基于IEC 61850的智能變電站通信異常分析

李啟本，許菲菲，俞 玲

(國網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產保護測控裝置，該變電站站控層采用IEC 61850協議通信，投運于2014年7月。于2020年1月出現部分遙信變位不上送調度的現象，在某倉10 kV開關保護動作后，調度僅收到保護動作記錄，未收到該故障倉位開關變位信號，而站內綜自后臺信號均無問題。其后類似的通信異常情況在該站不同倉位的保護動作及開關遙控操作時多次出現。

1 現象分析

1.1 SOE報文分析

在收到消缺任務后，可在現場利用該站的備用倉，反復進行故障模擬，開關變位等試驗，在排除了站控層網絡結構、通信配置及IP地址設置等錯誤可能性且備份現場裝置配置后，抓取裝置mms報文。

(1)開關位置為雙位置接點，合位為KI10，分位為KI11，定義為雙點7。遙信初始狀態為KI10為0，KI11為1，進行第1次開關變位，KI10的值變為1，KI11的值變為0，mms報文上送了第1次變位時KI10、KI11和對應雙點7的值。

(2)進行第2次開關變位，KI10的值變為0，KI11的值變為1，第二次變位的mms報文只上送了雙點7的遙信變位，未上送KI10和KI11的遙信變位。

通過分析裝置發出的mms報文，確認存在遙信變位報文未上送且EntryID不連續現象，而裝置本地記錄并未丟失，即保護板記錄正常，同時通信板上送記錄緩存也正常。

1.2 報告控制塊內存分析

BRCB報告控制塊信息存儲在通信程序全局鏈表中[1]，現場打印全局鏈表信息，得到現場客戶端后臺和遠動對應的緩沖區情況。

根據內存對比可知，每個控制塊的緩沖區最大為20 000，而遠動當前使用大小已超過20 000，即保護裝置給后臺上送報告對應的內存緩存區均正常，給遠動上送報告對應的內存緩存區溢出。

1.3 后臺遠動初始化流程分析

對比后臺和遠動的初始化流程，遠動和后臺初始化流程和報告控制塊寫使能過程大致相同，但遠動初始化流程會對PurgeBuf報告控制塊寫使能[2]。

后臺報告控制塊使能順序，以DL1005LD1/LLN0$BR$brcbDin01為例。

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

(2)后臺寫LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，FALSE，裝置返回寫成功；

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

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

(5)后臺寫LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，值為True，裝置返回成功。

遠動報告控制塊使能順序，以DL1005LD1/LLN0$BR$brcbDin01為例。

(1)遠動讀LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，裝置返回FALSE;

(2)遠動寫LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，FALSE，裝置返回寫成功；

(3)遠動寫LLN0$BR$brcbDin01$OptFlds，值為bit-string:7900，裝置返回成功；

(4)遠動寫LLN0$BR$brcbDin01$TrgOps，值為bit-string:64，裝置返回成功；

(5)遠動寫LLN0$BR$brcbDin03$PurgeBuf，值為:True，裝置回復成功；

(6)遠動寫LLN0$BR$brcbDin01$RptEna，值為True，裝置返回成功。

1.4 現象分析

綜合SOE報文分析、報告控制塊內存分析以及后臺遠動初始化流程分析，得到如下內容。

(1)裝置上送給后臺的mms報文的EntryID連續，但上送給遠動mms報文的EntryID不連續且存在跳變，導致遠動丟失部分遙信；

(2)對比通信程序的內存，裝置給后臺上送報告對應的內存區正常，但給遠動上送報告對應的內存區溢出；

(3)對比后臺和遠動初始化流程，發現遠動初始化流程會寫PurgeBuf報告控制塊，而后臺不會寫PurgeBuf報告控制塊。

通過分析總結可知，初步懷疑遠動初始化流程對PurgeBuf報告控制塊寫使能，導致裝置長時間運行后給遠動上送報告的內存區溢出，最終導致裝置給遠動上送SOE記錄的EntryID不連續，部分遙信不上送調度。

2 故障定位

2.1 軟件分析

2.1.1 Purgebuf介紹

根據IEC61850-7-2協議，對Purgebuf控制塊解釋如下：PurgeBuf屬性代表應丟棄緩沖事件的請求。

Purgebuf設置為TRUE，BRCB必須丟棄所有尚未發送給客戶端的緩沖事件，且丟棄緩沖事件后，該BRCB屬性應自動設置為FALSE[3]。

2.1.2 BRCB數據打包流程

現場通信程序正常報告打包緩沖區判斷流程如圖1所示。

當有新報告需打包上送時，程序先計算新報告占用空間大小，隨后判斷當前緩沖區空間是否足夠存儲當前報告，若足夠存儲則更新緩沖區計數cur_bufsize并將報告加入到發送隊列鏈表等待發送。反之當緩存區空間不足時，若已發送隊列不為空，則釋放已發送隊列占用的空間，繼續判斷可用的緩沖區是否滿足要求，若已發送緩沖區占用空間全部釋放仍然無法滿足要求，則判斷待發送隊列是否為空，不為空則釋放待發送隊列空間，此時釋放的待發送隊列報告丟失。若將待發送隊列及已發送隊列占用空間全部釋放，仍然無法滿足條件，則使用bufsize以外空間存儲保證最新報告順利發送。

結合裝置給遠動上送報告控制塊的內存可知，給遠動上送遙信Din的分配內存區大小為20 000，實際使用的內存大小為28 884，屬于使用定義緩沖區以外的空間保存報告的情況。

通過分析代碼流程數持續累加。裝置長時間運行產生大量報告后會導致緩存區計數溢出，超出分配的內存區大小，此時如果只是產生單個報告，使用分配的20 000以外的空間發送報告，報告發送成功后，當前緩沖區計數仍繼續累加；如果一次產生多個報告，分配的20 000以外的空間都無法處理這些報告時，將丟失部分未及時發送的報告，表現為現場部分遙信不上送調度。

2.2 故障重現

根據分析可知，使用現場備份，裝置上電初始化之后，客戶端對Purgebuf報告控制塊寫使能，按如下步驟進行試驗。

(1)裝置和IEC 61850客戶端建立連接后，頻繁做開關變位后，打印緩沖區情況；

(2)斷開網線一段時間，客戶端和裝置通信恢復后，打印報告緩沖區情況，發現發送計數清零，但緩沖區大小未清零，此時當前緩沖區計數已超過最大緩沖區限制；

(3)緩存區溢出后，再次進行開關變位，遠動出現報告丟失、緩沖區溢出。

2.3 修復程序驗證

客戶端與裝置中斷重連對PurgeBuf報告控制塊寫使能，只是將發送計數清零而緩存區大小未清零，導致后續進行連續變位時，裝置發送報告緩存區溢出。完善通信程序，客戶端中斷重連時若收到Purgebuf寫使能，將發送計數和緩存區大小同時清零，進行如下驗證試驗(改后程序產生大量變位內存)。

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

(2) 斷開網線一段時間，當客戶端和裝置通信恢復，打印報告緩沖區情況，發現發送計數清零，緩沖區大小同樣清零，發送計數為1，為客戶端上電寫總召的報告(緩存區正常清零)。

2.4 定位分析

根據現場異常現象及驗證試驗，發現遠動裝置和保護測控裝置建立通信連接時會對PurgeBuf報告控制塊寫使能，此時發送計數被清零，但清緩沖區大小未被清零。裝置長時間運行產生大量變位后導致緩存區溢出，同時處理多個報告時會出現報告丟失的情況。

IEC61850規范定義了PurgeBuf報告控制塊屬性，未明確規定客戶端初始化流程是否需要對PurgeBuf報告控制塊寫使能，為避免在切機或切網過程中出現漏發信號的問題，一般初始化流程均未對PurgeBuf報告控制塊寫使能，后臺也未對PurgeBuf報告控制塊寫使能，但遠動會對PurgeBuf報告控制塊寫使能。

3 結語

本次通信異常為遠動裝置初始化流程對PurgeBuf報告控制塊寫使能，裝置長時間運行產生大量變位導致緩存區溢出而漏發報告，后臺初始化流程不會對PurgeBuf報告控制塊寫使能，故現場后臺未出現報告丟失的情況。可通過修改通信程序優化IEC 61850報告控制塊使能機制，優化內存管理，從而消除缺陷，提高站控層通信穩定性。