数据通信网关机的双机切换数据同步方法

方 伟，慕宗君，杨红培，马国强，郑运召

（1.许继电气技术中心，河南 许昌461000；2.许昌电气职业学院 信息工程系，河南 许昌461000）

0 引 言

数据通信网关机 （以下简称网关机）［1］在智能变电站中均为双机冗余配置，运行中必然存在双机切换过程。双机切换过程中，若无数据同步功能或数据同步功能不完善，则目标主机易将原主机已发送过的遥信数据在双机切换后再次发送，引起遥信重发现象；也易将双机切换过程中发生的遥信事件漏发，引起遥信漏发现象。遥信的重发会加重主站维护使用的复杂度以及实时数据库读写负载，影响遥信数据的时效性；遥信的漏发则会导致主站系统监视的状态与实际运行设备状态不一致。两者均易引起运维人员对智能变电站当前运行状态的误判，而极大地影响电力系统的安全稳定运行。

针对双机切换过程的遥信重发漏发问题，文献 ［2］提出了一种基于时间序列的同步信息时间窗的双机数据同步方法。该方法要求两台网关机时间必须具备一致性，虽然可以高效地将同步数据的接收时刻以前的其它数据从缓存中一次性删除，但该方法采用了基于接收时间的模糊识别技术，因此有一定局限性，不能应用于双机时间不一致的同步过程，也不能解决先动作却后发送的多个遥信数据相继发生的同步过程。

本文提出了一种基于逐点同步机制的双机切换数据同步方法。该方法采用遥信索引、动作值和动作时间等3个遥信属性作为遥信数据的唯一性标识，应用IEC61850／IEC104通信中断的防漏重发机制，通过基于UDP 专网的同步数据传输协议，将已发送成功的遥信数据作为同步数据逐点传输给对机，对机接收同步数据后清除缓存中相同的遥信数据。实现了双机切换过程中遥信数据尽可能避免重发、杜绝漏发的目标，以确保主站能够安全可靠地监视智能变电站的运行状态［3］。

1 双机切换

1.1 系统结构

网关机在智能变电站中均为双机冗余配置。与调度主站 （以下简称主站）的通信以IEC104［4］为主要通信规约；与变电站内间隔层装置的通信采用IEC61850［5］规约。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

1.2 运行模式

运行模式可分为双主和主备两种：双主模式指网关机A、B均同时与主站进行通信数据交互；主备模式指网关机A、B中仅一台网关机与主站进行通信；而另一台网关机处于热备状态，平时处于与主站通信中断的状态。

1.3 切换过程

双主模式的切换过程分为两种：双机运行切换至单台运行、单台运行切换至双机运行。

主备模式的切换过程如下：当与主站通信的网关机出现通信中断时，备通道的网关机升级为主通道与主站恢复正常通信。

无论是双主模式还是主备模式，切换过程中均伴随着IEC104通信的中断和恢复，均为主站监测到与网关机的IEC104通信中断，而将通信 （或数据来源）切换至另外一台网关机的过程。

1.4 切换原因

主要包括以下两种原因：

（1）IEC104通信中断：主要是调度数据网中断、主站健康状态异常以及网关机自身健康状态异常等原因引起IEC104通信中断，进而导致双机切换。

（2）IEC61850 通信中断：主要是站内间隔层网络中断、间隔层装置健康状态异常以及网关机自身健康状态等原因导致IEC61850通信中断，此时网关机判断出自身数据采集不完备而主动关闭IEC104通信，最终导致双机切换。

本方法仅讨论网关机自身健康状态良好的情形下的IEC61850／IEC104通信中断导致的双机切换。因为实际运行中，若网关机自身健康状态出现异常，如内存出错、硬件异常等现象，此时任何双机切换数据同步机制均是无法解决的。

2 重发现象

重发现象是指主站接收到网关机上送的某个遥信数据两遍及以上。双机切换中的重发现象通常仅伴随着IEC104通信中断而发生，此时两台网关机的IEC61850通信却是正常的，且均正确接收到站内间隔层装置发送的遥信数据。

重发现象可分为不可避免和可避免两种。

不可避免的重发现象也分为两类。一类是规约防漏机制的重发。如：网关机向主站发送遥信数据A，因通信中断，此时网关机若未收到主站发出的针对该遥信数据A 的IEC104确认报文；无论是否发生双机切换，恢复通信的网关机均必须重发该遥信数据A，此时主站收到相同遥信数据A 两遍，即主站接收到重发数据；若不重发，主站若未收到该遥信数据A 而不下发确认报文时，将导致漏发。此类重发为不可避免的正确的重发现象，且是少量可接受的。

另一类不可避免的重发现象是双主模式正常运行下的重发。因两台网关机同时与主站交互数据，当变电站遥信数据发生时，主站必然会接收同一个遥信数据两遍。

可避免的重发指除了上述的不可避免的重发现象以外的情形，多为双机同步机制不完善或者程序问题导致。本方法主要讨论的就是此类重发现象。主要有以下4种情形：

（1）未正确采用主站的IEC104确认报文作为数据已发送成功的判据，导致已发送成功的遥信数据未同步给对机。

（2）未及时将同步数据发送给对机。

（3）接收同步数据的网关机未正确完全清除对机已发送成功的遥信数据。

（4）未采用逐点精确同步的机制将数据发给对机。如采用模糊判断导致对机未完全清除已发送成功的缓存数据。

3 漏发现象

漏发现象是指主站未接收到网关机的某个遥信数据。漏发现象是可避免的。主要有3种情形：

（1）间隔层装置不具备防漏重发机制。IEC61850通信中断又恢复后，未将通信中断期间发生的遥信数据继续正确发送给网关机。

（2）未正确采用主站的IEC104确认报文作为数据已发送成功的判据。将未被确认的遥信数据作为同步数据错误发送给对机，导致未成功发送给主站的数据在对机缓存中也被清除。

（3）接收同步数据的网关机错误地过多清除发送缓存。

4 主要原理

4.1 定 义

双机数据同步功能是指当网关机A 的遥信数据向主站发送成功后，将发送成功的数据逐点同步给网关机B；网关机B将收到的间隔层遥信数据与同步数据库进行比较，若找到相同遥信数据即为已成功发送的遥信数据，则不再向主站发送；若未找到相同数据即为主站仍未收到这些遥信数据，则须上送给主站。

相同遥信数据的判据为遥信数据的3 个属性均相同；这3个属性分别为遥信索引、动作值及动作时间；遥信索引为全站唯一的网关机数据库索引；动作值为遥信的动作状态，如合、分等；动作时间为该遥信发生的时间。这3个属性值采用间隔层装置 （或更早源端，如过程层设备）的赋值，以确保两台网关机收到的遥信数据是相同的。

遥信数据发送成功的判据为网关机发送数据后收到主站针对该遥信数据的IEC104确认报文。

4.2 逻辑原理

无论是双主模式还是主备模式，若网关机IEC61850／IEC104通信状态由运行切至中断，或由中断切至运行，如1.3中所述切换过程，均需经过双机数据同步功能进行判断遥信数据是否已成功发送。已成功发送的遥信数据为历史数据，应将其从缓存中清除而避免重发；未成功发送的遥信数据应继续上送给主站，从而避免漏发。

下面主要讨论导致双机切换的两种通信中断情况下的双机数据同步。

（1）IEC61850通信中断：IEC61850通信中断时，即间隔层装置与网关机通信中断，此时若发生遥信事件，网关机无法收到间隔层装置的遥信数据，间隔层装置会缓存通信中断期间发生的遥信数据。通信正常的网关机在这些遥信事件发生时，已将发送成功的遥信数据同步给通信中断的网关机。通信中断的网关机恢复正常运行时，每收到间隔层装置缓存的一个遥信事件，即与同步数据库中的遥信数据进行比较，若存在 （表示已成功发送），则不写入遥信发送队列缓存；若不存在 （表示未成功发送），则立即写入遥信发送队列发送给主站。示例如图2所示。

图2 IEC61850通信中断

（2）IEC104通信中断：IEC104通信中断时，即主站与网关机通信中断，此时若发生遥信事件，网关机可实时收到间隔层装置发送的这些遥信数据，并作为待发送数据缓存在遥信发送队列中。而通信正常的网关机收到间隔层发送的这些遥信事件并实时传送给主站，同时将发送成功的遥信数据同步给通信中断的网关机。当通信中断的网关机收到这些已发送成功的遥信同步数据时，遥信发送队列中已经存在了这些待发送的遥信数据，此时清除发送队列中的这些已发送成功遥信数据，则在通信中断的网关机恢复正常通信时，这些已发送成功的遥信数据因已被清除，则不会再上送给主站。示例如图3所示。

图3 IEC104通信中断

另，双主模式正常运行时的重发为不可避免的重发现象，此时虽然仍然运行双机同步的发送／接收同步数据的逻辑，但不能进行缓存数据清除，否则易出现漏发现象。

5 功能实现

5.1 通信方式

采用UDP协议架设同步专网的模式。

UDP同步专网的优点：传输速率快；无其它网络数据或传输机制干扰。如：存在网口数量有限问题的某些实际工程中，将同步数据网与站内数据网混用，则站内IEC61850的通信中断也易引起同步数据网中断，从而导致同步数据无法传输给对机的数据不同步的异常现象。

为了增加可靠性，同步专网也可采用双网冗余［6，7］模式，即两台网关机通过双网传输同步数据。

5.2 同步数据传输服务协议

（1）报文格式：传输服务协议的报文格式见表1。

表1 同步数据传输服务协议报文格式

（2）发送／接收序号：实现同步数据传输协议的防漏重发机制，与IEC104规约的发送／接收序号功能相同。

（3）同步原因：包括周期、请求、响应、突发、测试等6种类型。

周期：定时向对机发送最后一个同步数据。

请求／响应：通信恢复时，首先向对机发送请求同步数据帧，对机则以最后一个同步数据响应。

突发：当有新的已发送成功的遥信数据时，须立即作为同步数据以突发原因发送给对机。

测试：定时发送测试帧，检查同步数据网通信状态。

（4）同步数据结构：通过UDP通信传输的双机同步数据结构CHLSYN＿DATA 定义如下：

5.3 同步数据库

接收同步数据网关机按间隔层装置建立同步数据库，间隔层装置的最大数量为MAX＿IED＿NUM ＿DCSYN；每台装置能够缓存的同步数据数量为MAX＿YX＿NUM，如下：

5.4 逻辑实现

双机数据同步的逻辑实现分为通信正常网关机和通信中断网关机两部分。通信正常网关机为发送同步数据一侧；通信中断网关机为接收同步数据并进行数据处理的一侧。

5.4.1 通信正常网关机

通信正常网关机的遥信数据发送成功则立即向对机发送同步数据。遥信数据发送成功的判据如下。

当网关机遥信数据 （I格式报文）发送后，接收到主站对该遥信数据报文的确认帧 （S格式），则为遥信数据发送成功。示例如图4所示。

图4 IEC104主站接收数据成功

当网关机接收到主站确认帧（68 04 01 00 66 00）时，则四帧遥信数据（ASDU30）发送成功，此时立即向对机发送这4个遥信数据的双机同步数据（CHLSYN＿DATA）。

5.4.2 通信中断网关机

通信中断的网关机接收对机的双机同步数据 （CHLSYN＿DATA），并保存于同步数据库中。通信中断分为IEC61850通信中断和IEC104通信中断两种类型。

（1）IEC61850 通信中断：当IEC61850 通信中断时，该网关机若接收到对机的双机同步数据 （CHLSYN＿DATA），并保存与同步数据库中，待IEC61850通信由中断转运行时进行同步数据处理。

当IEC61850通信由中断转正常时，间隔层装置缓存的遥信数据发送给网关机，此时须通过IEC61850规约的条目标识符EntryID［8］功能来判断该遥信数据是否为缓存遥信上送。IEC61850关联过程中［9］，网关机发送读请求BRCB 报告控制块信息 （request）命令，间隔层装置BRCB 读响应（response）数据中EntryID 值若大于网关机保存的通信中断前EntryID，则IEC61850通信中断期间有新的BRCB 报告产生。这些新BRCB 报告的EntryID 值小于BRCB 读响应EntryID 值，若这些报告中有遥信数据，则这些遥信数据为通信中断期间变化产生，即为间隔层装置缓存遥信。这些遥信数据须与双机同步数据库 （DCSYN＿ONEIED＿DATA）进行比较，若对机已发送则不转发主站，反之则转发主站。流程如图5所示。

图5 IEC61850通信中断转运行流程

IEC61850通信处于正常运行状态，间隔层装置的通信中断期间缓存的遥信数据上送完毕后，若又有新遥信事件发生，这些遥信数据为实时遥信数据，无须经过双机同步数据判断，直接写入IEC104 发送缓存中转发主站。若此时还需经过双机同步数据判断，则降低了网关机遥信转发效率。

（2）IEC104通信中断：IEC104通信中断时，若有遥信事件发生，网关机接收到间隔层装置发来的遥信数据并存入IEC104 发送缓存。接收来自对机的双机同步数据（CHLSYN＿DATA）后，存入同步数据库的同时，与IEC104发送缓存进行比较，若已发送则清除缓存队列中的该遥信数据。

当该IEC104通信由中断转正常运行时，发送缓存中剩余的遥信事件均为对机未发送的遥信数据，这些遥信数据须立即转发主站。

6 结束语

本文分析了数据通信网关机IEC61850、IEC104等通信中断导致的双机切换中易出现遥信数据重发漏发现象的主要逻辑过程，并提出了一种双机数据同步实现方法。采用IEC104协议确认报文作为遥信数据已发送成功的判据，向对机及时发送同步数据，对机将缓存中遥信数据与同步数据库进行逐点比较，并过滤出相同的遥信数据并将其删除。最终实现两台网关机的遥信数据精确同步，即已成功发送的遥信数据不再向主站发送，未被删除的遥信数据即为主站仍未收到过的遥信数据，则继续正确上送给主站。虽然本文仅以IEC104 协议为例进行了双机数据同步方法的说明，但该方法可应用于所有具有防漏重发机制的远动协议（如IEC101协议［10］），均可有效地解决遥信数据中可避免的重发漏发现象。

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