產(chǎn)保護(hù)測(cè)控裝置，該變電站站控層采用IEC 61850協(xié)議通信，投運(yùn)于2014年7月。于2020年1月出現(xiàn)部分遙信變位不上送調(diào)度的現(xiàn)象，在某倉(cāng)10 kV開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作后，調(diào)度僅收到保護(hù)動(dòng)作記錄，未收到該故障倉(cāng)位開(kāi)關(guān)變位信號(hào)，而站內(nèi)綜自后臺(tái)信號(hào)均無(wú)問(wèn)題。其后類(lèi)似的通信異常情況在該站不同倉(cāng)位的保護(hù)動(dòng)作及開(kāi)關(guān)遙控操作時(shí)多次出現(xiàn)。

1 現(xiàn)象分析

1.1 SOE報(bào)文分析

在收到消缺任務(wù)后，可在現(xiàn)場(chǎng)利用該站的備用倉(cāng)，反復(fù)進(jìn)行故障模擬，開(kāi)關(guān)變位等試驗(yàn)，在排除了站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信配置及IP地址設(shè)置等錯(cuò)誤可能性且備份現(xiàn)場(chǎng)裝置配置后，抓取裝置mms報(bào)文。

(1)開(kāi)關(guān)位置為雙位置接點(diǎn)，合位為KI10，分位為KI11，定義為雙點(diǎn)7。遙信初始狀態(tài)為KI10為0，KI11為1，進(jìn)行第1次開(kāi)關(guān)變位，KI10的值變?yōu)?，KI11的值變?yōu)?，mms報(bào)文上送了第1次變位時(shí)KI10、KI11和對(duì)應(yīng)雙點(diǎn)7的值。

(2)進(jìn)行第2次開(kāi)關(guān)變位，KI10的值變?yōu)?，KI11的值變?yōu)?，第二次變位的mms報(bào)文只上送了雙點(diǎn)7的遙信變位，未上送KI10和KI11的遙信變位。

通過(guò)分析裝置發(fā)出的mms報(bào)文，確認(rèn)存在遙信變位報(bào)文未上送且EntryID不連續(xù)現(xiàn)象，而裝置本地記錄并未丟失，即保護(hù)板記錄正常，同時(shí)通信板上送記錄緩存也正常。

1.2 報(bào)告控制塊內(nèi)存分析

BRCB報(bào)告控制塊信息存儲(chǔ)在通信程序全局鏈表中[1]，現(xiàn)場(chǎng)打印全局鏈表信息，得到現(xiàn)場(chǎng)客戶端后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)情況。

根據(jù)內(nèi)存對(duì)比可知，每個(gè)控制塊的緩沖區(qū)最大為20 000，而遠(yuǎn)動(dòng)當(dāng)前使用大小已超過(guò)20 000，即保護(hù)裝置給后臺(tái)上送報(bào)告對(duì)應(yīng)的內(nèi)存緩存區(qū)均正常，給遠(yuǎn)動(dòng)上送報(bào)告對(duì)應(yīng)的內(nèi)存緩存區(qū)溢出。

1.3 后臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)初始化流程分析

對(duì)比后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)的初始化流程，遠(yuǎn)動(dòng)和后臺(tái)初始化流程和報(bào)告控制塊寫(xiě)使能過(guò)程大致相同，但遠(yuǎn)動(dòng)初始化流程會(huì)對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能[2]。

后臺(tái)報(bào)告控制塊使能順序，以DL1005LD1/LLN0$BR$brcbDin01為例。

(1)后臺(tái)讀LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，裝置返回FALSE;

(2)后臺(tái)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，F(xiàn)ALSE，裝置返回寫(xiě)成功；

(3)后臺(tái)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$OptFlds，值為bit-string:7900，裝置返回成功；

(4)后臺(tái)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$TrgOps，值為bit-string:64，裝置返回成功；

(5)后臺(tái)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，值為T(mén)rue，裝置返回成功。

遠(yuǎn)動(dòng)報(bào)告控制塊使能順序，以DL1005LD1/LLN0$BR$brcbDin01為例。

(1)遠(yuǎn)動(dòng)讀LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，裝置返回FALSE;

(2)遠(yuǎn)動(dòng)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，F(xiàn)ALSE，裝置返回寫(xiě)成功；

(3)遠(yuǎn)動(dòng)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$OptFlds，值為bit-string:7900，裝置返回成功；

(4)遠(yuǎn)動(dòng)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$TrgOps，值為bit-string:64，裝置返回成功；

(5)遠(yuǎn)動(dòng)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin03$PurgeBuf，值為:True，裝置回復(fù)成功；

(6)遠(yuǎn)動(dòng)寫(xiě)LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，值為T(mén)rue，裝置返回成功。

1.4 現(xiàn)象分析

綜合SOE報(bào)文分析、報(bào)告控制塊內(nèi)存分析以及后臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)初始化流程分析，得到如下內(nèi)容。

(1)裝置上送給后臺(tái)的mms報(bào)文的EntryID連續(xù)，但上送給遠(yuǎn)動(dòng)mms報(bào)文的EntryID不連續(xù)且存在跳變，導(dǎo)致遠(yuǎn)動(dòng)丟失部分遙信；

(2)對(duì)比通信程序的內(nèi)存，裝置給后臺(tái)上送報(bào)告對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)正常，但給遠(yuǎn)動(dòng)上送報(bào)告對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)溢出；

(3)對(duì)比后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)初始化流程，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)初始化流程會(huì)寫(xiě)PurgeBuf報(bào)告控制塊，而后臺(tái)不會(huì)寫(xiě)PurgeBuf報(bào)告控制塊。

通過(guò)分析總結(jié)可知，初步懷疑遠(yuǎn)動(dòng)初始化流程對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，導(dǎo)致裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后給遠(yuǎn)動(dòng)上送報(bào)告的內(nèi)存區(qū)溢出，最終導(dǎo)致裝置給遠(yuǎn)動(dòng)上送SOE記錄的EntryID不連續(xù)，部分遙信不上送調(diào)度。

2 故障定位

2.1 軟件分析

2.1.1 Purgebuf介紹

根據(jù)IEC61850-7-2協(xié)議，對(duì)Purgebuf控制塊解釋如下：PurgeBuf屬性代表應(yīng)丟棄緩沖事件的請(qǐng)求。

Purgebuf設(shè)置為T(mén)RUE，BRCB必須丟棄所有尚未發(fā)送給客戶端的緩沖事件，且丟棄緩沖事件后，該BRCB屬性應(yīng)自動(dòng)設(shè)置為FALSE[3]。

2.1.2 BRCB數(shù)據(jù)打包流程

現(xiàn)場(chǎng)通信程序正常報(bào)告打包緩沖區(qū)判斷流程如圖1所示。

當(dāng)有新報(bào)告需打包上送時(shí)，程序先計(jì)算新報(bào)告占用空間大小，隨后判斷當(dāng)前緩沖區(qū)空間是否足夠存儲(chǔ)當(dāng)前報(bào)告，若足夠存儲(chǔ)則更新緩沖區(qū)計(jì)數(shù)cur_bufsize并將報(bào)告加入到發(fā)送隊(duì)列鏈表等待發(fā)送。反之當(dāng)緩存區(qū)空間不足時(shí)，若已發(fā)送隊(duì)列不為空，則釋放已發(fā)送隊(duì)列占用的空間，繼續(xù)判斷可用的緩沖區(qū)是否滿足要求，若已發(fā)送緩沖區(qū)占用空間全部釋放仍然無(wú)法滿足要求，則判斷待發(fā)送隊(duì)列是否為空，不為空則釋放待發(fā)送隊(duì)列空間，此時(shí)釋放的待發(fā)送隊(duì)列報(bào)告丟失。若將待發(fā)送隊(duì)列及已發(fā)送隊(duì)列占用空間全部釋放，仍然無(wú)法滿足條件，則使用bufsize以外空間存儲(chǔ)保證最新報(bào)告順利發(fā)送。

結(jié)合裝置給遠(yuǎn)動(dòng)上送報(bào)告控制塊的內(nèi)存可知，給遠(yuǎn)動(dòng)上送遙信Din的分配內(nèi)存區(qū)大小為20 000，實(shí)際使用的內(nèi)存大小為28 884，屬于使用定義緩沖區(qū)以外的空間保存報(bào)告的情況。

通過(guò)分析代碼流程數(shù)持續(xù)累加。裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生大量報(bào)告后會(huì)導(dǎo)致緩存區(qū)計(jì)數(shù)溢出，超出分配的內(nèi)存區(qū)大小，此時(shí)如果只是產(chǎn)生單個(gè)報(bào)告，使用分配的20 000以外的空間發(fā)送報(bào)告，報(bào)告發(fā)送成功后，當(dāng)前緩沖區(qū)計(jì)數(shù)仍繼續(xù)累加；如果一次產(chǎn)生多個(gè)報(bào)告，分配的20 000以外的空間都無(wú)法處理這些報(bào)告時(shí)，將丟失部分未及時(shí)發(fā)送的報(bào)告，表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)部分遙信不上送調(diào)度。

2.2 故障重現(xiàn)

根據(jù)分析可知，使用現(xiàn)場(chǎng)備份，裝置上電初始化之后，客戶端對(duì)Purgebuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，按如下步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)裝置和IEC 61850客戶端建立連接后，頻繁做開(kāi)關(guān)變位后，打印緩沖區(qū)情況；

(2)斷開(kāi)網(wǎng)線一段時(shí)間，客戶端和裝置通信恢復(fù)后，打印報(bào)告緩沖區(qū)情況，發(fā)現(xiàn)發(fā)送計(jì)數(shù)清零，但緩沖區(qū)大小未清零，此時(shí)當(dāng)前緩沖區(qū)計(jì)數(shù)已超過(guò)最大緩沖區(qū)限制；

(3)緩存區(qū)溢出后，再次進(jìn)行開(kāi)關(guān)變位，遠(yuǎn)動(dòng)出現(xiàn)報(bào)告丟失、緩沖區(qū)溢出。

2.3 修復(fù)程序驗(yàn)證

客戶端與裝置中斷重連對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，只是將發(fā)送計(jì)數(shù)清零而緩存區(qū)大小未清零，導(dǎo)致后續(xù)進(jìn)行連續(xù)變位時(shí)，裝置發(fā)送報(bào)告緩存區(qū)溢出。完善通信程序，客戶端中斷重連時(shí)若收到Purgebuf寫(xiě)使能，將發(fā)送計(jì)數(shù)和緩存區(qū)大小同時(shí)清零，進(jìn)行如下驗(yàn)證試驗(yàn)(改后程序產(chǎn)生大量變位內(nèi)存)。

(1)裝置更換通信程序后重啟，和客戶端重連后頻繁做開(kāi)關(guān)變位，將當(dāng)前緩沖區(qū)空間使用近20 000；

(2) 斷開(kāi)網(wǎng)線一段時(shí)間，當(dāng)客戶端和裝置通信恢復(fù)，打印報(bào)告緩沖區(qū)情況，發(fā)現(xiàn)發(fā)送計(jì)數(shù)清零，緩沖區(qū)大小同樣清零，發(fā)送計(jì)數(shù)為1，為客戶端上電寫(xiě)總召的報(bào)告(緩存區(qū)正常清零)。

2.4 定位分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)異常現(xiàn)象及驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)裝置和保護(hù)測(cè)控裝置建立通信連接時(shí)會(huì)對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，此時(shí)發(fā)送計(jì)數(shù)被清零，但清緩沖區(qū)大小未被清零。裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生大量變位后導(dǎo)致緩存區(qū)溢出，同時(shí)處理多個(gè)報(bào)告時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)告丟失的情況。

IEC61850規(guī)范定義了PurgeBuf報(bào)告控制塊屬性，未明確規(guī)定客戶端初始化流程是否需要對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，為避免在切機(jī)或切網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)漏發(fā)信號(hào)的問(wèn)題，一般初始化流程均未對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，后臺(tái)也未對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，但遠(yuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能。

3 結(jié)語(yǔ)

本次通信異常為遠(yuǎn)動(dòng)裝置初始化流程對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行產(chǎn)生大量變位導(dǎo)致緩存區(qū)溢出而漏發(fā)報(bào)告，后臺(tái)初始化流程不會(huì)對(duì)PurgeBuf報(bào)告控制塊寫(xiě)使能，故現(xiàn)場(chǎng)后臺(tái)未出現(xiàn)報(bào)告丟失的情況?？赏ㄟ^(guò)修改通信程序優(yōu)化IEC 61850報(bào)告控制塊使能機(jī)制，優(yōu)化內(nèi)存管理，從而消除缺陷，提高站控層通信穩(wěn)定性。