基于IEC62439_3的智能变电站通信网络冗余设计

３ 冗 余 算 法 与 冗 余 监 控
３．１ 冗 余 丢 弃 算 法 接收ＩＥＤ 节点表中，相 应 节 点 预 期 帧 序 列 号 分
别 保 存 为 ＥｘｐｅｃｔｅｄＳｅｑＡ 和 ＥｘｐｅｃｔｅｄＳｅｑＢ。 接 收 时，以 Ａ 网 为 例，比 较 接 收 帧 序 号 ＣｕｒｒｅｎｔＳｅｑＡ 和 节点表中 ＥｘｐｅｃｔｅｄＳｅｑＡ，这样即可判断出报文是否 为 顺 序 发 送 。 接 收 后 ，不 管 是 否 为 顺 序 报 文 ，节 点 表
网络 质 量 对 冗 余 系 统 会 产 生 重 要 的 影 响，因 此 网络监测显得尤为重要。 通 过 节 点 表，接 收ＩＥＤ 检 测并 记 录 相 应 发 送 ＩＥＤ 的 报 文 状 态，并 且，每 个 ＤＡＮＰ ＩＥＤ 都会周期性地发送 ＰＲＰ 监测帧，那么每 个节点都应接收到相应的监测帧。如果在特定的时 间内，某个节点的 监 测 帧 没 有 接 收 到，就 可 以 认 为， 此节点和本节点失 去 联 系，节 点 表 中 此 节 点 信 息 将 会 删 除 ；若 能 再 次 接 收 到 ，那 么 在 节 点 表 中 将 会 再 次 建立此节点的信息。
２ 节 点 冗 余 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，每个双连接ＩＥＤ 节 点 都 有 ２ 个 并 行 运 行的 网 络 端 口。 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 ， 管理处理以太网卡和上 层 网 络 协 议 的 通信 接 口。 ２个ＤＡＮＰ 之间的通信过程如图２所示。
节点中 ＬＲＥ 有２个任务：处理重复报文和冗余 管理。当收到节点网络层的 一 帧 报 文，节 点 的 ＬＲＥ 在相应的帧报文位 置 添 加 冗 余 控 制 器 （ＲＣＴ），同 时 向２个以太网卡端口发送报文。当接收节点从网络 上接收到这帧报文，ＬＲＥ 即会从２ 个 端 口 中 提 取 第 １ 个 收 到 的 帧 报 文 ，并 且 丢 弃 重 复 的 那 帧 。
图１ 站级总线的 ＰＲＰ 并行冗余网络 Ｆｉｇ．１ ＰＲＰ ｂａｓｅｄ ｇｅｎｅｒａｌ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ
ｓｔａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｂｕｓ
Ａ 网与 Ｂ 网 是 相 互 独 立 的 并 行 网 络，它 们 按 ＰＲＰ 配置，允 许 网 络 管 理 协 议，如 地 址 解 析 协 议 （ＡＲＰ）的正常操作。ＤＡＮＰ ＩＥＤ 可直接连接到２个 并行网络上，ＳＡＮ ＩＥＤ 通 过 冗 余 盒 可 连 接 到 ２ 个 并 行 网 络 上 ，否 则 ，它 只 能 连 接 到 其 中 一 个 网 络 上 。
节点中２ 个以太网卡配置相同的 ＭＡＣ 地址和 ＩＰ 地址，ＬＲＥ 提 供 网 络 管 理 接 口。 允 许 类 似 ＡＲＰ 的 协 议 工 作 ，并 且 利 用 简 单 网 络 管 理 协 议 （ＳＮＭＰ）， 可以对网络中节点 信 息 进 行 配 置 和 获 取，管 理 每 个 网 络 ，当 错 误 率 增 加 时 可 提 前 监 测 到 网 络 故 障 。
１ 智 能 变 电 站 冗 余 网 络
ＩＥＣ ６１８５０标准基于可交 换 的 网 络 技 术 定 义 了 ２ 种 变 电 站 通 信 网 络 总 线 结 构：站 级 总 线 和 过 程 层
收 稿 日 期 ：２０１０－０７－２３；修 回 日 期 ：２０１０－１２－３１。
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总线。站级总线将 间 隔 层 集 合 到 站 控 层，传 递 相 互 之间的控制信息。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。 由 于ＩＥＣ ６１８５０ 标 准 未规定系统的网络 拓 扑 结 构，因 此 站 级 与 过 程 层 总 线的网络拓扑结构在实际应用中有多种选择 。 ［２］
关 键 词 ：网 络 冗 余 ；ＩＥＣ ６２４３９；并 行 冗 余 协 议 ；丢 弃 算 法 ；冗 余 管 理 ；变 电 站 自 动 化
０ 引 言
网络通信在智能变电站自动化系统中起着重要 的作用。为避免网络故障对系统通信安全造成不良 影响，需要进行网络冗 余 设 计。 目 前，ＩＥＣ ６１８５０ 标 准中没有对智能变电站通信网络冗余方式作出具体 规 定 ，为 了 实 现 双 网 冗 余 ，各 个 厂 家 都 提 出 了 私 有 的 双网冗余解决 方 案［１］，这 对ＩＥＣ ６１８５０ 标 准 提 倡 的 开放性和互操作性产生了负面影响。由于各种方案 大多采取在应用层 进 行 处 理，因 此 耗 费 了 大 量 的 装 置资源，对 于 没 有 时 标 的ＩＥＣ ６１８５０ 报 文 则 不 能 进 行处理。同时在网 络 发 生 故 障 时，这 种 方 案 的 双 网 切换时间过长。智 能 变 电 站 内，过 程 层 大 多 由 于 双 网技术问题没有实 现 网 络 冗 余，不 能 满 足 智 能 变 电 站对网络安全的要求。
４ 冗 余 网 络 软 件 设 计
ＰＲＰ 冗余是 基 于 节 点 的 冗 余，因 此，软 件 设 计 的着重点在于 ＰＲＰ 处理模块的开发，无论是报文的 发送还是接收，ＰＲＰ 处 理 模 块 对 于 应 用 层 来 说 都 起 着以太网卡的作用，而实际的以太网卡 Ａ 和 以 太 网 卡 Ｂ 处于隐藏状态，由此可见 ＰＲＰ 处理模块的设计 非常重要。本系统 中，考 虑 到 操 作 系 统 网 卡 驱 动 的
图４ ＰＲＰ 冗余系统 Ｆｉｇ．４ ＰＲＰ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｓｙｓｔｅｍ
４．１ 冗 余 丢 弃 算 法 软 件 设 计 ＩＥＤ 接收的每帧 报 文 在 重 复 丢 弃 模 式 下，都 要
利 用 丢 弃 窗 口 ，通 过 丢 弃 算 法 对 报 文 进 行 处 理 ，具 体 程序流程如图 ５ 所 示。 这 样 ＰＲＰ 处 理 模 块 在 进 行 丢弃算法处理后，只 有 一 帧 先 到 的 报 文 上 传 至 应 用 层，而后到的那 帧 报 文 将 被 丢 弃。 然 而 在 网 络 异 常 的情况下，如果后到 的 报 文 序 号 处 于 对 应 丢 弃 窗 口 之外，那么也将被 上 送，这 时，应 用 层 根 据 故 障 报 文 就可提前预警网络故障。 ４．２ 冗 余 监 测 和 冗 余 管 理 软 件 设 计
在智能变电站 中，由 于ＩＥＣ ６１８５０ 标 准 所 提 倡 的开放性要求，可能 会 有 采 用 其 他 通 信 协 议 的 装 置 接 入 ，因 此 对 整 个 系 统 来 说 ，冗 余 不 能 仅 仅 针 对 于 某 种协议或某种拓扑 结 构，其 实 现 应 该 独 立 于 协 议 和 拓扑结构。
图３ Ａ 网的 ＰＲＰ 丢弃窗口 Ｆｉｇ．３ ＰＲＰ ｄｒｏｐ ｗｉｎｄｏｗ ｉｎ ｎｅｔｗｏｒｋ Ａ
图２ ＰＲＰ 网络中２个 ＤＡＮＰ 通信 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ＤＡＮＰｓ ｉｎ
ＰＲＰ ｎｅｔｗｏｒｋ
节点中的２个以太网卡具有相同的介质访问控 制（ＭＡＣ）地址和ＩＰ 地 址，因 此 ＰＲＰ 是 基 于 第 ２ 层 网络协议的网络拓 扑 结 构，它 不 需 要 进 行 改 动 就 可 以 使 用 正 常 的 网 络 管 理 ，工 程 配 置 非 常 简 单 。 同 时 ， 支持第２层网络冗 余，对 变 电 站 系 统 而 言 就 是 完 全 支持通用面 向 对 象 变 电 站 事 件 （ＧＯＯＳＥ）和 采 样 值 （ＳＶ）数 据 通 信 ，变 电 站 配 置 无 需 修 改 ，
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 的并行冗余协议（ＰＲＰ）依赖于并列运行的 ２ 个网络 结构。本文研究 了 基 于 ＰＲＰ 的 变 电 站 通 信 网 络 冗 余方案，测试结果表 明 该 方 案 能 够 满 足 变 电 站 通 信 系统的实时性要求。
中 ＥｘｐｅｃｔｅｄＳｅｑＡ 将 被 设 置 为 比 接 收 帧 序 号 ＣｕｒｒｅｎｔＳｅｑＡ 大１的值。
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 ）。Ａ 网 的 丢 弃 窗 口如图３所示。
监控以 及 ＩＥＤ 的 节 点 通 过 自 身 的 ２ 个 端 口 连
· 研 制 与 开 发 · 李 俊 刚 ，等 基 于ＩＥＣ ６２４３９－３ 的 智 能 变 电 站 通 信 网 络 冗 余 设 计
接到２个不同的网 络 中，通 过 节 点 冗 余 实 现 系 统 冗 余 ，这 种 方 案 可 以 实 现 网 络 的 无 延 时 切 换 ，满 足 变 电 站站级总线对实时性的严格要求，并且在以 ＰＲＰ 为 基础的网络上，ＩＥＥＥ １５８８ 对 时 等 技 术 都 能 得 到 完 美的解决 。 ［４］
Baidu Nhomakorabea
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２０１１，３５（１０）
修改，特采用 Ｌｉｎｕｘ系统，在此基础上实现冗余 。 ［５］ ＰＲＰ 模 块 从 ２ 个 网 络 上 接 受 帧 报 文 进 行 丢 弃
处理。如图４所示，该 处 理 模 块 作 为 一 个 正 常 的 网 络设备出现在上层。２个真正的以 太 网 卡 也 能 传 输 来自上层的数据，网络中每个 ＰＲＰ 装置都拥有 １ 个 ＰＲＰ 处理模块 和 １ 个 ＰＲＰ 节 点 表，ＰＲＰ 处 理 模 块 提 供 报 文 丢 弃 算 法 、冗 余 检 测 、冗 余 管 理 等 。 这 样 对 于应用层来 说，底 层 可 以 当 做 单 网 来 处 理，但 是 从 ＰＲＰ 模块来看底层是双网冗余的。
第 ３５ 卷 第 １０ 期 ２０１１ 年 ５ 月 ２５ 日
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．１０ Ｍａｙ ２５，２０１１
基于ＩＥＣ ６２４３９－３的智能变电站通信网络冗余设计
李 俊 刚 ，宋 小 会 ，狄 军 峰 ，魏 勇
（许继电气股份有限公司，河南省许昌市 ４６１０００）
摘要：针对智能变电站的网络冗余问题，分析了ＩＥＣ ６２４３９－３中的并行冗余 协 议（ＰＲＰ），研 究 了 基 于 ＰＲＰ 的网络拓扑结构及故障恢复时间。阐述了双连接节点（ＤＡＮＰ）结构和冗余实现的原理，对 冗余采取的丢弃算法和冗余软件构架进行了分析。为了更好 地 实 现 冗 余，软 件 设 计 引 入 了 冗 余 网 络的监测与管理方案。测试结果表明，在以 ＰＲＰ 为 基 础 的 智 能 变 电 站 网 络 中，网 络 的 安 全 性 和 实 时性能得到很好的保障。
变电站组网方式通常有站控层及过程层单独组 网和全站唯一 网 络 ２ 种，它 们 各 有 优 缺 点 。 ［３］ 本 文 以单独组网为例，详细阐述 ＰＲＰ 在站级总线中的应 用原理。图１为 变 电 站 站 级 总 线 的 ＰＲＰ 并 行 冗 余 网络 结 构。 该 网 络 中，节 点 装 置 包 括 双 连 接 节 点 （ＤＡＮＰ）智能电 子 设 备 （ＩＥＤ）、单 连 接 接 点 （ＳＡＮ） ＩＥＤ 和冗余盒。
接收节点通过丢弃窗口决定是否丢弃接收帧。 若 Ｂ 网的接收帧其序列号在 Ａ 网窗口内部，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３中在丢弃窗 口 之 外 的 ｋｅｅｐＢ 帧 报 文 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 出 现 故 障，对 于 接收节点来说都没 有 任 何 影 响，因 为 总 有 一 帧 报 文 可以实时上送至节点的网络层。 ３．２ 冗 余 监 测 和 冗 余 管 理
每 个 网 络 的 网 络 节 点 （节 点 或 交 换 机 ）冗 余 状 态 都要被监测，否则 ＰＲＰ 冗 余 起 到 的 作 用 很 小。 图 ６ 为冗余监测和管理 的 程 序 流 程，冗 余 监 测 与 管 理 模 块 中 ＬＲＥ 会 周 期 性 发 送 冗 余 监 测 帧 ＰＲＰ ＿ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ，同 时 评 估 其 他 ＤＡＮＰ 的 ＰＲＰ ＿ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ帧。在 节 点 表 中 建 立 与 之 同 步 的 序 列 号、报文参量和 节 点 状 态 量。 通 过 监 测 帧 以 及 节 点 表 的 应 用 ，对 冗 余 网 络 节 点 进 行 监 测 和 管 理 。