隨著高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)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(dú)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(wù)共享的以太網(wǎng)端口，實(shí)現(xiàn)電力多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)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(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

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

目前智能變電站網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(biāo)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(fù)雜。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)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(dú)立介質(zhì)訪問控制層（media access control, MAC）的雙星型冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使用基于軟件判斷處理的方式實(shí)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(luò)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(shí)現(xiàn)。這種方式具有一定的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的需求。

2008年IEC SC65 WG15發(fā)布了IEC 62439高可用性自動化網(wǎng)絡(luò)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），這兩種協(xié)議都能夠滿足智能變電站通信的實(shí)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(luò)組網(wǎng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用IEC 62439—3，國內(nèi)也做了相關(guān)研究，但注重的主要是協(xié)議本身實(shí)現(xiàn)方式的描述并對實(shí)現(xiàn)的可能性進(jìn)行了初步探討，并沒有實(shí)際實(shí)現(xiàn)、測試驗(yàn)證。本文提出一種基于IEC 62439—3 PRP/HSR的智能站網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，完成典型設(shè)備的研制及相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證與測試，并分析總結(jié)了PRP/HSR實(shí)現(xiàn)方案在智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用的前景。

1 PRP/HSR技術(shù)基本原理

IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)中提出的PRP和HSR具有網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)零延時、故障時不丟幀、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等特點(diǎn)，其技術(shù)原理如下。

PRP是在節(jié)點(diǎn)而非網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行冗余，即使用遵從PRP的雙連接節(jié)點(diǎn)DANP執(zhí)行冗余。DANP被連接到兩個拓?fù)湎嗨频莫?dú)立的局域網(wǎng)，命名為LAN_A和LAN_B，這兩個局域網(wǎng)并行運(yùn)行。DANP源節(jié)點(diǎn)將一個數(shù)據(jù)幀復(fù)制成兩份，加上PRP標(biāo)識，發(fā)送到兩個局域網(wǎng)中。一段時間后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(dá)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(biāo)識。兩個局域網(wǎng)可以是任意一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(diǎn)DANH執(zhí)行冗余。一個簡單的HSR網(wǎng)絡(luò)由DANH組成，每個節(jié)點(diǎn)有兩個環(huán)形端口，由全雙向鏈路連接，形成環(huán)形拓?fù)?。DANH源節(jié)點(diǎn)將一個數(shù)據(jù)幀復(fù)制成兩份，加上HSR標(biāo)識，發(fā)送到它的兩個端口。非目標(biāo)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(biāo)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(dá)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(biāo)識。

基于PRP/HSR的冗余網(wǎng)絡(luò)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(luò)端口，分別接入兩個完全獨(dú)立的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)裝置通信網(wǎng)絡(luò)的冗余。

2 PRP/HSR實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

智能變電站PRP組網(wǎng)應(yīng)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(luò)交換機(jī)，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(luò)交換機(jī)；間隔層設(shè)備從共享網(wǎng)絡(luò)按需獲取SV等信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控等功能；站控層設(shè)備通過共享網(wǎng)絡(luò)獲取MMS信息，實(shí)現(xiàn)全站信息的有效監(jiān)控。為保障網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，三種設(shè)備均設(shè)計(jì)為通過兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)端口分別接入兩個以太網(wǎng)交換機(jī)，標(biāo)識為A網(wǎng)和B網(wǎng)，形成并行冗余網(wǎng)絡(luò)。各類裝置在物理雙網(wǎng)的基礎(chǔ)上運(yùn)行PRP。

圖1 智能變電站PRP組網(wǎng)應(yīng)用示意圖

智能變電站HSR組網(wǎng)應(yīng)用示意圖如圖2所示。各間隔內(nèi)的相關(guān)保護(hù)、測控、合智一體裝置以HSR形式連成環(huán)網(wǎng)進(jìn)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(yīng)用示意圖

2.2 功能實(shí)現(xiàn)及軟件配置

智能變電站網(wǎng)絡(luò)中所有雙連節(jié)點(diǎn)（double attached node, DAN）設(shè)備和冗余盒的PRP/HSR實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)，完全自主開發(fā)，上層的報文處理由處理軟件實(shí)現(xiàn)，包括SV、GOOSE報文，以及TCP/IP協(xié)議棧等功能。冗余功能實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 冗余功能實(shí)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(yīng)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(shí)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(yīng)用模塊，因此，從上層數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊向下看，實(shí)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(jì)，在提高網(wǎng)絡(luò)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(luò)組網(wǎng)方式下通信的可靠性。

2）IEC 61588的實(shí)現(xiàn)方式

在冗余網(wǎng)絡(luò)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(dá)的報文傳給上層，而是同時接受來自兩個網(wǎng)絡(luò)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(luò)。

在DAN設(shè)備中，需要維護(hù)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(shí)現(xiàn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，必要時可以進(jìn)行A、B網(wǎng)切換，選擇一路作為對時網(wǎng)絡(luò)。

在冗余盒中，維護(hù)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(luò)。BMC算法由冗余盒的處理器軟件實(shí)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(shí)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(shí)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(luò)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(jì)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(shí)現(xiàn)一層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵是研制雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備及軟件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)入網(wǎng)設(shè)備接口的特點(diǎn)，雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備可以有不同的實(shí)現(xiàn)方式。對于需要自帶雙網(wǎng)冗余接口的雙連節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)（single attached node, SAN）設(shè)備，雙網(wǎng)冗余控制模塊可作為一個獨(dú)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(shí)現(xiàn)裝置功能，應(yīng)用FPGA實(shí)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(shí)現(xiàn)等。FPGA芯片通過外部物理層接口器件PHY對外擴(kuò)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(jì)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(shí)現(xiàn)在線采集和監(jiān)測。通過在核心CPU板卡上進(jìn)行雙網(wǎng)口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備的共網(wǎng)接入及通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用FPGA及其外圍電路單獨(dú)剝離出來，進(jìn)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(diǎn)接入設(shè)備，可使PRP技術(shù)在單網(wǎng)口設(shè)備上的應(yīng)用成為可能。所設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)備安裝。單節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過冗余盒接入共網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的方法如圖5所示。

圖5 單節(jié)點(diǎn)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(kuò)展實(shí)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(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生。

?3 試驗(yàn)驗(yàn)證與測試

由于雙節(jié)點(diǎn)設(shè)備（DAN）和冗余盒（RedBox）的PRP/HSR實(shí)現(xiàn)機(jī)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(luò)通信性能定性測試來驗(yàn)證PRP/HSR對三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實(shí)時性的影響，基于RedBox的PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)性能測試系統(tǒng)如圖7所示。

在PRP模式下通過SmartBit網(wǎng)絡(luò)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(luò)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 網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(yīng)用分析

PRP/HSR雙網(wǎng)切換與報文篩選機(jī)制由FPGA實(shí)現(xiàn)，從原理上保證了網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)零延時與零丟包。同時，應(yīng)用軟件不再考慮雙網(wǎng)切換機(jī)制，使設(shè)計(jì)得以簡化。

PRP冗余雙網(wǎng)仍然需要借助交換機(jī)構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，同傳統(tǒng)方案相比不增加交換機(jī)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(luò)。PRP網(wǎng)絡(luò)仍可采用VLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隔離，進(jìn)一步提高通信可靠性。PRP網(wǎng)絡(luò)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(jī)設(shè)備，降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。變電站網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(yīng)用，應(yīng)用HSR推薦按照間隔進(jìn)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(luò)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(luò)通信中使用PRP/HSR技術(shù)，解決了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中所面臨的所有變電站自動化系統(tǒng)的實(shí)時要求，簡化了智能變電站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可提高通信網(wǎng)絡(luò)的可用性，滿足保護(hù)采樣實(shí)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(luò)中的應(yīng)用是下一步的研究方向。

?本文編自2021年第9期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“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(yīng)用”，作者為謝黎。