并行冗余协议在智能变电站网络的应用.pdf

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.11M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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2013 年第 7 卷第 4 期 2013，Vol. 7，No. 4 南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY 系统控制与保护 System Control & Protection 文章编号：1674-0629(2013)04-0092-05 中图分类号：TM764.2；TN915.853 文献标志码：A 并行冗余协议在智能变电站网络的应用李俊刚 1, 3，张爱民 2，宋小会 3，张杭 1，魏勇 3，耿英三 1，张超 1，刘星 3 （1. 西安交通大学电气工程学院，西安 710049；2. 西安交通大学电信学院，西安 710049； 3. 许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）摘要：阐述了 IEC 62439-3 中的并行冗余协议（PRP）和高可靠无缝环网（HSR）的实现机制。依据变电站功能需求及数据流向，提出了基于 PRP+HSR 网络方案的智能变电站组网方式，在 HSR 网络中实现 VLAN 技术，利用网络冗余提高系统安全性，减少交换机数量并提升变电站网络性能。关键词：智能变电站；并行冗余协议；高可靠无缝环网；冗余方式 The Application of Parallel Redundancy Protocol in Smart Substation Network LI Jungang1, 3, ZHANG Aimin2, SONG Xiaohui3, ZHANG Hang1, WEI Yong3, GENG Yingsan1, ZHANG Chao1, LIU Xing3 (1. School of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 2. School of Electrical and Information Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049; China; 3. XJ Electric Corporation Ltd., Xuchang, Henan 461000, China) Abstract: The implementation mechanisms of PRP (parallel redundancy protocol) and HSR (high reliability seamless ring) in IEC 62439-3 are introduced. According to the functional requirment and data flow of substations, this paper proposes a scheme of smart substation networking based on PRP + HSR. In the scheme, with VLAN technology for the HSR networking and network redundancy for improving the system security, it is realized to reduce the amount of switchs and to enhance the performance of the network. Key words：smart substation; parallel redundancy protocol (PRP); high reliability seamless ring (HSR); redundancy type 通信技术是变电站自动化系统实现的关键，它连接站内各种智能电子设备，是变电站内部实时信息交换不可缺少的功能载体。因此，如何实现网络高效、可靠运行具有重要意义。本文根据智能变电站功能需求，分析变电站数据流。同时，结合 IEC 62439 标准研究，采用基于并行冗余原理的网络新技术，针对不同功能数据流，采用不同的网络方案，进行网络划分和优化，促使变电站自动化系统的网络合理组建，达到网络通信的实时性和可靠性。 1 智能变电站网络现状智能变电站中，IEC 61850 标准基于可交换的网络技术定义了两种网络总线结构：站级总线和过程层总线。站级总线作用是将间隔层集合到站控层，相互之间传递控制信息。过程层总线连接过程层和间隔层设备，进行实时数据的传递。分析智能变电站的建设现状，其网络通信依然存在如下问题： 1）由于以太网媒体访问控制采用带避撞的载波帧多路接入机制，信息传递时延具有无法预测的随机性[1–2]，例如交换机交换延时等。 2）网络通信严重依赖交换机，同时通信性能的质量受到交换机性能的限制，并且提高了变电站的投资成本。 3）冗余标准缺失，IED 与 IED 之间如何协调配合，是否会对互操作造成影响，存在不确定性。同时冗余的实现往往以牺牲实时性为代价，得不偿失。 4）网络划分缺乏灵活性，例如由于功能需求，多个装置需要划分 VLAN，但是交换机的往往限制划分的灵活度。因此，如何在考虑变电站功能基础上，依据数据流向，采用先进网络技术，减少交换机的使用，在灵活组建网络的基础上实现变电站网络通信的实时性、可靠性、标准型具有迫切需求。

第 4 期李俊刚，等：并行冗余协议在智能变电站网络的应用 93 2 PRP 与 HSR 技术分析 IEC 62439 标准对网络冗余做出了专门的规定，其中 IEC 62439-3 规定的并行冗余协议（parallel redundancy protocol, PRP）适用于各种规格的变电站网络拓扑结构。 2.1 PRP 原理在基于 PRP 的变电站冗余网络中，冗余节点起着重要作用，每个 IED 节点都有两个网络端口，这两个端口并行运行。工作时，端口通过链路冗余体（LRE）与网络层相连，其作为一个单独的网络接口软件管理处理以太网卡和上层网络协议的通信接口[3-4]。在通信过程中，节点将会创建并保持一个持续的丢弃窗口，窗口上限为 ExpectedSeqA（不包括该值），下限为 StartSeqA（网络丢弃的最低序号），图 1 所示即为 LAN_A 上的丢弃窗口。图 1 A 网的丢弃窗口 Fig. 1 PRP Drop Window on LAN_A 接收节点通过丢弃窗口决定是否丢弃接收帧。若 LAN_B 的接收帧其序列号和在 LAN_A 窗口内部。则这帧报文将要丢弃，否则，接收帧将会提交给网络层处理（图 1 中的 keepB 帧都将会上传）。同时在帧丢弃或上送的同时，丢弃窗口的相关参数也在变化。这样在丢弃窗口的配合下，进行帧的舍弃和上送。任何一个独立网络的故障，对于接收节点来说，都没有任何影响，总有一帧报文可以实时地上送至节点的网络层，从而实现冗余通信。 2.2 高可用性无缝环网高可用性无缝环网（HSR）是基于并行冗余技术的环形网络典型应用，进而在环形拓扑结构上实现网络通信高可靠性[5]、无缝冗余。例如，某一节点向系统广播时，报文将会通过此节点的两个端口，同时发送到环网上。当某一节点接收报文时，将会对此帧报文进行判定，此时会有两种处理： 1）若节点两个端口，第一次收到此帧报文，那么此帧报文上送应用层，同时，通过另一端口，继续沿着环网传送； 2）若结节另一端口已经接收到此帧报文，那么本端口接收的此帧报文将会被丢弃，同时不再向环网转发。基于上述处理，在环网单点故障时可以保证正常的网络通信，从而实现了冗余通信。 3 变电站 HSR+PRP 网络方案的组建策略目前变电站有多种网络划分方式，具体可分为点到点连线模式，过程总线模式、过程总线和站总线合并模式。由于需求与技术实现手段的限制，现在智能变电站多采用过程总线模式。虽然多篇文献提及统一总线实施，但是笔者认为，此种总线方式下虽然能实现信息的完全共享、统一的访问和存储方式；但大量报文必然造成网络通信性能的下降，过度信息共享的结果是得不偿失。因此，变电站网络的组建必须以功能需求为出发点，按照数据流向与性质，结合目前的最新技术，进行灵活组网。这种做法对变电站建设将是有益的。 3.1 变电站数据分析智能变电站通信接口[6]如图 2 所示。 1—站控层设备之间的通信接口；2—站控层与间隔层设备的通信接口； 3—间隔层设备之间的通信接口；4—间隔层与过程层设备的通信接口； 5—站控层设备与远方控制中心的通信接口； 6—间隔层设备与远方保护的通信接口图 2 智能变电站自动化系统通信接口 Fig. 2 Communication Interface of Smart Substation 根据变电站功能要求，上述接口之间通信数据有如下特性： 1）周期性数据：采样信号，时钟同步报文。 2）随机性数据：开关控制命令，保护功能联锁，变压器分接头调整，电容器投切，数据长度角度，

94 南方电网技术第 7 卷性能需要快速报文要求。保护定值修改，时间记录查看，录播数据传输，文件服务，数据较长，传输时间实时性要求相对较低属于外部事件驱动的数据，由外部条件触发。 3）突发性数据：故障情况下，间隔层设备上传保护动作信息，开关变位信息，传输时间需满足中快速报文要求，数据短，要求传输时间集中。 3.2 数据特性与功能需求相结合的组网原则 3.2.1 过程层 PRP 网络周期性数据包括采样信号与时钟同步报文，采样信号见图 2 中接口 4，这类数据相对稳定，变化量小，但数据量大，时间要求严格。而 PRP 作为一种并行冗余机制的网络方案，作为一种典型的网络架构，能满足特殊的通信性能要求。在图 3 所示中，合并器发送的 SV 报文在单网故障情况下，仍能保证通信质量。图 3 过程层 PRP 网络 Fig. 3 PRP Redundant Network in Process Layer 3.2.2 HSR 网络的采用原则随机性数据与突发性数据，这两类数据往往是由于特定功能需求而出现的（见图 2 接口 2、5），根据随机性数据与突发性数据的特性可以看出，数据通信的范围在于：间隔内装置之间、间隔间装置之间，间隔曾装置与过程层的智能接口之间、站控层与间隔层设备的之间。 HSR 报文具有两种报文格式，带 VLAN 标识与不带 VLAN 标识，二者的区别在于，具有 VLAN 标识可以依此进行信息传送或隔离，实现虚拟网络的功能。因此根据二者的特点可以分别运用到不同的区域。 1）站控层 HSR 网络（采用不带 VLAN 标识的 HSR 报文机制）。站控层的数据特性可以看出，多属于突发性，随机性数据，数据量较小，对信息共享有一定的需求，对实时性要求较低，采用不带 VLAN 标识的 HSR 网络后，可以实现信息共享，同时在不增加网络成本的同时，显著的提高站控层网络冗余度。并能完全满足站控层通信性能要求。 2）间隔间 GOOSE 信息通信 HSR 网络（采用带 VLAN 标识的 HSR 报文机制）。智能化变电站使得系统间隔层原有的很多功能实现方式发生了重大变化，这些功能包括：备自投，低频减载，低压母线保护，主变压器差动保护，母线电压互感器测控功能，防误闭锁等。为实现这些功能需要多个间隔装置之间进行通信。而利用冗余盒对 HSR 网络进行互联是一个切实可行的途径。采用带 VLAN 标识的 HSR 报文机制，间隔层内采用 HSR 网络连接，间隔间通过冗余盒进行和 HSR 网络级联。同样，过程层智能接口与间隔层设备也可以通过冗余盒对进行网络互联，使得他们之间的信息交互成为可能，其中智能接口与间隔层设备通过 HSR 网络级联，实现 GOOSE 网络功能。 3）不同 HSR 网络进行通信时，冗余盒起着重要的作用。HSR1 网络与 HSR2 网络通过冗余盒机型信息通信和控制。对于 HSR 冗余盒来说，有 3 种具体的类型：HSR-单网；HSR-PRP；HSR-HSR。根据需要，本文网络方案中用到 HSR-HSR 类型，即两个 HSR 通过冗余盒进行级联。图 4 为冗余盒原理图，主要就冗余盒 HSR-HSR 模式进行说明。图 4 冗余盒原理 Fig. 4 Redundancy Box Operation

第 4 期李俊刚，等：并行冗余协议在智能变电站网络的应用 95 在冗余盒 HSR-HSR 模式中，每一端口对应一独立网卡。在应用时，设置冗余盒所有网卡为相同 MAC 地址，并且在整个网络中是唯一的。在发送报文时，对报文固定位置设置 HSR 报文网络标识、目的地址、源地址、VLAN 标识和优先级。因此，接收报文时可以仅对报文特定位置解码，获取报文属性信息，为快速报文传送提供保证。以图 4 中端口 A 为例。当端口 A 接收到 HSR 报文之后，冗余盒报文处理模块将会根据 HSR 报文特点快速解析报文，获取网络标识，报文次序号码，根据报文次序号码，利用丢弃窗口，进行丢弃算法判断。若本报文不丢弃，则依据 VLAN 标识，判断是否向其他端口转发此帧报文。若需要向另一 HSR 网络中进行发送，依据优先级判断，进行报文标识替换，之后，报文发送。因此，可以依此进行网络通信与隔离，实现两个 HSR 网络的级联，组建 GOOSE 网络。 4）整体方案。总的来说，针对变电站数据特性，以及功能需求，变电站网络组建可以采取如下方案：站控层采用 HSR 无缝环网；过程层采样信息采用 PRP 并行网络；间隔内、间隔间采用 HSR 级联网络。在此基础上，站控层网络实现无交换机信息传输，这样从根本上消除因交换机设备引起的网络故障，关键信息真正实现纯粹的电力设备网络通信。过程层采样数据通过 PRP 并行网络，可以提高通信的安全性，保证 SV 信息的高品质要求，间隔间 HSR 网络中，引入优先级控制，利用冗余盒的报文隔离与控制，GOOSE 机制可以得到极大体现。在提高安全性的同时，降低了系统建设成本。但是由于目前技术的局限性，这一整体方案在节点较多的变电站实现效果较差。 4 测试测试实验系统如图 5 所示。系统主要包括以下部分：监控、保护装置、合并单元、智能接口。本系统主要进行以下测试： 1）网络正常时，各种通信是否正常，网络冗余的实现是否造成正常通信的不良影响； 2）单网络故障时，通信恢复时间的测试以及数据的安全性。网络正常时，经测试，相应功能在规定时间内可以完成，网络冗余的实现没有影响正常通信。在单网络故障时，测试结果如表 1 所示。图 5 实验系统 Fig. 5 Experimental System 表 1 实验数据比较 Tab. 1 Experimental Data Comparison 通信描述总线恢复时间要求/ ms 实验恢复时间/ ms 监控到保护装置 HSR 保护装置联闭锁信号保护装置到智能接口合并单元到保护装置 HSR HSR PRP 400 4 4 4 0 0 0 0 实验数据完整性无丢失无丢失无丢失无丢失从测试结果可以看出，当单网络故障时，在当前的测试条件下，测试系统相应通信故障恢复时间可以忽略不计，满足变电站系统对网络恢复时间的规定。 5 HSR+PRP 方案的分析 5.1 对通信冗余的提高为避免网络故障对系统通信安全的影响，网络冗余设计显得非常必要。目前在智能变电站的设计中，IEC 61850 网络冗余标准没有制定，为了实现双网冗余，各个厂家都提出了各自的双网冗余解决方案，对互操作性造成了潜在的危害。而采用 IEC 62439 标准的 PRP 与 HSR 网络方案，在多方面表现出优越性，如表 2 所示，同时并行冗余基于链路层实现，能在过程层网络中得到极大的应用，GOOSE 机制能顺利实施。 5.2 HSR 中 VLAN 功能的实现智能化变电站中多需要采用 VLAN 技术，将局域网内的设备按网络化保护功能逻辑划分成若干个

96 南方电网技术第 7 卷表 2 冗余方式比较表 Tab. 2 Redundancy Type Comparison 表，检测并记录相应发送节点的报文状态，根据周期性的监测帧，判断网络中节点的通信状态。当前变电站冗余方式私有方式 PRP+HSR 冗余方式标准方式仅支持特定协议支持所有协议低 15～20 ms 丢失数据高冗余处理与业务关联简单交换机高 0 ms 不丢数据低冗余处理与业务独立完备的监控管理机制少量 PRP 交换机冗余方式指标冗余标准通信协议处理效率网络切换延时网络故障资源占有率独立性冗余监控与管理依赖设备网段，保证了控制网段的实时性和安全性，并减少了网络流量，降低了网络负载，实现了网络的安全隔离，提高了通信效率。而在目前的实现情况下，这在一定程度增加了通信对交换机的依赖程度，并且由于交换机功能及端口的限制，制约了 VLAN 技术灵活使用。因此，HSR 中 VLAN 功能的实现具有一定的吸引力。 1）优化网络性能。通过 HSR，可以把广播信息限制在各个 HSR 内部，从而减少网络上的广播信息，避免了因广播信息泛滥而造成的网络堵塞，提高了网络传输效率。 2）增加组网灵活性。使用 HSR 划分技术可以根据功能需求，网络管理者能够把网络上的任何节点进行组网；从而对网络的组建带来了很大方便。 3）提高网络安全性。不同 HSR 中的节点要互相通信，必须通过 HSR 冗余盒实现。不同 HSR 之间的互联就可在冗余盒上配置访问列表，使业务流能在多个 HSR 之间按需求流动，实现安全隔离。 5.3 通信过程透明在采用交换机的通信网络中，交换机起着报文控制与转发的功能，对于变电站其他设备来说，交换机对报文的处理不透明。报文传输因交换机产生的通信延时不可控。而这些都对变电站自动化系统造成潜在的威胁。在 HSR+PRP 网络中，可以有效减少甚至取消交换机，HSR 网络中冗余盒以及各个节点，能对报文优先级，以及转发机制进行自适应控制。实现对报文传输过程的干涉。同时，通过节点本身的冗余 6 结语智能变电站网络的组建对变电站可靠性运行起着重要作用。如何运用网络新技术提高系统安全性，是一个十分有意义的研究方向。因此本文的工作将会对变电站通信网络研究有启发性作用。运用 PRP+HSR 网络，能在相应应用环境下提高变电站网络的安全性及其应用性能。参考文献： [1] 辛建波，蔡子亮。数字化变电站通信网络的传输时延不确定性分析[J]. 电力系统保护与控制，2007，35（5）：45-49. XIN Jianbo, CAI Ziliang. Study on the Delay-non-Determinism of Communication Network of Digital Substation [J]. Power System Protection and Control, 2007, 35（5）：45-49. [2] 吴在军，胡敏强. 变电站通信网络实时性能仿真分析[J]. 电力系统自动化，2011，35（10）：45-79. WU Zaijun, HU Minqiang. Analysis of Real Time Performance of Communication Network in Substation. [J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35（10）：45-79. [3] 李俊刚，宋小会，狄军锋，等. 基于 IEC 62439-3 的智能变电站网络冗余研究[J]. 电力系统自动化，2011，35（10）：70-73. LI Jungang, SONG Xiaohui, DI Junfeng, et al. Research on Intelligent Substation Network Redundancy Based on IEC 62439-3 [J]. Auto- mation of Electric Power Systems, 2011, 35（10）：70-73. [4] 陈原子，徐习东. 基于并行冗余网络的数字化变电站通信网络构架[J]. 电力自动化设备，2011，31（1）：105-108. CHEN Yuanzi, XU Xidong. Communication Network Structure of Digital Substation Based on Parallel Redundancy [J].Electric Power Automation Equipment, 2011, 31（1）：105-108. [5] 侯伟宏，张沛超，胡炎. 基于高可用自动化网络的保护系统及其可靠性分析[J]. 电力系统保护与控制，2010，38（18）：44-48. HOU Weihong, ZHANG Peichao, Reliability analysis for Protec- tion Systems Based on High Availability Automation Network [J], Power System Protection and Control, 2010, 38（18）：44-48. IEC 61850-2001, Part 1-10: Communication Networks and Systems in Substations [S]． [6] 收稿日期：2012-12-28 作者简介：李俊刚（1981），男，河南禹州人，博士研究生，研究方向为智能化变电站系统以及智能电网相关产品研发（Tel）0374-3215726（e-mail） aogusdu@gmail.com；张爱民（1968），女，陕西西安人，教授，博士，研究方向为智能电网系统方案设计；宋小会（1971），男，山东人，高级工程师，博士，研究方向为智能变电站设计。

并行冗余协议在智能变电站网络的应用作者：李俊刚，张爱民，宋小会，张杭，魏勇，耿英三，张超，刘星， LI Jungang， ZHANG Aimin，作者单位：李俊刚,LI Jungang(西安交通大学电气工程学院，西安710049; 许继电气股份有限公司，河南许昌461000) SONG Xiaohui， ZHANG Hang， WEI Yong， GENG Yingsan， ZHANG Chao， LIU Xing ，张爱民,ZHANG Aimin(西安交通大学电信学院,西安,710049)，宋小会,魏勇,刘星,SONG Xiaohui,WEI Yong,LIU Xing(许继电气股份有限公司,河南许昌,461000)，张杭,耿英三,张超,ZHANG Hang,GENG Yingsan,ZHANG Chao(西安交通大学电气工程学院,西安,710049) 刊名：南方电网技术英文刊名： Southern Power System Technology 年，卷(期)：本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_nfdwjs201304020.aspx 2013(4)

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