方 偉，慕宗君，楊紅培，馬國強，鄭運召

（1.許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌461000；2.許昌電氣職業(yè)學院 信息工程系，河南 許昌461000）

0 引 言

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機 （以下簡稱網(wǎng)關(guān)機）［1］在智能變電站中均為雙機冗余配置，運行中必然存在雙機切換過程。雙機切換過程中，若無數(shù)據(jù)同步功能或數(shù)據(jù)同步功能不完善，則目標主機易將原主機已發(fā)送過的遙信數(shù)據(jù)在雙機切換后再次發(fā)送，引起遙信重發(fā)現(xiàn)象；也易將雙機切換過程中發(fā)生的遙信事件漏發(fā)，引起遙信漏發(fā)現(xiàn)象。遙信的重發(fā)會加重主站維護使用的復(fù)雜度以及實時數(shù)據(jù)庫讀寫負載，影響遙信數(shù)據(jù)的時效性；遙信的漏發(fā)則會導(dǎo)致主站系統(tǒng)監(jiān)視的狀態(tài)與實際運行設(shè)備狀態(tài)不一致。兩者均易引起運維人員對智能變電站當前運行狀態(tài)的誤判，而極大地影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

針對雙機切換過程的遙信重發(fā)漏發(fā)問題，文獻 ［2］提出了一種基于時間序列的同步信息時間窗的雙機數(shù)據(jù)同步方法。該方法要求兩臺網(wǎng)關(guān)機時間必須具備一致性，雖然可以高效地將同步數(shù)據(jù)的接收時刻以前的其它數(shù)據(jù)從緩存中一次性刪除，但該方法采用了基于接收時間的模糊識別技術(shù)，因此有一定局限性，不能應(yīng)用于雙機時間不一致的同步過程，也不能解決先動作卻后發(fā)送的多個遙信數(shù)據(jù)相繼發(fā)生的同步過程。

本文提出了一種基于逐點同步機制的雙機切換數(shù)據(jù)同步方法。該方法采用遙信索引、動作值和動作時間等3個遙信屬性作為遙信數(shù)據(jù)的唯一性標識，應(yīng)用IEC61850／IEC104通信中斷的防漏重發(fā)機制，通過基于UDP 專網(wǎng)的同步數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將已發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)作為同步數(shù)據(jù)逐點傳輸給對機，對機接收同步數(shù)據(jù)后清除緩存中相同的遙信數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了雙機切換過程中遙信數(shù)據(jù)盡可能避免重發(fā)、杜絕漏發(fā)的目標，以確保主站能夠安全可靠地監(jiān)視智能變電站的運行狀態(tài)［3］。

1 雙機切換

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)機在智能變電站中均為雙機冗余配置。與調(diào)度主站 （以下簡稱主站）的通信以IEC104［4］為主要通信規(guī)約；與變電站內(nèi)間隔層裝置的通信采用IEC61850［5］規(guī)約。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 運行模式

運行模式可分為雙主和主備兩種：雙主模式指網(wǎng)關(guān)機A、B均同時與主站進行通信數(shù)據(jù)交互；主備模式指網(wǎng)關(guān)機A、B中僅一臺網(wǎng)關(guān)機與主站進行通信；而另一臺網(wǎng)關(guān)機處于熱備狀態(tài)，平時處于與主站通信中斷的狀態(tài)。

1.3 切換過程

雙主模式的切換過程分為兩種：雙機運行切換至單臺運行、單臺運行切換至雙機運行。

主備模式的切換過程如下：當與主站通信的網(wǎng)關(guān)機出現(xiàn)通信中斷時，備通道的網(wǎng)關(guān)機升級為主通道與主站恢復(fù)正常通信。

無論是雙主模式還是主備模式，切換過程中均伴隨著IEC104通信的中斷和恢復(fù)，均為主站監(jiān)測到與網(wǎng)關(guān)機的IEC104通信中斷，而將通信 （或數(shù)據(jù)來源）切換至另外一臺網(wǎng)關(guān)機的過程。

1.4 切換原因

主要包括以下兩種原因：

（1）IEC104通信中斷：主要是調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中斷、主站健康狀態(tài)異常以及網(wǎng)關(guān)機自身健康狀態(tài)異常等原因引起IEC104通信中斷，進而導(dǎo)致雙機切換。

（2）IEC61850 通信中斷：主要是站內(nèi)間隔層網(wǎng)絡(luò)中斷、間隔層裝置健康狀態(tài)異常以及網(wǎng)關(guān)機自身健康狀態(tài)等原因?qū)е翴EC61850通信中斷，此時網(wǎng)關(guān)機判斷出自身數(shù)據(jù)采集不完備而主動關(guān)閉IEC104通信，最終導(dǎo)致雙機切換。

本方法僅討論網(wǎng)關(guān)機自身健康狀態(tài)良好的情形下的IEC61850／IEC104通信中斷導(dǎo)致的雙機切換。因為實際運行中，若網(wǎng)關(guān)機自身健康狀態(tài)出現(xiàn)異常，如內(nèi)存出錯、硬件異常等現(xiàn)象，此時任何雙機切換數(shù)據(jù)同步機制均是無法解決的。

2 重發(fā)現(xiàn)象

重發(fā)現(xiàn)象是指主站接收到網(wǎng)關(guān)機上送的某個遙信數(shù)據(jù)兩遍及以上。雙機切換中的重發(fā)現(xiàn)象通常僅伴隨著IEC104通信中斷而發(fā)生，此時兩臺網(wǎng)關(guān)機的IEC61850通信卻是正常的，且均正確接收到站內(nèi)間隔層裝置發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)。

重發(fā)現(xiàn)象可分為不可避免和可避免兩種。

不可避免的重發(fā)現(xiàn)象也分為兩類。一類是規(guī)約防漏機制的重發(fā)。如：網(wǎng)關(guān)機向主站發(fā)送遙信數(shù)據(jù)A，因通信中斷，此時網(wǎng)關(guān)機若未收到主站發(fā)出的針對該遙信數(shù)據(jù)A 的IEC104確認報文；無論是否發(fā)生雙機切換，恢復(fù)通信的網(wǎng)關(guān)機均必須重發(fā)該遙信數(shù)據(jù)A，此時主站收到相同遙信數(shù)據(jù)A 兩遍，即主站接收到重發(fā)數(shù)據(jù)；若不重發(fā)，主站若未收到該遙信數(shù)據(jù)A 而不下發(fā)確認報文時，將導(dǎo)致漏發(fā)。此類重發(fā)為不可避免的正確的重發(fā)現(xiàn)象，且是少量可接受的。

另一類不可避免的重發(fā)現(xiàn)象是雙主模式正常運行下的重發(fā)。因兩臺網(wǎng)關(guān)機同時與主站交互數(shù)據(jù)，當變電站遙信數(shù)據(jù)發(fā)生時，主站必然會接收同一個遙信數(shù)據(jù)兩遍。

可避免的重發(fā)指除了上述的不可避免的重發(fā)現(xiàn)象以外的情形，多為雙機同步機制不完善或者程序問題導(dǎo)致。本方法主要討論的就是此類重發(fā)現(xiàn)象。主要有以下4種情形：

（1）未正確采用主站的IEC104確認報文作為數(shù)據(jù)已發(fā)送成功的判據(jù)，導(dǎo)致已發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)未同步給對機。

（2）未及時將同步數(shù)據(jù)發(fā)送給對機。

（3）接收同步數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)機未正確完全清除對機已發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)。

（4）未采用逐點精確同步的機制將數(shù)據(jù)發(fā)給對機。如采用模糊判斷導(dǎo)致對機未完全清除已發(fā)送成功的緩存數(shù)據(jù)。

3 漏發(fā)現(xiàn)象

漏發(fā)現(xiàn)象是指主站未接收到網(wǎng)關(guān)機的某個遙信數(shù)據(jù)。漏發(fā)現(xiàn)象是可避免的。主要有3種情形：

（1）間隔層裝置不具備防漏重發(fā)機制。IEC61850通信中斷又恢復(fù)后，未將通信中斷期間發(fā)生的遙信數(shù)據(jù)繼續(xù)正確發(fā)送給網(wǎng)關(guān)機。

（2）未正確采用主站的IEC104確認報文作為數(shù)據(jù)已發(fā)送成功的判據(jù)。將未被確認的遙信數(shù)據(jù)作為同步數(shù)據(jù)錯誤發(fā)送給對機，導(dǎo)致未成功發(fā)送給主站的數(shù)據(jù)在對機緩存中也被清除。

（3）接收同步數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)機錯誤地過多清除發(fā)送緩存。

4 主要原理

4.1 定 義

雙機數(shù)據(jù)同步功能是指當網(wǎng)關(guān)機A 的遙信數(shù)據(jù)向主站發(fā)送成功后，將發(fā)送成功的數(shù)據(jù)逐點同步給網(wǎng)關(guān)機B；網(wǎng)關(guān)機B將收到的間隔層遙信數(shù)據(jù)與同步數(shù)據(jù)庫進行比較，若找到相同遙信數(shù)據(jù)即為已成功發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)，則不再向主站發(fā)送；若未找到相同數(shù)據(jù)即為主站仍未收到這些遙信數(shù)據(jù)，則須上送給主站。

相同遙信數(shù)據(jù)的判據(jù)為遙信數(shù)據(jù)的3 個屬性均相同；這3個屬性分別為遙信索引、動作值及動作時間；遙信索引為全站唯一的網(wǎng)關(guān)機數(shù)據(jù)庫索引；動作值為遙信的動作狀態(tài)，如合、分等；動作時間為該遙信發(fā)生的時間。這3個屬性值采用間隔層裝置 （或更早源端，如過程層設(shè)備）的賦值，以確保兩臺網(wǎng)關(guān)機收到的遙信數(shù)據(jù)是相同的。

遙信數(shù)據(jù)發(fā)送成功的判據(jù)為網(wǎng)關(guān)機發(fā)送數(shù)據(jù)后收到主站針對該遙信數(shù)據(jù)的IEC104確認報文。

4.2 邏輯原理

無論是雙主模式還是主備模式，若網(wǎng)關(guān)機IEC61850／IEC104通信狀態(tài)由運行切至中斷，或由中斷切至運行，如1.3中所述切換過程，均需經(jīng)過雙機數(shù)據(jù)同步功能進行判斷遙信數(shù)據(jù)是否已成功發(fā)送。已成功發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)為歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)將其從緩存中清除而避免重發(fā)；未成功發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)應(yīng)繼續(xù)上送給主站，從而避免漏發(fā)。

下面主要討論導(dǎo)致雙機切換的兩種通信中斷情況下的雙機數(shù)據(jù)同步。

（1）IEC61850通信中斷：IEC61850通信中斷時，即間隔層裝置與網(wǎng)關(guān)機通信中斷，此時若發(fā)生遙信事件，網(wǎng)關(guān)機無法收到間隔層裝置的遙信數(shù)據(jù)，間隔層裝置會緩存通信中斷期間發(fā)生的遙信數(shù)據(jù)。通信正常的網(wǎng)關(guān)機在這些遙信事件發(fā)生時，已將發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)同步給通信中斷的網(wǎng)關(guān)機。通信中斷的網(wǎng)關(guān)機恢復(fù)正常運行時，每收到間隔層裝置緩存的一個遙信事件，即與同步數(shù)據(jù)庫中的遙信數(shù)據(jù)進行比較，若存在 （表示已成功發(fā)送），則不寫入遙信發(fā)送隊列緩存；若不存在 （表示未成功發(fā)送），則立即寫入遙信發(fā)送隊列發(fā)送給主站。示例如圖2所示。

圖2 IEC61850通信中斷

（2）IEC104通信中斷：IEC104通信中斷時，即主站與網(wǎng)關(guān)機通信中斷，此時若發(fā)生遙信事件，網(wǎng)關(guān)機可實時收到間隔層裝置發(fā)送的這些遙信數(shù)據(jù)，并作為待發(fā)送數(shù)據(jù)緩存在遙信發(fā)送隊列中。而通信正常的網(wǎng)關(guān)機收到間隔層發(fā)送的這些遙信事件并實時傳送給主站，同時將發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)同步給通信中斷的網(wǎng)關(guān)機。當通信中斷的網(wǎng)關(guān)機收到這些已發(fā)送成功的遙信同步數(shù)據(jù)時，遙信發(fā)送隊列中已經(jīng)存在了這些待發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)，此時清除發(fā)送隊列中的這些已發(fā)送成功遙信數(shù)據(jù)，則在通信中斷的網(wǎng)關(guān)機恢復(fù)正常通信時，這些已發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)因已被清除，則不會再上送給主站。示例如圖3所示。

圖3 IEC104通信中斷

另，雙主模式正常運行時的重發(fā)為不可避免的重發(fā)現(xiàn)象，此時雖然仍然運行雙機同步的發(fā)送／接收同步數(shù)據(jù)的邏輯，但不能進行緩存數(shù)據(jù)清除，否則易出現(xiàn)漏發(fā)現(xiàn)象。

5 功能實現(xiàn)

5.1 通信方式

采用UDP協(xié)議架設(shè)同步專網(wǎng)的模式。

UDP同步專網(wǎng)的優(yōu)點：傳輸速率快；無其它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或傳輸機制干擾。如：存在網(wǎng)口數(shù)量有限問題的某些實際工程中，將同步數(shù)據(jù)網(wǎng)與站內(nèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)混用，則站內(nèi)IEC61850的通信中斷也易引起同步數(shù)據(jù)網(wǎng)中斷，從而導(dǎo)致同步數(shù)據(jù)無法傳輸給對機的數(shù)據(jù)不同步的異?，F(xiàn)象。

為了增加可靠性，同步專網(wǎng)也可采用雙網(wǎng)冗余［6，7］模式，即兩臺網(wǎng)關(guān)機通過雙網(wǎng)傳輸同步數(shù)據(jù)。

5.2 同步數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)協(xié)議

（1）報文格式：傳輸服務(wù)協(xié)議的報文格式見表1。

表1 同步數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)協(xié)議報文格式

（2）發(fā)送／接收序號：實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的防漏重發(fā)機制，與IEC104規(guī)約的發(fā)送／接收序號功能相同。

（3）同步原因：包括周期、請求、響應(yīng)、突發(fā)、測試等6種類型。

周期：定時向?qū)C發(fā)送最后一個同步數(shù)據(jù)。

請求／響應(yīng)：通信恢復(fù)時，首先向?qū)C發(fā)送請求同步數(shù)據(jù)幀，對機則以最后一個同步數(shù)據(jù)響應(yīng)。

突發(fā)：當有新的已發(fā)送成功的遙信數(shù)據(jù)時，須立即作為同步數(shù)據(jù)以突發(fā)原因發(fā)送給對機。

測試：定時發(fā)送測試幀，檢查同步數(shù)據(jù)網(wǎng)通信狀態(tài)。

（4）同步數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：通過UDP通信傳輸?shù)碾p機同步數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CHLSYN＿DATA 定義如下：

5.3 同步數(shù)據(jù)庫

接收同步數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機按間隔層裝置建立同步數(shù)據(jù)庫，間隔層裝置的最大數(shù)量為MAX＿IED＿NUM ＿DCSYN；每臺裝置能夠緩存的同步數(shù)據(jù)數(shù)量為MAX＿YX＿NUM，如下：

5.4 邏輯實現(xiàn)

雙機數(shù)據(jù)同步的邏輯實現(xiàn)分為通信正常網(wǎng)關(guān)機和通信中斷網(wǎng)關(guān)機兩部分。通信正常網(wǎng)關(guān)機為發(fā)送同步數(shù)據(jù)一側(cè)；通信中斷網(wǎng)關(guān)機為接收同步數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理的一側(cè)。

5.4.1 通信正常網(wǎng)關(guān)機

通信正常網(wǎng)關(guān)機的遙信數(shù)據(jù)發(fā)送成功則立即向?qū)C發(fā)送同步數(shù)據(jù)。遙信數(shù)據(jù)發(fā)送成功的判據(jù)如下。

當網(wǎng)關(guān)機遙信數(shù)據(jù) （I格式報文）發(fā)送后，接收到主站對該遙信數(shù)據(jù)報文的確認幀 （S格式），則為遙信數(shù)據(jù)發(fā)送成功。示例如圖4所示。

圖4 IEC104主站接收數(shù)據(jù)成功

當網(wǎng)關(guān)機接收到主站確認幀（68 04 01 00 66 00）時，則四幀遙信數(shù)據(jù)（ASDU30）發(fā)送成功，此時立即向?qū)C發(fā)送這4個遙信數(shù)據(jù)的雙機同步數(shù)據(jù)（CHLSYN＿DATA）。

5.4.2 通信中斷網(wǎng)關(guān)機

通信中斷的網(wǎng)關(guān)機接收對機的雙機同步數(shù)據(jù) （CHLSYN＿DATA），并保存于同步數(shù)據(jù)庫中。通信中斷分為IEC61850通信中斷和IEC104通信中斷兩種類型。

（1）IEC61850 通信中斷：當IEC61850 通信中斷時，該網(wǎng)關(guān)機若接收到對機的雙機同步數(shù)據(jù) （CHLSYN＿DATA），并保存與同步數(shù)據(jù)庫中，待IEC61850通信由中斷轉(zhuǎn)運行時進行同步數(shù)據(jù)處理。

當IEC61850通信由中斷轉(zhuǎn)正常時，間隔層裝置緩存的遙信數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)機，此時須通過IEC61850規(guī)約的條目標識符EntryID［8］功能來判斷該遙信數(shù)據(jù)是否為緩存遙信上送。IEC61850關(guān)聯(lián)過程中［9］，網(wǎng)關(guān)機發(fā)送讀請求BRCB 報告控制塊信息 （request）命令，間隔層裝置BRCB 讀響應(yīng)（response）數(shù)據(jù)中EntryID 值若大于網(wǎng)關(guān)機保存的通信中斷前EntryID，則IEC61850通信中斷期間有新的BRCB 報告產(chǎn)生。這些新BRCB 報告的EntryID 值小于BRCB 讀響應(yīng)EntryID 值，若這些報告中有遙信數(shù)據(jù)，則這些遙信數(shù)據(jù)為通信中斷期間變化產(chǎn)生，即為間隔層裝置緩存遙信。這些遙信數(shù)據(jù)須與雙機同步數(shù)據(jù)庫 （DCSYN＿ONEIED＿DATA）進行比較，若對機已發(fā)送則不轉(zhuǎn)發(fā)主站，反之則轉(zhuǎn)發(fā)主站。流程如圖5所示。

圖5 IEC61850通信中斷轉(zhuǎn)運行流程

IEC61850通信處于正常運行狀態(tài)，間隔層裝置的通信中斷期間緩存的遙信數(shù)據(jù)上送完畢后，若又有新遙信事件發(fā)生，這些遙信數(shù)據(jù)為實時遙信數(shù)據(jù)，無須經(jīng)過雙機同步數(shù)據(jù)判斷，直接寫入IEC104 發(fā)送緩存中轉(zhuǎn)發(fā)主站。若此時還需經(jīng)過雙機同步數(shù)據(jù)判斷，則降低了網(wǎng)關(guān)機遙信轉(zhuǎn)發(fā)效率。

（2）IEC104通信中斷：IEC104通信中斷時，若有遙信事件發(fā)生，網(wǎng)關(guān)機接收到間隔層裝置發(fā)來的遙信數(shù)據(jù)并存入IEC104 發(fā)送緩存。接收來自對機的雙機同步數(shù)據(jù)（CHLSYN＿DATA）后，存入同步數(shù)據(jù)庫的同時，與IEC104發(fā)送緩存進行比較，若已發(fā)送則清除緩存隊列中的該遙信數(shù)據(jù)。

當該IEC104通信由中斷轉(zhuǎn)正常運行時，發(fā)送緩存中剩余的遙信事件均為對機未發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)，這些遙信數(shù)據(jù)須立即轉(zhuǎn)發(fā)主站。

6 結(jié)束語

本文分析了數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機IEC61850、IEC104等通信中斷導(dǎo)致的雙機切換中易出現(xiàn)遙信數(shù)據(jù)重發(fā)漏發(fā)現(xiàn)象的主要邏輯過程，并提出了一種雙機數(shù)據(jù)同步實現(xiàn)方法。采用IEC104協(xié)議確認報文作為遙信數(shù)據(jù)已發(fā)送成功的判據(jù)，向?qū)C及時發(fā)送同步數(shù)據(jù)，對機將緩存中遙信數(shù)據(jù)與同步數(shù)據(jù)庫進行逐點比較，并過濾出相同的遙信數(shù)據(jù)并將其刪除。最終實現(xiàn)兩臺網(wǎng)關(guān)機的遙信數(shù)據(jù)精確同步，即已成功發(fā)送的遙信數(shù)據(jù)不再向主站發(fā)送，未被刪除的遙信數(shù)據(jù)即為主站仍未收到過的遙信數(shù)據(jù)，則繼續(xù)正確上送給主站。雖然本文僅以IEC104 協(xié)議為例進行了雙機數(shù)據(jù)同步方法的說明，但該方法可應(yīng)用于所有具有防漏重發(fā)機制的遠動協(xié)議（如IEC101協(xié)議［10］），均可有效地解決遙信數(shù)據(jù)中可避免的重發(fā)漏發(fā)現(xiàn)象。

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