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，基于當時IEC 61850標準的建設(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，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分散式微機監(jiān)控系統(tǒng)，RCS-9700系統(tǒng)采用最新的IEC 61850通信規(guī)約標準，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)拓撲結(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）交換機網(wǎng)口或裝置網(wǎng)口芯片老化；

（3）網(wǎng)絡(luò)負荷增加導(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

當發(fā)生沖突時，后臺或遠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

交換機通過ARP、UDP或其它TCP報文學(xué)習(xí)每臺裝置的Mac。當A和B都與遠動通信時，由于Mac沖突，遠動發(fā)送給A的命令報文可能被交換機到轉(zhuǎn)發(fā)到A，并收到A回復(fù)；也可能被交換機轉(zhuǎn)發(fā)到B，卻收不到回復(fù)。如果交換機學(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，當設(shè)置不當可能出現(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抓取網(wǎng)絡(luò)報文分析進行分析。

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 交換機網(wǎng)口芯片老化

2.3.1 交換機網(wǎng)口芯片老化現(xiàn)象

當交換機網(wǎng)口芯片老化，尤其是主控室中心核心交換機，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。同理可以判斷遠動是否存重發(fā)報文；另一方面通過檢查查看交換機運行指示燈及登錄交換機查看運行狀態(tài)。

2.3.2 交換機網(wǎng)口芯片老化處理方法

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

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

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

網(wǎng)絡(luò)負荷增加導(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)后臺或遠動發(fā)來的命令，進而引起頻繁通信“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)報文分析機處理方案

變電站監(jiān)控系統(tǒng)正常運行時，沒有保護動作發(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，進而延遲處理遠動/后臺發(fā)來的MMS命令報文，從而使得裝置與遠動/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。