基于IEC61850变电站网络频繁中断原因分析及解决方案

陈献政

摘 要：IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，是变电自动化系统的发展最新趋势。同时，IEC61850也是建设智能化变电站的主要技术。因为当时技术条件和硬件系统发展不够成熟，导致了大部分厂商对基于IEC61850的第一代建设的变电站网络结构的设计上存在局限性，进而在后期的工作中频繁地出现网络上的故障问题，因此，我们需要深入研究IEC61850变电站网络频繁中断的原因，同时找到有效的解决方案。本文介绍了IEC61850监控系统的构成，探讨了IEC61850变电站网络频繁中断原因分析及解决方案。

关键词：IEC61850变电站 网络中断 原因分析 解决方案

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0028-02

因为当时的变电站是基于IEC61850标准而进行设计，又因为该技术当时存在一定的不足，也就导致了监控系统的稳定性受到了很大的影响。其中最主要的影响就是流通大量的网络报文而造成通信堵塞，或者是报文异常而导致了网络的频繁中断。当前，我们只能通过重启或是漫长的等待恢复的过程才能够使其恢复正常。所以说，当务之急就是对网络中断的原因进行深入分析，找到与其对应的解决办法。

1 监控系统构成

早期的基于IEC61850技术标准进行设计的变电站的监控系统所使用的是RCS-9700分散式微机监控系统，根据安装的地点和功能的不同可以分为主控楼内的站控层和室内间隔层设备。其中网络结构则主要采用的是开放式分层和分布式结构。站控层和间隔层的网络构造主要是由双以太网组成的，其中站控层是按照全站终期规模进行设置装备，间隔层则是利用具有接口的测控单元直接与网络相连接，从而达到与站控层通讯的目的。

2 原因分析及处理方案

出现网络中断的原因有很多，对监控系统中的信息传输进行分析，我们得知网络通信频繁掉线的原因主要有下面几点：第一，系统内一些装置的MAC地址发生冲突，导致不能正常连接通信。第二，交换机网口和装置网口的芯片使用时间过长，从而出现老化的情况。第三，网络处于过负荷状态，CPU的处理速度慢。

2.1 MAC地址冲突现象分析

如果说MAC地址发生冲突，那么后台就只能在同一时刻接受一台设备传输的报文，但我们不能确定该传输的报文是否是我们需要的。对于传输中判断为不需要的报文，则会直接被丢弃，这也就导致了网络通信的中断状态，直到正确的报文被接收，这时候才会重新联接。于是这样，在宏观上就会造成频繁出现网络中断和连接的现象。

2.1.1 MAC地址冲突异常查找

要想找出MAC地址冲突的原因，我们可以抓取传输的报文进行分析，找出其中的原因是IP/Mac冲突还是A/B网络被串联，因为理论上要想通信系统正常运行则要不同的网络在物理层上分离开来。

2.1.2 MAC地址冲突处理方法

当我们由上述方法找到MAC冲突的原因是IP/Mac冲突的话，解决的办法很简单，只需要将设备的MAC地址手动更改就可以恢复正常了。同时在后台做静态ARP绑定。如果MAC冲突是A/B网络发生串联造成的话，那就应该找到串联的地方，从而将其断开。如果不是以上两种情况的话，那我们可以直接排除MAC地址冲突导致网络频繁中断的定论。

2.2 交换机网口芯片老化

2.2.1 交换机网口芯片老化现象

造成网络频繁中断最重要的原因还是交换机网口芯片老化的问题，而交换机方面最重要的是主控室的核心交换机，当这个部分的交换机的网口芯片出现老化问题，那就会导致后台和远程设备都无法正常的接收发送的报文，也就出现了网络的频繁中断。我们可以在后台抓取传输中的报文，判断是否出现频繁的网络报文重发现象，或者观察交换机的运行指示灯和登录交换机查看运行情况。

2.2.2 交换机网口芯片老化处理方法

如果是交换机老化问题，因为其会影响到对通信报文的处理，因此需要进行及时的更换，如果发现并不是该问题造成的中断问题，那就说明是最后一种的可能性极大。

2.3 网络负荷增加导致装置CPU处理通信报文速度变慢

网络出现频繁中断的最后一种情况就是网络负荷增加导致设备的CPU处理速度变慢。众所周知，设备的CPU不仅有处理报文的能力，而且还需要进行采样和逻辑运算等工作。如果说站内的通信报文突然增多的话，就会导致CPU处理不过来，造成网络堵塞。

3 现场排查情况及采取方案

3.1 站内报文类型

利用一些抓取报文的软件对变电站内的报文进行抓取分析，深入研究可以知道网络报文主要有以下类型：一是采用点对点传输方式的报文，包括MMS、TCP等，其特点是只对特定的装置起作用；二是采用组播或广播传输方式的报文，包括APR、UDP和GOOSE等，其特点一般是数据量大或者涉及的装置比较多。

3.2 站内报文分析及处理方案

当变电站的监控系统运行稳定时，所测量的值只会发生很小的变化。在这种状况下，从后台的一段网络中抓取部分报文。从图1、图2可知，第138.786～138.806s、139.786～139.806s的两段20ms间隔中，出现了10帧ARP。从以往的工作经验得知，这种规模的ARP报文在设备的正常处理范围内，不会造成通信的异常。若在很多个连续的500ms时间段内出现了至少40帧的ARP报文，使后台发送来的MMS命令报文得不到及时的处理，这也在一定程度上提高了通信异常的概率。如果此时再有APR、UDP和GOOSE遥信/遥测量报文增加，并持续一段时间，装置很容易出现通信“通/断”现象。

ARP报文的影响解决很简单，只需要在后台采用“静态ARP绑定”方案即可。如今，随着一系列技术的发展，我国的变电站中已经运用了该方案，并且与以往的情况相比较，可以很明显地发现ARP报文出现的频率和数量得到了很大的改善。

4 结语

对我国早期的变电站分析，发现网络报文量的迅速增加是导致网络频繁中断的主要原因，并根据报文特点采取相应的方法限制报文流量，从而达到解决变电站中出现网络频繁中断的问题。对早期的变电站结构設计进行分析和探讨，能够有助于变电站的发展，对变电站的完善和创新上有很大的帮助。如今，上述的问题已经得到了很好的解决，有关的技术也得到了也得到改进，变电站内的监控系统的稳定性也得到了很大的提高。

参考文献

[1] 陈安伟，朱松林，乐全明，等.IEC61860在变电站中的工程应用[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] 樊陈，倪益民，窦仁辉，等.智能变电站过程层组网方案分析[J].电力系统自动化，2011，35（18）：67-71.