高可靠无缝环网通信方案——FA74智能变电站并行冗余

（CS11 百通赫思曼网络系统国际贸易（上海）有限公司）

1.概述

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，是变电站自动化领域技术发展的方向。在国家电网公司标准《智能变电站技术导则》中指出“全站信息数字化、通信平台网络化”是智能变电站的基本特征。智能变电站通信的重要性日益突出，对作为通信载体的二次网络也提出了明确要求。近年来，计算机技术、信息处理技术和网络通信技术发展迅速，对变电站自动化系统产生了巨大影响，数字化变电站技术将是变电站自动化技术的发展方向和必然趋势，也是实现智能变电站的主要技术架构。

数字化变电站有三个基本特征：数字化的一次设备、全数字化的二次装置和全站统一的标准平台。随着智能变电站试点工作的不断深入，数字化变电站技术的应用实施已经从最初面向变电站层和间隔层发展到面向过程层，过程层的出现是数字化变电站区别于传统变电站的重要特征。过程层通信网络是否能够准确可靠的工作，并代替传统变电站的测量、控制回路成为智能变电站实现的关键。

随着国家电网对智能电网建设力度的不断加大，不同电压等级智能变电站的设计规范也随之相应出台，对于智能变电站的建设与推广具有重要的指导意义。规范明确了智能变电站全站采用高速以太网组成，通信规约采用DL/T 860标准，对站内各种功能组件进行了详细的描述，明确了其配置方案，但尚缺乏对其中最重要的信息承载部分——站内局域网的详细配置规范。而这也是目前国内诸多智能变电站试点工作需解决的主要问题。面对形形色色的局域网传输解决方案，必须采用一种成熟的技术才能保证智能电网的安全、稳定、可靠、高效的需求。

毋庸置疑，安全可靠的二次网络是保障智能变电站安全运行的基础，本文通过对IEC62439-3标准下的PRP（Parallel Redundancy Protocol，并行冗余协议）和HSR（HighAvailability Seamless Redundancy高可靠无缝环网冗余）技术体系的介绍，希望能够为未来智能变电站的二次网络设计带来新的参考和思路。

智能变电站目前通常采用三层两网架构，三层即站控层、间隔层和过程层。两网即站控层网络和过程层网络。站控层网络主要负责全站设备的监控、管理及高级应用，而过程层网络则主要负责采样值（SMV）的采集、设备间的配合命令（GOOSE）和操作命令（GOOSE）的传输。采样值信息的主要特点是数据量大、占用带宽资源多。设备间配合命令的主要特点是突发流量低。而设备操作命令的主要特点是实时性及优先级要求高。二次设备采用网络化通信技术后，影响变电站安全可靠运行的关键数据SMV和GOOSE数据主要通过过程层网络传输。从设计角度考虑，必须保证网络能够容忍多点故障，实现关键数据的高可靠、零丢包。

IEC61850标准在智能变电站自动化系统的采用已无悬念，但是IEC61850标准并没有针对如何构建高可靠网络以保证变电站运行安全提供建议。其结果是，目前在市场上混杂使用了各种各样标准的或私有的网络冗余恢复技术，这包括：

1）通过利用各种成熟的以太网故障冗余恢复机制，主要包括采用例如标准化的RSTP（快速生成树协议，IEEE802.1w）、MSTP（多生成树协议，IEEE802.1s）和MRP（介质冗余协议，IEEE62439-3）技术。

2）各种工业以太网制造商的专有技术，如HIPER-Ring、Fast HIPER-Ring、eRSTP等。

上述各种网络冗余恢复技术不管采用哪一种，在网络发生重构时，都需要一定的恢复时间。但是根据IEC61850标准描述，例如像母线保护和采样值这样的关键数据报文，均要求其所承载的网络能够实现零报文丢包能力（见表1）。以上述网络冗余恢复技术的性能来看，还不能达到要求。幸运的是，IEC委员会SC65 WG15及时的发布了“高可靠的自动化网络”标准IEC62439，在这一标准体系里，描述了多种网络冗余方法，而其中有两种方法，可适用于任意规模和拓扑的智能变电站网络，无论其用于站控层网络还是过程层网络。

表1 恢复时间要求

其中之一是并行冗余协议PRP（IEC62439-3 Clause4），通过提供一种两个网络并行操作的方式，实现了在发生网络链路或以太网络交换机故障时的完全的无缝零丢包切换能力，保证了智能变电站自动化通信中各种高度实时应用的高可靠传输要求。而基于PRP的工作原理，还可以通过一种称为高可靠无缝环网协议HSR（IEC62439-3 Clause5）的技术构成一种简单的、无缝环网结构，在这种环网结构中，可将环网的顺时针方向和逆时针方向看成是两个独立的网络，从而实现完全无缝的零丢包保护能力。

2.PRP是如何工作的？

PRP使用了两个独立但同时激活的网络（见图1）。数据发送终端通过其两个网络接口同时向两个独立的网络发送相同的数据。冗余控制协议须确保来自于两个网络的数据中，永远使用第一个到达的数据而丢弃第二个到达的数据。如果两个网络中只有一个数据到达，则数据接收端会知道两个独立网络中的一个正在发生故障。在PRP的拓扑结构中，这两个独立的网络可以是任意拓扑结构的标准以太网，可以是树形的网络，也可以是环形的网络。也可以是使用了任意网络故障恢复机制的网络，它们可以运行RSTP，也可以运行MRP等。

PRP协议可通过嵌入式以太网技术引入到终端设备中，带有PRP功能的终端节点在PRP网络中被称为DAN（Dual Attached Node），DAN设备到每个网络都有一个连接，这两个网络可以是相同的网络，也可以是在拓扑结构、性能上不同的网络。

对那些只带有一个网络接口的终端设备，也成为SAN（Single Attached Node），他们可以被直接接入两个冗余网络中的任意一个。当然在这种情况下，SAN设备因为只接入了一个网络，不具备冗余性。如果想将SAN设备接入具备冗余性的PRP网络，需使用一种叫做冗余盒（Redundant Box，RedBox）的设备，该冗余盒将为SAN设备提供PRP网络和标准以太网络之间的翻译工作。

DAN必须可以控制冗余及具备处理复制报文的能力。可想而知，当一个报文将要被发送出去时，它们的PRP接口将把该报文复制成两份，然后把每一份分别发送到两个冗余网络中该接口所连接的网络中去。这两个报文在两个网络里被传输，由于这两个网络之间的差异，通常它们的传输延迟也是不同的。在另一端的DAN设备的PRP接口将第一个接收到的报文发送给上层协议并丢弃第二个接收到的报文，在接收设备的上层应用看来，它的PRP接口就像一个标准的以太网接口一样。

对于SAN设备来说，它们所连接的冗余盒（RedBox）具备PRP功能因此该冗余盒实际上充当了一个PRP和标准以太网之间的代理转换功能。

PRP的重复报文鉴别能力是通过RCT（Redundancy Control Trailer）的功能来实现的（见图2）。该RCT通过PRP接口或RedBox被植入到每一个将要被发送出去的数据报文中。这个32位长度的RCT除了包括用于区分LAN A或LAN B的网络标识符和有关此报文有效负载长度的信息外，还包括一个序列编号，这个序列编号也会随着报文从PRP接口的发出而顺序增加。通过报文中唯一的特性（MAC源地址和序列编号），RedBox或DAN就有能力鉴别并丢弃重复的报文。(https://www.daowen.com)

由于在PRP中，RCT位于报文的末尾，使得SAN设备可以正常解析报文。SAN设备会简单地将RCT理解为它接收到的以太网报文的附加位元。

这样一个SAN设备就可以与连接到与它在一个物理网络（LAN A或LAN B）的SAN设备及所有的DAN设备通信。只有连接在不同LAN的SAN设备间不能互相通信，因为报文不能在两个LAN之间转发。

图1 两个独立但同时激活的网络

图2 RCT

PRP适用于对网络故障恢复性能要求最高的环境下，并且对网络拓扑和设计没有特殊要求，所需的仅仅是两个独立的标准以太网络而已。

接下来的问题是，如何将一个DAN或SAN通过一种低成本的方式接入到一个高可靠的网络中，满足SMV和GOOSE对零丢包的要求呢？因为采用PRP，必须建立两个独立的以太网。在前面提到过，HSR所具备的环形接口可以以一种类似于PRP的工作方式在顺时针和逆时针两个方向上同时传输报文，就像在两个网络上传输报文一样来实现高可靠要求。

3.HSR又是如何工作的呢？

HSR对比PRP，被设计成环形结构。通过使用HSR技术，DAN设备的两个网络接口被同时连接在同一个环形网络中，如图3所示。

图3 两个网络接口同时连接在同一个环形网络中

来自于设备发送源的报文被HSR接口添加了额外HSR标记（HSR Tag），这个标记包含了类似于PRP RCT的端口标识，有效载荷的长度和序列编号。比较PRP，HSR标记用于封装报文，标记（Tag）用于包头（Header）（见图4）。

这种设计对每个HSR环网中的设备来说是非常有益的，复制报文的检测在整个HSR报文包头一旦被接收到时就可以完成而不必像PRP那样，必须接收到完整的数据报文后才可以。也正是因为复制报文的检测工作可以更迅速的完成，HSR设备在复制报文检测工作完成后，就可以立即开始将报文从一个HSR端口转发到另一个HSR端口的工作，而不必在整个报文被接收完后才开始。这有点类似交换机的直通（Cut Through）转发模式。

每个HSR设备将HSR环网中的单播（Unicast Frame）报文中的目的地地址移除后发送给上层应用。广播（Broadcast Frame）和多播（Multicast Frame）报文被HSR环网上的每台设备转发并最终发送给上层应用。为了避免环上出现永久性的环路，将广播和多播数据发送到HSR环网上的HSR设备将会将此类报文从HSR环网上移除，正如图3所示那样。

图4 HSR标记

图5 智能化变电站二次网络总体设计

类似PRP，SAN设备不能直接接入HSR环网中，因为需要在报文中封装HSR包头，必须通过支持HSR的RedBox来实现，而SAN设备是不能直接解析HSR的包头的。相对于PRP，SAN设备不能直接参加HSR通信，原因在于HSR包头不能被理解为附加位元，而是会被理解为以太网二层协议信息。

通过从两个连接到HSR环网上的网络接口同时向两个方向发送数据报文，在发生单个网络故障时，其中一个报文永远可以通过没有发生网络故障的方向从源端到达接收端，因此网络没有切换时间。比较PRP，无需建立两个物理网络即可实现零丢包。但是HSR依赖环网结构来实现冗余保证，相比PRP，在网络拓扑和架构灵活性方面就没有这么灵活。另外，由于每一个数据报文都被复制并在环网的两个方向上同时发送，造成环网的实际有效可利用带宽将为50％。

4.结束语

针对上述PRP和HSR的技术特点，在一个智能化变电站二次网络的总体设计中，即可参考如图5所示的模式充分利用它们所带来的价值。例如可在站控层网络中部署PRP实现站控层网络通信的零丢包能力；在过程层网络可在每个间隔采用HSR技术构建低成本但是零丢包的网络以保证关键的GOOSE和SMV数据的可靠安全传输。

PRP和HSR均有其自身的特点，并没有哪一种比另一种更好之说。在实际应用中，还应充分考虑变电站自动化设备自身功能实现的原理和总体投资概算。