隨著高速通信網(wǎng)絡技術的發(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)絡架構的實現(xiàn)成為可能。

一層網(wǎng)絡混合組網(wǎng)的架構使智能變電站內部交換機及光口數(shù)量大幅減少，網(wǎng)絡架構更加清晰，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(shù)據(jù)通信。但VLAN有數(shù)目限制、管理復雜。

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訪問控制層（media access control, MAC）的雙星型冗余網(wǎng)絡結構，這種結構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），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，國外在變電站內部網(wǎng)絡組網(wǎng)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(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(xiàn)方案在智能變電站內部網(wǎng)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(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)絡拓撲結構，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、間隔層和站控層設備均經過網(wǎng)口接入網(wǎng)絡交換機，過程層設備采集SV數(shù)據(jù)和GOOSE開關量信號后，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，三種設備均設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。各間隔內的相關保護、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)

本文所述的冗余設備，從數(shù)據(jù)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(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 關鍵設備研制

使用PRP/HSR實現(xiàn)一層網(wǎng)絡應用的關鍵是研制雙網(wǎng)冗余控制設備及軟件實現(xiàn)。根據(jù)入網(wǎng)設備接口的特點，雙網(wǎng)冗余控制設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)點設備DAN，雙網(wǎng)冗余控制設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(wǎng)接口的單連節(jié)點（single attached node, SAN）設備，雙網(wǎng)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(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)口設計，實現(xiàn)了不同設備的共網(wǎng)接入及通信網(wǎng)絡的互備，提高了設備共網(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)點接入設備，可使PRP技術在單網(wǎng)口設備上的應用成為可能。所設計的雙網(wǎng)冗余盒可以很方便地通過卡槽安裝在變電站室內屏柜的端子卡軌上，緊挨著單節(jié)點設備安裝。單節(jié)點設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)點設備連接示意圖

3）四端口HSR環(huán)連接設備QuadBox

兩個HSR環(huán)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(lián)模塊（InterLink）擴展實現(xiàn)，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(huán)網(wǎng)之間的以太網(wǎng)信息交互，防止網(wǎng)絡風暴的產生。

?3 試驗驗證與測試

由于雙節(jié)點設備（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發(fā)延時及丟包率。

圖7 網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)

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(fā)丟包率為零。RedBox的Device口與A、B口以太網(wǎng)報文的轉發(fā)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(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)交換采用存儲轉發(fā)機制，即完整報文接收存儲后才開始轉發(fā)；而HSR模式下A、B口之間的轉發(fā)延時和報文長度無關，只與通信的以太網(wǎng)速率相關，其原因是HSR模式下A、B口之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換采用實時轉發(fā)機制，即其中一個口收到HSR flag后即開始從另外一口轉發(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，使設計得以簡化。

PRP冗余雙網(wǎng)仍然需要借助交換機構建，網(wǎng)絡結構不發(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功能的二次設備需要增加專用設備冗余盒以接入PRP網(wǎng)絡。PRP網(wǎng)絡仍可采用VLAN技術實現(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)省去了交換機設備，降低了網(wǎng)絡建設成本。變電站網(wǎng)絡結構變?yōu)榄h(huán)網(wǎng)結構，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)接入設備數(shù)量有限制，所以HSR適合在二次設備數(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)具體情況結合PRP和HSR的優(yōu)勢，采用混合組網(wǎng)。

?5 結論

在智能變電站網(wǎng)絡通信中使用PRP/HSR技術，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，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)技術同樣可適用于配電環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，研究PRP/HSR技術在電力系統(tǒng)其他領域網(wǎng)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(huán)網(wǎng)冗余技術在智能變電站中的應用”，作者為謝黎。