解决方案︱站控层采用IEC61850通信的“木桶效应”分析

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南京南瑞继保电气有限公司的研究人员尤小明、刘明慧，在2016年第2期《电气技术》杂志上撰文，针对目前IEC61850协议在变电站站控层通信实施中遇到的通信异常现象，通过构建IEC61850通信的最小化模型，详细分析变电站站控层通信采用IEC61850规约产生的“木桶效应”，结合数字化变电站上云变现场原始资料，进一步分析现场站控层的通信报文和网络流量以及装置网卡状态等，并在此基础上提出通信优化处理方案。

上云变现场站控层实施该方案后，站控层的报文流量达到更合理的范围，整个站控层通信架构中的各个单元模块能配合更高效，且现场站控层通信长期稳定运行，从而验证方案的正确性和有效性。

电力系统中变电站整个站控层的通信由多个环节组成，而整个通信架构在不同的环节中均存在流量极限和效率的配合问题，一旦整个通信架构的通信流量极限和效率不匹配，就会出现站控层通信的“木桶效应”，从而产生通信异常的现象。

目前变电站现场站控层出现通信异常的现象还是比较常见的，并可能产生其他的相关异常问题，对于整个电力系统自动化系统实时信息的监视、控制和维护是一个很大的挑战。

1 站控层采用IEC61850规约的现状

IEC61850规约在变电站站控层的应用越来越普遍,目前新建站和80%的改造站在站控层采用IEC61850规约。

IEC61850标准采用面向对象的建模技术，面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有描述，带来数据交互的便利，但是与电力系统之前长期采用的网络通信规约（如网络103、104等）相比，传输相同的信息其数据传输的报文量会大很多[1]。

IEC61850中的核心通信（客户/服务器模式）映射到MMS的A-Peofile，采用多层协议与服务[2]，包括：会话层、表示层和应用层。多层次的架构造成通信报文编解和解码效率急剧降低。

采用IEC61850规约的保护装置模型的最大化配置以及保测一体装置的使用等,使得一台间隔层装置传输的信号量几乎等同于之前远动装置上送调度主站的全部信号量，可见，整个站控层的报文流量是相当大的。

上述的种种情况都进一步的加剧了站控层通信“木桶效应”的产生，并极易产生通信异常。例如110kV数字化变电站上云变就遇到站控层的通信问题，本文结合该变电站的实际情况进行详细分析站控层通信异常的根本原因。上云变的网络架构如图1所示：

图1 上云变的通信架构图

2站控层采用IEC61850规约通信异常问题分析

变电站的站控层网络架构比较复杂，不利于进行详细的分析网络通信异常的问题，故可以先简化通信架构及分析模型，仅以一台IEC61850客户端和一台IEC61850服务端的通信架构进行梳理通信机制[3-4]，分析通信架构中的短板。

2.1 简化的通信架构

图2 简化的通信架构

图2是简化的通信架构。整个数据交互的流程包括数据发送和数据接收。数据发送为：应用程序按照需求采用对应的ACSI（Abstract Communication Service interface），然后MMS采用ASN.1（Abstract Syntax Notation One）进行编码，通过TCP/IP协议栈进行管理，最终通过物理网络发送到站控层。

数据接收为：物理网络接收站控层网络报文，TCP/IP协议栈对报文进行筛选并整理，然后MMS采用ASN.1进行解码，最终应用程序获取相关信息。

在整个通信环节中，涉及到多处的数据缓存机制以及通信速率和效率的匹配问题。

1）网卡

目前通信的网卡常规采用的都是RJ45接口的电网络接口，常规通信速率基本达到100Mbit/s。网卡对于网络报文的收发机制为：网卡初始化时预先构造接收和发送两个环型区，提供给网卡的DMA（Direct Memory Access）引擎使用。

DMA根据RBD（Receive Buffer Descriptor）的内容自动将报文搬到Cluster中，或将TBD（Transmit Buffer Descriptor）指向cluster的内容搬到网卡里。只要设置好环形缓冲区，接收和发送过程其实都是自动完成的。

接收环形缓存区和发送环形缓存区如图3所示：

图3 网卡的接收/发送环形缓存区

接收环形缓存区和发送环形缓存区是预先从网络内存池分配好的，通常都有一定大小的限制。分配内存时，从缓冲池中取出预先分配的固定大小的块；释放时，将块插入到空闲链表中，从而优化了内存工作的效率。

2）TCP/IP协议栈

目前主流的嵌入式操作系统采用BSD4.4的协议栈设计，主要用途是在进程和网络接口间相互传递用户数据，不涉及到数据的缓存，通信效率很高。

3）MMS的ASN.1编解码[5-8]

从开发的角度来说，由于ASN.1描述的清晰性和中立性，不仅使得人工编码/解码工作变得简单，而且使得计算机自动编码/解码成为可能，但编码/解码的复杂度也大大的增加，同时A-Profile中的表示层、应用层协议规范都采用ASN.1编码，使得通信编码/解码的效率大大降低。

4）应用程序

应用程序的处理，由于受限于编程语言及软件工程师的编码水平，应用程序的效率有时不太高，特别IEC61850标准采用面向对象的建模技术，使得对象的定位架构复杂化，同时也就使得有效信息获取更加复杂化。

2.2 “木桶效应”分析

一个木桶无论有多高，它盛水的高度取决于其中最低的那块木板。网络通信中网卡、TCP/IP协议栈、MMS的ASN.1编解码和应用程序这4个环节是相互贯通的，但是这4个环节的数据处理效率是不同的，所以整个网络通信的效率也取决于数据处理效率最慢的一个环节。

MMS的ASN.1编解码及应用程序的效率是较低的，而网卡和协议栈的处理速度是非常高效的，这样就会出现整个通信环节不匹配的现象，并且网卡有缓存区大小限制，所以现场一旦网卡的缓存区被占满，就极易出现通信异常的现象。

这种异常现象主要出现在大量网络报文接收方，例如站控层的监控后台、远动装置及保护信息子站等。特别是在一些老站改造项目中，仅是规约从103改造成61850，站控层设备没有进行相应的软硬件升级，这样在CPU性能相对低下的情况下，站控层通信的木桶效应体现的更加明显。

2.3 变电站现场情况分析

上云变为数字化变电站，间隔层设备仅有28台装置，且均为新型数字化设备，在调试过程中发现站控层的设备与间隔层设备经常会有通信中断的情况，结合现场的原始资料来分析一下问题。

1）现场网络流量分析

图4 现场站控层网络流量分析图

图4是现场站控层网络的流量分析图，由上图可以计算出瞬时最大流量已经达到96Mbit/s（即*8*100 = bit/s）。可见，站控层的网络流量较大。可以预计，更大规模的站，站控层报文的流量会更大。

2）现场网络报文分析

图5 现场站控层网络报文分析图

图5是现场的实际报文，通过该报文中已经出现若干TCP Zero window的现象，由此可以定论现场TCP报文交互的效率已经远大于应用层报文的处理效率，在网卡层造成了大量的接收缓存，一旦接收缓存被占满就会出现通信中断的现象，且此现象极易被误理解为网卡硬件异常或者协议栈报文处理异常。

3）现场网卡运行情况分析

图6 现场网卡接收缓存区状态

图6是现场通过调试命令查看的网卡接收缓存情况，由图可见此时网卡的接收缓存区已满，由此可见由于MMS的ASN.1编解码及应用程序效率的低下，已经造成网卡的接收缓存区满，进而有可能造成正常通信的TCP报文的丢失，特别是保活报文在网卡一层丢失，极易产生TCP的通信中断，引起网卡异常的误判。

3 站控层通信解决方案及验证

3.1站控层通信解决方案

只有有效的平衡网卡、TCP/IP协议栈、MMS的ASN.1编解码和应用程序这四个环节的处理效率，才能保证网卡的环形缓存区的正常工作，才能保证整个网络通信的正常。针对此问题提出如下的综合解决方案：

1）流量控制

TCP协议作为一个可靠的面向流的传输协议，其流量控制可有滑动窗口协议进行保证。

所谓流量控制，主要是接收方传递信息给发送方，使其不要太快地发送数据，是一种端到端的控制，TCP返回的ACK中包换自己接受窗口的大小，可以利用接收窗口的大小来控制发送方的数据发送。即接受方告诉发送方自己的缓冲区已满，发送方就会停止发送数据，等待一段时间，直到接收方的缓冲区出现空间。

通过合理设置TCP的Window Size参数来实现站控层设备和间隔层设备的传输流量控制。特别是对于站控层设备，其接入的装置数量较大（在一些高电压等级、规模较大的变电站，间隔层的设备较多，而且一般均采用双网的架构，所以会使得站控层设备的TCP连接数达到大几百个），对网卡接收缓存区压力更大，所以更需要合理设置TCP的Window Size参数来实现站控层设备和间隔层设备的传输流量控制。

2）拥塞控制

网络中的链路容量和交换节点中的缓存和处理机制都有工作极限，当网络的需求超过它们的工作极限时，就会出现拥塞。拥塞控制就是防止过多的数据注入到网络中。

按照此思路，现场可以进行网络优化，进行不同类型网络报文分流，例如限制现场的大量广播报文、对监控后台的大量组播同步报文进行静态组播管理等。

3）分级缓存

上一级数据处理的效率较快但是存储空间有限，而下一级的处理效率较慢，可以通过在处理较慢的环节增加缓存机制来延缓上一级数据存储空间的溢出。

MMS的ASN.1编解码和应用程序的处理效率较慢，可以通过在其内部创建报文缓存空间，进而有效的保证网卡的接收缓存空间的正常工作。

3.2 解决方案的验证

上云变现场同时采用流量控制、拥塞控制和分级缓存的综合解决方案。

1）现场网络流量

图7 现场站控层网络流量分析图

图7是现场实施综合解决方案后站控层网络流量的分析图，由上图可以计算出瞬时最大流量已经下降到约32Mbit/s（即40000*8*100 = bit/s）。由此可见站控层的网络流量优化效果明显。

2）现场网卡运行情况分析

图8 现场网卡接受缓存区状态

图8是现场实施综合解决方案后通过调试命令查看的网卡接收缓存区情况，由图可见此时网卡的接收缓存区资源充足。

3）现场站控层运行情况分析

通过现场长时间的实际稳定运行并结合站控层网络报文分析，可以确定已经彻底解决现场网络通信中断的问题。

4 结论

变电站站控层采用IEC61850协议通信后，由于间隔层设备数量的增加，设备功能的增加，以及设备模型最大化配置，使得站控层的通信报文量急剧增加，一旦整个通信架构的通信流量极限和效率不匹配，就会出现站控层通信的“木桶效应”，从而产生通信异常的现象。

采用流量控制、拥塞控制和分级缓存的综合解决方案可以有效降低站控层的报文流量且能使得通信双方更合理利用通信资源，最终保证站控层通讯的稳定。

随着数字化变电站的普及，在此期间必然会遇到各种各样的通信问题，特别是今后可能实施的多网合一的应用对于网络通信的稳定性更是一个极大的考验，这需要我们进一步的详细分析数字化变电站的网络通信问题，并形成更优化，更高效和更稳定的通信实施方案。

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