基于并行冗余協議的高可靠性過程總線通信研究

莫 峻 譚建成

（廣西大學電氣工程學院 南寧 530004）

1 引言

目前基于IEC 61850的過程總線技術在我國正處于間隔試點，掛網運行階段。主要采用端對端過程總線子網孤網運行方式，在物理介質上獨立于變電站總線。基于 IEC61850-9-1[1]的過程總線技術正向IEC61850-9-2[2]網絡型過渡[3,4]。對過程層采集的電流電壓及狀態量進行數字化網絡化處理。過程總線間隔試點通常采用小范圍孤網運行，網絡流量較低，受網絡冗余技術影響很小。過渡到IEC61850-9-2后，采樣測量值（SMV）、跳閘指令及斷路器隔離開關狀態量（GOOSE）傳輸于過程總線網絡，通信技術成為變電站自動化系統的關鍵[5-7]。通信網絡結構、QoS服務質量（優先權配置）、冗余協議等都可能影響到過程總線及其繼電保護方案的可靠性。

冗余技術是提高變電站自動化系統可靠性的關鍵技術[8,9]。快速生成樹協議（RSTP）是目前廣泛應用的通信冗余技術。RSTP的故障修復時間少則幾十個毫秒，多達數十分鐘，主要受到系統結構及其規模的限制。當網絡系統出現鏈路故障進行重構時，系統通信中斷或受到影響。基于 RSTP的網絡鏈路故障可能造成大量采樣值無法通過過程總線到達保護裝置，GOOSE跳閘命令被延時，甚至消失在網絡中，無法通過過程總線到達智能終端，最終導致繼電保護檢查不到故障，或保護出口跳閘失敗，故障無法切除，造成巨大的經濟損失，嚴重影響電力系統的安全穩定運行。

為了確保采樣測量值及跳閘命令在過程總線的無損傳輸，本文采用雙網并行冗余協議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）構建高可靠性過程總線系統。PRP方案應用于過程總線將極大改善繼電保護信息系統的可靠性，保證電力系統的安全穩定運行。

2 PRP協議介紹

為滿足電力系統繼電保護及控制的高可靠性要求，IEC最新推出了雙網并行冗余協議PRP[10]。如圖1所示，并行冗余系統采用兩個獨立的局域網A、B實現，這兩個網絡在拓撲結構和通信性能方面可以相同也可以不同。在網絡中，可以根據連接網絡的鏈路數劃分兩類節點：①DAN（Doubly Attached Nodes）節點：通過兩個網絡接口連接到雙網的節點；②SAN（Single Attached Nodes）節點：通過一個網絡接口連接到單網的節點。

圖1 PRP網絡結構Fig.1 PRP network architecture

雙網冗余是通過DAN節點實現的。DAN節點有兩個網絡適配器和一個鏈路冗余實體（Link Redundancy Entity，LRE）。兩個適配器與兩個網絡A、B連接。上層應用與網絡接口通過LRE連接。

LRE是DAN節點的核心設備，LRE工作在數據鏈路層，為了有效識別 DAN節點冗余信息，會給發送的數據幀添加一個冗余控制尾（Redundancy Control Trailer, RCT）。RCT包括16位的序列號，4位的網絡標志符（僅用1010和1011表示兩個獨立的網絡），12位的幀長，如圖2所示。

圖2 幀結構Fig.2 Frame structure

3 PRP在過程總線中的應用

在過程總線中，保護裝置到斷路器的跳閘命令以及合并單元到保護裝置的采樣值報文必須快速、可靠傳輸。基于PRP方案的過程總線可以確保采樣值報文及GOOSE跳閘命令的無損傳輸。

本文以變壓器差動保護為例，分析過程總線的PRP運行機制。如圖 3所示，合并單元（MU）將電流互感器采集到變壓器高、低壓側的電流數據打包成SMV報文分別通過兩個獨立局域網A、B傳輸給變壓器保護裝置（C點）。網 A采用環形拓撲結構，網B采用單交換機星形拓撲結構。

圖3 變壓器差動保護PRP網絡構架Fig.3 PRP based network architecture for transformer differential protection

當 SMV報文從兩個網絡傳輸到保護裝置時，會產生一個先后順序，根據該順序保護裝置為兩個網絡各維持一個獨立滑動窗口，窗口的下邊界是起始序列號，上邊界是期望序列號。

如圖4所示，滑窗A維系的上下邊界分別用e、s表示，當前序列號用c表示。假設C點接收到來自網B幀（B幀）的當前序列號落在網A的滑動窗口內，則說明網A已經傳輸過該幀，應該將該幀丟棄。若B幀的當前序列號大于或等于網A期望序列號，則為 B幀早到。若 B幀當前序列號小于網 A起始序列號，則為B幀晚到。B幀早到和晚到都落在網A的滑動窗口外，因此要保存該幀并將其轉發給上層。

圖4 網A的滑動窗口Fig.4 Drop window for LAN A

當網 A鏈路出現故障時，SMV報文順次出現在網B上，而沒有出現在網A上。C點通過判斷其序列號落在 A窗外（B幀早到），決定保存這些報文。在逐漸拉大B窗到一定程度時，A窗仍保持不變，則可判斷網A發生了故障。

由以上分析可得鏈路故障定位時間的計算公式

式中，Tf表示故障定位時間；Wmax表示最大滑動窗口的長度，是確定系統故障的重要判據；Ti表示第i個報文的發送周期。Wmax可由用戶定義，如果設置太小，會增加系統的誤報率。考慮到Ti與報文的傳輸率有關，在過程總線中，采樣值報文具有傳輸流量大、周期性強的特點。為了準確判斷故障，減少故障定位的時間，式中Wmax的取值根據SMV報文的傳輸率fSMV進行確定，從而得到基于采樣值報文傳輸的故障定位時間計算公式為

例如：采用 IEC 61850-9-2/LE 保護的采樣值報文傳輸率為 4 000pps（每秒傳輸報文數），Wmax的取值為 5～10，由上式可確定本方案的故障定位時間范圍是1.25～2.5ms。

4 可靠性分析

4.1 系統結構

全智能化保護系統一般由非常規互感器、合并單元、交換機、網絡接口、保護裝置、同步時鐘源等智能元件構成。假設非常規互感器的可靠性遠大于保護裝置[11,12]，網絡接口（包括SAN節點和DAN節點）可靠性直接歸算至 IED，本文的保護系統可靠性模型不考慮互感器和網絡接口。

為簡化系統描述，采用下述縮寫符號：TS（IEEE 1588 time synchronization）同步時鐘源；（Merging Unit，MU）合并單元；繼電保護（Protective Relay，PR）；交換機（Switch，SW）。本文建立的4種典型的過程總線結構如圖5所示。結構1、2為常規總線型構架，結構3、結構4分別采用雙星形、雙環形的PRP構架。

圖5 典型系統結構Fig.5 Typical system architectures

根據分布式繼電保護功能可得到結構 1～4的系統可靠性邏輯框圖，如圖6所示。

圖6 可靠性框圖Fig.6 Reliability block diagram

4.2 系統可靠性分析

割集是從系統故障角度考慮的。如果一個割集任意去掉一條弧就不再是割集，這樣的割集稱為最小割集。結構1～4的最小割集已用虛線標出。采用最小割集法計算系統可靠性。在已知最小割集的情況下，系統可靠度由下式[13]求得

式中，Rs為整個系統的可靠度；m為最小割集數量；ci為第 i個最小割集；Rn為第 n個單元可靠度；Fi為第i個最小割集的不可靠度；i=1,2,…,m。

在結構 2、4中的過程總線交換機采用堆疊連接實現保護裝置、合并單元、同步時鐘“交叉備用”，這種冗余配置導致了多個割集域中出現相容事件，如：結構4的最小割集{TS1,TS2}與{TS2,SW11,SW22}中具有相容事件 TS2。求解該類系統可靠度若采用網絡系統可靠度的直接不交化算法計算量大，容易產生組合爆炸問題[14]。因此可以考慮采用簡化后的最小割集算法求解系統可靠度。

對于最小割集相容事件問題，采用式（3）計算由于多次考慮了重復出現在多個最小割集中的某些單元故障率的影響，因而其計算結果總是偏小。展開式（3）可得

由于上式二次項之后總是小于0的負小數，為了補償近似算法所重復計算的故障概率，不再考慮三次項以后的數值，從而得到簡化的最小割集補償算法[15]。即

假設同一類型元件具有相同的故障率，同步時鐘源、合并單元、保護裝置、交換機的可靠性分別記作 pTS、pMU、pPR、pSW，根據結構 1中虛線標出的最小割集可得

將上式代入式（5）可得到結構1的系統可靠度函數

利用同樣方法，可得到結構 2～4的系統可靠性。假設元件壽命服從指數分布，則該元件可靠度函數為

式中，λ 為元件的故障率。與可靠度對應的是不可靠度，表示產品在規定的條件下和規定的時間內不能完成規定功能的概率。不可靠度與可靠度呈互補關系，因而有

在一般情況下，對可靠度函數 R(t)從 0到+∞的時間區間進行積分計算，可得到產品總體的平均壽命，即

假設所有元件壽命服從指數分布，取網絡交換機的平均壽命為50年（λ=0.02/年），其余元件的平均壽命為 100年（λ=0.01/年）。將系統可靠度函數代入可得到各結構系統不可靠度隨時間的變化情況，如圖7所示。

圖7 四種不同結構系統的不可靠度Fig.7 System unreliability of 4 different architectures

下表列出了各結構的最小割集數、MTTF以及在1 000h的系統不可靠度。

表 系統不可靠度及MTTFTab. System unreliability and MTTF

4.3 討論

（1）相比結構1、2，結構3、4不可靠度較小，系統平均壽命較長，可靠性較高。說明了PRP系統的可靠性要優于常規冗余系統。

（2）結構3采用了雙星形構架，相比雙環冗余構架（結構4），平均壽命有所提高，但是從圖7以及表中的不可靠度數據可以看出，結構4的性能并不完全比結構3差。在平均壽命的某個時期內，結構4的可靠度要大于結構 3。這說明了雙星形和雙環形構架在性能上各有所長。兩種方案如果從技術、成本等方面考慮，一般優先選擇結構3。

（3）結構4采用雙環網冗余構架，需要考慮網絡鏈路故障對繼電保護的影響。主要考察網絡系統的故障修復時間是否滿足電力系統的故障切除要求。假設電力系統允許故障切除最長時間為 T，斷路器開斷時間為Ta，允許的繼電保護出口跳閘時間為Tb= T-Ta，則要求結構4的網絡故障修復時間滿足Tr＜Tb，否則冗余機制不能計入可靠性。

5 結論

基于PRP協議的過程總線方案可以增強系統的可靠性和容錯能力，提高工業系統的安全等級，保證電力系統的安全穩定運行。

本文分析了PRP過程總線系統的運行機制，給出了網絡鏈路故障定位時間的計算方法和判斷依據。對采用PRP過程總線方案的繼電保護系統可靠性進行了深入研究。根據分布式繼電保護功能特征，構建了4種典型的保護系統結構及其可靠性框圖。基于最小割集理論，引入了最小割集補償算法計算系統可靠度，分析、論證了PRP系統的高可靠性應用優勢。

最小割集補償算法適于求解在電力系統領域中具有較高可靠性單元的網絡系統可靠度。該算法易于軟件實現，并可靈活擴展，可動態建立系統可靠性模型，實現系統運行狀態可視化，因而具有極大的工程實用價值。

[1]IEC 61850-9-1 Communication networks and systems in substations 9-1: Specific communication service mapping - Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link[S].

[2]IEC 61850-9-2 Communication networks and systems in substation 9-2: Specific communication service mapping - Sampled analogue values over LSO 8802-3[S].

[3]竇曉波, 吳在軍, 胡敏強, 等. IEC 61850標準下合并單元的信息模型與映射實現[J]. 電網技術, 2006,30(2): 80-86.Dou Xiaobo, Wu Zaijun, Hu Minqiang, et al.Information model and mapping implementation of merging unit based on IEC 61850[J]. Power System Technology, 2006, 30(2): 80-86.

[4]鄭新才, 施魯寧, 楊光, 等. IEC 61850標準下采樣值傳輸規范9-1、9-2的對比和分析[J]. 電力系統保護與控制, 2008, 36(18): 47-50.Zheng Xincai, Shi Luning, Yang Guang, et al.Comparison and analysis of sampled value transmission specification 9-1 and 9-2 in IEC 61850 standard[J]. Power System Protection and Control,2008, 36(18): 47-50.

[5]殷志良, 劉萬順, 楊奇遜, 等. 基于IEC 61850標準的過程總線通信研究與實現[J]. 中國電機工程學報,2008, 25(8): 84-89.Yin Zhiliang, Liu Wanshun, Yang Qixun, et al.Research and implementation of the communication of process bus based on IEC 61850[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(8): 84-89.

[6]辛建波, 段獻忠. 基于優先級標簽的變電站過程層交換式以太網的信息傳輸方案[J]. 電網技術, 2004,28(22): 26-31.Xin Jianbo, Duan Xianzhong. A transfer scheme based on priority-tag in switched Ethernet for substation process-level[J]. Power System Technology,2004, 28(22): 26-31.

[7]沈國榮, 黃健康. 2000年國際大電網會議系列報道——通信技術是變電站自動化的關鍵[J]. 電力系統自動化, 2001, 25(5): 1-5.Shen Guorong, Huang Jiankang. A review of CIGRE 2000 on substation automation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2001, 25(5): 1-5.

[8]胡道徐, 李廣華. IEC 61850通信冗余實施方案[J].電力系統自動化, 2007, 31(8): 100-103.Hu Daoxu, Li Guanghua. Application of redundant communication using IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(8): 100-103.

[9]曹進明, 房鑫炎, 吳蓉. 基于IEC 61850標準的變電站高可靠性通信研究[J]. 電力自動化設備, 2008,28(9): 89-92.Cao Jinmin, Fang Xinyan, Wu Rong. Reliable substation communication based on IEC 61850[J].Electirc Power Automation Equipment, 2008, 28(9):89-92.

[10]IEC 62439 Industrial communication network: high availability automation[S].

[11]Anderson P M, Agarwal S K. An improved model for protective system reliability[J]. IEEE Transactions on Reliability, 1992, 41(3): 422-426.

[12]張沛超, 高翔. 全數字化保護系統的可靠性及元件重要度分析[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(1):77-82.Zhang Peichao, Gao Xiang. Analysis of reliability and component importantce for all digital protective systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(1):77-82.

[13]金星, 洪延姬, 沈懷榮, 等. 工程系統可靠性數值分析方法[M]. 北京: 國防工業出版社, 2002.

[14]Fussell J B. How to hand-calculate system safety and reliability characteristics[J]. IEEE Transactions on Reliability, 1975, 24(3): 169-174.

[15]Jin T D. Complex system reliability analysis and optimization considering component reliability estimation uncertainty[D]. New Jersey: The State University of New Jersey, 2001.