謝 黎

并行冗余和高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用

謝 黎

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

本文分析總結(jié)了智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)目前智能變電站存在的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性和可靠性的問(wèn)題，提出一種基于IEC 62439—3并行冗余和高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議的智能站一層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，完成典型設(shè)備的研制及相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試。試驗(yàn)證明，并行冗余和高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)可滿足電力系統(tǒng)保護(hù)裝置對(duì)速動(dòng)性和可靠性的要求，在智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)具有較好的實(shí)用性。最后分析總結(jié)并行冗余和高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)對(duì)智能變電站建設(shè)帶來(lái)的影響。

智能變電站；并行冗余；高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng)冗余；一層網(wǎng)絡(luò)；雙網(wǎng)冗余

0 引言

隨著高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信速率從100Mbit/s增加到1Gbit/s，變電站智能設(shè)備中多個(gè)相互獨(dú)立的協(xié)議數(shù)據(jù)多端口，如制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）、面向通用對(duì)象的變電站事件（generic objected oriented substation event, GOOSE）、采樣值（sample value, SV）和1588，合并成一個(gè)多種業(yè)務(wù)共享的以太網(wǎng)端口，實(shí)現(xiàn)電力多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的高度融合和站內(nèi)信息的可靠共享，使新一代智能變電站物理上一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)[1-5]成為可能。

一層網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)的架構(gòu)使智能變電站內(nèi)部交換機(jī)及光口數(shù)量大幅減少，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加清晰，全站信息高度共享，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量的大幅增加，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。

目前智能變電站網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性主要通過(guò)劃分多個(gè)虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network, VLAN）和優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽技術(shù)來(lái)保障，即將同一工作性質(zhì)的智能設(shè)備劃分在同一VLAN中，減少跨VLAN的數(shù)據(jù)通信。但VLAN有數(shù)目限制、管理復(fù)雜[6-9]。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性通過(guò)采用并行冗余雙網(wǎng)或環(huán)網(wǎng)的方式保障。并行冗余雙網(wǎng)一般采用基于兩個(gè)獨(dú)立介質(zhì)訪問(wèn)控制層（media access control, MAC）的雙星型冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使用基于軟件判斷處理的方式實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，軟件判斷處理存在較大的延時(shí)，必然造成網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)雙網(wǎng)的切換時(shí)間長(zhǎng)、易丟包等情況。環(huán)網(wǎng)采用快速生成樹(shù)協(xié)議（rapid spanning tree protocol, RSTP）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方式具有一定的網(wǎng)絡(luò)故障自愈能力，但收斂時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法滿足智能變電站對(duì)故障快速響應(yīng)的需求。

2008年IEC SC65 WG15發(fā)布了IEC 62439高可用性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中IEC 62439—3規(guī)定了并行冗余協(xié)議（parallel redundancy protocol, PRP）和高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議（high-availability seamless redundancy, HSR）[10]，這兩種協(xié)議都能夠滿足智能變電站通信的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)也為智能變電站提供了高可靠性組網(wǎng)解決方案。目前，國(guó)外在變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用IEC 62439—3，國(guó)內(nèi)也做了相關(guān)研究[11-16]，但注重的主要是協(xié)議本身實(shí)現(xiàn)方式的描述并對(duì)實(shí)現(xiàn)的可能性進(jìn)行了初步探討，并沒(méi)有實(shí)際實(shí)現(xiàn)、測(cè)試驗(yàn)證。本文提出一種基于IEC 62439—3 PRP/HSR的智能站網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案，完成典型設(shè)備的研制及相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試，并分析總結(jié)了PRP/HSR實(shí)現(xiàn)方案在智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用的前景。

1 PRP/HSR技術(shù)基本原理

IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)中提出的PRP和HSR具有網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)零延時(shí)、故障時(shí)不丟幀、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等特點(diǎn)，其技術(shù)原理如下。

PRP是在節(jié)點(diǎn)而非網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行冗余，即使用遵從PRP的雙連接節(jié)點(diǎn)DANP執(zhí)行冗余。DANP被連接到兩個(gè)拓?fù)湎嗨频莫?dú)立的局域網(wǎng)，命名為L(zhǎng)AN_A和LAN_B，這兩個(gè)局域網(wǎng)并行運(yùn)行。DANP源節(jié)點(diǎn)將一個(gè)數(shù)據(jù)幀復(fù)制成兩份，加上PRP標(biāo)識(shí)，發(fā)送到兩個(gè)局域網(wǎng)中。一段時(shí)間后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別從兩個(gè)局域網(wǎng)收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀，利用丟棄算法，選取第一個(gè)到達(dá)的數(shù)據(jù)幀，丟棄后到的數(shù)據(jù)幀，并去掉接收的數(shù)據(jù)幀PRP標(biāo)識(shí)。兩個(gè)局域網(wǎng)可以是任意一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如樹(shù)形、環(huán)形或網(wǎng)形。

HSR使用遵從HSR的雙連接節(jié)點(diǎn)DANH執(zhí)行冗余。一個(gè)簡(jiǎn)單的HSR網(wǎng)絡(luò)由DANH組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)環(huán)形端口，由全雙向鏈路連接，形成環(huán)形拓?fù)?。DANH源節(jié)點(diǎn)將一個(gè)數(shù)據(jù)幀復(fù)制成兩份，加上HSR標(biāo)識(shí)，發(fā)送到它的兩個(gè)端口。非目標(biāo)DANH將接收到的幀報(bào)文從一個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)端口，目標(biāo)DANH接收來(lái)自兩個(gè)端口的具有一定時(shí)延的相同幀報(bào)文，利用丟棄算法，選取第一個(gè)到達(dá)的數(shù)據(jù)幀，丟棄后到的數(shù)據(jù)幀，并去掉接收的數(shù)據(jù)幀HSR標(biāo)識(shí)。

基于PRP/HSR的冗余網(wǎng)絡(luò)要求裝置包含雙以太網(wǎng)控制器和同一MAC地址的雙網(wǎng)絡(luò)端口，分別接入兩個(gè)完全獨(dú)立的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)裝置通信網(wǎng)絡(luò)的冗余。

2 PRP/HSR實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

智能變電站PRP組網(wǎng)應(yīng)用示意圖如圖1所示。過(guò)程層、間隔層和站控層設(shè)備均經(jīng)過(guò)網(wǎng)口接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，過(guò)程層設(shè)備采集SV數(shù)據(jù)和GOOSE開(kāi)關(guān)量信號(hào)后，以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)形式上送網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；間隔層設(shè)備從共享網(wǎng)絡(luò)按需獲取SV等信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控等功能；站控層設(shè)備通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò)獲取MMS信息，實(shí)現(xiàn)全站信息的有效監(jiān)控。為保障網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，三種設(shè)備均設(shè)計(jì)為通過(guò)兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)端口分別接入兩個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)，標(biāo)識(shí)為A網(wǎng)和B網(wǎng)，形成并行冗余網(wǎng)絡(luò)。各類裝置在物理雙網(wǎng)的基礎(chǔ)上運(yùn)行PRP。

圖1 智能變電站PRP組網(wǎng)應(yīng)用示意圖

智能變電站HSR組網(wǎng)應(yīng)用示意圖如圖2所示。各間隔內(nèi)的相關(guān)保護(hù)、測(cè)控、合智一體裝置以HSR形式連成環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，各間隔之間的HSR環(huán)網(wǎng)通過(guò)專用連接設(shè)備QuadBox連接到一起，最終和母線測(cè)控、公用測(cè)控及站控層的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)組成整個(gè)變電站系統(tǒng)的HSR環(huán)網(wǎng)通信。

圖2 智能變電站HSR組網(wǎng)應(yīng)用示意圖

2.2 功能實(shí)現(xiàn)及軟件配置

智能變電站網(wǎng)絡(luò)中所有雙連節(jié)點(diǎn)（double attached node, DAN）設(shè)備和冗余盒的PRP/HSR實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）完成，參數(shù)配置和工作狀態(tài)信息讀取由處理器軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)支持IEC 61588協(xié)議在雙網(wǎng)冗余中的使用。

1）冗余功能的實(shí)現(xiàn)

本文所述的冗余設(shè)備，從數(shù)據(jù)鏈路層的MAC，PRP/HSR鏈路冗余控制模塊及相關(guān)的功能接口都在FPGA中以IP核的形式實(shí)現(xiàn)，完全自主開(kāi)發(fā)，上層的報(bào)文處理由處理軟件實(shí)現(xiàn)，包括SV、GOOSE報(bào)文，以及TCP/IP協(xié)議棧等功能。冗余功能實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 冗余功能實(shí)現(xiàn)方案

依托物理冗余雙網(wǎng)接口，軟件功能通過(guò)鏈路冗余控制模塊連接到上層數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，并行冗余網(wǎng)口A和網(wǎng)口B使用相同的MAC地址，鏈路冗余實(shí)體（link redundancy entity, LRE）模塊通過(guò)冗余算法只將A網(wǎng)或B網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞給上層數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，因此，從上層數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊向下看，實(shí)際具有冗余的網(wǎng)口呈現(xiàn)非冗余的特性。通過(guò)冗余設(shè)計(jì)，在提高網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的同時(shí)不影響裝置的任何性能，可保證智能變電站在一層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式下通信的可 靠性。

2）IEC 61588的實(shí)現(xiàn)方式

在冗余網(wǎng)絡(luò)中，IEC 61588報(bào)文都是雙份存在的，處理方式不同于普通報(bào)文，PRP/HSR模塊不是選擇最快到達(dá)的報(bào)文傳給上層，而是同時(shí)接受來(lái)自兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的1588報(bào)文，按照最優(yōu)主時(shí)鐘（best master clock, BMC）算法選擇一路作為對(duì)時(shí)工作網(wǎng)絡(luò)。

在DAN設(shè)備中，需要維護(hù)一個(gè)普通時(shí)鐘（ordinary clock, OC），并使用BMC算法處理來(lái)自PRP/HSR模塊的對(duì)時(shí)報(bào)文，BMC算法由軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，必要時(shí)可以進(jìn)行A、B網(wǎng)切換，選擇一路作為對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。

在冗余盒中，維護(hù)一個(gè)P2P透明時(shí)鐘，在Device端口和普通IEC 61588的P2P透明時(shí)鐘并無(wú)區(qū)別，在冗余網(wǎng)口端，同樣使用BMC算法選擇一路作為對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。BMC算法由冗余盒的處理器軟件實(shí)現(xiàn)，整個(gè)冗余盒在對(duì)時(shí)系統(tǒng)中的功能是P2P的透明時(shí)鐘。

3）工作參數(shù)及狀態(tài)獲取

DAN和冗余盒的工作參數(shù)由CPU來(lái)配置，配置接口根據(jù)實(shí)際情況采用LocalBus并行總線，也可以使用集成電路總線（inter-integrated circuit, IIC）等低速總線。在支持IEC 61588的設(shè)備中，由于BMC算法的實(shí)現(xiàn)需共用數(shù)據(jù)傳輸通道，故使用并行總線，以獲取更快的數(shù)據(jù)傳輸率，提升對(duì)時(shí)性能。

軟件對(duì)PRP/HSR設(shè)備的配置主要有兩個(gè)方面：工作模式（PRP還是HSR）、網(wǎng)絡(luò)速率（PRP/HSR要求A、B網(wǎng)處于相同速率模式下）。同時(shí)軟件可讀取設(shè)備工作狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)信息（報(bào)文流量、報(bào)文類型等）及故障指示等信息。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備研制

使用PRP/HSR實(shí)現(xiàn)一層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵是研制雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備及軟件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)入網(wǎng)設(shè)備接口的特點(diǎn)，雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備可以有不同的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)于需要自帶雙網(wǎng)冗余接口的雙連節(jié)點(diǎn)設(shè)備DAN，雙網(wǎng)冗余控制設(shè)備可以和裝置的核心板卡進(jìn)行統(tǒng)一。由于涉及信息的獲取及上傳，雙網(wǎng)冗余設(shè)備通常作為一個(gè)接口模塊嵌入設(shè)備的核心CPU板卡中。對(duì)于本身僅有一個(gè)入網(wǎng)接口的單連節(jié)點(diǎn)（single attached node, SAN）設(shè)備，雙網(wǎng)冗余控制模塊可作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備存在，簡(jiǎn)稱冗余盒。

1）核心CPU板

核心CPU板卡硬件原理框圖如圖4所示，CPU、數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor, DSP）和平臺(tái)FPGA實(shí)現(xiàn)裝置功能，應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)PRP雙網(wǎng)冗余通信功能，包括以太網(wǎng)MAC功能、查找表及丟棄算法的實(shí)現(xiàn)等。FPGA芯片通過(guò)外部物理層接口器件PHY對(duì)外擴(kuò)展2路以太網(wǎng)口A、B。由于SV數(shù)據(jù)量大，GOOSE數(shù)據(jù)存在突發(fā)傳輸特性，裝置需具有快速處理和傳輸大容量數(shù)據(jù)的能力，因此冗余網(wǎng)口設(shè)計(jì)為支持千兆電模式或光模式，且光網(wǎng)口模塊光功率可以實(shí)現(xiàn)在線采集和監(jiān)測(cè)。通過(guò)在核心CPU板卡上進(jìn)行雙網(wǎng)口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備的共網(wǎng)接入及通信網(wǎng)絡(luò)的互備，提高了設(shè)備共網(wǎng)的可靠性。

圖4 核心CPU板卡硬件原理框圖

2）雙網(wǎng)冗余盒RedBox

將核心CPU板卡中應(yīng)用FPGA及其外圍電路單獨(dú)剝離出來(lái)，進(jìn)行封裝后即可成為雙網(wǎng)冗余盒。雙網(wǎng)冗余盒針對(duì)單節(jié)點(diǎn)接入設(shè)備，可使PRP技術(shù)在單網(wǎng)口設(shè)備上的應(yīng)用成為可能。所設(shè)計(jì)的雙網(wǎng)冗余盒可以很方便地通過(guò)卡槽安裝在變電站室內(nèi)屏柜的端子卡軌上，緊挨著單節(jié)點(diǎn)設(shè)備安裝。單節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)冗余盒接入共網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的方法如圖5所示。

圖5 單節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接示意圖

3）四端口HSR環(huán)連接設(shè)備QuadBox

兩個(gè)HSR環(huán)可以通過(guò)四端口連接設(shè)備QuadBox相連接。QuadBox可以通過(guò)連接兩個(gè)RedBox的設(shè)備接口DEV內(nèi)部互聯(lián)模塊（InterLink）擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，QuadBox的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 QuadBox內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)QuadBox內(nèi)部InterLink功能的配置可以靈活控制所連接各HSR環(huán)網(wǎng)之間的以太網(wǎng)信息交互，防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試

由于雙節(jié)點(diǎn)設(shè)備（DAN）和冗余盒（RedBox）的PRP/HSR實(shí)現(xiàn)機(jī)理完全一樣，本文通過(guò)對(duì)單個(gè)RedBox的定量測(cè)試及其組成的PRP/HSR系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信性能定性測(cè)試來(lái)驗(yàn)證PRP/HSR對(duì)三網(wǎng)合一網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性的影響，基于RedBox的PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

在PRP模式下通過(guò)SmartBit網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀向RedBox的A、B口加流量，測(cè)試Device口（D口）在不同通信帶寬下的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)及丟包率，D口加流量，測(cè)試A、B口在不同通信帶寬下的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)及丟包率；在HSR模式下通過(guò)SmartBit網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀向RedBox的A口加流量，測(cè)試B口、D口不同通信帶寬下轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)及丟包率。

圖7 基于RedBox的PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試系統(tǒng)

PRP和HSR模式下的測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

由表1和表2可見(jiàn)，PRP及HSR模式下各口之間的轉(zhuǎn)發(fā)丟包率為零。

RedBox的Device口與A、B口以太網(wǎng)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)同樣可以通過(guò)FPGA內(nèi)部調(diào)試工具Chipscope精確測(cè)量出來(lái)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，PRP或者HSR模式下Device口與A、B口之間的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)和報(bào)文長(zhǎng)度成正比，基本和報(bào)文的發(fā)送接收時(shí)間一致，其原因是Device口與A、B口之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即完整報(bào)文接收存儲(chǔ)后才開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)；而HSR模式下A、B口之間的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)和報(bào)文長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，只與通信的以太網(wǎng)速率相關(guān)，其原因是HSR模式下A、B口之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換采用實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即其中一個(gè)口收到HSR flag后即開(kāi)始從另外一口轉(zhuǎn)發(fā)此報(bào)文。

表1 PRP模式下RedBox丟包率

表2 HSR模式下RedBox丟包率

表3 RedBox網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)

4 應(yīng)用分析

PRP/HSR雙網(wǎng)切換與報(bào)文篩選機(jī)制由FPGA實(shí)現(xiàn)，從原理上保證了網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)零延時(shí)與零丟包。同時(shí)，應(yīng)用軟件不再考慮雙網(wǎng)切換機(jī)制，使設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。

PRP冗余雙網(wǎng)仍然需要借助交換機(jī)構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，同傳統(tǒng)方案相比不增加交換機(jī)數(shù)量，但不支持PRP功能的二次設(shè)備需要增加專用設(shè)備冗余盒以接入PRP網(wǎng)絡(luò)。PRP網(wǎng)絡(luò)仍可采用VLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隔離，進(jìn)一步提高通信可靠性。PRP網(wǎng)絡(luò)理論上最多可以接入256臺(tái)二次設(shè)備，可以滿足35～1 000kV各電壓等級(jí)變電站的組網(wǎng)要求。

HSR環(huán)網(wǎng)省去了交換機(jī)設(shè)備，降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變?yōu)榄h(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不同的HSR環(huán)網(wǎng)之間需要配置QuadBox進(jìn)行互聯(lián)。由于HSR單個(gè)環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量有限制，所以HSR適合在二次設(shè)備數(shù)量不多的工程場(chǎng)合應(yīng)用，應(yīng)用HSR推薦按照間隔進(jìn)行組網(wǎng)的方式，每個(gè)間隔形成環(huán)網(wǎng)，并劃分VLAN以限制不同環(huán)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)流量。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)也可根據(jù)具體情況結(jié)合PRP和HSR的優(yōu)勢(shì)，采用混合組網(wǎng)。

5 結(jié)論

在智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信中使用PRP/HSR技術(shù)，解決了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中所面臨的所有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，簡(jiǎn)化了智能變電站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可提高通信網(wǎng)絡(luò)的可用性，滿足保護(hù)采樣實(shí)時(shí)性、可靠性的要求，降低整體造價(jià)。HSR組網(wǎng)技術(shù)同樣可適用于配電環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)，研究PRP/HSR技術(shù)在電力系統(tǒng)其他領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用是下一步的研究方向。

[1] 韓培潔. 新一代110kV智能變電站站域保護(hù)技術(shù)研究[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(5): 43-48.

[2] 魏勇, 宋小會(huì), 許偉國(guó), 等. 智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用EPON技術(shù)實(shí)用性研究[J]. 電氣技術(shù), 2011, 12(10): 15-19.

[3] 徐磊. 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電氣技術(shù), 2010, 11(8): 16-20.

[4] 劉曉勝, 龐繼偉, 徐殿國(guó), 等. 基于蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的智能變電站過(guò)程層GOOSE網(wǎng)組網(wǎng)可靠性與實(shí)時(shí)性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(增刊1): 245-250.

[5] 張旭澤, 鄭永康, 康小寧, 等. 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)所面臨的若干問(wèn)題[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2018, 46(6): 90-96.

[6] BO Z Q, LIN X N, WANG Q P, et al. Developments of power system protection and control[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2016, 1(1): 1-8.

[7] 許翠娟, 杜振華, 王鵬. 一種實(shí)現(xiàn)變電站交換機(jī)虛擬局域網(wǎng)智能劃分配置的方法[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(7): 58-62.

[8] 黃智宇, 段雄英, 鄒圓, 等. 基于VLAN技術(shù)的電子式互感器數(shù)字接口[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(3): 36-40.

[9] 胡建斌, 常曉杰, 黃榮輝, 等. 智能變電站過(guò)程層“三網(wǎng)合一”組網(wǎng)方案及VLAN劃分[J]. 電工技術(shù), 2011(9): 10-13.

[10] 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò). 高可靠性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò). 第3部分: 平行冗余協(xié)議(PRP)及高可用性無(wú)縫冗余度(HSR): IEC 62439—3—2010[S]. 2010.

[11] 陶文偉, 高紅亮, 楊貴, 等. 智能變電站過(guò)程層冗余組網(wǎng)模式及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)累加技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2018, 46(8): 124-129.

[12] 張憲軍, 劉穎, 余華武, 等. IEC 62439 PRP冗余丟棄算法設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(21): 110-115.

[13] 李俊剛, 宋小會(huì), 狄軍峰, 等. 基于IEC 62439—3的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011, 35(10): 70-73.

[14] 竇曉波, 胡敏強(qiáng), 吳在軍, 等. 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的組建與冗余方案[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(1): 38-43.

[15] 謝志迅, 鄧素碧, 臧德?lián)P. 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(9): 100-103, 120.

[16] 陳原子, 徐習(xí)東. 基于并行冗余網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2011, 31(1): 105-108.

Application of parallel redundancy and high-availability seamless redundancy technology in smart substation

XIE Li

(NARI Technology Development Co., Ltd, Nanjing 211106)

This paper analyzes and summarizes the application status of internal network communication in smart substation. Aiming at the problems of real-time and reliability of network communication existing in the smart substation, this paper puts forward an implementation scheme of smart station one layer network based on IEC 62439—3 parallel redundancy protocol and high-availability seamless redundancy, and completes the development of typical equipment and related test verification. The test results show that parallel redundancy protocol and high-availability seamless redundancy technology can meet the requirements of power system protection device for quick action and has good practicability in intelligent substation automation system. Finally, the impact of the implementation scheme on smart substation is analyzed from the aspects of network architecture.

smart substation; parallel redundancy; high-availability seamless redundancy; one layer network; dual network redundancy

2020-12-01

2020-12-14

謝 黎（1978—），男，湖南漣源人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)二次設(shè)備研發(fā)工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SGTYHT/14-JS-188）