楊貴 高紅亮 李廣華 李彥 付艷蘭

摘要：IEC61850-90-4標(biāo)準(zhǔn)中引入了基于并行冗余協(xié)議（PRP）和高可用性無(wú)縫冗余協(xié)議（HSR）的組網(wǎng)方案，該組網(wǎng)方案與國(guó)內(nèi)普遍推廣應(yīng)用的雙星型網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視等方面具有明顯的差異。本文在HSR、PRP的過(guò)程層組網(wǎng)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視方法研究，提出了基于監(jiān)視幀、nodetable表、IED上送狀態(tài)等幾種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視管理方案并對(duì)幾種監(jiān)視管理方案進(jìn)行了分析比較，給出基于HSR、PRP網(wǎng)絡(luò)的可選監(jiān)視管理方案。從IEC61850-90-4組網(wǎng)方案的工程實(shí)施角度出發(fā)，解決標(biāo)準(zhǔn)中未涉及到的實(shí)際問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)智能變電站發(fā)展提供了有益的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：并行冗余協(xié)議;高可用性無(wú)縫冗余協(xié)議;監(jiān)測(cè)幀;智能變電站

中圖分類號(hào)：TM769; TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著智能變電站的推廣建設(shè)，智能變電站技術(shù)得到了飛躍發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)普遍采用的雙星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在組網(wǎng)成本高、IED設(shè)備處理器負(fù)荷重、與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)兼容性等方面問(wèn)題。

2012年推出的IEC62439-3[1J標(biāo)準(zhǔn)描述了PRP/HSR兩種冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中HSR采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PRP采用雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)RedBox（redundancy box）或QuadBox可有效的實(shí)現(xiàn)HSR與PRP網(wǎng)絡(luò)、PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)與RSTP （rapid span-ning tree protocoD等其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通[2]。PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)冗余，向應(yīng)用層只上送一份數(shù)據(jù)，降低了對(duì)嵌入式硬件資源的使用需求[3]。同時(shí)采用HSR環(huán)網(wǎng)可有效的降低組網(wǎng)成本。

IEC61850第二版中增加了IEC61850_90_4c4]組網(wǎng)方案相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能變電站的各種組網(wǎng)方案進(jìn)行了描述。在IEC61850-90-4標(biāo)準(zhǔn)中第一次明確引入了IEC62439 -3標(biāo)準(zhǔn)中定義的PRP/HSR兩種組網(wǎng)技術(shù)，并給出了各種基于該技術(shù)的組網(wǎng)方案。因此，研究基于PRP/HSR的組網(wǎng)方案有利于解決智能變電站現(xiàn)存的組網(wǎng)成本、處理器負(fù)荷、標(biāo)準(zhǔn)兼容等問(wèn)題。

但PRP/HSR相對(duì)傳統(tǒng)雙星型網(wǎng)絡(luò)和RSTP環(huán)網(wǎng)來(lái)講，PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)也引入了新的問(wèn)題，即增加了雙網(wǎng)告警困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)邏輯鏈路的A、B網(wǎng)狀態(tài)的單獨(dú)識(shí)別等問(wèn)題[5]。但是IEC61850-90-4標(biāo)準(zhǔn)中并未明確給出如何對(duì)基于該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)視管理，而IEC62439-3中給出了基于SNMP的監(jiān)視方案，但信息繁瑣且過(guò)于專業(yè)無(wú)法滿足電力系統(tǒng)專業(yè)人員日常運(yùn)維管理需求。

本文將基于IEC61850-90 -4標(biāo)準(zhǔn)中提出的PRP/HSR的過(guò)程層組網(wǎng)方案進(jìn)行研究分析，給出適合國(guó)內(nèi)應(yīng)用需求的組網(wǎng)方案，并在該組網(wǎng)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)視方案的研究。

1 組網(wǎng)方案研究

IEC61850-90-4中只是示意性的給出了PRP/HSR的組網(wǎng)方案并沒(méi)有明確規(guī)定具體工程如何進(jìn)行組網(wǎng)，同樣的也沒(méi)有對(duì)組網(wǎng)方式進(jìn)行深入比較，本文將以國(guó)內(nèi)智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行組網(wǎng)架構(gòu)研究。對(duì)于PRP/HSR冗余協(xié)議的特點(diǎn)請(qǐng)參照文獻(xiàn)[1]，這里不再贅述。

智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)由保護(hù)、測(cè)控、合并單元、智能終端和交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)成[6]，根據(jù)不同的變電站裝置配置情況，可能存在保護(hù)、測(cè)控一體裝置及合并單元、智能終端一體裝置，甚至是四種裝置合一的四合一裝置[7][8]，因此，需要根據(jù)不同具體工程的裝置配置情況，給出不同的組網(wǎng)方案。IEC61850-90-4中雖然對(duì)HSR/PRP的組網(wǎng)給出了示例，但是并沒(méi)有說(shuō)明在各種不同裝置配置情況下如何進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，本文提供了針對(duì)不同IED設(shè)備配置的兩種組網(wǎng)方案。

方案一，HSR/PRP混合網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于保護(hù)、測(cè)控、合并單元及智能終端均為獨(dú)立裝置配置的情況，推薦過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用間隔內(nèi)構(gòu)成HSR環(huán)網(wǎng)的方式，跨間隔采用PRP網(wǎng)絡(luò)的方式組網(wǎng)，間隔內(nèi)的四臺(tái)裝置構(gòu)成HSR環(huán)網(wǎng)，通過(guò)合并單元、智能終端分別接入到PRP網(wǎng)絡(luò)的A網(wǎng)和B網(wǎng)，用以滿足保護(hù)的N-l故障保護(hù)功能不受影響的要求。對(duì)于跨間隔接收GOOSE、SV信息的母差、主變等裝置直接接入到PRP雙星型網(wǎng)絡(luò)上。

HSR/PRP混合組網(wǎng)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)清晰，每個(gè)間隔構(gòu)成一個(gè)HSR環(huán)網(wǎng)，跨間隔設(shè)備直接接入過(guò)程層PRP雙星型網(wǎng)絡(luò)。

可靠性高，HSR與PRP網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)雙設(shè)備接入及PRP采用雙星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，均能夠確保發(fā)生N-l故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信正常。

節(jié)約組網(wǎng)成本，與現(xiàn)有的雙星型網(wǎng)絡(luò)比較每個(gè)間隔可減少6個(gè)交換機(jī)端口，因此有效降低了過(guò)程層交換機(jī)使用量。

減少IED的處理器負(fù)荷，采用PRP、HSR技術(shù)降低的IED設(shè)備的CPU負(fù)荷，大概可減少處理器近百分之五十的負(fù)荷。

方案二，PRP網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于過(guò)程層采用保測(cè)一體裝置、合智一體裝置或四合一裝置配置的情況，由于每個(gè)間隔內(nèi)采用保測(cè)一體裝置、合智一體裝置或四合一裝置導(dǎo)致間隔內(nèi)只有一到兩臺(tái)裝置，這個(gè)時(shí)候采用HSR環(huán)網(wǎng)架構(gòu)將不能帶來(lái)明顯優(yōu)勢(shì)，交換機(jī)數(shù)量等不會(huì)得到明顯減少。因此，采用PRP雙網(wǎng)架構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)搭建。

該組網(wǎng)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)清晰，過(guò)程層設(shè)備直接接入PRP雙網(wǎng)。

可靠性高，PRP通過(guò)雙星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，有效解決N-l故障。

減少IED的CPU負(fù)荷，采用PRP技術(shù)降低的IED設(shè)備的處理器負(fù)荷，大概可減少處理器百分之五十的負(fù)荷。

2 監(jiān)視方案研究

IEC62439-3標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)對(duì)每個(gè)PRP/HSR實(shí)體建立一個(gè)可選的監(jiān)視數(shù)據(jù)集與NodesTable表來(lái)統(tǒng)計(jì)各個(gè)PRP/HSR的監(jiān)視狀態(tài)信息，但并未給出在IEC 61850通信構(gòu)架下的具體實(shí)施方案。因此，本文給出了三種可行的PRP/HSR監(jiān)視管理方案供用戶選擇。監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

2.1 監(jiān)視幀方案

利用PRP＼HSR的監(jiān)測(cè)幀來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視，要求PRP＼HSR網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都開啟監(jiān)測(cè)幀功能。IEC62439-3規(guī)定了PRP、HSR監(jiān)測(cè)幀的格式，下面以PRP監(jiān)視幀為例進(jìn)行介紹，HSR監(jiān)視幀在原理上無(wú)差異，本文將不再贅述。關(guān)鍵字段含義如下：

PRP_DestinationAddress：預(yù)留的多播地址：

SourceAddress： PRP節(jié)點(diǎn)的源MAC地址;

SupSequenceNumber：監(jiān)測(cè)幀序列號(hào);

MacAddress：被兩個(gè)端口使用的MAC地址。

另外，TLV2.Type和TLV2.Length 以及RedBoxMacAddress為Redbox實(shí)體的監(jiān)測(cè)幀特有字段，若節(jié)點(diǎn)不是RedBox則沒(méi)有這幾個(gè)字段。

Padding是70個(gè)（無(wú)VLAN標(biāo)記）或者74個(gè)（有VIAN標(biāo)記）避免填充的字節(jié)。

監(jiān)視幀的處理遵從PRP報(bào)文的處理機(jī)制。當(dāng)從任一個(gè)局域網(wǎng)接收到PRP監(jiān)測(cè)幀時(shí)，伴隨著在幀中標(biāo)示的復(fù)制幀接收和復(fù)制幀丟棄的工作模式，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該根據(jù)接收來(lái)的消息體里包含的源MAC地址信息在節(jié)點(diǎn)表中創(chuàng)建入口地址。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)停止接收來(lái)自一個(gè)源節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)幀的時(shí)間超過(guò)了NodeForgetTime，但是這個(gè)節(jié)點(diǎn)僅從其中的一個(gè)局域網(wǎng)上接收源節(jié)點(diǎn)的幀數(shù)據(jù)，此時(shí)它應(yīng)該改變?cè)垂?jié)點(diǎn)的狀態(tài)到網(wǎng)絡(luò)A或網(wǎng)絡(luò)B，這取決于接收的幀來(lái)自哪個(gè)局域網(wǎng)。

由于每個(gè)PRP或者HSR節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性地發(fā)送PRP/HSR監(jiān)測(cè)幀，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該接收到相應(yīng)的監(jiān)測(cè)幀[9]。如果在特定的時(shí)間內(nèi)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)幀沒(méi)有接收到，就可以認(rèn)為此節(jié)點(diǎn)和本節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)表中此節(jié)點(diǎn)信息將會(huì)刪除;若能再次接收到，那么在節(jié)點(diǎn)表中將會(huì)再次建立此節(jié)點(diǎn)的信息。最后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將各自節(jié)點(diǎn)表所包含的統(tǒng)計(jì)信息分別發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維單元，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。

該方案采用的監(jiān)視幀只能通過(guò)源MAC地址唯一的判別出發(fā)送IED設(shè)備，但是，在鏈路訂閱關(guān)系中采用的是目的組播MAC地址，因此需要進(jìn)行源MAC地址和目的組播MAC地址的映射才能判斷出故障設(shè)備。

該方案結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備的通信狀態(tài)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元的后期綜合分析也可定位出故障的大概位置。

2.2 NodesTable表方案

IEC62439-3標(biāo)準(zhǔn)定義了PRP＼HSR的管理信息和SNMP上送MIB信息庫(kù)，管理信息在NodesTable表中體現(xiàn)。在智能變電站應(yīng)用中為給用戶提供更好的PRP/HSR冗余雙網(wǎng)的運(yùn)維體驗(yàn)，并考慮MU、智能終端等設(shè)備無(wú)SNMP通信協(xié)議的支持，本方案通過(guò)GOOSE機(jī)制實(shí)現(xiàn)PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)信息上送網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)全站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理。

NodesTable表中具有豐富的監(jiān)視管理信息，但在智能變電站應(yīng)用中最關(guān)鍵的是能夠方便的判斷出虛擬鏈路的通斷狀態(tài)及準(zhǔn)確的定位故障位置，因此，本方案從NodesTable中選取了MacAddress、TimeLastSeenA和TimeLastSeenB三個(gè)量用于判斷通斷狀態(tài)。其中MacAddress為報(bào)文發(fā)送IED裝置的源MAC地址;TimeLastSeenA為該IED裝置最后一幀報(bào)文在PRP＼HSR的A網(wǎng)中出現(xiàn)后經(jīng)過(guò)的時(shí)間;TimeLastSeenB為該IED裝置最后一幀報(bào)文在PRP＼HSR的B網(wǎng)中出現(xiàn)后經(jīng)過(guò)的時(shí)間。結(jié)合該報(bào)文經(jīng)過(guò)的PRP＼HS節(jié)點(diǎn)的TimeLastSeenA和Time-LastSeenB可有效的判斷出該裝置在發(fā)送路徑上哪個(gè)接點(diǎn)發(fā)生了通信中斷，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位故障，達(dá)到提升運(yùn)維管理水平的目的。

該方案較監(jiān)視幀方案具有故障定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但同樣存在監(jiān)視幀方案源MAC地址和目的組播MAC地址對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。該方案通過(guò)裁剪信息點(diǎn)表滿足智能變電站的應(yīng)用要求，且完全符合IEC62439-3標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 lED上送狀態(tài)方案

該方案通過(guò)IED設(shè)備結(jié)合設(shè)備自身的NodesTable表中的TimeLastSeenA和TimeLast-SeenB來(lái)判斷每一個(gè)鏈路的A、B網(wǎng)通信狀態(tài)，并在設(shè)備內(nèi)部實(shí)現(xiàn)源MAC地址和目的組播MAC地址的一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)裝置發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)GOOSE報(bào)文上送該IED設(shè)備每個(gè)鏈路的通信狀態(tài)。

該方案結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備的通信狀態(tài)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元的后期綜合分析也可定位出故障的大概位置。

2.4 監(jiān)視方案比較

表1對(duì)三種監(jiān)視方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。

從表中可以看出，采用NodesTable表具有較好的標(biāo)準(zhǔn)一致性，同時(shí)定位準(zhǔn)確性高，但是需要采用非標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)視信息的傳輸，額外增加了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的流量。采用IED設(shè)備上送狀態(tài)方案具有使用習(xí)慣與現(xiàn)有智能變電站一致的優(yōu)點(diǎn)。因此具體工程應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的監(jiān)視管理方案。

3 結(jié)語(yǔ)

PRP/HSR冗余協(xié)議實(shí)現(xiàn)了零恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)自愈、降低了IED裝置的處理器負(fù)荷并實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，同時(shí)HSR組網(wǎng)方案有效的降低了組網(wǎng)成本，因此在智能變電站工程化應(yīng)用中具有重要意義。但是由于PRP＼HSR冗余協(xié)議雙網(wǎng)報(bào)文僅上送處理器一份報(bào)文，因而在發(fā)生單一鏈路故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)不易監(jiān)視。在充分理解PRP和HSR冗余原理的基礎(chǔ)上，提出了三種監(jiān)視方案并對(duì)方案進(jìn)行了比較，為后續(xù)PRP/HSR的工程實(shí)施提供了可行的監(jiān)視管理辦法，并可根據(jù)變電站的要求選擇可行的監(jiān)視方案。

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