基于監(jiān)測(cè)幀的PRP和HSR冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

高紅亮， 陶文偉， 唐孝舟，張喜銘， 李廣華， 楊 貴

(1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510663；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100)

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基于監(jiān)測(cè)幀的PRP和HSR冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

高紅亮1， 陶文偉1， 唐孝舟2，張喜銘1， 李廣華2， 楊 貴2

(1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510663；2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100)

IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)描述了并行冗余協(xié)議(PRP)和高可用性無縫冗余協(xié)議(HSR)。但是這兩種冗余功能對(duì)上層應(yīng)用透明，監(jiān)控系統(tǒng)無法識(shí)別單一鏈路故障。為了解決該問題，實(shí)現(xiàn)PRP、HSR冗余網(wǎng)絡(luò)的良好維護(hù)體驗(yàn)，分析了PRP、HSR冗余的實(shí)現(xiàn)過程，研究了監(jiān)測(cè)幀的作用原理，構(gòu)建了一個(gè)基于監(jiān)測(cè)幀的冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)，給出了具體的冗余監(jiān)測(cè)原理和流程，總結(jié)分析了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為智能變電站的網(wǎng)絡(luò)冗余監(jiān)測(cè)提供了一種有效的方案。

并行冗余協(xié)議；高可用性無縫冗余協(xié)議；監(jiān)測(cè)幀；冗余網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)視系統(tǒng)；智能變電站

0 引言

IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)[1]描述了高可用性無縫冗余協(xié)議(HSR)、并行冗余協(xié)議(PRP)兩種冗余網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，其中HSR采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PRP采用雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。RedBox(redundancy box)可實(shí)現(xiàn)HSR與PRP網(wǎng)絡(luò)、PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)與RSTP(rapid spanning tree protocol)網(wǎng)絡(luò)的互通[2，3]。PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)冗余，向應(yīng)用層只上送一份數(shù)據(jù)，降低了對(duì)嵌入式硬件資源的使用需求[4-6]。但與此同時(shí)，相對(duì)傳統(tǒng)STP(spanning tree protocol)雙網(wǎng)，PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)也帶來了額外的問題，即增加了雙網(wǎng)告警困難度，無法實(shí)現(xiàn)邏輯鏈路的A、B網(wǎng)狀態(tài)的單獨(dú)識(shí)別[7，8]。

考慮到IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)本身就支持監(jiān)測(cè)幀傳輸，這樣不需要額外建模就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息獲取。因此可以基于監(jiān)測(cè)幀建立一套PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)，從而提供冗余網(wǎng)絡(luò)任一網(wǎng)絡(luò)或者任何一個(gè)方向上的異常告警信息，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維體驗(yàn)。

1 PRP和HSR冗余協(xié)議

PRP和HSR作為IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)推薦的兩種網(wǎng)絡(luò)冗余協(xié)議，其基本原理非常類似，二者都可以實(shí)現(xiàn)零恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)自愈[9，10]。而且PRP和HSR可以適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過鏈路層冗余單元(LRE)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上層應(yīng)用透明，從而達(dá)到理想的冗余效果。

1.1 PRP協(xié)議原理

PRP實(shí)現(xiàn)冗余依賴于支持PRP的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(DANP)，每個(gè)DANP節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的端口，這兩個(gè)端口又分別連接到兩個(gè)獨(dú)立并行工作的局域網(wǎng)上。DANP發(fā)出的報(bào)文將被復(fù)制成兩份，分別發(fā)送到兩個(gè)局域網(wǎng)上共同的目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)則將先到達(dá)的報(bào)文幀轉(zhuǎn)發(fā)給上層用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)或者傳輸控制協(xié)議(TCP)，后到的幀將被丟棄[11,12]。由此可以看出，任何一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，對(duì)于接受報(bào)文的DANP來說，沒有任何影響，因?yàn)閳?bào)文還可以通過另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)送過來，從而實(shí)現(xiàn)冗余通信。

1.2 HSR協(xié)議原理

HSR實(shí)現(xiàn)冗余的思路與PRP基本相同，只不過HSR主要依靠?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的物理端口為系統(tǒng)提供冗余，并且其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)形。依賴于支持HSR的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(DANH)通過兩個(gè)端口同時(shí)向環(huán)網(wǎng)發(fā)送報(bào)文[13,14]。此時(shí)當(dāng)另一個(gè)DANH節(jié)點(diǎn)接收到該報(bào)文時(shí)，將依據(jù)不同的情況對(duì)報(bào)文進(jìn)行不同的處理：

(1) 首先判斷報(bào)文幀是不是廣播幀，若是則接收并轉(zhuǎn)發(fā)。

(2) 若不是廣播幀，則檢查其目的鏈路(MAC)地址是否為本DANH節(jié)點(diǎn)MAC地址，若不是則通過另一個(gè)端口將報(bào)文幀轉(zhuǎn)發(fā)，若是則進(jìn)一步判斷是否是第一次收到該幀，如果是第一次收到該幀則接收并轉(zhuǎn)發(fā)給上層UDP或TCP，如果是重復(fù)幀則丟棄。

2 PRP和HSR監(jiān)測(cè)幀分析

利用監(jiān)測(cè)幀來實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視，要求PRP、HSR網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都開啟監(jiān)測(cè)幀功能。IEC 62439-3規(guī)定了PRP、HSR監(jiān)測(cè)幀的格式，由于其具有通用性，因此可省去不少建模工作。

2.1 PRP監(jiān)測(cè)幀

一個(gè)完整的PRP監(jiān)測(cè)幀如圖1所示。

關(guān)鍵字段含義如下：PRP_DestinationAddress為預(yù)留的多播地址;SourceAddress為節(jié)點(diǎn)MAC地址;SupSequenceNumber為監(jiān)測(cè)幀序列號(hào);MacAddress為被兩個(gè)端口使用的MAC 地址。

另外，TLV2.Type和TLV2.Length以及RedBoxMacAddress為RedBox監(jiān)測(cè)幀特有，若節(jié)點(diǎn)不是RedBox則沒有這幾個(gè)字節(jié)。Padding是70個(gè)(無VLAN標(biāo)記)或者74個(gè) (有VLAN標(biāo)記)避免填充的字節(jié)。

當(dāng)從任一個(gè)局域網(wǎng)接收到PRP監(jiān)測(cè)幀時(shí)，伴隨著在幀中標(biāo)示的復(fù)制幀接收和復(fù)制幀丟棄的工作模式，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該根據(jù)接收來的消息體里包含的源MAC地址信息在節(jié)點(diǎn)表中創(chuàng)建入口地址，而不是源地址。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)停止接收來自一個(gè)源節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)幀的時(shí)間超過了NodeForgetTime，但是這個(gè)節(jié)點(diǎn)僅從其中的一個(gè)局域網(wǎng)上接收那個(gè)源節(jié)點(diǎn)的幀數(shù)據(jù)，此時(shí)它應(yīng)該改變?cè)垂?jié)點(diǎn)的狀態(tài)到網(wǎng)絡(luò)A或網(wǎng)絡(luò)B，這取決于接收的幀來自哪個(gè)局域網(wǎng)。

2.2 HSR監(jiān)測(cè)幀

一個(gè)完整的HSR監(jiān)測(cè)幀如圖2所示。

圖2 HSR監(jiān)測(cè)幀示意圖Fig.2 Schematic diagram of HSR detecting frame

此幀的結(jié)構(gòu)和PRP監(jiān)測(cè)幀結(jié)構(gòu)基本相同，其含義不再多述。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接收到第一個(gè)從任意環(huán)網(wǎng)接口過來的HSR監(jiān)測(cè)幀時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)表中創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體入口，記錄接收到的消息體指明的源MAC地址，而不是幀中的源地址，同時(shí)注明這個(gè)幀來自哪個(gè)端口。

3 基于監(jiān)測(cè)幀的冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)

PRP、HSR冗余網(wǎng)絡(luò)在智能變電站的具體實(shí)施過程中，其組網(wǎng)方式靈活多變，既可以采用PRP或者HSR單一方式實(shí)現(xiàn)冗余，又可以二者同時(shí)使用。

3.1 冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)框架

圖3所示的數(shù)字化變電站冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由站控層PRP網(wǎng)絡(luò)、過程層PRP網(wǎng)絡(luò)、間隔HSR環(huán)網(wǎng)組成[15]。二次設(shè)備可通過站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)將PRP/HSR節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)信息(包括應(yīng)用層鏈路告警以及冗余網(wǎng)絡(luò)任一網(wǎng)絡(luò)異常告警等)，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元，由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元完成運(yùn)維預(yù)警提示任務(wù)[16]。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元是一個(gè)邏輯單元，可由多個(gè)物理設(shè)備組合完成管理功能。冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)示意如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維監(jiān)視系統(tǒng)信息處理流程

由于每個(gè)PRP或者HSR節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性地發(fā)送PRP/HSR監(jiān)測(cè)幀，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該接收到相應(yīng)的監(jiān)測(cè)幀[17]。如果在特定的時(shí)間內(nèi)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)幀沒有接收到，就可以認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)和本節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)表(NotesTable)中該節(jié)點(diǎn)信息將會(huì)被刪除；若能再次接收到，那么在節(jié)點(diǎn)表中將會(huì)再次建立該節(jié)點(diǎn)的信息。同時(shí)，冗余監(jiān)測(cè)還要根據(jù)節(jié)點(diǎn)表信息和監(jiān)測(cè)幀調(diào)整全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)冗余狀態(tài)。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的NotesTable表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息被刪除，監(jiān)視系統(tǒng)檢測(cè)到該變化，結(jié)合該刪除節(jié)點(diǎn)發(fā)送監(jiān)視幀的接收情況，判斷出具體的故障位置，給出通信中斷位置，監(jiān)視系統(tǒng)判別出故障點(diǎn)并給出故障點(diǎn)顯示，幫助用戶排除故障。節(jié)點(diǎn)冗余監(jiān)測(cè)的具體實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示。

圖3 冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of redundancy network supervision system

圖4 冗余監(jiān)測(cè)流程Fig.4 Schematic diagram of redundancy detecting

最后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將各自節(jié)點(diǎn)表所包含的統(tǒng)計(jì)信息分別發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維單元，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維單元根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)信息以及全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)冗余狀態(tài)，并結(jié)合智能站SCD網(wǎng)絡(luò)模型[18]，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視與智能預(yù)警。

由此可見，冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)主要由三部分組成。

(1) PRP/HSR節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送監(jiān)測(cè)幀報(bào)文，并且在接收到監(jiān)測(cè)幀后完成NodesTable更新以及信息統(tǒng)計(jì)工作，同時(shí)完成節(jié)點(diǎn)冗余狀態(tài)的調(diào)整。

(2) 智能站GOOSE網(wǎng)絡(luò)把PRP/HSR節(jié)點(diǎn)NodesTable統(tǒng)計(jì)信息上送到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元。

(3) 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元獲取所有PRP/HSR節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)信息、全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)冗余狀態(tài)信息，并結(jié)合SCD與網(wǎng)絡(luò)建模，提供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理智能預(yù)警信息。

3.3 基于監(jiān)測(cè)幀的冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

綜上所述，基于監(jiān)測(cè)幀的冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 源MAC免配置：源MAC為自主學(xué)習(xí)過程，完全依賴SCD模型，并可自動(dòng)適應(yīng)PRP/HSR板卡更換帶來的源MAC變化帶來的問題。

(2) 可針對(duì)裝置預(yù)警：依據(jù)源MAC的自主學(xué)習(xí)找到對(duì)應(yīng)的二次設(shè)備，并直接根據(jù)二次設(shè)備的名稱(SCD文件的描述)直接預(yù)警。

(3) 可評(píng)估網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元獲取了所有二次設(shè)備的NodesTable核心信息，甚至可通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)做網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。

4 結(jié)語

PRP和HSR這兩種冗余協(xié)議實(shí)現(xiàn)了零恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)自愈，因此在智能站工程化應(yīng)用中具有重要意義。但是由于PRP和HSR冗余對(duì)上層應(yīng)用完全透明，因而在發(fā)生單一鏈路故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)不容易發(fā)覺。本文在充分理解PRP和HSR冗余原理的基礎(chǔ)上，提出了基于監(jiān)測(cè)幀的冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)方案，首先搭建了一個(gè)PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)框架，然后具體闡述了監(jiān)測(cè)幀網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視原理和流程，最后分析了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為智能站的冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視提供了一種切實(shí)可行的實(shí)施方案。

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唐孝舟(1986— )，男，湖北黃岡人,工程

師，從事變電站自動(dòng)化監(jiān)控、新能源發(fā)電相關(guān)研究工作(tangxz@nrec.com);

張喜銘(1980— )，男，吉林延吉人,高級(jí)工程師,從事電力自動(dòng)化研究與技術(shù)管理工作(zhangxm@csg.cn);

李廣華(1977— )，男，河北冀州人,高級(jí)工程師,從事變電站通信,網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的研發(fā)工作(ligh@nrec.com);

楊 貴(1976— )，男，吉林柳河人,高級(jí)工程師,從事電力系統(tǒng)通信、傳輸技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)工作(yangg@nrec.com)。

(編輯 劉曉燕)

The Implementation of PRP and HSR Redundancy Network Supervision SystemBased on Detecting Frame

GAO Hongliang1, TAO Wenwei1, TANG Xiaozhou2,ZHANG Ximing1, LI Guanghua2,YANG Gui2

(1. Power Dispatching and Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou, 510663, China;2. Nanjing NARI-relays Electric Co. Ltd.，Nanjing，211100，China)

IEC62439-3 describes parallel redundancy protocol (PRP) and high availability seamless redundancy (HSR) in detail. However, these redundancy protocols are transparent to upper layer, supervision system cannot identify the single link failure. In order to resolve this problem and achieve good maintenance experience of PRP and HSR redundant network, the implementation process of PRP and HSR redundancy is analyzed, the action principle of detecting frame is researched, and a redundancy network supervision system based on detecting frame is built. The specific redundancy detecting principle and implementation method are put forward, and the advantages of this system are summarized and analyzed, which provides an effective solution for the redundancy network supervision of smart substation.

PRP; HSR; detecting frame; redundancy network; supervision system; smart substation

2017-02-02；

2017-03-08

中國南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(ZDKJQQ00000016)

TM 769；TP393

A

2096-3203(2017)04-0065-05

高紅亮

高紅亮(1982—)，男，黑龍江齊齊哈爾人,工程師，從事電力自動(dòng)化研究與技術(shù)管理工作(gaohl@csg.cn)；

陶文偉(1973—)，男，浙江臨海人,教授級(jí)高級(jí)工程師，從事電力自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安全研究與技術(shù)管理工作(taoww@csg.cn)；