隨著高速通信網絡技術的發展，工業控制網絡的通信速率從100Mbit/s增加到1Gbit/s，變電站智能設備中多個相互獨立的協議數據多端口，如制造報文規范（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，合并成一個多種業務共享的以太網端口，實現電力多數據業務網絡的高度融合和站內信息的可靠共享，使新一代智能變電站物理上一層網絡架構的實現成為可能。

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

目前智能變電站網絡實時性主要通過劃分多個虛擬局域網（virtual local area network, VLAN）和優先級標簽技術來保障，即將同一工作性質的智能設備劃分在同一VLAN中，減少跨VLAN的數據通信。但VLAN有數目限制、管理復雜。

智能變電站網絡通信的可靠性通過采用并行冗余雙網或環網的方式保障。并行冗余雙網一般采用基于兩個獨立介質訪問控制層（media access control, MAC）的雙星型冗余網絡結構，這種結構使用基于軟件判斷處理的方式實現雙網冗余，軟件判斷處理存在較大的延時，必然造成網絡故障時雙網的切換時間長、易丟包等情況。環網采用快速生成樹協議（rapid spanning tree protocol, RSTP）來實現。這種方式具有一定的網絡故障自愈能力，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發布了IEC 62439高可用性自動化網絡協議，其中IEC 62439—3規定了并行冗余協議（parallel redundancy protocol, PRP）和高可靠無縫環網冗余協議（high-availability seamless redundancy, HSR），這兩種協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解決方案。

目前，國外在變電站內部網絡組網中已經廣泛應用IEC 62439—3，國內也做了相關研究，但注重的主要是協議本身實現方式的描述并對實現的可能性進行了初步探討，并沒有實際實現、測試驗證。本文提出一種基于IEC 62439—3 PRP/HSR的智能站網絡實現方案，完成典型設備的研制及相關的試驗驗證與測試，并分析總結了PRP/HSR實現方案在智能變電站內部網絡通信應用的前景。

1 PRP/HSR技術基本原理

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

PRP是在節點而非網絡中執行冗余，即使用遵從PRP的雙連接節點DANP執行冗余。DANP被連接到兩個拓撲相似的獨立的局域網，命名為LAN_A和LAN_B，這兩個局域網并行運行。DANP源節點將一個數據幀復制成兩份，加上PRP標識，發送到兩個局域網中。一段時間后，目標節點分別從兩個局域網收到這個數據幀，利用丟棄算法，選取第一個到達的數據幀，丟棄后到的數據幀，并去掉接收的數據幀PRP標識。兩個局域網可以是任意一種網絡拓撲結構，如樹形、環形或網形。

HSR使用遵從HSR的雙連接節點DANH執行冗余。一個簡單的HSR網絡由DANH組成，每個節點有兩個環形端口，由全雙向鏈路連接，形成環形拓撲。DANH源節點將一個數據幀復制成兩份，加上HSR標識，發送到它的兩個端口。非目標DANH將接收到的幀報文從一個端口轉發到另一個端口，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據幀，丟棄后到的數據幀，并去掉接收的數據幀HSR標識。

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

2 PRP/HSR實現方案

2.1 系統實現方案

智能變電站PRP組網應用示意圖如圖1所示。過程層、間隔層和站控層設備均經過網口接入網絡交換機，過程層設備采集SV數據和GOOSE開關量信號后，以以太網數據形式上送網絡交換機；間隔層設備從共享網絡按需獲取SV等信息進行處理，實現保護測控等功能；站控層設備通過共享網絡獲取MMS信息，實現全站信息的有效監控。為保障網絡通信的可靠性，三種設備均設計為通過兩路獨立的以太網端口分別接入兩個以太網交換機，標識為A網和B網，形成并行冗余網絡。各類裝置在物理雙網的基礎上運行PRP。

圖1 智能變電站PRP組網應用示意圖

智能變電站HSR組網應用示意圖如圖2所示。各間隔內的相關保護、測控、合智一體裝置以HSR形式連成環網進行數據交互，各間隔之間的HSR環網通過專用連接設備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控系統組成整個變電站系統的HSR環網通信。

圖2 智能變電站HSR組網應用示意圖

2.2 功能實現及軟件配置

智能變電站網絡中所有雙連節點（double attached node, DAN）設備和冗余盒的PRP/HSR實現由現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）完成，參數配置和工作狀態信息讀取由處理器軟件實現，同時支持IEC 61588協議在雙網冗余中的使用。

1）冗余功能的實現

本文所述的冗余設備，從數據鏈路層的MAC，PRP/HSR鏈路冗余控制模塊及相關的功能接口都在FPGA中以IP核的形式實現，完全自主開發，上層的報文處理由處理軟件實現，包括SV、GOOSE報文，以及TCP/IP協議棧等功能。冗余功能實現方案如圖3所示。

圖3 冗余功能實現方案

依托物理冗余雙網接口，軟件功能通過鏈路冗余控制模塊連接到上層數據應用模塊，并行冗余網口A和網口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網或B網的數據傳遞給上層數據應用模塊，因此，從上層數據應用模塊向下看，實際具有冗余的網口呈現非冗余的特性。通過冗余設計，在提高網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絡組網方式下通信的可靠性。

2）IEC 61588的實現方式

在冗余網絡中，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絡的1588報文，按照最優主時鐘（best master clock, BMC）算法選擇一路作為對時工作網絡。

在DAN設備中，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，根據網絡的實際情況，必要時可以進行A、B網切換，選擇一路作為對時網絡。

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透明時鐘并無區別，在冗余網口端，同樣使用BMC算法選擇一路作為對時網絡。BMC算法由冗余盒的處理器軟件實現，整個冗余盒在對時系統中的功能是P2P的透明時鐘。

3）工作參數及狀態獲取

DAN和冗余盒的工作參數由CPU來配置，配置接口根據實際情況采用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的設備中，由于BMC算法的實現需共用數據傳輸通道，故使用并行總線，以獲取更快的數據傳輸率，提升對時性能。

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

2.3 關鍵設備研制

使用PRP/HSR實現一層網絡應用的關鍵是研制雙網冗余控制設備及軟件實現。根據入網設備接口的特點，雙網冗余控制設備可以有不同的實現方式。對于需要自帶雙網冗余接口的雙連節點設備DAN，雙網冗余控制設備可以和裝置的核心板卡進行統一。

由于涉及信息的獲取及上傳，雙網冗余設備通常作為一個接口模塊嵌入設備的核心CPU板卡中。對于本身僅有一個入網接口的單連節點（single attached node, SAN）設備，雙網冗余控制模塊可作為一個獨立的設備存在，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、數字信號處理器（digital signal processor, DSP）和平臺FPGA實現裝置功能，應用FPGA實現PRP雙網冗余通信功能，包括以太網MAC功能、查找表及丟棄算法的實現等。FPGA芯片通過外部物理層接口器件PHY對外擴展2路以太網口A、B。

由于SV數據量大，GOOSE數據存在突發傳輸特性，裝置需具有快速處理和傳輸大容量數據的能力，因此冗余網口設計為支持千兆電模式或光模式，且光網口模塊光功率可以實現在線采集和監測。通過在核心CPU板卡上進行雙網口設計，實現了不同設備的共網接入及通信網絡的互備，提高了設備共網的可靠性。

圖4 核心CPU板卡硬件原理框圖

2）雙網冗余盒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冗余盒。雙網冗余盒針對單節點接入設備，可使PRP技術在單網口設備上的應用成為可能。所設計的雙網冗余盒可以很方便地通過卡槽安裝在變電站室內屏柜的端子卡軌上，緊挨著單節點設備安裝。單節點設備通過冗余盒接入共網網絡的方法如圖5所示。

圖5 單節點設備連接示意圖

3）四端口HSR環連接設備QuadBox

兩個HSR環可以通過四端口連接設備QuadBox相連接。QuadBox可以通過連接兩個RedBox的設備接口DEV內部互聯模塊（InterLink）擴展實現，QuadBox的內部結構如圖6所示。

圖6 QuadBox內部結構

通過對QuadBox內部InterLink功能的配置可以靈活控制所連接各HSR環網之間的以太網信息交互，防止網絡風暴的產生。

?3 試驗驗證與測試

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

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

圖7 網絡性能測試系統

PRP和HSR模式下的測試結果分別見表1和表2。由表1和表2可見，PRP及HSR模式下各口之間的轉發丟包率為零。RedBox的Device口與A、B口以太網報文的轉發延時同樣可以通過FPGA內部調試工具Chipscope精確測量出來，測量結果見表3。

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

表1 PRP模式下RedBox丟包率

表2 HSR模式下RedBox丟包率

表3 RedBox網口轉發延時

??4 應用分析

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

PRP冗余雙網仍然需要借助交換機構建，網絡結構不發生變化，同傳統方案相比不增加交換機數量，但不支持PRP功能的二次設備需要增加專用設備冗余盒以接入PRP網絡。PRP網絡仍可采用VLAN技術實現不同網絡業務數據的隔離，進一步提高通信可靠性。PRP網絡理論上最多可以接入256臺二次設備，可以滿足35～1 000kV各電壓等級變電站的組網要求。

HSR環網省去了交換機設備，降低了網絡建設成本。變電站網絡結構變為環網結構，不同的HSR環網之間需要配置QuadBox進行互聯。由于HSR單個環網接入設備數量有限制，所以HSR適合在二次設備數量不多的工程場合應用，應用HSR推薦按照間隔進行組網的方式，每個間隔形成環網，并劃分VLAN以限制不同環網之間的數據流量。智能變電站網絡也可根據具體情況結合PRP和HSR的優勢，采用混合組網。

?5 結論

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

?本文編自2021年第9期《電氣技術》，論文標題為“并行冗余和高可靠無縫環網冗余技術在智能變電站中的應用”，作者為謝黎。