并行冗余和高可靠无缝环网冗余技术在智能变电站中的应用

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国电南瑞科技股份有限公司的研究人员谢黎，在2021年第9期《电气技术》上撰文，分析总结了智能变电站内部网络通信的应用现状，针对目前智能变电站存在的网络通信实时性和可靠性的问题，提出一种基于IEC 62439—3并行冗余和高可靠无缝环网冗余协议的智能站一层网络实现方案，完成典型设备的研制及相关的试验验证与测试。试验证明，并行冗余和高可靠无缝环网冗余技术可满足电力系统保护装置对速动性和可靠性的要求，在智能变电站自动化系统内具有较好的实用性。最后分析总结并行冗余和高可靠无缝环网冗余技术对智能变电站建设带来的影响。

随着高速通信网络技术的发展，工业控制网络的通信速率从100Mbit/s增加到1Gbit/s，变电站智能设备中多个相互独立的协议数据多端口，如制造报文规范（manufacturing message specification, MMS）、面向通用对象的变电站事件（generic objected oriented substation event, GOOSE）、采样值（sample value, SV）和1588，合并成一个多种业务共享的以太网端口，实现电力多数据业务网络的高度融合和站内信息的可靠共享，使新一代智能变电站物理上一层网络架构的实现成为可能。

一层网络混合组网的架构使智能变电站内部交换机及光口数量大幅减少，网络架构更加清晰，全站信息高度共享，同时，网络流量的大幅增加，对通信的实时性和可靠性提出了新的挑战。

目前智能变电站网络实时性主要通过划分多个虚拟局域网（virtual local area network, VLAN）和优先级标签技术来保障，即将同一工作性质的智能设备划分在同一VLAN中，减少跨VLAN的数据通信。但VLAN有数目限制、管理复杂。

智能变电站网络通信的可靠性通过采用并行冗余双网或环网的方式保障。并行冗余双网一般采用基于两个独立介质访问控制层（media access control, MAC）的双星型冗余网络结构，这种结构使用基于软件判断处理的方式实现双网冗余，软件判断处理存在较大的延时，必然造成网络故障时双网的切换时间长、易丢包等情况。环网采用快速生成树协议（rapid spanning tree protocol, RSTP）来实现。这种方式具有一定的网络故障自愈能力，但收敛时间太长，无法满足智能变电站对故障快速响应的需求。

2008年IEC SC65 WG15发布了IEC 62439高可用性自动化网络协议，其中IEC 62439—3规定了并行冗余协议（parallel redundancy protocol, PRP）和高可靠无缝环网冗余协议（high-availability seamless redundancy, HSR），这两种协议都能够满足智能变电站通信的实时性要求，同时也为智能变电站提供了高可靠性组网解决方案。

目前，国外在变电站内部网络组网中已经广泛应用IEC 62439—3，国内也做了相关研究，但注重的主要是协议本身实现方式的描述并对实现的可能性进行了初步探讨，并没有实际实现、测试验证。本文提出一种基于IEC 62439—3 PRP/HSR的智能站网络实现方案，完成典型设备的研制及相关的试验验证与测试，并分析总结了PRP/HSR实现方案在智能变电站内部网络通信应用的前景。

1  PRP/HSR技术基本原理

IEC 62439标准中提出的PRP和HSR具有网络故障恢复零延时、故障时不丢帧、网络可靠性高等特点，其技术原理如下。

PRP是在节点而非网络中执行冗余，即使用遵从PRP的双连接节点DANP执行冗余。DANP被连接到两个拓扑相似的独立的局域网，命名为LAN_A和LAN_B，这两个局域网并行运行。DANP源节点将一个数据帧复制成两份，加上PRP标识，发送到两个局域网中。一段时间后，目标节点分别从两个局域网收到这个数据帧，利用丢弃算法，选取第一个到达的数据帧，丢弃后到的数据帧，并去掉接收的数据帧PRP标识。两个局域网可以是任意一种网络拓扑结构，如树形、环形或网形。

HSR使用遵从HSR的双连接节点DANH执行冗余。一个简单的HSR网络由DANH组成，每个节点有两个环形端口，由全双向链路连接，形成环形拓扑。DANH源节点将一个数据帧复制成两份，加上HSR标识，发送到它的两个端口。非目标DANH将接收到的帧报文从一个端口转发到另一个端口，目标DANH接收来自两个端口的具有一定时延的相同帧报文，利用丢弃算法，选取第一个到达的数据帧，丢弃后到的数据帧，并去掉接收的数据帧HSR标识。

基于PRP/HSR的冗余网络要求装置包含双以太网控制器和同一MAC地址的双网络端口，分别接入两个完全独立的以太网，实现装置通信网络的冗余。

2  PRP/HSR实现方案

2.1  系统实现方案

智能变电站PRP组网应用示意图如图1所示。过程层、间隔层和站控层设备均经过网口接入网络交换机，过程层设备采集SV数据和GOOSE开关量信号后，以以太网数据形式上送网络交换机；间隔层设备从共享网络按需获取SV等信息进行处理，实现保护测控等功能；站控层设备通过共享网络获取MMS信息，实现全站信息的有效监控。为保障网络通信的可靠性，三种设备均设计为通过两路独立的以太网端口分别接入两个以太网交换机，标识为A网和B网，形成并行冗余网络。各类装置在物理双网的基础上运行PRP。

图1  智能变电站PRP组网应用示意图

智能变电站HSR组网应用示意图如图2所示。各间隔内的相关保护、测控、合智一体装置以HSR形式连成环网进行数据交互，各间隔之间的HSR环网通过专用连接设备QuadBox连接到一起，最终和母线测控、公用测控及站控层的后台监控系统组成整个变电站系统的HSR环网通信。

图2  智能变电站HSR组网应用示意图

2.2  功能实现及软件配置

智能变电站网络中所有双连节点（double attached node, DAN）设备和冗余盒的PRP/HSR实现由现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）完成，参数配置和工作状态信息读取由处理器软件实现，同时支持IEC 61588协议在双网冗余中的使用。

1）冗余功能的实现

本文所述的冗余设备，从数据链路层的MAC，PRP/HSR链路冗余控制模块及相关的功能接口都在FPGA中以IP核的形式实现，完全自主开发，上层的报文处理由处理软件实现，包括SV、GOOSE报文，以及TCP/IP协议栈等功能。冗余功能实现方案如图3所示。

图3  冗余功能实现方案

依托物理冗余双网接口，软件功能通过链路冗余控制模块连接到上层数据应用模块，并行冗余网口A和网口B使用相同的MAC地址，链路冗余实体（link redundancy entity, LRE）模块通过冗余算法只将A网或B网的数据传递给上层数据应用模块，因此，从上层数据应用模块向下看，实际具有冗余的网口呈现非冗余的特性。通过冗余设计，在提高网络通信可靠性的同时不影响装置的任何性能，可保证智能变电站在一层网络组网方式下通信的可靠性。

2）IEC 61588的实现方式

在冗余网络中，IEC 61588报文都是双份存在的，处理方式不同于普通报文，PRP/HSR模块不是选择最快到达的报文传给上层，而是同时接受来自两个网络的1588报文，按照最优主时钟（best master clock, BMC）算法选择一路作为对时工作网络。

在DAN设备中，需要维护一个普通时钟（ordinary clock, OC），并使用BMC算法处理来自PRP/HSR模块的对时报文，BMC算法由软件实现，根据网络的实际情况，必要时可以进行A、B网切换，选择一路作为对时网络。

在冗余盒中，维护一个P2P透明时钟，在Device端口和普通IEC 61588的P2P透明时钟并无区别，在冗余网口端，同样使用BMC算法选择一路作为对时网络。BMC算法由冗余盒的处理器软件实现，整个冗余盒在对时系统中的功能是P2P的透明时钟。

3）工作参数及状态获取

DAN和冗余盒的工作参数由CPU来配置，配置接口根据实际情况采用LocalBus并行总线，也可以使用集成电路总线（inter-integrated circuit, IIC）等低速总线。在支持IEC 61588的设备中，由于BMC算法的实现需共用数据传输通道，故使用并行总线，以获取更快的数据传输率，提升对时性能。

软件对PRP/HSR设备的配置主要有两个方面：工作模式（PRP还是HSR）、网络速率（PRP/HSR要求A、B网处于相同速率模式下）。同时软件可读取设备工作状态和统计信息（报文流量、报文类型等）及故障指示等信息。

2.3  关键设备研制

使用PRP/HSR实现一层网络应用的关键是研制双网冗余控制设备及软件实现。根据入网设备接口的特点，双网冗余控制设备可以有不同的实现方式。对于需要自带双网冗余接口的双连节点设备DAN，双网冗余控制设备可以和装置的核心板卡进行统一。由于涉及信息的获取及上传，双网冗余设备通常作为一个接口模块嵌入设备的核心CPU板卡中。对于本身仅有一个入网接口的单连节点（single attached node, SAN）设备，双网冗余控制模块可作为一个独立的设备存在，简称冗余盒。

1）核心CPU板

核心CPU板卡硬件原理框图如图4所示，CPU、数字信号处理器（digital signal processor, DSP）和平台FPGA实现装置功能，应用FPGA实现PRP双网冗余通信功能，包括以太网MAC功能、查找表及丢弃算法的实现等。FPGA芯片通过外部物理层接口器件PHY对外扩展2路以太网口A、B。

由于SV数据量大，GOOSE数据存在突发传输特性，装置需具有快速处理和传输大容量数据的能力，因此冗余网口设计为支持千兆电模式或光模式，且光网口模块光功率可以实现在线采集和监测。通过在核心CPU板卡上进行双网口设计，实现了不同设备的共网接入及通信网络的互备，提高了设备共网的可靠性。

图4  核心CPU板卡硬件原理框图

2）双网冗余盒RedBox

将核心CPU板卡中应用FPGA及其外围电路单独剥离出来，进行封装后即可成为双网冗余盒。双网冗余盒针对单节点接入设备，可使PRP技术在单网口设备上的应用成为可能。所设计的双网冗余盒可以很方便地通过卡槽安装在变电站室内屏柜的端子卡轨上，紧挨着单节点设备安装。单节点设备通过冗余盒接入共网网络的方法如图5所示。

图5  单节点设备连接示意图

3）四端口HSR环连接设备QuadBox

两个HSR环可以通过四端口连接设备QuadBox相连接。QuadBox可以通过连接两个RedBox的设备接口DEV内部互联模块（InterLink）扩展实现，QuadBox的内部结构如图6所示。

图6  QuadBox内部结构

通过对QuadBox内部InterLink功能的配置可以灵活控制所连接各HSR环网之间的以太网信息交互，防止网络风暴的产生。

3  试验验证与测试

由于双节点设备（DAN）和冗余盒（RedBox）的PRP/HSR实现机理完全一样，本文通过对单个RedBox的定量测试及其组成的PRP/HSR系统网络通信性能定性测试来验证PRP/HSR对三网合一网络通信的可靠性和实时性的影响，基于RedBox的PRP/HSR网络性能测试系统如图7所示。

在PRP模式下通过SmartBit网络测试仪向RedBox的A、B口加流量，测试Device口（D口）在不同通信带宽下的转发延时及丢包率，D口加流量，测试A、B口在不同通信带宽下的转发延时及丢包率；在HSR模式下通过SmartBit网络测试仪向RedBox的A口加流量，测试B口、D口不同通信带宽下转发延时及丢包率。

图7  基于RedBox的PRP/HSR网络性能测试系统

PRP和HSR模式下的测试结果分别见表1和表2。由表1和表2可见，PRP及HSR模式下各口之间的转发丢包率为零。RedBox的Device口与A、B口以太网报文的转发延时同样可以通过FPGA内部调试工具Chipscope精确测量出来，测量结果见表3。

由表3可知，PRP或者HSR模式下Device口与A、B口之间的转发延时和报文长度成正比，基本和报文的发送接收时间一致，其原因是Device口与A、B口之间的以太网数据交换采用存储转发机制，即完整报文接收存储后才开始转发；而HSR模式下A、B口之间的转发延时和报文长度无关，只与通信的以太网速率相关，其原因是HSR模式下A、B口之间的以太网数据交换采用实时转发机制，即其中一个口收到HSR flag后即开始从另外一口转发此报文。

表1  PRP模式下RedBox丢包率

表2  HSR模式下RedBox丢包率

表3   RedBox网口转发延时

4  应用分析

PRP/HSR双网切换与报文筛选机制由FPGA实现，从原理上保证了网络恢复零延时与零丢包。同时，应用软件不再考虑双网切换机制，使设计得以简化。

PRP冗余双网仍然需要借助交换机构建，网络结构不发生变化，同传统方案相比不增加交换机数量，但不支持PRP功能的二次设备需要增加专用设备冗余盒以接入PRP网络。PRP网络仍可采用VLAN技术实现不同网络业务数据的隔离，进一步提高通信可靠性。PRP网络理论上最多可以接入256台二次设备，可以满足35～1 000kV各电压等级变电站的组网要求。

HSR环网省去了交换机设备，降低了网络建设成本。变电站网络结构变为环网结构，不同的HSR环网之间需要配置QuadBox进行互联。由于HSR单个环网接入设备数量有限制，所以HSR适合在二次设备数量不多的工程场合应用，应用HSR推荐按照间隔进行组网的方式，每个间隔形成环网，并划分VLAN以限制不同环网之间的数据流量。智能变电站网络也可根据具体情况结合PRP和HSR的优势，采用混合组网。

5  结论

在智能变电站网络通信中使用PRP/HSR技术，解决了当前网络应用中所面临的所有变电站自动化系统的实时要求，简化了智能变电站的网络架构，可提高通信网络的可用性，满足保护采样实时性、可靠性的要求，降低整体造价。HSR组网技术同样可适用于配电环网组网，研究PRP/HSR技术在电力系统其他领域网络中的应用是下一步的研究方向。

本文编自2021年第9期《电气技术》，论文标题为“并行冗余和高可靠无缝环网冗余技术在智能变电站中的应用”，作者为谢黎。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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