馮正偉，汪銘峰，梁 慧，王 韜，黃浩林，吳建偉，計榮榮，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、過程層網(wǎng)絡。三層設備之間通過兩層網(wǎng)絡完成信息集成與交互[1-2]。其中站控層與間隔層之間以MMS（制造報文規(guī)范）網(wǎng)絡進行實時通信，實現(xiàn)站控層設備與間隔層設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，其運行的穩(wěn)定性、可靠性將直接影響運維人員和調(diào)度人員對全站一二次設備的實時監(jiān)視與控制[3-6]。

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

1 智能變電站MMS網(wǎng)的通信機制

1.1 MMS的通信模型

智能變電站中站控層網(wǎng)絡的MMS通信采用客戶端/服務器模式（其模型如圖1所示）、ICP/IP傳輸機制。在智能變電站自動化系統(tǒng)中，客戶端一般是指后臺監(jiān)控主機、遠動裝置、保護信息子站等，服務器則主要指一個或幾個實際設備或子系統(tǒng)，例如保護裝置、測控裝置、一體化電源系統(tǒng)等[7]。

圖1 MMS客戶端/服務器模型

在智能變電站各設備實際通信過程中，由于不同廠家的裝置可能運行著不同的系統(tǒng)和程序，硬件結(jié)構(gòu)也可能千差萬別，甚至同一個廠家不同時期、不同型號的產(chǎn)品在軟硬件上也存在差異。所以要實現(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服務通過構(gòu)建虛擬設備的方法來達到隱藏各裝置技術(shù)細節(jié)的目的，虛擬設備由實際設備映射得到，它和裝置的具體細節(jié)無關(guān)，具體通信時信息交互在客戶端和虛擬設備之間進行。這樣就屏蔽了各裝置的技術(shù)細節(jié)，客戶端就可以和不同廠家、不同型號的多種裝置進行通信，實現(xiàn)了各設備之間的良好互操作性[8-9]。

1.2 MMS的通信流程

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

（1）客戶端發(fā)出一個服務請求（Request）。

（2）服務器收到該服務的指示（Indication）。

（3）服務器執(zhí)行必要的操作。

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

（5）客戶端收到服務器返回的確認信息（Confirm）。

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

不帶確認的MMS服務則不需要客戶端發(fā)出服務請求，而是由服務器每隔一定時間自動向客戶端上送。在智能變電站中，測控裝置每隔一定時間就向后臺監(jiān)控主機上送所采集的電壓、電流值，其所采用的MMS的報告服務就是典型的不帶確認的MMS服務[4]，具體通信流程如圖3所示。

1.3 MMS的Report

圖2 帶確認的MMS服務通信流程

圖3 不帶確認的MMS服務通信流程

智能變電站中MMS服務的種類較多，例如報告服務、遠方控制、定值服務和文件服務等。其中，報告服務主要用于上送變電站中保護、測控等IED（智能電子設備）的遙測值、開入量、保護動作、告警信號等，在MMS通信中映射到Information Report服務。MMS報告服務又可分為緩存報告服務和非緩存報告服務2種類型，如圖4所示。

圖4 緩存報告和無緩存報告的區(qū)別

緩存報告服務要求保護、測控等IED在內(nèi)存中緩存報告內(nèi)容，如果通信中斷期間發(fā)生了事件，在通信恢復后此類事件報文應能上送不丟失，例如開入量、保護動作事件、告警信號、SOE（事件順序記錄）等遙信類數(shù)據(jù)一般通過緩存報告服務來上送。而非緩存報告服務不要求IED緩存，通信中斷期間的數(shù)據(jù)可能丟失，例如遙測類數(shù)據(jù)一般通過無緩存報告服務來上送。

在MMS報告服務中，EntryID（入口標識）和緩存溢出2個選項是緩存報告服務所特有的，而這2個選項在無緩存報告中則毫無意義。其中，EntryID又稱為條目標識，即為MMS緩存報告報文的順序號。在同一個IED中，每一條BRCB（緩存報告控制塊）報文均有唯一的EntryID，任意2條BRCB報文的EntryID均不重復。

當運行中的保護裝置、測控裝置等服務器與客戶端（后臺監(jiān)控或遠動裝置）通信異常而失去網(wǎng)絡連接后，客戶端將無法收到即時報文；當通信恢復正常后，客戶端通過MMS報告服務將收到的上一幀報文的EntryID告知保護裝置、測控裝置，然后保護裝置、測控裝置將按EntryID檢索緩存區(qū)內(nèi)BRCB的報文，按照“EntryID+1”確定下一條報文的順序號并將其發(fā)出。原則上客戶端在使能BRCB時，應該為EntryID賦一個初始值。

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智能變電站的后臺監(jiān)控系統(tǒng)采用國內(nèi)某主流廠家的系統(tǒng)，站內(nèi)遠動裝置采用該廠家的遠動系統(tǒng)，間隔層設備亦為該廠家產(chǎn)品。站控層的監(jiān)控主機、遠動裝置等客戶端均通過MMS網(wǎng)絡（A網(wǎng)、B網(wǎng)）與間隔層的保護、測控等服務器進行通信和信息交互，通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能變電站通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

自變電站投運以來，測控裝置與監(jiān)控后臺主機、遠動裝置之間多次發(fā)生通信異常，導致變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)重刷歷史報文信號的問題；同時遠動裝置也多次將部分歷史報文信號重新上送遠端調(diào)度監(jiān)控中心D5000系統(tǒng)，造成遠端調(diào)度監(jiān)控D5000系統(tǒng)重刷部分歷史信號，嚴重影響了調(diào)度監(jiān)控中心的正常監(jiān)視和運行。

2.2 網(wǎng)絡抓包分析

因該自動化系統(tǒng)通信異常缺陷具有偶發(fā)性和隨機性特征，系統(tǒng)正常運行過程中不易獲取異常發(fā)生的全過程，只能通過現(xiàn)場變電站的網(wǎng)絡分析儀抓取測控裝置與監(jiān)控后臺以及遠動裝置的通信數(shù)據(jù)包進行離線分析。

2.2.1 MMS通信的正常傳輸機制

正常情況下，當監(jiān)控系統(tǒng)、遠動裝置等客戶端與保護、測控等服務器通信中斷后重新連接時，客戶端會向服務器寫入收到的最后一幀MMS報文的EntryID，服務器在收到客戶端下發(fā)的EntryID后會進行比較：若寫入值比裝置自身存儲值小，則會進行緩存歷史報告上送；若寫入值與裝置自身存儲值相同，則不會進行緩存歷史報告上送。此邏輯如圖6所示：在服務器與客戶端恢復連接時，如果向服務器寫入的EntryID小于裝置自身存儲的EntryID，服務器首先會將該客戶端對應的WR_entryID_flag（）標志置為True，并啟動歷史報告上送任務，上送完畢后，客戶端與裝置自身的EntryID得到同步，裝置將該客戶端對應的WR_entryID_flag標志清零。

圖6 正常情況下緩存報告上送邏輯示意

圖7為測控裝置具體的歷史報告上送流程。裝置根據(jù)寫入的EntryID與其自身存儲的EntryID差值進行具體的報告上送，在獲取了報告內(nèi)容后，裝置會獲取所有客戶端對應的WR_entryID_flag標志，若發(fā)現(xiàn)WR_entryID_flag標志為True，就會向該客戶端進行報告上送，在報告上送結(jié)束后，客戶端與裝置自身的EntryID一致，裝置將該客戶端對應的WR_entryID_flag標志置為False。

圖7 緩存歷史報告上送流程

2.2.2 實際存在的問題

在測控裝置實際運行的IEC 61850程序收到監(jiān)控主機、遠動裝置等客戶端下發(fā)的EntryID后，存在一個不正確的邏輯判斷。即當滿足“客戶端下發(fā)EntryID≤裝置自身存儲的EntryID”條件時，測控裝置的程序就會將該客戶端對應的WR_entryID_flag標志置為True，而正確的邏輯應當是只有“客戶端下發(fā)EntryID＜裝置自身存儲的EntryID”才能將相應的WR_entryID_flag標志置為True，如圖8所示。

圖8 錯誤的報告上送邏輯示意

因此，按照上述錯誤的邏輯條件設置后，如果監(jiān)控后臺或遠動裝置下發(fā)的EntryID與測控裝置本身的EntryID相等時，測控裝置就會錯誤地將該遠動裝置對應的WR_entryID_flag標志置為True，雖然這個操作不會導致立刻就重復上送歷史報告，但是誤將測控裝置內(nèi)WR_entryID_flag標志置為True，卻給之后的運行帶來了隱患。

例如，某測控裝置誤將一臺遠動裝置客戶端的WR_entryID_flag置為True以后，當監(jiān)控后臺等其他客戶端對該測控裝置進行歷史報告上召時，將會引發(fā)測控裝置將歷史報文上送遠動裝置，從而造成該遠動裝置向遠方調(diào)度監(jiān)控中心誤送歷史報告的問題。

如果監(jiān)控后臺進行值班機切機操作時，由于來不及處理測控裝置上送的某幾幀報文，當后臺主機恢復運行并與測控裝置進行重連操作后，可能向測控裝置寫入較小的EntryID，使得測控裝置將監(jiān)控后臺客戶端對應的WR_entryID_flag標志置為True，接著測控裝置會向監(jiān)控后臺進行歷史報告上送。而在具體的歷史報告上送執(zhí)行過程中，測控裝置實際上會向所有WR_entryID_flag標志為True的客戶端都發(fā)送歷史報告。根據(jù)之前所述，對于曾經(jīng)發(fā)生過寫入EntryID與裝置EntryID一致的遠動裝置來說，其對應的WR_entryID_flag標志已經(jīng)為True，于是遠動裝置也會收到測控裝置誤送出來的歷史報告。不正確的歷史報告上送流程如圖9所示。

而此次歷史報告上送完畢后，監(jiān)控后臺與測控裝置之前的EntryID得到同步，WR_entryID_flag標志被清除。而對于遠動裝置來說，其自身的EntryID隨收到的歷史報告繼續(xù)累加，測控裝置本身記錄遠動裝置的EntryID卻保持不變，二者無法實現(xiàn)同步，遠動裝置對應的WR_entryID_flag標志也無法被清除，繼續(xù)維持為True。于是在之后的運行過程中，一旦出現(xiàn)監(jiān)控后臺重新上召歷史報告，由于遠動裝置對應的WR_entryID_flag標志未被有效清除，將會一直伴隨收到多余的歷史報告。

圖9 不正確的歷史報告上送流程

3 解決的措施

3.1 仿真模擬實驗

通過搭建如圖10所示的模擬實驗環(huán)境，對后臺進行切機操作，總結(jié)出現(xiàn)場誤送報告現(xiàn)象出現(xiàn)的規(guī)律：

（1）在監(jiān)控后臺將測控裝置的BRCB周期設置為90 s（實際由于負載原因，裝置上送的報告周期略大于90 s），在第一次周期報告上送完畢，下一次周期即將到達時，將后臺監(jiān)控主機切換為離線。

（2）后臺主機響應命令進入離線狀態(tài)需要消耗大約6 s的時間，裝置新送出來的周期性報告已經(jīng)上送到后臺主機的協(xié)議棧，但由于監(jiān)控后臺響應了主機的切換操作，此次的周期報告實際并沒有處理入庫，因此造成了測控裝置的EntryID比后臺主機的EntryID大1（1個BRCB差1，整個裝置有多個BRCB）。

圖10 模擬仿真平臺

（3）將處于離線狀態(tài)的后臺主機切換為值班機，后臺主機會與測控裝置進行MMS通信初始化，在此期間后臺監(jiān)控主機向測控裝置下發(fā)后臺入庫報告的EntryID，其值比測控裝置所存儲的EntryID小1，因此測控裝置需要向后臺上送1個歷史報告（對于多個BRCB來說，可能有多個）。

（4）最后將遠動裝置上電，在遠動裝置上電后第一次與測控裝置連接時，向測控裝置寫入EntryID為0，與裝置內(nèi)存儲的EntryID值相同，使得裝置內(nèi)部的WR_entryID_flag標志被誤置為True，于是在測控裝置向監(jiān)控后臺上送歷史報告的同時，也向遠動裝置進行了錯誤的上送。且這個標志不會清除，只要后臺進行上述步驟中的操作，遠動裝置都會伴隨收到歷史報告。

3.2 測控裝置通信程序改進

通過對某500 kV智能變電站內(nèi)測控裝置重刷歷史報告的異常缺陷進行分析，可以看出必須對該類型測控裝置的通信程序進行修改升級，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，正確的條件應為“客戶端下發(fā)EntryID＜裝置自身存儲的EntryID”。

（2）優(yōu)化測控裝置的遙信歷史事件重傳機制，當某一客戶端與測控裝置進行重連操作時，使能測控裝置BRCB進行歷史報告上送，此時應取消對其他WR_entryID_flag為True的客戶端的重傳機制。

3.3 測控裝置程序升級中需注意的問題

由于該500 kV智能變電站為在網(wǎng)運行變電站，現(xiàn)場測控裝置軟件升級時，一次設備不能停運，應在做好相關(guān)二次設備回路的安全隔離措施后，防止出現(xiàn)閉鎖運行設備的情況，并按照退出一個升級一個的原則進行。同時測控、低壓保護測控一體等單配裝置退出運行時，需向各級調(diào)度、當?shù)乇O(jiān)控申請退出“四遙”監(jiān)視及保護功能。測控裝置通信程序升級時，應按照以下步驟進行操作：

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

（2）投入測控裝置的檢修硬壓板。

（3）檢查并確認因測控裝置檢修硬壓板投入而引起的其他運行設備告警信號。

（4）上裝測控裝置的過程層GOOSE及站控層CID、定值等工程級配置文件。

（5）升級測控裝置程序，并恢復備份的工程級配置，裝置運行正常后，核對軟件版本及定值。

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

（7）通過通信傳動功能與監(jiān)控后臺、遠動裝置核對信號。

（8）退出測控裝置的檢修硬壓板。

（9）投入測控裝置的所有GOOSE發(fā)送軟壓板，檢查其他運行設備相關(guān)鏈路、信號狀態(tài)正常后，恢復所有裝置運行。

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應用的基礎。MMS網(wǎng)作為站控網(wǎng)絡的通信基礎，其通信的可靠性、穩(wěn)定性將直接影響電網(wǎng)的運行維護、監(jiān)視控制、倒閘操作等。

本文從MMS網(wǎng)絡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)絡通信異常案例，并提出了相應的解決處理方法以及實際工作中需要注意的問題，為智能變電站MMS網(wǎng)絡日常維護和故障處理提供了參考與建議。