并行冗余和高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)在智能變電站中的應用

謝 黎

并行冗余和高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)在智能變電站中的應用

謝 黎

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

本文分析總結(jié)了智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡通信的應用現(xiàn)狀，針對目前智能變電站存在的網(wǎng)絡通信實時性和可靠性的問題，提出一種基于IEC 62439—3并行冗余和高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議的智能站一層網(wǎng)絡實現(xiàn)方案，完成典型設(shè)備的研制及相關(guān)的試驗驗證與測試。試驗證明，并行冗余和高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)可滿足電力系統(tǒng)保護裝置對速動性和可靠性的要求，在智能變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)具有較好的實用性。最后分析總結(jié)并行冗余和高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)對智能變電站建設(shè)帶來的影響。

智能變電站；并行冗余；高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余；一層網(wǎng)絡；雙網(wǎng)冗余

0 引言

隨著高速通信網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡的通信速率從100Mbit/s增加到1Gbit/s，變電站智能設(shè)備中多個相互獨立的協(xié)議數(shù)據(jù)多端口，如制造報文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）、面向通用對象的變電站事件（generic objected oriented substation event, GOOSE）、采樣值（sample value, SV）和1588，合并成一個多種業(yè)務共享的以太網(wǎng)端口，實現(xiàn)電力多數(shù)據(jù)業(yè)務網(wǎng)絡的高度融合和站內(nèi)信息的可靠共享，使新一代智能變電站物理上一層網(wǎng)絡架構(gòu)的實現(xiàn)[1-5]成為可能。

一層網(wǎng)絡混合組網(wǎng)的架構(gòu)使智能變電站內(nèi)部交換機及光口數(shù)量大幅減少，網(wǎng)絡架構(gòu)更加清晰，全站信息高度共享，同時，網(wǎng)絡流量的大幅增加，對通信的實時性和可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。

目前智能變電站網(wǎng)絡實時性主要通過劃分多個虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network, VLAN）和優(yōu)先級標簽技術(shù)來保障，即將同一工作性質(zhì)的智能設(shè)備劃分在同一VLAN中，減少跨VLAN的數(shù)據(jù)通信。但VLAN有數(shù)目限制、管理復雜[6-9]。

智能變電站網(wǎng)絡通信的可靠性通過采用并行冗余雙網(wǎng)或環(huán)網(wǎng)的方式保障。并行冗余雙網(wǎng)一般采用基于兩個獨立介質(zhì)訪問控制層（media access control, MAC）的雙星型冗余網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使用基于軟件判斷處理的方式實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，軟件判斷處理存在較大的延時，必然造成網(wǎng)絡故障時雙網(wǎng)的切換時間長、易丟包等情況。環(huán)網(wǎng)采用快速生成樹協(xié)議（rapid spanning tree protocol, RSTP）來實現(xiàn)。這種方式具有一定的網(wǎng)絡故障自愈能力，但收斂時間太長，無法滿足智能變電站對故障快速響應的需求。

2008年IEC SC65 WG15發(fā)布了IEC 62439高可用性自動化網(wǎng)絡協(xié)議，其中IEC 62439—3規(guī)定了并行冗余協(xié)議（parallel redundancy protocol, PRP）和高可靠無縫環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議（high-availability seamless redundancy, HSR）[10]，這兩種協(xié)議都能夠滿足智能變電站通信的實時性要求，同時也為智能變電站提供了高可靠性組網(wǎng)解決方案。目前，國外在變電站內(nèi)部網(wǎng)絡組網(wǎng)中已經(jīng)廣泛應用IEC 62439—3，國內(nèi)也做了相關(guān)研究[11-16]，但注重的主要是協(xié)議本身實現(xiàn)方式的描述并對實現(xiàn)的可能性進行了初步探討，并沒有實際實現(xiàn)、測試驗證。本文提出一種基于IEC 62439—3 PRP/HSR的智能站網(wǎng)絡實現(xiàn)方案，完成典型設(shè)備的研制及相關(guān)的試驗驗證與測試，并分析總結(jié)了PRP/HSR實現(xiàn)方案在智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡通信應用的前景。

1 PRP/HSR技術(shù)基本原理

IEC 62439標準中提出的PRP和HSR具有網(wǎng)絡故障恢復零延時、故障時不丟幀、網(wǎng)絡可靠性高等特點，其技術(shù)原理如下。

PRP是在節(jié)點而非網(wǎng)絡中執(zhí)行冗余，即使用遵從PRP的雙連接節(jié)點DANP執(zhí)行冗余。DANP被連接到兩個拓撲相似的獨立的局域網(wǎng)，命名為LAN_A和LAN_B，這兩個局域網(wǎng)并行運行。DANP源節(jié)點將一個數(shù)據(jù)幀復制成兩份，加上PRP標識，發(fā)送到兩個局域網(wǎng)中。一段時間后，目標節(jié)點分別從兩個局域網(wǎng)收到這個數(shù)據(jù)幀，利用丟棄算法，選取第一個到達的數(shù)據(jù)幀，丟棄后到的數(shù)據(jù)幀，并去掉接收的數(shù)據(jù)幀PRP標識。兩個局域網(wǎng)可以是任意一種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如樹形、環(huán)形或網(wǎng)形。

HSR使用遵從HSR的雙連接節(jié)點DANH執(zhí)行冗余。一個簡單的HSR網(wǎng)絡由DANH組成，每個節(jié)點有兩個環(huán)形端口，由全雙向鏈路連接，形成環(huán)形拓撲。DANH源節(jié)點將一個數(shù)據(jù)幀復制成兩份，加上HSR標識，發(fā)送到它的兩個端口。非目標DANH將接收到的幀報文從一個端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個端口，目標DANH接收來自兩個端口的具有一定時延的相同幀報文，利用丟棄算法，選取第一個到達的數(shù)據(jù)幀，丟棄后到的數(shù)據(jù)幀，并去掉接收的數(shù)據(jù)幀HSR標識。

基于PRP/HSR的冗余網(wǎng)絡要求裝置包含雙以太網(wǎng)控制器和同一MAC地址的雙網(wǎng)絡端口，分別接入兩個完全獨立的以太網(wǎng)，實現(xiàn)裝置通信網(wǎng)絡的冗余。

2 PRP/HSR實現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

智能變電站PRP組網(wǎng)應用示意圖如圖1所示。過程層、間隔層和站控層設(shè)備均經(jīng)過網(wǎng)口接入網(wǎng)絡交換機，過程層設(shè)備采集SV數(shù)據(jù)和GOOSE開關(guān)量信號后，以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)形式上送網(wǎng)絡交換機；間隔層設(shè)備從共享網(wǎng)絡按需獲取SV等信息進行處理，實現(xiàn)保護測控等功能；站控層設(shè)備通過共享網(wǎng)絡獲取MMS信息，實現(xiàn)全站信息的有效監(jiān)控。為保障網(wǎng)絡通信的可靠性，三種設(shè)備均設(shè)計為通過兩路獨立的以太網(wǎng)端口分別接入兩個以太網(wǎng)交換機，標識為A網(wǎng)和B網(wǎng)，形成并行冗余網(wǎng)絡。各類裝置在物理雙網(wǎng)的基礎(chǔ)上運行PRP。

圖1 智能變電站PRP組網(wǎng)應用示意圖

智能變電站HSR組網(wǎng)應用示意圖如圖2所示。各間隔內(nèi)的相關(guān)保護、測控、合智一體裝置以HSR形式連成環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，各間隔之間的HSR環(huán)網(wǎng)通過專用連接設(shè)備QuadBox連接到一起，最終和母線測控、公用測控及站控層的后臺監(jiān)控系統(tǒng)組成整個變電站系統(tǒng)的HSR環(huán)網(wǎng)通信。

圖2 智能變電站HSR組網(wǎng)應用示意圖

2.2 功能實現(xiàn)及軟件配置

智能變電站網(wǎng)絡中所有雙連節(jié)點（double attached node, DAN）設(shè)備和冗余盒的PRP/HSR實現(xiàn)由現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）完成，參數(shù)配置和工作狀態(tài)信息讀取由處理器軟件實現(xiàn)，同時支持IEC 61588協(xié)議在雙網(wǎng)冗余中的使用。

1）冗余功能的實現(xiàn)

本文所述的冗余設(shè)備，從數(shù)據(jù)鏈路層的MAC，PRP/HSR鏈路冗余控制模塊及相關(guān)的功能接口都在FPGA中以IP核的形式實現(xiàn)，完全自主開發(fā)，上層的報文處理由處理軟件實現(xiàn)，包括SV、GOOSE報文，以及TCP/IP協(xié)議棧等功能。冗余功能實現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 冗余功能實現(xiàn)方案

依托物理冗余雙網(wǎng)接口，軟件功能通過鏈路冗余控制模塊連接到上層數(shù)據(jù)應用模塊，并行冗余網(wǎng)口A和網(wǎng)口B使用相同的MAC地址，鏈路冗余實體（link redundancy entity, LRE）模塊通過冗余算法只將A網(wǎng)或B網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞給上層數(shù)據(jù)應用模塊，因此，從上層數(shù)據(jù)應用模塊向下看，實際具有冗余的網(wǎng)口呈現(xiàn)非冗余的特性。通過冗余設(shè)計，在提高網(wǎng)絡通信可靠性的同時不影響裝置的任何性能，可保證智能變電站在一層網(wǎng)絡組網(wǎng)方式下通信的可 靠性。

2）IEC 61588的實現(xiàn)方式

在冗余網(wǎng)絡中，IEC 61588報文都是雙份存在的，處理方式不同于普通報文，PRP/HSR模塊不是選擇最快到達的報文傳給上層，而是同時接受來自兩個網(wǎng)絡的1588報文，按照最優(yōu)主時鐘（best master clock, BMC）算法選擇一路作為對時工作網(wǎng)絡。

在DAN設(shè)備中，需要維護一個普通時鐘（ordinary clock, OC），并使用BMC算法處理來自PRP/HSR模塊的對時報文，BMC算法由軟件實現(xiàn)，根據(jù)網(wǎng)絡的實際情況，必要時可以進行A、B網(wǎng)切換，選擇一路作為對時網(wǎng)絡。

在冗余盒中，維護一個P2P透明時鐘，在Device端口和普通IEC 61588的P2P透明時鐘并無區(qū)別，在冗余網(wǎng)口端，同樣使用BMC算法選擇一路作為對時網(wǎng)絡。BMC算法由冗余盒的處理器軟件實現(xiàn)，整個冗余盒在對時系統(tǒng)中的功能是P2P的透明時鐘。

3）工作參數(shù)及狀態(tài)獲取

DAN和冗余盒的工作參數(shù)由CPU來配置，配置接口根據(jù)實際情況采用LocalBus并行總線，也可以使用集成電路總線（inter-integrated circuit, IIC）等低速總線。在支持IEC 61588的設(shè)備中，由于BMC算法的實現(xiàn)需共用數(shù)據(jù)傳輸通道，故使用并行總線，以獲取更快的數(shù)據(jù)傳輸率，提升對時性能。

軟件對PRP/HSR設(shè)備的配置主要有兩個方面：工作模式（PRP還是HSR）、網(wǎng)絡速率（PRP/HSR要求A、B網(wǎng)處于相同速率模式下）。同時軟件可讀取設(shè)備工作狀態(tài)和統(tǒng)計信息（報文流量、報文類型等）及故障指示等信息。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備研制

使用PRP/HSR實現(xiàn)一層網(wǎng)絡應用的關(guān)鍵是研制雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備及軟件實現(xiàn)。根據(jù)入網(wǎng)設(shè)備接口的特點，雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備可以有不同的實現(xiàn)方式。對于需要自帶雙網(wǎng)冗余接口的雙連節(jié)點設(shè)備DAN，雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備可以和裝置的核心板卡進行統(tǒng)一。由于涉及信息的獲取及上傳，雙網(wǎng)冗余設(shè)備通常作為一個接口模塊嵌入設(shè)備的核心CPU板卡中。對于本身僅有一個入網(wǎng)接口的單連節(jié)點（single attached node, SAN）設(shè)備，雙網(wǎng)冗余控制模塊可作為一個獨立的設(shè)備存在，簡稱冗余盒。

1）核心CPU板

核心CPU板卡硬件原理框圖如圖4所示，CPU、數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）和平臺FPGA實現(xiàn)裝置功能，應用FPGA實現(xiàn)PRP雙網(wǎng)冗余通信功能，包括以太網(wǎng)MAC功能、查找表及丟棄算法的實現(xiàn)等。FPGA芯片通過外部物理層接口器件PHY對外擴展2路以太網(wǎng)口A、B。由于SV數(shù)據(jù)量大，GOOSE數(shù)據(jù)存在突發(fā)傳輸特性，裝置需具有快速處理和傳輸大容量數(shù)據(jù)的能力，因此冗余網(wǎng)口設(shè)計為支持千兆電模式或光模式，且光網(wǎng)口模塊光功率可以實現(xiàn)在線采集和監(jiān)測。通過在核心CPU板卡上進行雙網(wǎng)口設(shè)計，實現(xiàn)了不同設(shè)備的共網(wǎng)接入及通信網(wǎng)絡的互備，提高了設(shè)備共網(wǎng)的可靠性。

圖4 核心CPU板卡硬件原理框圖

2）雙網(wǎng)冗余盒RedBox

將核心CPU板卡中應用FPGA及其外圍電路單獨剝離出來，進行封裝后即可成為雙網(wǎng)冗余盒。雙網(wǎng)冗余盒針對單節(jié)點接入設(shè)備，可使PRP技術(shù)在單網(wǎng)口設(shè)備上的應用成為可能。所設(shè)計的雙網(wǎng)冗余盒可以很方便地通過卡槽安裝在變電站室內(nèi)屏柜的端子卡軌上，緊挨著單節(jié)點設(shè)備安裝。單節(jié)點設(shè)備通過冗余盒接入共網(wǎng)網(wǎng)絡的方法如圖5所示。

圖5 單節(jié)點設(shè)備連接示意圖

3）四端口HSR環(huán)連接設(shè)備QuadBox

兩個HSR環(huán)可以通過四端口連接設(shè)備QuadBox相連接。QuadBox可以通過連接兩個RedBox的設(shè)備接口DEV內(nèi)部互聯(lián)模塊（InterLink）擴展實現(xiàn)，QuadBox的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 QuadBox內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過對QuadBox內(nèi)部InterLink功能的配置可以靈活控制所連接各HSR環(huán)網(wǎng)之間的以太網(wǎng)信息交互，防止網(wǎng)絡風暴的產(chǎn)生。

3 試驗驗證與測試

由于雙節(jié)點設(shè)備（DAN）和冗余盒（RedBox）的PRP/HSR實現(xiàn)機理完全一樣，本文通過對單個RedBox的定量測試及其組成的PRP/HSR系統(tǒng)網(wǎng)絡通信性能定性測試來驗證PRP/HSR對三網(wǎng)合一網(wǎng)絡通信的可靠性和實時性的影響，基于RedBox的PRP/HSR網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)如圖7所示。

在PRP模式下通過SmartBit網(wǎng)絡測試儀向RedBox的A、B口加流量，測試Device口（D口）在不同通信帶寬下的轉(zhuǎn)發(fā)延時及丟包率，D口加流量，測試A、B口在不同通信帶寬下的轉(zhuǎn)發(fā)延時及丟包率；在HSR模式下通過SmartBit網(wǎng)絡測試儀向RedBox的A口加流量，測試B口、D口不同通信帶寬下轉(zhuǎn)發(fā)延時及丟包率。

圖7 基于RedBox的PRP/HSR網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)

PRP和HSR模式下的測試結(jié)果分別見表1和表2。

由表1和表2可見，PRP及HSR模式下各口之間的轉(zhuǎn)發(fā)丟包率為零。

RedBox的Device口與A、B口以太網(wǎng)報文的轉(zhuǎn)發(fā)延時同樣可以通過FPGA內(nèi)部調(diào)試工具Chipscope精確測量出來，測量結(jié)果見表3。

由表3可知，PRP或者HSR模式下Device口與A、B口之間的轉(zhuǎn)發(fā)延時和報文長度成正比，基本和報文的發(fā)送接收時間一致，其原因是Device口與A、B口之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，即完整報文接收存儲后才開始轉(zhuǎn)發(fā)；而HSR模式下A、B口之間的轉(zhuǎn)發(fā)延時和報文長度無關(guān)，只與通信的以太網(wǎng)速率相關(guān)，其原因是HSR模式下A、B口之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換采用實時轉(zhuǎn)發(fā)機制，即其中一個口收到HSR flag后即開始從另外一口轉(zhuǎn)發(fā)此報文。

表1 PRP模式下RedBox丟包率

表2 HSR模式下RedBox丟包率

表3 RedBox網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)延時

4 應用分析

PRP/HSR雙網(wǎng)切換與報文篩選機制由FPGA實現(xiàn)，從原理上保證了網(wǎng)絡恢復零延時與零丟包。同時，應用軟件不再考慮雙網(wǎng)切換機制，使設(shè)計得以簡化。

PRP冗余雙網(wǎng)仍然需要借助交換機構(gòu)建，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，同傳統(tǒng)方案相比不增加交換機數(shù)量，但不支持PRP功能的二次設(shè)備需要增加專用設(shè)備冗余盒以接入PRP網(wǎng)絡。PRP網(wǎng)絡仍可采用VLAN技術(shù)實現(xiàn)不同網(wǎng)絡業(yè)務數(shù)據(jù)的隔離，進一步提高通信可靠性。PRP網(wǎng)絡理論上最多可以接入256臺二次設(shè)備，可以滿足35～1 000kV各電壓等級變電站的組網(wǎng)要求。

HSR環(huán)網(wǎng)省去了交換機設(shè)備，降低了網(wǎng)絡建設(shè)成本。變電站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變?yōu)榄h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不同的HSR環(huán)網(wǎng)之間需要配置QuadBox進行互聯(lián)。由于HSR單個環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量有限制，所以HSR適合在二次設(shè)備數(shù)量不多的工程場合應用，應用HSR推薦按照間隔進行組網(wǎng)的方式，每個間隔形成環(huán)網(wǎng)，并劃分VLAN以限制不同環(huán)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)流量。

智能變電站網(wǎng)絡也可根據(jù)具體情況結(jié)合PRP和HSR的優(yōu)勢，采用混合組網(wǎng)。

5 結(jié)論

在智能變電站網(wǎng)絡通信中使用PRP/HSR技術(shù)，解決了當前網(wǎng)絡應用中所面臨的所有變電站自動化系統(tǒng)的實時要求，簡化了智能變電站的網(wǎng)絡架構(gòu)，可提高通信網(wǎng)絡的可用性，滿足保護采樣實時性、可靠性的要求，降低整體造價。HSR組網(wǎng)技術(shù)同樣可適用于配電環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，研究PRP/HSR技術(shù)在電力系統(tǒng)其他領(lǐng)域網(wǎng)絡中的應用是下一步的研究方向。

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Application of parallel redundancy and high-availability seamless redundancy technology in smart substation

XIE Li

(NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 211106)

This paper analyzes and summarizes the application status of internal network communication in smart substation. Aiming at the problems of real-time and reliability of network communication existing in the smart substation, this paper puts forward an implementation scheme of smart station one layer network based on IEC 62439—3 parallel redundancy protocol and high-availability seamless redundancy, and completes the development of typical equipment and related test verification. The test results show that parallel redundancy protocol and high-availability seamless redundancy technology can meet the requirements of power system protection device for quick action and has good practicability in intelligent substation automation system. Finally, the impact of the implementation scheme on smart substation is analyzed from the aspects of network architecture.

smart substation; parallel redundancy; high-availability seamless redundancy; one layer network; dual network redundancy

2020-12-01

2020-12-14

謝 黎（1978—），男，湖南漣源人，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)二次設(shè)備研發(fā)工作。

國家電網(wǎng)公司科技項目（SGTYHT/14-JS-188）