基于IEC62439-3協(xié)議的智能變電站過程層網(wǎng)絡監(jiān)視方法研究與實現(xiàn)

基于IEC62439-3協(xié)議的智能變電站過程層網(wǎng)絡監(jiān)視方法研究與實現(xiàn)

楊貴高紅亮李廣華李彥付艷蘭摘要：IEC61850-90-4標準中引入了基于并行冗余協(xié)議（PRP）和高可用性無縫冗余協(xié)議（HSR）的組網(wǎng)方案，該組網(wǎng)方案與國內(nèi)普遍推廣應用的雙星型網(wǎng)絡在網(wǎng)絡監(jiān)視等方面具有明顯的差異。本文在HSR、PRP的過程層組網(wǎng)方案基礎上進行網(wǎng)絡監(jiān)視方法研究，提出了基于監(jiān)視幀、nodetable表、IED上送狀態(tài)等幾種網(wǎng)絡監(jiān)視管理方案并對幾種監(jiān)視管理方案進行了分析比較，給出基于HSR、PRP網(wǎng)絡的可選監(jiān)視管理方案。從IEC61850-90-4組網(wǎng)方案的工程實施角度出發(fā)，解決標準中未涉及到的實際問題，為國內(nèi)智能變電站發(fā)展提供了有益的技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：并行冗余協(xié)議;高可用性無縫冗余協(xié)議;監(jiān)測幀;智能變電站TM769;TP393：A0引言隨著智能變電站的推廣建設，智能變電站技術(shù)得到了飛躍發(fā)展，但是國內(nèi)普遍采用的雙星型網(wǎng)絡架構(gòu)存在組網(wǎng)成本高、IED設備處理器負荷重、與國際標準兼容性等方面問題。2012年推出的IEC62439-3[1J標準描述了PRP/HSR兩種冗余網(wǎng)絡協(xié)議，其中HSR采用環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，PRP采用雙星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。通過RedBox（redundancybox）或QuadBox可有效的實現(xiàn)HSR與PRP網(wǎng)絡、PRP/HSR網(wǎng)絡與RSTP（rapidspan-ningtreeprotocoD等其他網(wǎng)絡進行互通[2]。PRP/HSR冗余網(wǎng)絡的特點是網(wǎng)絡冗余，向應用層只上送一份數(shù)據(jù)，降低了對嵌入式硬件資源的使用需求[3]。同時采用HSR環(huán)網(wǎng)可有效的降低組網(wǎng)成本。IEC61850第二版中增加了IEC61850_90_4c4]組網(wǎng)方案相關(guān)的標準，該標準對智能變電站的各種組網(wǎng)方案進行了描述。在IEC61850-90-4標準中第一次明確引入了IEC62439-3標準中定義的PRP/HSR兩種組網(wǎng)技術(shù)，并給出了各種基于該技術(shù)的組網(wǎng)方案。因此，研究基于PRP/HSR的組網(wǎng)方案有利于解決智能變電站現(xiàn)存的組網(wǎng)成本、處理器負荷、標準兼容等問題。但PRP/HSR相對傳統(tǒng)雙星型網(wǎng)絡和RSTP環(huán)網(wǎng)來講，PRP/HSR冗余網(wǎng)絡也引入了新的問題，即增加了雙網(wǎng)告警困難，無法實現(xiàn)邏輯鏈路的A、B網(wǎng)狀態(tài)的單獨識別等問題[5]。但是IEC61850-90-4標準中并未明確給出如何對基于該技術(shù)的網(wǎng)絡進行監(jiān)視管理，而IEC62439-3中給出了基于SNMP的監(jiān)視方案，但信息繁瑣且過于專業(yè)無法滿足電力系統(tǒng)專業(yè)人員日常運維管理需求。本文將基于IEC61850-90-4標準中提出的PRP/HSR的過程層組網(wǎng)方案進行研究分析，給出適合國內(nèi)應用需求的組網(wǎng)方案，并在該組網(wǎng)方案的基礎上進行監(jiān)視方案的研究。1組網(wǎng)方案研究IEC61850-90-4中只是示意性的給出了PRP/HSR的組網(wǎng)方案并沒有明確規(guī)定具體工程如何進行組網(wǎng)，同樣的也沒有對組網(wǎng)方式進行深入比較，本文將以國內(nèi)智能變電站過程層網(wǎng)絡為基礎進行組網(wǎng)架構(gòu)研究。對于PRP/HSR冗余協(xié)議的特點請參照文獻[1]，這里不再贅述。智能變電站過程層網(wǎng)絡由保護、測控、合并單元、智能終端和交換機等設備構(gòu)成[6]，根據(jù)不同的變電站裝置配置情況，可能存在保護、測控一體裝置及合并單元、智能終端一體裝置，甚至是四種裝置合一的四合一裝置[7][8]，因此，需要根據(jù)不同具體工程的裝置配置情況，給出不同的組網(wǎng)方案。IEC61850-90-4中雖然對HSR/PRP的組網(wǎng)給出了示例，但是并沒有說明在各種不同裝置配置情況下如何進行組網(wǎng)設計，本文提供了針對不同IED設備配置的兩種組網(wǎng)方案。方案一，HSR/PRP混合網(wǎng)絡對于保護、測控、合并單元及智能終端均為獨立裝置配置的情況，推薦過程層網(wǎng)絡采用間隔內(nèi)構(gòu)成HSR環(huán)網(wǎng)的方式，跨間隔采用PRP網(wǎng)絡的方式組網(wǎng)，間隔內(nèi)的四臺裝置構(gòu)成HSR環(huán)網(wǎng)，通過合并單元、智能終端分別接入到PRP網(wǎng)絡的A網(wǎng)和B網(wǎng)，用以滿足保護的N-l故障保護功能不受影響的要求。對于跨間隔接收GOOSE、SV信息的母差、主變等裝置直接接入到PRP雙星型網(wǎng)絡上。HSR/PRP混合組網(wǎng)方案具有如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)清晰，每個間隔構(gòu)成一個HSR環(huán)網(wǎng)，跨間隔設備直接接入過程層PRP雙星型網(wǎng)絡?？煽啃愿撸琀SR與PRP網(wǎng)絡之間通過雙設備接入及PRP采用雙星型網(wǎng)絡架構(gòu)，均能夠確保發(fā)生N-l故障時網(wǎng)絡通信正常。節(jié)約組網(wǎng)成本，與現(xiàn)有的雙星型網(wǎng)絡比較每個間隔可減少6個交換機端口，因此有效降低了過程層交換機使用量。減少IED的處理器負荷，采用PRP、HSR技術(shù)降低的IED設備的CPU負荷，大概可減少處理器近百分之五十的負荷。方案二，PRP網(wǎng)絡對于過程層采用保測一體裝置、合智一體裝置或四合一裝置配置的情況，由于每個間隔內(nèi)采用保測一體裝置、合智一體裝置或四合一裝置導致間隔內(nèi)只有一到兩臺裝置，這個時候采用HSR環(huán)網(wǎng)架構(gòu)將不能帶來明顯優(yōu)勢，交換機數(shù)量等不會得到明顯減少。因此，采用PRP雙網(wǎng)架構(gòu)直接實現(xiàn)過程層網(wǎng)絡搭建。該組網(wǎng)方案具有如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)清晰，過程層設備直接接入PRP雙網(wǎng)?？煽啃愿撸琍RP通過雙星型網(wǎng)絡進行組網(wǎng)，有效解決N-l故障。減少IED的CPU負荷，采用PRP技術(shù)降低的IED設備的處理器負荷，大概可減少處理器百分之五十的負荷。2監(jiān)視方案研究IEC62439-3標準通過對每個PRP/HSR實體建立一個可選的監(jiān)視數(shù)據(jù)集與NodesTable表來統(tǒng)計各個PRP/HSR的監(jiān)視狀態(tài)信息，但并未給出在IEC61850通信構(gòu)架下的具體實施方案。因此，本文給出了三種可行的PRP/HSR監(jiān)視管理方案供用戶選擇。監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡示意圖如圖3所示。2.1監(jiān)視幀方案利用PRP＼HSR的監(jiān)測幀來實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡監(jiān)視，要求PRP＼HSR網(wǎng)絡所有節(jié)點都開啟監(jiān)測幀功能。IEC62439-3規(guī)定了PRP、HSR監(jiān)測幀的格式，下面以PRP監(jiān)視幀為例進行介紹，HSR監(jiān)視幀在原理上無差異，本文將不再贅述。關(guān)鍵字段含義如下：PRP_DestinationAddress：預留的多播地址：SourceAddress：PRP節(jié)點的源MAC地址;SupSequenceNumber：監(jiān)測幀序列號;MacAddress：被兩個端口使用的MAC地址。另外，TLV2.Type和TLV2.Length以及RedBoxMacAddress為Redbox實體的監(jiān)測幀特有字段，若節(jié)點不是RedBox則沒有這幾個字段。Padding是70個（無VLAN標記）或者74個（有VIAN標記）避免填充的字節(jié)。監(jiān)視幀的處理遵從PRP報文的處理機制。當從任一個局域網(wǎng)接收到PRP監(jiān)測幀時，伴隨著在幀中標示的復制幀接收和復制幀丟棄的工作模式，節(jié)點應該根據(jù)接收來的消息體里包含的源MAC地址信息在節(jié)點表中創(chuàng)建入口地址。如果一個節(jié)點停止接收來自一個源節(jié)點的監(jiān)測幀的時間超過了NodeForgetTime，但是這個節(jié)點僅從其中的一個局域網(wǎng)上接收源節(jié)點的幀數(shù)據(jù)，此時它應該改變源節(jié)點的狀態(tài)到網(wǎng)絡A或網(wǎng)絡B，這取決于接收的幀來自哪個局域網(wǎng)。由于每個PRP或者HSR節(jié)點都會周期性地發(fā)送PRP/HSR監(jiān)測幀，那么每個節(jié)點都應該接收到相應的監(jiān)測幀[9]。如果在特定的時間內(nèi)，某個節(jié)點的監(jiān)測幀沒有接收到，就可以認為此節(jié)點和本節(jié)點失去聯(lián)系，節(jié)點表中此節(jié)點信息將會刪除;若能再次接收到，那么在節(jié)點表中將會再次建立此節(jié)點的信息。最后，每個節(jié)點將各自節(jié)點表所包含的統(tǒng)計信息分別發(fā)送給網(wǎng)絡運維單元，統(tǒng)一實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡監(jiān)視。該方案采用的監(jiān)視幀只能通過源MAC地址唯一的判別出發(fā)送IED設備，但是，在鏈路訂閱關(guān)系中采用的是目的組播MAC地址，因此需要進行源MAC地址和目的組播MAC地址的映射才能判斷出故障設備。該方案結(jié)合網(wǎng)絡交換機設備的通信狀態(tài)，通過網(wǎng)絡運維管理單元的后期綜合分析也可定位出故障的大概位置。2.2NodesTable表方案IEC62439-3標準定義了PRP＼HSR的管理信息和SNMP上送MIB信息庫，管理信息在NodesTable表中體現(xiàn)。在智能變電站應用中為給用戶提供更好的PRP/HSR冗余雙網(wǎng)的運維體驗，并考慮MU、智能終端等設備無SNMP通信協(xié)議的支持，本方案通過GOOSE機制實現(xiàn)PRP/HSR網(wǎng)絡統(tǒng)計信息上送網(wǎng)絡運維監(jiān)控系統(tǒng)的方法，實現(xiàn)全站網(wǎng)絡運維管理。NodesTable表中具有豐富的監(jiān)視管理信息，但在智能變電站應用中最關(guān)鍵的是能夠方便的判斷出虛擬鏈路的通斷狀態(tài)及準確的定位故障位置，因此，本方案從NodesTable中選取了MacAddress、TimeLastSeenA和TimeLastSeenB三個量用于判斷通斷狀態(tài)。其中MacAddress為報文發(fā)送IED裝置的源MAC地址;TimeLastSeenA為該IED裝置最后一幀報文在PRP＼HSR的A網(wǎng)中出現(xiàn)后經(jīng)過的時間;TimeLastSeenB為該IED裝置最后一幀報文在PRP＼HSR的B網(wǎng)中出現(xiàn)后經(jīng)過的時間。結(jié)合該報文經(jīng)過的PRP＼HS節(jié)點的TimeLastSeenA和Time-LastSeenB可有效的判斷出該裝置在發(fā)送路徑上哪個接點發(fā)生了通信中斷，從而實現(xiàn)準確定位故障，達到提升運維管理水平的目的。該方案較監(jiān)視幀方案具有故障定位準確的優(yōu)點，但同樣存在監(jiān)視幀方案源MAC地址和目的組播MAC地址對應的問題。該方案通過裁剪信息點表滿足智能變電站的應用要求，且完全符合IEC62439-3標準的要求。2.3lED上送狀態(tài)方案該方案通過IED設備結(jié)合設備自身的NodesTable表中的TimeLastSeenA和TimeLast-SeenB來判斷每一個鏈路的A、B網(wǎng)通信狀態(tài)，并在設備內(nèi)部實現(xiàn)源MAC地址和目的組播MAC地址的一一對應，通過裝置發(fā)送標準GOOSE報文上送該IED設備每個鏈路的通信狀態(tài)。該方案結(jié)合網(wǎng)絡交換機設備的通信狀態(tài)，通過網(wǎng)絡運維管理單元的后期綜合分析也可定位出故障的大概位置。2.4監(jiān)視方案比較表1對三種監(jiān)視方案的優(yōu)缺點進行了分析比較。從表中可以看出，采用NodesTable表具有較好的標準一致性，同時定位準確性高，但是需要采用非標準的GOOSE的方式實現(xiàn)監(jiān)視信息的傳輸，額外增加了過程層網(wǎng)絡的流量。采用IED設備上送狀態(tài)方案具有使用習慣與現(xiàn)有智能變電站一致的優(yōu)點。因此具體工程應根據(jù)實際情況選擇適合的監(jiān)視管理方案。3結(jié)語PRP/HSR冗余協(xié)議實現(xiàn)了零恢復時間的網(wǎng)絡自愈、降低了IED裝置的處理器負荷并實現(xiàn)了標準統(tǒng)一，同時HSR組網(wǎng)方案有效的降低了組網(wǎng)成本，因此在智能變電站工程化應用中具有重要意義。但是由于PRP＼HSR冗余協(xié)議雙網(wǎng)報文僅上送處理器一份報文，因而在發(fā)生單一鏈路故障時，監(jiān)控系統(tǒng)不易監(jiān)視。在充分理解PRP和HSR冗余原理的基礎上，提出了三種監(jiān)視方案并對方案進行了比較，為后續(xù)PRP/HSR的工程實施提供了可行的監(jiān)視管理辦法，并可根據(jù)變電站的要求選擇可行的監(jiān)視方案。參考文獻[1]IEC/SC65C.IEC62439Industrialcommunicationnetworks：highavailahilityautomationnetworks，part3：ParallelRedun-dancyProtocol（PRP）andHighavailabilitySeamlessRing（HSR）[S].2nded.[S.I]：1EC，2010[2]李俊剛，宋小會，狄軍峰，等.基于IEC62439-3的智能變電站通信網(wǎng)絡冗余設計[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（10）：70-73.[3]何鐘杰，黃險峰，崔春，等.幾種智能變電站冗余通信協(xié)議分析比較[J].廣東電力，2011，24（4）：5-8.[4]IEC/TR61850-90-4TECHNICALREPORTESl.CommunicationnetworksandsystemsforpowerutilityautomationPart90-4：Networkengineeringguidelines.[5]張憲軍，劉穎，余華武，等.IEC62439PRP冗余丟棄算法設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（21）：