站控層采用IEC 61850通信的“木桶效應(yīng)”分析

尤小明　劉明慧

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京　211102）

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站控層采用IEC 61850通信的“木桶效應(yīng)”分析

尤小明劉明慧

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

摘要本文針對目前IEC 61850協(xié)議在變電站站控層通信實(shí)施中遇到的通信異?，F(xiàn)象，通過構(gòu)建IEC 61850通信的最小化模型，詳細(xì)分析變電站站控層通信采用IEC 61850規(guī)約產(chǎn)生的“木桶效應(yīng)”，結(jié)合數(shù)字化變電站上云變現(xiàn)場原始資料，進(jìn)一步分析現(xiàn)場站控層的通信報文和網(wǎng)絡(luò)流量以及裝置網(wǎng)卡狀態(tài)等，并在此基礎(chǔ)上提出通信優(yōu)化處理方案。上云變現(xiàn)場站控層實(shí)施該方案后，站控層的報文流量達(dá)到更合理的范圍，整個站控層通信架構(gòu)中的各個單元模塊能配合更高效，且現(xiàn)場站控層通信長期穩(wěn)定運(yùn)行，從而驗(yàn)證方案的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：IEC 61850；ASN.1；通信異常；站控層；DMA

電力系統(tǒng)中變電站整個站控層的通信由多個環(huán)節(jié)組成，而整個通信架構(gòu)在不同的環(huán)節(jié)中均存在流量極限和效率的配合問題，一旦整個通信架構(gòu)的通信流量極限和效率不匹配，就會出現(xiàn)站控層通信的“木桶效應(yīng)”，從而產(chǎn)生通信異常的現(xiàn)象。目前變電站現(xiàn)場站控層出現(xiàn)通信異常的現(xiàn)象還是比較常見的，并可能產(chǎn)生其他的相關(guān)異常問題，對于整個電力系統(tǒng)自動化系統(tǒng)實(shí)時信息的監(jiān)視、控制和維護(hù)是一個很大的挑戰(zhàn)。

1　站控層采用IEC 61850規(guī)約的現(xiàn)狀

IEC 61850規(guī)約在變電站站控層的應(yīng)用越來越普遍，目前新建站和80%的改造站在站控層采用IEC 61850規(guī)約。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述在數(shù)據(jù)源就對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行自我描述，傳輸?shù)浇邮辗降臄?shù)據(jù)都帶有描述，帶來數(shù)據(jù)交互的便利，但是與電力系統(tǒng)之前長期采用的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約（如網(wǎng)絡(luò)103、104等）相比，傳輸相同的信息其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱笪牧繒蠛芏郲1]。

IEC 61850中的核心通信（客戶/服務(wù)器模式）映射到MMS的A-Peofile，采用多層協(xié)議與服務(wù)[2]，包括：會話層、表示層和應(yīng)用層。多層次的架構(gòu)造成通信報文編解和解碼效率急劇降低。

采用IEC 61850規(guī)約的保護(hù)裝置模型的最大化配置以及保測一體裝置的使用等，使得一臺間隔層裝置傳輸?shù)男盘柫繋缀醯韧谥斑h(yuǎn)動裝置上送調(diào)度主站的全部信號量，可見，整個站控層的報文流量是相當(dāng)大的。

上述的種種情況都進(jìn)一步的加劇了站控層通信“木桶效應(yīng)”的產(chǎn)生，并極易產(chǎn)生通信異常。例如110kV數(shù)字化變電站上云變就遇到站控層的通信問題，本文結(jié)合該變電站的實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析站控層通信異常的根本原因。上云變的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　上云變的通信架構(gòu)圖

2　站控層采用IEC 61850規(guī)約通信異常問題分析

變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較復(fù)雜，不利于進(jìn)行詳細(xì)的分析網(wǎng)絡(luò)通信異常的問題，故可以先簡化通信架構(gòu)及分析模型，僅以一臺IEC 61850客戶端和一臺IEC 61850服務(wù)端的通信架構(gòu)進(jìn)行梳理通信機(jī)制[3-4]，分析通信架構(gòu)中的短板。

2.1簡化的通信架構(gòu)

圖2是簡化的通信架構(gòu)。整個數(shù)據(jù)交互的流程包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)發(fā)送為：應(yīng)用程序按照需求采用對應(yīng)的ACSI（Abstract Communication Service Interface），然后MMS采用ASN.1（Abstract Syntax Notation One）進(jìn)行編碼，通過TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行管理，最終通過物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到站控層。數(shù)據(jù)接收為：物理網(wǎng)絡(luò)接收站控層網(wǎng)絡(luò)報文，TCP/IP協(xié)議棧對報文進(jìn)行篩選并整理，然后MMS采用ASN.1進(jìn)行解碼，最終應(yīng)用程序獲取相關(guān)信息。

圖2　簡化的通信架構(gòu)

在整個通信環(huán)節(jié)中，涉及到多處的數(shù)據(jù)緩存機(jī)制以及通信速率和效率的匹配問題。

1）網(wǎng)卡

目前通信的網(wǎng)卡常規(guī)采用的都是RJ45接口的電網(wǎng)絡(luò)接口，常規(guī)通信速率基本達(dá)到100Mbit/s。

網(wǎng)卡對于網(wǎng)絡(luò)報文的收發(fā)機(jī)制為：網(wǎng)卡初始化時預(yù)先構(gòu)造接收和發(fā)送兩個環(huán)型區(qū)，提供給網(wǎng)卡的DMA（Direct Memory Access）引擎使用。DMA根據(jù)RBD（Receive Buffer Descriptor）的內(nèi)容自動將報文搬到Cluster中，或?qū)BD（Transmit Buffer Descriptor）指向cluster的內(nèi)容搬到網(wǎng)卡里。只要設(shè)置好環(huán)形緩沖區(qū)，接收和發(fā)送過程其實(shí)都是自動完成的。

接收環(huán)形緩存區(qū)和發(fā)送環(huán)形緩存區(qū)如圖3所示。

圖3　網(wǎng)卡的接收/發(fā)送環(huán)形緩存區(qū)

接收環(huán)形緩存區(qū)和發(fā)送環(huán)形緩存區(qū)是預(yù)先從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存池分配好的，通常都有一定大小的限制。分配內(nèi)存時，從緩沖池中取出預(yù)先分配的固定大小的塊；釋放時，將塊插入到空閑鏈表中，從而優(yōu)化了內(nèi)存工作的效率。

2）TCP/IP協(xié)議棧

目前主流的嵌入式操作系統(tǒng)采用BSD4.4的協(xié)議棧設(shè)計(jì)，主要用途是在進(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)接口間相互傳遞用戶數(shù)據(jù)，不涉及到數(shù)據(jù)的緩存，通信效率很高。

3）MMS的ASN.1編解碼[5-8]

從開發(fā)的角度來說，由于ASN.1描述的清晰性和中立性，不僅使得人工編碼/解碼工作變得簡單，而且使得計(jì)算機(jī)自動編碼/解碼成為可能，但編碼/解碼的復(fù)雜度也大大的增加，同時A-Profile中的表示層、應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范都采用ASN.1編碼，使得通信編碼/解碼的效率大大降低。

4）應(yīng)用程序

應(yīng)用程序的處理，由于受限于編程語言及軟件工程師的編碼水平，應(yīng)用程序的效率有時不太高，特別IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得對象的定位架構(gòu)復(fù)雜化，同時也就使得有效信息獲取更加復(fù)雜化。

2.2“木桶效應(yīng)”分析

一個木桶無論有多高，它盛水的高度取決于其中最低的那塊木板。網(wǎng)絡(luò)通信中網(wǎng)卡、TCP/IP協(xié)議棧、MMS的ASN.1編解碼和應(yīng)用程序這4個環(huán)節(jié)是相互貫通的，但是這4個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理效率是不同的，所以整個網(wǎng)絡(luò)通信的效率也取決于數(shù)據(jù)處理效率最慢的一個環(huán)節(jié)。

MMS的ASN.1編解碼及應(yīng)用程序的效率是較低的，而網(wǎng)卡和協(xié)議棧的處理速度是非常高效的，這樣就會出現(xiàn)整個通信環(huán)節(jié)不匹配的現(xiàn)象，并且網(wǎng)卡有緩存區(qū)大小限制，所以現(xiàn)場一旦網(wǎng)卡的緩存區(qū)被占滿，就極易出現(xiàn)通信異常的現(xiàn)象。這種異常現(xiàn)象主要出現(xiàn)在大量網(wǎng)絡(luò)報文接收方，例如站控層的監(jiān)控后臺、遠(yuǎn)動裝置及保護(hù)信息子站等。特別是在一些老站改造項(xiàng)目中，僅是規(guī)約從103改造成61850，站控層設(shè)備沒有進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件升級，這樣在CPU性能相對低下的情況下，站控層通信的木桶效應(yīng)體現(xiàn)的更加明顯。

2.3變電站現(xiàn)場情況分析

上云變?yōu)閿?shù)字化變電站，間隔層設(shè)備僅有28臺裝置，且均為新型數(shù)字化設(shè)備，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)站控層的設(shè)備與間隔層設(shè)備經(jīng)常會有通信中斷的情況，結(jié)合現(xiàn)場的原始資料來分析一下問題。

1）現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)流量分析

圖4是現(xiàn)場站控層網(wǎng)絡(luò)的流量分析圖，由上圖可以計(jì)算出瞬時最大流量已經(jīng)達(dá)到96Mbit/s（即120000×8×100=96000000bit/s）?？梢?，站控層的網(wǎng)絡(luò)流量較大?？梢灶A(yù)計(jì)，更大規(guī)模的站，站控層報文的流量會更大。

圖4　現(xiàn)場站控層網(wǎng)絡(luò)流量分析圖

2）現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)報文分析

圖5是現(xiàn)場的實(shí)際報文，通過該報文中已經(jīng)出現(xiàn)若干TCP Zero window的現(xiàn)象，由此可以定論現(xiàn)場TCP報文交互的效率已經(jīng)遠(yuǎn)大于應(yīng)用層報文的處理效率，在網(wǎng)卡層造成了大量的接收緩存，一旦接收緩存被占滿就會出現(xiàn)通信中斷的現(xiàn)象，且此現(xiàn)象極易被誤理解為網(wǎng)卡硬件異?；蛘邊f(xié)議棧報文處理異常。

圖5　現(xiàn)場站控層網(wǎng)絡(luò)報文分析圖

3）現(xiàn)場網(wǎng)卡運(yùn)行情況分析

圖6是現(xiàn)場通過調(diào)試命令查看的網(wǎng)卡接收緩存情況，由圖可見此時網(wǎng)卡的接收緩存區(qū)已滿，由此可見由于MMS的ASN.1編解碼及應(yīng)用程序效率的低下，已經(jīng)造成網(wǎng)卡的接收緩存區(qū)滿，進(jìn)而有可能造成正常通信的TCP報文的丟失，特別是保活報文在網(wǎng)卡一層丟失，極易產(chǎn)生TCP的通信中斷，引起網(wǎng)卡異常的誤判。

圖6　現(xiàn)場網(wǎng)卡接收緩存區(qū)狀態(tài)

3　站控層通信解決方案及驗(yàn)證

3.1站控層通信解決方案

只有有效的平衡網(wǎng)卡、TCP/IP協(xié)議棧、MMS 的ASN.1編解碼和應(yīng)用程序這4個環(huán)節(jié)的處理效率，才能保證網(wǎng)卡的環(huán)形緩存區(qū)的正常工作，才能保證整個網(wǎng)絡(luò)通信的正常。針對此問題提出如下的綜合解決方案：

1）流量控制

TCP協(xié)議作為一個可靠的面向流的傳輸協(xié)議，其流量控制可有滑動窗口協(xié)議進(jìn)行保證。

所謂流量控制，主要是接收方傳遞信息給發(fā)送方，使其不要太快地發(fā)送數(shù)據(jù)，是1種端到端的控制，TCP返回的ACK中包換自己接受窗口的大小，可以利用接收窗口的大小來控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送。即接受方告訴發(fā)送方自己的緩沖區(qū)已滿，發(fā)送方就會停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段時間，直到接收方的緩沖區(qū)出現(xiàn)空間。通過合理設(shè)置TCP的Window Size參數(shù)來實(shí)現(xiàn)站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備的傳輸流量控制。特別是對于站控層設(shè)備，其接入的裝置數(shù)量較大（在一些高電壓等級、規(guī)模較大的變電站，間隔層的設(shè)備較多，而且一般均采用雙網(wǎng)的架構(gòu)，所以會使得站控層設(shè)備的TCP連接數(shù)達(dá)到大幾百個），對網(wǎng)卡接收緩存區(qū)壓力更大，所以更需要合理設(shè)置TCP的Window Size參數(shù)來實(shí)現(xiàn)站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備的傳輸流量控制。

2）擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量和交換節(jié)點(diǎn)中的緩存和處理機(jī)制都有工作極限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的需求超過它們的工作極限時，就會出現(xiàn)擁塞。擁塞控制就是防止過多的數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)中。

按照此思路，現(xiàn)場可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，進(jìn)行不同類型網(wǎng)絡(luò)報文分流，例如限制現(xiàn)場的大量廣播報文、對監(jiān)控后臺的大量組播同步報文進(jìn)行靜態(tài)組播管理等。

3）分級緩存

上一級數(shù)據(jù)處理的效率較快但是存儲空間有限，而下一級的處理效率較慢，可以通過在處理較慢的環(huán)節(jié)增加緩存機(jī)制來延緩上一級數(shù)據(jù)存儲空間的溢出。

MMS的ASN.1編解碼和應(yīng)用程序的處理效率較慢，可以通過在其內(nèi)部創(chuàng)建報文緩存空間，進(jìn)而有效的保證網(wǎng)卡的接收緩存空間的正常工作。

3.2解決方案的驗(yàn)證

上云變現(xiàn)場同時采用流量控制、擁塞控制和分級緩存的綜合解決方案。

1）現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)流量

圖7是現(xiàn)場實(shí)施綜合解決方案后站控層網(wǎng)絡(luò)流量的分析圖，由上圖可以計(jì)算出瞬時最大流量已經(jīng)下降到約32Mbit/s（即40000×8×100=32000000bit/s）。由此可見站控層的網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化效果明顯。

圖7　現(xiàn)場站控層網(wǎng)絡(luò)流量分析圖

2）現(xiàn)場網(wǎng)卡運(yùn)行情況分析

圖8是現(xiàn)場實(shí)施綜合解決方案后通過調(diào)試命令查看的網(wǎng)卡接收緩存區(qū)情況，由圖可見此時網(wǎng)卡的接收緩存區(qū)資源充足。

圖8　現(xiàn)場網(wǎng)卡接受緩存區(qū)狀態(tài)

3）現(xiàn)場站控層運(yùn)行情況分析

通過現(xiàn)場長時間的實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行并結(jié)合站控層網(wǎng)絡(luò)報文分析，可以確定已經(jīng)徹底解決現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信中斷的問題。

4　結(jié)論

變電站站控層采用IEC 61850協(xié)議通信后，由于間隔層設(shè)備數(shù)量的增加，設(shè)備功能的增加，以及設(shè)備模型最大化配置，使得站控層的通信報文量急劇增加，一旦整個通信架構(gòu)的通信流量極限和效率不匹配，就會出現(xiàn)站控層通信的“木桶效應(yīng)”，從而產(chǎn)生通信異常的現(xiàn)象。

采用流量控制、擁塞控制和分級緩存的綜合解決方案可以有效降低站控層的報文流量且能使得通信雙方更合理利用通信資源，最終保證站控層通信的穩(wěn)定。

隨著數(shù)字化變電站的普及，在此期間必然會遇到各種各樣的通信問題，特別是今后可能實(shí)施的多網(wǎng)合一[9]的應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性更是一個極大的考驗(yàn)，這需要我們進(jìn)一步的詳細(xì)分析數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)通信問題，并形成更優(yōu)化，更高效和更穩(wěn)定的通信實(shí)施方案。

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尤小明（1983-），男，湖北省襄陽市人，碩士，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)，遠(yuǎn)動通信，通信協(xié)議方面工作。

The “Cask Effect” Analysis of IEC 61850 Communication in the Station Control Layer

You XiaomingLiu Minghui
(NR Electric Co., Ltd, Nanjing211102)

Abstract In this paper, according to the abnormal phenomenon of IEC 61850 protocol communication in the station control layer of substation, by the minimizing model construction of IEC 61850 communication, combining original data in the Shang Yuan digital substation，such as TCP message and network flow in the station control layer of substation as well as network card state of the device, it analyzes the “Cask Effect” of IEC 61850 protocol communication in the station control layer of substation , and proposes the communication optimization scheme. By the more reasonable network traffic of the station control layer, the more efficient cooperation of the whole communication structure and the long-term stable running of the station control layer communication after implemented the communication optimization scheme, it verifies that this communication optimization scheme is correctness and effectiveness.

Keywords：IEC 61850; ASN.1; communication anomaly; station control layer; direct memory access (DMA)

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