馮正偉，汪銘峰，梁 慧，王 韜，黃浩林，吳建偉，計(jì)榮榮，吳米佳

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江 金華 321000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

0 引言

智能變電站的二次設(shè)備可分為三層兩網(wǎng)，三層為站控層、間隔層、過程層，兩網(wǎng)為站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)。三層設(shè)備之間通過兩層網(wǎng)絡(luò)完成信息集成與交互[1-2]。其中站控層與間隔層之間以MMS（制造報(bào)文規(guī)范）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，其運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性將直接影響運(yùn)維人員和調(diào)度人員對(duì)全站一二次設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制[3-6]。

本文以智能變電站中的MMS網(wǎng)絡(luò)通信理論為基礎(chǔ)，分析了一起典型的MMS網(wǎng)絡(luò)通信異常，并提出了相應(yīng)的處理方法，以期為類似案例提供借鑒參考。

1 智能變電站MMS網(wǎng)的通信機(jī)制

1.1 MMS的通信模型

智能變電站中站控層網(wǎng)絡(luò)的MMS通信采用客戶端/服務(wù)器模式（其模型如圖1所示）、ICP/IP傳輸機(jī)制。在智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，客戶端一般是指后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、保護(hù)信息子站等，服務(wù)器則主要指一個(gè)或幾個(gè)實(shí)際設(shè)備或子系統(tǒng)，例如保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、一體化電源系統(tǒng)等[7]。

圖1 MMS客戶端/服務(wù)器模型

在智能變電站各設(shè)備實(shí)際通信過程中，由于不同廠家的裝置可能運(yùn)行著不同的系統(tǒng)和程序，硬件結(jié)構(gòu)也可能千差萬別，甚至同一個(gè)廠家不同時(shí)期、不同型號(hào)的產(chǎn)品在軟硬件上也存在差異。所以要實(shí)現(xiàn)各裝置間的互操作，首先必須考慮各裝置之間通信內(nèi)容和通信方式的規(guī)范化。而MMS服務(wù)通過構(gòu)建虛擬設(shè)備的方法來達(dá)到隱藏各裝置技術(shù)細(xì)節(jié)的目的，虛擬設(shè)備由實(shí)際設(shè)備映射得到，它和裝置的具體細(xì)節(jié)無關(guān)，具體通信時(shí)信息交互在客戶端和虛擬設(shè)備之間進(jìn)行。這樣就屏蔽了各裝置的技術(shù)細(xì)節(jié)，客戶端就可以和不同廠家、不同型號(hào)的多種裝置進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備之間的良好互操作性[8-9]。

1.2 MMS的通信流程

MMS服務(wù)按通信流程的不同可分為帶確認(rèn)的MMS服務(wù)和不帶確認(rèn)的MMS服務(wù)。其中，帶確認(rèn)的MMS服務(wù)由客戶端發(fā)起，并需要服務(wù)器最終返回確認(rèn)信息，其在客戶端和服務(wù)器之間的通信流程可以分為以下5個(gè)步驟[10]：

（1）客戶端發(fā)出一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求（Request）。

（2）服務(wù)器收到該服務(wù)的指示（Indication）。

（3）服務(wù)器執(zhí)行必要的操作。

（4）若操作成功，服務(wù)器發(fā)送肯定響應(yīng)（Response+），不成功則發(fā)送否定響應(yīng)（Response-）。

（5）客戶端收到服務(wù)器返回的確認(rèn)信息（Confirm）。

在智能變電站中，例如運(yùn)行人員在后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)上的拉合開關(guān)、投退壓板等遙控操作均屬于典型的帶確認(rèn)的MMS服務(wù)，如圖2所示。

不帶確認(rèn)的MMS服務(wù)則不需要客戶端發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，而是由服務(wù)器每隔一定時(shí)間自動(dòng)向客戶端上送。在智能變電站中，測(cè)控裝置每隔一定時(shí)間就向后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)上送所采集的電壓、電流值，其所采用的MMS的報(bào)告服務(wù)就是典型的不帶確認(rèn)的MMS服務(wù)[4]，具體通信流程如圖3所示。

1.3 MMS的Report

圖2 帶確認(rèn)的MMS服務(wù)通信流程

圖3 不帶確認(rèn)的MMS服務(wù)通信流程

智能變電站中MMS服務(wù)的種類較多，例如報(bào)告服務(wù)、遠(yuǎn)方控制、定值服務(wù)和文件服務(wù)等。其中，報(bào)告服務(wù)主要用于上送變電站中保護(hù)、測(cè)控等IED（智能電子設(shè)備）的遙測(cè)值、開入量、保護(hù)動(dòng)作、告警信號(hào)等，在MMS通信中映射到Information Report服務(wù)。MMS報(bào)告服務(wù)又可分為緩存報(bào)告服務(wù)和非緩存報(bào)告服務(wù)2種類型，如圖4所示。

圖4 緩存報(bào)告和無緩存報(bào)告的區(qū)別

緩存報(bào)告服務(wù)要求保護(hù)、測(cè)控等IED在內(nèi)存中緩存報(bào)告內(nèi)容，如果通信中斷期間發(fā)生了事件，在通信恢復(fù)后此類事件報(bào)文應(yīng)能上送不丟失，例如開入量、保護(hù)動(dòng)作事件、告警信號(hào)、SOE（事件順序記錄）等遙信類數(shù)據(jù)一般通過緩存報(bào)告服務(wù)來上送。而非緩存報(bào)告服務(wù)不要求IED緩存，通信中斷期間的數(shù)據(jù)可能丟失，例如遙測(cè)類數(shù)據(jù)一般通過無緩存報(bào)告服務(wù)來上送。

在MMS報(bào)告服務(wù)中，EntryID（入口標(biāo)識(shí)）和緩存溢出2個(gè)選項(xiàng)是緩存報(bào)告服務(wù)所特有的，而這2個(gè)選項(xiàng)在無緩存報(bào)告中則毫無意義。其中，EntryID又稱為條目標(biāo)識(shí)，即為MMS緩存報(bào)告報(bào)文的順序號(hào)。在同一個(gè)IED中，每一條BRCB（緩存報(bào)告控制塊）報(bào)文均有唯一的EntryID，任意2條BRCB報(bào)文的EntryID均不重復(fù)。

當(dāng)運(yùn)行中的保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等服務(wù)器與客戶端（后臺(tái)監(jiān)控或遠(yuǎn)動(dòng)裝置）通信異常而失去網(wǎng)絡(luò)連接后，客戶端將無法收到即時(shí)報(bào)文；當(dāng)通信恢復(fù)正常后，客戶端通過MMS報(bào)告服務(wù)將收到的上一幀報(bào)文的EntryID告知保護(hù)裝置、測(cè)控裝置，然后保護(hù)裝置、測(cè)控裝置將按EntryID檢索緩存區(qū)內(nèi)BRCB的報(bào)文，按照“EntryID+1”確定下一條報(bào)文的順序號(hào)并將其發(fā)出。原則上客戶端在使能BRCB時(shí)，應(yīng)該為EntryID賦一個(gè)初始值。

2 MMS通信異常案例分析

2.1 異常案例概述

浙江電網(wǎng)某500 kV智能變電站的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)采用國內(nèi)某主流廠家的系統(tǒng)，站內(nèi)遠(yuǎn)動(dòng)裝置采用該廠家的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，間隔層設(shè)備亦為該廠家產(chǎn)品。站控層的監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置等客戶端均通過MMS網(wǎng)絡(luò)（A網(wǎng)、B網(wǎng)）與間隔層的保護(hù)、測(cè)控等服務(wù)器進(jìn)行通信和信息交互，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

自變電站投運(yùn)以來，測(cè)控裝置與監(jiān)控后臺(tái)主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置之間多次發(fā)生通信異常，導(dǎo)致變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)重刷歷史報(bào)文信號(hào)的問題；同時(shí)遠(yuǎn)動(dòng)裝置也多次將部分歷史報(bào)文信號(hào)重新上送遠(yuǎn)端調(diào)度監(jiān)控中心D5000系統(tǒng)，造成遠(yuǎn)端調(diào)度監(jiān)控D5000系統(tǒng)重刷部分歷史信號(hào)，嚴(yán)重影響了調(diào)度監(jiān)控中心的正常監(jiān)視和運(yùn)行。

2.2 網(wǎng)絡(luò)抓包分析

因該自動(dòng)化系統(tǒng)通信異常缺陷具有偶發(fā)性和隨機(jī)性特征，系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中不易獲取異常發(fā)生的全過程，只能通過現(xiàn)場(chǎng)變電站的網(wǎng)絡(luò)分析儀抓取測(cè)控裝置與監(jiān)控后臺(tái)以及遠(yuǎn)動(dòng)裝置的通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行離線分析。

2.2.1 MMS通信的正常傳輸機(jī)制

正常情況下，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置等客戶端與保護(hù)、測(cè)控等服務(wù)器通信中斷后重新連接時(shí)，客戶端會(huì)向服務(wù)器寫入收到的最后一幀MMS報(bào)文的EntryID，服務(wù)器在收到客戶端下發(fā)的EntryID后會(huì)進(jìn)行比較：若寫入值比裝置自身存儲(chǔ)值小，則會(huì)進(jìn)行緩存歷史報(bào)告上送；若寫入值與裝置自身存儲(chǔ)值相同，則不會(huì)進(jìn)行緩存歷史報(bào)告上送。此邏輯如圖6所示：在服務(wù)器與客戶端恢復(fù)連接時(shí)，如果向服務(wù)器寫入的EntryID小于裝置自身存儲(chǔ)的EntryID，服務(wù)器首先會(huì)將該客戶端對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag（）標(biāo)志置為True，并啟動(dòng)歷史報(bào)告上送任務(wù)，上送完畢后，客戶端與裝置自身的EntryID得到同步，裝置將該客戶端對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志清零。

圖6 正常情況下緩存報(bào)告上送邏輯示意

圖7為測(cè)控裝置具體的歷史報(bào)告上送流程。裝置根據(jù)寫入的EntryID與其自身存儲(chǔ)的EntryID差值進(jìn)行具體的報(bào)告上送，在獲取了報(bào)告內(nèi)容后，裝置會(huì)獲取所有客戶端對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志，若發(fā)現(xiàn)WR_entryID_flag標(biāo)志為True，就會(huì)向該客戶端進(jìn)行報(bào)告上送，在報(bào)告上送結(jié)束后，客戶端與裝置自身的EntryID一致，裝置將該客戶端對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志置為False。

圖7 緩存歷史報(bào)告上送流程

2.2.2 實(shí)際存在的問題

在測(cè)控裝置實(shí)際運(yùn)行的IEC 61850程序收到監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置等客戶端下發(fā)的EntryID后，存在一個(gè)不正確的邏輯判斷。即當(dāng)滿足“客戶端下發(fā)EntryID≤裝置自身存儲(chǔ)的EntryID”條件時(shí)，測(cè)控裝置的程序就會(huì)將該客戶端對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志置為True，而正確的邏輯應(yīng)當(dāng)是只有“客戶端下發(fā)EntryID＜裝置自身存儲(chǔ)的EntryID”才能將相應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志置為True，如圖8所示。

圖8 錯(cuò)誤的報(bào)告上送邏輯示意

因此，按照上述錯(cuò)誤的邏輯條件設(shè)置后，如果監(jiān)控后臺(tái)或遠(yuǎn)動(dòng)裝置下發(fā)的EntryID與測(cè)控裝置本身的EntryID相等時(shí)，測(cè)控裝置就會(huì)錯(cuò)誤地將該遠(yuǎn)動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志置為True，雖然這個(gè)操作不會(huì)導(dǎo)致立刻就重復(fù)上送歷史報(bào)告，但是誤將測(cè)控裝置內(nèi)WR_entryID_flag標(biāo)志置為True，卻給之后的運(yùn)行帶來了隱患。

例如，某測(cè)控裝置誤將一臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)裝置客戶端的WR_entryID_flag置為True以后，當(dāng)監(jiān)控后臺(tái)等其他客戶端對(duì)該測(cè)控裝置進(jìn)行歷史報(bào)告上召時(shí)，將會(huì)引發(fā)測(cè)控裝置將歷史報(bào)文上送遠(yuǎn)動(dòng)裝置，從而造成該遠(yuǎn)動(dòng)裝置向遠(yuǎn)方調(diào)度監(jiān)控中心誤送歷史報(bào)告的問題。

如果監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行值班機(jī)切機(jī)操作時(shí)，由于來不及處理測(cè)控裝置上送的某幾幀報(bào)文，當(dāng)后臺(tái)主機(jī)恢復(fù)運(yùn)行并與測(cè)控裝置進(jìn)行重連操作后，可能向測(cè)控裝置寫入較小的EntryID，使得測(cè)控裝置將監(jiān)控后臺(tái)客戶端對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志置為True，接著測(cè)控裝置會(huì)向監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行歷史報(bào)告上送。而在具體的歷史報(bào)告上送執(zhí)行過程中，測(cè)控裝置實(shí)際上會(huì)向所有WR_entryID_flag標(biāo)志為True的客戶端都發(fā)送歷史報(bào)告。根據(jù)之前所述，對(duì)于曾經(jīng)發(fā)生過寫入EntryID與裝置EntryID一致的遠(yuǎn)動(dòng)裝置來說，其對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志已經(jīng)為True，于是遠(yuǎn)動(dòng)裝置也會(huì)收到測(cè)控裝置誤送出來的歷史報(bào)告。不正確的歷史報(bào)告上送流程如圖9所示。

而此次歷史報(bào)告上送完畢后，監(jiān)控后臺(tái)與測(cè)控裝置之前的EntryID得到同步，WR_entryID_flag標(biāo)志被清除。而對(duì)于遠(yuǎn)動(dòng)裝置來說，其自身的EntryID隨收到的歷史報(bào)告繼續(xù)累加，測(cè)控裝置本身記錄遠(yuǎn)動(dòng)裝置的EntryID卻保持不變，二者無法實(shí)現(xiàn)同步，遠(yuǎn)動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志也無法被清除，繼續(xù)維持為True。于是在之后的運(yùn)行過程中，一旦出現(xiàn)監(jiān)控后臺(tái)重新上召歷史報(bào)告，由于遠(yuǎn)動(dòng)裝置對(duì)應(yīng)的WR_entryID_flag標(biāo)志未被有效清除，將會(huì)一直伴隨收到多余的歷史報(bào)告。

圖9 不正確的歷史報(bào)告上送流程

3 解決的措施

3.1 仿真模擬實(shí)驗(yàn)

通過搭建如圖10所示的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)后臺(tái)進(jìn)行切機(jī)操作，總結(jié)出現(xiàn)場(chǎng)誤送報(bào)告現(xiàn)象出現(xiàn)的規(guī)律：

（1）在監(jiān)控后臺(tái)將測(cè)控裝置的BRCB周期設(shè)置為90 s（實(shí)際由于負(fù)載原因，裝置上送的報(bào)告周期略大于90 s），在第一次周期報(bào)告上送完畢，下一次周期即將到達(dá)時(shí)，將后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)切換為離線。

（2）后臺(tái)主機(jī)響應(yīng)命令進(jìn)入離線狀態(tài)需要消耗大約6 s的時(shí)間，裝置新送出來的周期性報(bào)告已經(jīng)上送到后臺(tái)主機(jī)的協(xié)議棧，但由于監(jiān)控后臺(tái)響應(yīng)了主機(jī)的切換操作，此次的周期報(bào)告實(shí)際并沒有處理入庫，因此造成了測(cè)控裝置的EntryID比后臺(tái)主機(jī)的EntryID大1（1個(gè)BRCB差1，整個(gè)裝置有多個(gè)BRCB）。

圖10 模擬仿真平臺(tái)

（3）將處于離線狀態(tài)的后臺(tái)主機(jī)切換為值班機(jī)，后臺(tái)主機(jī)會(huì)與測(cè)控裝置進(jìn)行MMS通信初始化，在此期間后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)向測(cè)控裝置下發(fā)后臺(tái)入庫報(bào)告的EntryID，其值比測(cè)控裝置所存儲(chǔ)的EntryID小1，因此測(cè)控裝置需要向后臺(tái)上送1個(gè)歷史報(bào)告（對(duì)于多個(gè)BRCB來說，可能有多個(gè)）。

（4）最后將遠(yuǎn)動(dòng)裝置上電，在遠(yuǎn)動(dòng)裝置上電后第一次與測(cè)控裝置連接時(shí)，向測(cè)控裝置寫入EntryID為0，與裝置內(nèi)存儲(chǔ)的EntryID值相同，使得裝置內(nèi)部的WR_entryID_flag標(biāo)志被誤置為True，于是在測(cè)控裝置向監(jiān)控后臺(tái)上送歷史報(bào)告的同時(shí)，也向遠(yuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行了錯(cuò)誤的上送。且這個(gè)標(biāo)志不會(huì)清除，只要后臺(tái)進(jìn)行上述步驟中的操作，遠(yuǎn)動(dòng)裝置都會(huì)伴隨收到歷史報(bào)告。

3.2 測(cè)控裝置通信程序改進(jìn)

通過對(duì)某500 kV智能變電站內(nèi)測(cè)控裝置重刷歷史報(bào)告的異常缺陷進(jìn)行分析，可以看出必須對(duì)該類型測(cè)控裝置的通信程序進(jìn)行修改升級(jí)，具體修改內(nèi)容為：

（1）修改通信程序中WR_entryID_flag產(chǎn)生的條件，正確的條件應(yīng)為“客戶端下發(fā)EntryID＜裝置自身存儲(chǔ)的EntryID”。

（2）優(yōu)化測(cè)控裝置的遙信歷史事件重傳機(jī)制，當(dāng)某一客戶端與測(cè)控裝置進(jìn)行重連操作時(shí)，使能測(cè)控裝置BRCB進(jìn)行歷史報(bào)告上送，此時(shí)應(yīng)取消對(duì)其他WR_entryID_flag為True的客戶端的重傳機(jī)制。

3.3 測(cè)控裝置程序升級(jí)中需注意的問題

由于該500 kV智能變電站為在網(wǎng)運(yùn)行變電站，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置軟件升級(jí)時(shí)，一次設(shè)備不能停運(yùn)，應(yīng)在做好相關(guān)二次設(shè)備回路的安全隔離措施后，防止出現(xiàn)閉鎖運(yùn)行設(shè)備的情況，并按照退出一個(gè)升級(jí)一個(gè)的原則進(jìn)行。同時(shí)測(cè)控、低壓保護(hù)測(cè)控一體等單配裝置退出運(yùn)行時(shí)，需向各級(jí)調(diào)度、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控申請(qǐng)退出“四遙”監(jiān)視及保護(hù)功能。測(cè)控裝置通信程序升級(jí)時(shí)，應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行操作：

（1）退出測(cè)控裝置的所有SV接收軟壓板，GOOSE發(fā)送、接收軟壓板。

（2）投入測(cè)控裝置的檢修硬壓板。

（3）檢查并確認(rèn)因測(cè)控裝置檢修硬壓板投入而引起的其他運(yùn)行設(shè)備告警信號(hào)。

（4）上裝測(cè)控裝置的過程層GOOSE及站控層CID、定值等工程級(jí)配置文件。

（5）升級(jí)測(cè)控裝置程序，并恢復(fù)備份的工程級(jí)配置，裝置運(yùn)行正常后，核對(duì)軟件版本及定值。

（6）升級(jí)完畢后，投入測(cè)控裝置的所有SV和GOOSE接收軟壓板，檢查測(cè)控裝置的接收鏈路關(guān)系是否正常，若正常，則進(jìn)行下一步。

（7）通過通信傳動(dòng)功能與監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置核對(duì)信號(hào)。

（8）退出測(cè)控裝置的檢修硬壓板。

（9）投入測(cè)控裝置的所有GOOSE發(fā)送軟壓板，檢查其他運(yùn)行設(shè)備相關(guān)鏈路、信號(hào)狀態(tài)正常后，恢復(fù)所有裝置運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著我國電網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能變電站技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，變電站內(nèi)站域信息資源的共享互通將成為智能變電站高級(jí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。MMS網(wǎng)作為站控網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)，其通信的可靠性、穩(wěn)定性將直接影響電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)、監(jiān)視控制、倒閘操作等。

本文從MMS網(wǎng)絡(luò)的通信模型和基本原理出發(fā)，深入分析了一起典型的智能變電站MMS網(wǎng)絡(luò)通信異常案例，并提出了相應(yīng)的解決處理方法以及實(shí)際工作中需要注意的問題，為智能變電站MMS網(wǎng)絡(luò)日常維護(hù)和故障處理提供了參考與建議。