師 康，谷傳國，朱春紅，朱來強(qiáng)

(西門子電力自動化有限公司，南京 211100)

在220 kV及以上的變電站通信系統(tǒng)中，雙網(wǎng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主流。通信系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性是變電站最基本的要求。隨著智能變電站的發(fā)展，對通信系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性提出了更高要求，既要報文不重復(fù)，也要報文不丟包，還要雙網(wǎng)切換的延時盡可能短。目前，國內(nèi)各個廠家針對雙網(wǎng)星型拓?fù)渥隽巳哂嘣O(shè)計(jì)，但是實(shí)現(xiàn)方式各不相同，沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，一些新技術(shù)和新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩喑霈F(xiàn)，其中IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)中制定的并行冗余協(xié)議(Parallel Redundancy Protocol，簡稱PRP)[1-3]就很好地解決雙網(wǎng)星型拓?fù)渲械娜哂鄦栴}[4-6]，并且國內(nèi)主流繼保廠家已經(jīng)開始逐步應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合IEC 61850 GOOSE規(guī)約，對智能變電站并行冗余協(xié)議系統(tǒng)測試方案進(jìn)行討論。

1 PRP簡介

PRP適用于雙網(wǎng)星型拓?fù)洌軌蚣嫒輫鴥?nèi)主流的網(wǎng)絡(luò)配置方案，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

PRP是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)冗余的冗余協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是以雙以太網(wǎng)口的方式連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，稱為雙連接節(jié)點(diǎn)(Doubly Attached Node using PRP,簡稱DANP)，其與兩個局域網(wǎng)都會建立物理連接。局域網(wǎng)中可能存在單以太網(wǎng)口設(shè)備，稱為單連接節(jié)點(diǎn)(Singly Attached Node, 簡稱SAN)，其可以與其中任意一個局域網(wǎng)建立連接。

當(dāng)一個DANP源節(jié)點(diǎn)同時向A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送報文時，DANP目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會收到并處理來自A網(wǎng)和B網(wǎng)的兩份報文，同時丟棄掉重復(fù)的報文，而SAN目標(biāo)節(jié)點(diǎn)只會收到一份報文。當(dāng)其中一個局域網(wǎng)(A網(wǎng))發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時，DANP目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會處理來自另外一個局域網(wǎng)(B網(wǎng))的報文。PRP協(xié)議內(nèi)部處理雙網(wǎng)冗余報文機(jī)制如圖2所示。

圖1 PRP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 兩個DANP節(jié)點(diǎn)的PRP通信

2 PRP系統(tǒng)化測試方案

目前國外的一些第三方測試機(jī)構(gòu)(例如KEMA公司)已經(jīng)開展了PRP的第三方認(rèn)證服務(wù)。國內(nèi)對于PRP規(guī)約的工程應(yīng)用還比較少，第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)還沒有開展PRP規(guī)約的認(rèn)證工作。

考慮到IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為國內(nèi)數(shù)字化變電站的主流通信規(guī)約，標(biāo)準(zhǔn)中定義了GOOSE模型，用于變電站內(nèi)智能設(shè)備的通信與交互。GOOSE通信機(jī)制是一種實(shí)時通信技術(shù)，根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GOOSE信號的網(wǎng)絡(luò)通信延時應(yīng)當(dāng)小于4 ms。 因此，GOOSE對于通信的實(shí)時性和可靠性提出了很高的要求。本文基于GOOSE進(jìn)行PRP系統(tǒng)測試。

2.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)成

PRP測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要包括測試主機(jī)(運(yùn)行報文監(jiān)視工具、PRP模擬發(fā)送器等軟件、PRP診斷信息配置)、以太網(wǎng)交換機(jī)、測試設(shè)備等。

測試設(shè)備為西門子公司的7SJ686裝置。該裝置支持三個以太網(wǎng)口。測試主機(jī)1需要支持兩個以太網(wǎng)口，分別通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接測試設(shè)備的以太網(wǎng)口1和2，用于PRP報文的收發(fā)以及報文的監(jiān)視。測試主機(jī)2通過以太網(wǎng)口連接測試設(shè)備的網(wǎng)口3，用于監(jiān)視測試設(shè)備的PRP管理信息。

圖3 PRP測試系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)中需要用到的協(xié)議如下：IEC 61850-8-1 Ed2 (2011), GOOSE用于測試主機(jī)1和測試設(shè)備之間的交互；HTTP用于讀取裝置中的PRP信息；ICMP用于網(wǎng)絡(luò)狀況的識別。

2.2 測試設(shè)備PRP報文發(fā)送

(1) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(LanId)需要在報文中傳輸，并且占用4個比特位。對于A網(wǎng)LanId=0xA，B網(wǎng)LanId=0xB。

(2) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文的SeqNr。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，從A網(wǎng)和B網(wǎng)同時發(fā)出報文的SeqNr必須相同,占用16個比特位。

(3) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文的LSDUSize。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，設(shè)備發(fā)送正確的LSDUSize，并且從A網(wǎng)和B網(wǎng)同時發(fā)出的報文的LSDUSize必須相同,占用12個比特位。

(4) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文的PRPSuffix。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，設(shè)備從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送固定的PRPSuffix=0x88FB，占用16個比特位。

(5) 測試設(shè)備發(fā)送新PRP報文以后，SeqNr加1。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，每當(dāng)設(shè)備發(fā)送一幀新的PRP報文，報文的SeqNr比上一幀增加1。

(6) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文LSDUSize的正確性。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，對于正常發(fā)送的PRP報文，LSDUSize是獨(dú)立于VLAN的，僅僅是LSDU和RCT的長度之和；對于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視報文，同樣LSDUSize也是獨(dú)立于VLAN的，仍然是LSDU和RCT的長度之和。

(7) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文的網(wǎng)口MAC地址。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，設(shè)備從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送的PRP報文，應(yīng)當(dāng)使用同一個物理地址。

(8) 測試設(shè)備發(fā)送PRP報文的IP地址。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，設(shè)備從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送的PRP報文，應(yīng)當(dāng)使用同一個IP地址。

(9) 測試設(shè)備發(fā)送PRP最短報文。測試從裝置發(fā)出的GOOSE報文，對于不含有VLAN標(biāo)簽的PRP報文，報文的最短長度為70字節(jié)，不足70字節(jié)的部分，應(yīng)當(dāng)被強(qiáng)制填充為70字節(jié)。對于含有VLAN標(biāo)簽的PRP報文，報文的最短長度為74字節(jié)，不足74字節(jié)自己的部分應(yīng)當(dāng)被強(qiáng)制填充為74字節(jié)。

(10) 測試設(shè)備發(fā)送PRP監(jiān)視報文。每2 000 ms，設(shè)備通過組播的方式從A網(wǎng)和B網(wǎng)同時發(fā)送監(jiān)視報文。

(11) 測試設(shè)備發(fā)送PRP監(jiān)視報文的格式。從設(shè)備發(fā)出網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視報文格式，由于裝置是一個DANP節(jié)點(diǎn)，因此發(fā)送的監(jiān)視報文中只需要滿足TLV1即可。

2.3 測試設(shè)備PRP報文接收

(1) 測試設(shè)備接收SAN報文：

斷開裝置B網(wǎng)，從A口接收從測試軟件發(fā)出的SAN GOOSE報文；

斷開裝置A網(wǎng)，從B口接收從測試軟件發(fā)出的SAN GOOSE報文；

裝置能夠收到并正確處理接收到的GOOSE報文。

(2) 測試設(shè)備接收到的DANP報文：

斷開裝置B口，將裝置A口連接到A網(wǎng)，從A口接收從測試軟件發(fā)出的A網(wǎng)DANP GOOSE報文；

斷開裝置B口，將裝置A口連接到B網(wǎng)，從A口接收從測試軟件發(fā)出的B網(wǎng)DANP GOOSE報文；

斷開裝置A口，將裝置B口連接到B網(wǎng)，從B口接收從測試軟件發(fā)出的B網(wǎng)DANP GOOSE報文；

斷開裝置A口，將裝置B口連接到A網(wǎng)，從B口接收從測試軟件發(fā)出的A網(wǎng)DANP GOOSE報文；

同時連接裝置的A網(wǎng)和B網(wǎng)，將裝置A口連接到A網(wǎng)，裝置B口連接到B網(wǎng)，同時從裝置的A口和B口接收從測試軟件發(fā)出的DANP GOOSE報文；

同時連接裝置的A網(wǎng)和B網(wǎng)，將裝置A口連接到B網(wǎng)，裝置B口連接到A網(wǎng)，同時從裝置的A口和B口接收從測試軟件發(fā)出的DANP GOOSE報文；

裝置能夠收到并且正確處理收到的GOOSE報文。

(3) 測試設(shè)備接收DANP的最大丟棄間隔。設(shè)備從A口和B口接收來自A網(wǎng)和B網(wǎng)的同一幀DANP報文，并不能保證A口和B口同時收到，因此需要一個時長tresideMin(400 ms)來區(qū)分是否作為同一幀報文來接收。當(dāng)A口B口接收到同一序號的PRP報文的時差小于該時長，則認(rèn)為是來自A網(wǎng)和B網(wǎng)的同一幀PRP報文，裝置會丟棄掉重復(fù)的一幀報文。如果時差大于該時長，則認(rèn)為是來自A網(wǎng)和B網(wǎng)的兩幀報文，兩幀報文都會被處理。

為了測試該時長，測試軟件需要對GOOSE報文做一些特殊處理，裝置需要對來自A網(wǎng)和B網(wǎng)的報文做出不同的處理，但對于報文的PRP部分，A網(wǎng)和B網(wǎng)的序號則一致。因此，裝置對收到的A網(wǎng)，B網(wǎng)GOOSE報文觸發(fā)不同的消息(A網(wǎng)“PRP-A”，B網(wǎng)“PRP-B”)，并且將觸發(fā)的消息作為GOOSE報文發(fā)送給測試主機(jī)1。用測試主機(jī)1監(jiān)視收到的GOOSE報文。

從測試軟件A網(wǎng)發(fā)出報文以后，經(jīng)過延時t發(fā)出B網(wǎng)報文，不斷調(diào)整t來觀察裝置的行為。網(wǎng)報文丟棄間隔測試結(jié)果如表1所示，可以得出該測試的最大延時t為385 ms。

表1 B網(wǎng)報文丟棄間隔測試結(jié)果

從測試軟件B網(wǎng)發(fā)出報文以后，經(jīng)過延時t發(fā)出A網(wǎng)報文，不斷調(diào)整t來觀察裝置的行為。A網(wǎng)報文丟棄間隔測試結(jié)果如表2所示，可以得出該測試的最大延時t為380 ms。

表2 A網(wǎng)報文丟棄間隔測試

(4) 測試設(shè)備接收兩幀DANP的最小間隔。當(dāng)裝置從A口和B口接收的報文超過最大丟棄間隔以后，裝置會將A網(wǎng)和B網(wǎng)收到的報文按照兩幀報文來處理。通過A網(wǎng)，B網(wǎng)GOOSE報文觸發(fā)不同的消息(A網(wǎng)“PRP-A”，B網(wǎng)“PRP-B”)，并且將觸發(fā)的消息作為GOOSE報文發(fā)送給測試主機(jī)1。從測試軟件A網(wǎng)發(fā)出報文以后，經(jīng)過延時t發(fā)出B網(wǎng)報文，不斷調(diào)整t來觀察裝置的行為。接收DANP最小間隔測試結(jié)果如表3所示，可以得出該測試的最小延時t為395 ms。

表3 接收DANP最小間隔測試

從測試軟件B網(wǎng)發(fā)出報文以后，經(jīng)過延時t發(fā)出A網(wǎng)報文，不斷調(diào)整t來觀察裝置的行為。接收DANP最小間隔測試結(jié)果如表4所示，可以得出該測試的最小延時t為395 ms。

表4 接收DANP最小間隔測試

(5) 測試裝置接收巨型幀。當(dāng)增加PRP報文RCT(6字節(jié))以后，PRP網(wǎng)絡(luò)中的報文有可能會超過ISO/IEC 8802-3[9]中所定義的最大報文數(shù)(1522字節(jié))。PRP標(biāo)準(zhǔn)中聲明一個DANP節(jié)點(diǎn)需要支持超過最大長度的網(wǎng)絡(luò)報文(1 528字節(jié)=1 522字節(jié)+RCT)。將測試主機(jī)網(wǎng)卡的Jumbo Packet屬性設(shè)置為啟用并指定一個數(shù)值。從測試主機(jī)發(fā)送一個超長的GOOSE報文，裝置應(yīng)當(dāng)能接收并且處理報文。

(6) 測試裝置接收到錯誤的PRP報文：

測試主機(jī)發(fā)送GOOSE報文到裝置，其中PRPSuffix錯誤，例如PRPSuffix=0x88FC；

測試主機(jī)發(fā)送GOOSE報文到裝置，其中LSDUsize錯誤，例如LSDUsize=0；

測試主機(jī)發(fā)送GOOSE報文到裝置，其中LanId錯誤，例如LanId=0xC；

裝置接收到錯誤的PRP報文，應(yīng)當(dāng)直接丟棄報文。

(7) 測試裝置沒有收到PRP監(jiān)視報文。裝置上電以后，測試主機(jī)不向測試裝置發(fā)送PRP監(jiān)視報文，此時裝置收到的DANP報文將被視作SAN報文。將測試主機(jī)發(fā)出的A網(wǎng)GOOSE報文點(diǎn)亮裝置的1號LED燈，B網(wǎng)發(fā)出的GOOSE報文點(diǎn)亮2號LED燈，但A網(wǎng)B網(wǎng)的GOOSE報文使用相同的PRP報文序號。裝置同時從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)出GOOSE報文，裝置應(yīng)當(dāng)將接收到的報文作為SAN報文處理，同時點(diǎn)亮裝置的1號LED燈和2號LED燈。

(8) 測試裝置收到PRP監(jiān)視報文。測試主機(jī)定時(2 000 ms)向裝置以組播的方式發(fā)送PRP監(jiān)視報文，此時裝置接收的報文會視作DANP報文。其中組播報文的MAC地址固定為：“01:15:4E:00:01:XX”，“XX”為可任意設(shè)定的地址段，一般設(shè)為“00”。將測試主機(jī)發(fā)出的A網(wǎng)GOOSE報文點(diǎn)亮裝置的1號LED燈，B網(wǎng)發(fā)出的GOOSE報文點(diǎn)亮2號LED燈，但A網(wǎng)B網(wǎng)的GOOSE報文使用相同的PRP報文序號。裝置同時從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)出上述GOOSE報文，裝置應(yīng)當(dāng)將接收到的報文作為DANP報文處理，1號LED燈和2號LED燈僅有一個能夠被點(diǎn)亮。

2.4 PRP在線數(shù)據(jù)

通過HTTP協(xié)議，可以在網(wǎng)頁上獲取裝置的PRP在線數(shù)據(jù)，測試過程中，查看并檢查在線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.5 測試結(jié)果

西門子電力自動化有限公司的7SJ686裝置完全通過了測試用例，在滿足PRP規(guī)約的同時，也滿足了GOOSE規(guī)約傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

3 結(jié)語

PRP是一個比較適合國內(nèi)變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜哂鄥f(xié)議，提出了一套測試方案?；诖藴y試方案，可以驗(yàn)證PRP規(guī)約的穩(wěn)定性以及實(shí)時性。隨著國內(nèi)變電站對于自動化系統(tǒng)的要求越來越高，PRP規(guī)約會得到比較廣泛的應(yīng)用。屆時，系統(tǒng)的PRP測試方案會提上日程，第三方的PRP測試認(rèn)證服務(wù)也會得到廣泛的開展。