智能變電站并行冗余網絡的研究與實現

張 卅 張惠剛 李忠安

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智能變電站并行冗余網絡的研究與實現

張 卅1張惠剛1李忠安2

（1. 南京工程學院電力工程學院，南京 211167； 2. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文介紹了IEC 62439-3中的并行冗余協議（PRP）的基本原理，對PRP網絡中雙連接節點的基本結構以及對數據幀操作原理作出詳細闡述。為了保證通信網絡的傳輸性能，提出了一種冗余丟棄算法，并可在Windows系統下實現。實驗表明：單網故障時，變電站通信網絡不造成延遲，能實現無縫切換。PRP網絡結構簡單，具有較高的可靠性，良好的經濟性，將成為智能變電站通信網絡的主要研究方向之一。

IEC 62439；并行冗余；丟棄算法；智能變電站

IEC 61850標準從邏輯上將智能變電站分為變電站層、間隔層和過程層[1]，取代了傳統變電站的復雜結構，解決了通信故障、設備的互操作性、二次設備接線復雜等問題，實現變電站自動化系統中的通信網絡高可靠性、可用性。然而，IEC 61850標準并沒有對變電站通信冗余方案做出明確要求，使得各廠家提出了私有冗余解決方案，這反而不利于智能變電站互操作性的實現，尤其是通信服務的一致性。

2008年，IEC SC65委員會發布了IEC 62439標準，該標準對冗余網絡的構建提供一個標準化界定，適用于站控層總線和過程層總線等的拓撲結構[2]，主要提出了6種協議，分別為并行冗余協議PRP （parallel redundancy protocol）、高可用無縫環網協議HSR（high seamless ring）、介質冗余協議MRP（media redundancy protocol）、交叉冗余協議CRP（cross redundancy protocol）、信標冗余協議BRP（beacon redundancy protocol）、分布式冗余協議DRP（distribute redundancy protocol）。文獻[3-4]通過比較這幾種網絡冗余技術，指出PRP和HSR方案在網絡冗余的適應性以及對故障的恢復性能方面，都是理想的冗余方案。文獻[5]提出了PRP/HSR組網方式，能提高變電站的安全性與其應用性能。文獻[6-7]在Linux系統下實現PRP節點冗余方案。本文在Windows系統下實現PRP網絡冗余方案，實驗表明該方案可實現網絡故障下的無縫切換，零恢復時間，為實現智能變電站高可靠性冗余提供設計參考。

1 PRP結構與原理

PRP網絡執行冗余的功能是指在節點設備處實現雙備用，PRP網絡的拓撲結構如圖1所示。PRP網絡基于兩個并列且物理結構上互不影響的網架，網絡設備能同時在兩個網絡中傳輸數據，并且在發生鏈路故障時能提供無縫切換。PRP網絡含有兩種連接方式：雙連接節點DANP（double attached node implementing PRP）和單連接節點SAN（single attached node）。DANP直接連接到兩個獨立、并列的局域網上，實現雙網通信，SAN既能直接接入局域網，但通信范圍只限定在連接的局域網內，又能通過冗余盒（RedBox）接入兩個局域網，實現雙網通信。

圖1 PRP網絡的拓撲結構

HSR網絡在某種程度上可看作是PRP網絡的一種變體，將A、B兩網看作兩個傳輸方向，并將A、B網連起來看作環網，則構成了HSR網絡。與PRP網絡的DANP相比，HSR網絡的DANH多了個轉發功能。

PRP網絡與HSR網絡都可實現網絡故障下的無縫切換，零恢復時間。對兩網絡的經濟性、網絡負載量和可靠性做了簡單的分析。

1）經濟性

一方面，HSR遵循在不同路徑的路徑傳輸重復報文的原則，在基礎構架規模上比PRP縮短一半。另一方面，與PRP報文結構不同的是，HSR標簽位于ASDU的前端，因此交換機在轉發報文時采用直通交換技術，減少了轉發過程的延時。但是在組網的多層交換機轉發，一般交換機傳輸延時為50ms，若一個網絡中交換機達到6個，傳輸延時升至到300ms，在大規模變電站中應用不具有經濟優勢。因此，PRP傳輸效率較高、快速，但是成本投入較大，適用于大容量網絡結構建設。而HSR在交換機多的情況下，傳輸延時較為大，但是其成本低，適用于小容量的網絡構架。

2）網絡負載量

表1 PRP與HSR網效率比較

3）可靠性分析

網絡的可靠性是指在特定的時間內或特定的環境下，執行信息傳輸任務的能力。網絡結構可靠性由元件可靠度（）、相鄰故障間的平均工作時間（mean time between failure, MTBF）、有效度（）以及系統失效度（）關鍵性指標衡量。

利用故障樹分析法來分析及預測系統失效的概率和系統發生故障的原因，并能計算系統的可靠性。故障樹分析法通常把系統最不希望發生的故障狀態作為故障分析的目標，逐級尋找引發事件的根源。根據可靠性指標、PRP網絡和HSR網絡的故障樹，統計PRP網絡和HSR網絡冗余可靠性的數據指標，由表2所知，PRP網絡的平均無故障時間明顯高于HSR網絡，而且失效度也低。因此PRP網絡可靠性最高。

表2 PRP與HSR可靠性比較

2 節點冗余實現原理

PRP網絡的冗余功能在節點處實現，通過DANP達到冗余效果。DANP結構圖如圖2所示，每個DANP含有兩塊網卡，兩塊網卡具有相同的物理地址和網絡地址，網卡通過冗余鏈路體LRE（link redundancy entity）連接到網絡層。LRE承擔冗余管理和報文處理任務，當網絡層發出一幀，發送端LRE將該幀復制為兩幀，同時添加冗余控制標簽RCT（redundancy control tag），兩幀分別從LAN A和LAN B發出。這兩個幀以不同的延遲經過兩個局域網，理想情況下它們幾乎同時到達目的地，接收時，接收端LRE接收先到的那一幀并轉發給上層，并丟棄后到的重復幀。

圖2 DANP結構圖

PRP數據幀結構如圖3所示，主要包括目的地址（DA）、源地址（SA）、類型、LSDU以及RCT。其中RCT（6字節）主要包括：16bit的序列號（SeqNr）。SeqNr由發送方發送具有相同序列號的兩幀，每次序列號加1，區間位為[0, 65535]；4bit的局域網標識符（LAN ID）。該字段用以區分端口連接LAN方向，若為1010為A網數據幀，若為1011則為B網數據幀。是一對重復報文惟一不同的部分；12bit的LSDU長度（link service data unit）。該字節可以鑒別出是PRP或者HSR幀，它表示的是數據幀的數據字節加RCT的字節數之和，限定值為1496字節；16bit的PRP類型后綴（PRP suffix），其常值為0x88FB。

圖3 PRP數據幀結構

3 冗余算法的設計

若LAN B在幀LAN A丟棄窗口之外，表明LANB幀超前于LANA，則保留LANB幀并上傳。在丟棄和保留幀的同時，丟棄窗口的大小也會做出調整。令LAN B丟棄窗口長度設置為1，LAN A丟棄窗口置0，則

下面是一段冗余丟棄算法的程序代碼。

unsigned int CheckRcvSeqNumber()

{int LANA,LANB;

unsigned long dropWindowMax=WMAX; /*丟棄窗口的最大值*/

unsigned short seq;

LANA=(lan_id==0xa)? 0:1; /*判斷數據幀來自A網還是B網*/

LANB=(LANA+1)% 2;

curSeq[LANA]=seq;

if ((((curSeq[LANA]-staSeq[LANB]+TwoPi) % TwoPi)<=OnePi)&&(((expSeq[LANB]-curSeq[LANA]+TwoPi- 1) % TwoPi) < OnePi))/*判斷數列號是否在丟棄窗口內*/

{ if ( (curSeq[LANA] !=expSeq[LANA]))/*判斷數據幀是否異序*/

{cntErrOutOfSequence[LANA]=(cntErrOutOfSequence[LANA]+1);}/*記錄異序的數據幀的個數*/

expSeq[LANA]=(curSeq[LANA]+1) % TwoPi; /*調整丟棄窗口的大小*/

staSeq[LANB]=expSeq[LANA];

staSeq[LANA]=expSeq[LANA];

return TRUE; }/*丟棄重復幀*/

else

{if (curSeq[LANA] !=expSeq[LANA]) /*判斷數據幀是否異序*/

{pData->cntErrOutOfSequence[LANA]=(pData->cntErrOutOfSequence[LANA]+1);

staSeq[LANA]=curSeq[LANA]; }/*調整丟棄窗口的大小，使起始序列等于當前序列*/

else

{if ((pData->expectedSeq[LANA]-staSeq[LANA]+TwoPi) % TwoPi>dropWindowMax) /*判斷數列號是否在丟棄窗口外*/

{if(pData->expectedSeq[LANB]== staSeq[LANA])

{pData->cntErrStall[LANB]=pData->cntErrStall[LANB]+1 ;}

staSeq[LANA]=(pData->expectedSeq[LANA]+TwoPi- dropWindowMax) % TwoPi ;} }/*調整丟棄窗口的大小*/

staSeq[LANB]=expSeq[LANB];

expSeq[LANA]=(curSeq[LANA]+1) % TwoPi ;

return FALSE; }}/*向上層轉發*/

4 實驗仿真

本文在Windows系統下進行實驗仿真，基于NDIS（network driver interface specifies）實現PRP方案。NDIS中間層驅動是一種虛擬驅動程序，連接上層NDIS協議驅動以及下層NDIS為微端口驅動，既承上啟下又可以“欺上瞞下”。在NDIS提供的MPSendPackets函數框架中完成數據幀發送功能：報文尾部添加RCT，并同時向A、B網發送數據，在NDIS提供的PtReceive函數框架中完成數據接收功能：實現冗余報文的丟棄和向上層轉發。在驅動中設置定時器，用于PRP管理幀的定時發送以及外部節點狀態的定時檢測。

兩臺Windows計算機采用直連方式做PRP應用測試，每臺計算機都配置兩塊物理網卡并安裝PRP網絡接口驅動程序，PRP測試拓撲如圖5所示。測試PRP網絡單個網絡故障的自愈時間。兩計算機之間進行數據傳輸，在傳輸過程中，LAN B被拔掉，即B網被中斷，通過Wireshark抓包分析，發現網絡傳輸不受影響，故PRP網絡故障恢復時間為零，符合無縫切換的要求。

在測試過程中，各節點報文的傳遞情況可以通過節點表所實現。當B網發生故障時，通過節點表檢測A、B兩網數據幀的情況，發現A網數據幀序列號線條連續，而B網數據幀序列號出現間斷。如圖6所示。從測試結果來看，在單網故障時，PRP網絡能實現零丟包，零恢復時間。

圖5 PRP測試拓撲結構

圖6 單網故障時，幀接收情況

5 結論

本文設計了基于序列號的冗余丟棄窗口算法，算法簡單，占用資源少，處理時間快。采用直連方式做PRP應用測試，結果表明，在單網故障時，PRP網絡能實現零丟包，零恢復時間，完全符合IEC TC57對變電站網絡恢復時間的要求。PRP冗余協議提高了系統的可靠性與安全性，并且結構簡單，將會是智能化變電站中通信網絡的主要研究方向之一。

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Research and implementation of a parallel redundancy network in intelligent substation

Zhang Sa1Zhang Huigang1Li Zhong’an2

(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167; 2. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

The principle of the Parallel Redundancy Protocol (PRP) in IEC 62439-3 is introduced. The basic structure of DANP and the principle of data frame operation are expounded in detail. In order to ensure the transmission performance of the communication network, a redundant discarding algorithm is implemented in Windows. The experiment shows that the substation communication network does not cause delay and can achieve seamless switching when single network fault occurs. The PRP network has the advantages of simple structure, high reliability and good economy, and will become one of the main research directions of the Intelligent Substation Communication.

IEC 62439; parallel redundancy; discard algorithm; intelligent substation

2018-04-09

張 卅（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統通信及標準、IEC 61850、IEC 62439等。