智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡監(jiān)視方法研究與實現(xiàn)

莊研 李成棟

摘 要：站在智能變電站過程層冗余組網(wǎng)工程實施角度，分析了IEC 62439-3標準引入的并行冗余協(xié)議（PRP）和高可用性無縫冗余協(xié)議（HSR），研究了基于PRP/HSR的冗余組網(wǎng)方案。將研究的網(wǎng)絡監(jiān)視方法應用至過程層冗余組網(wǎng)，提出了監(jiān)視幀及IED狀態(tài)上送兩種網(wǎng)絡監(jiān)視管理方案并進行了分析比較，給出了應用于智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡的可選監(jiān)視管理方案，解決了智能變電站冗余網(wǎng)絡的監(jiān)視問題，為智能變電站發(fā)展提供了有益的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：智能變電站;并行冗余協(xié)議;高可用性無縫冗余協(xié)議;監(jiān)測幀

0? ? 引言

目前變電站普遍采用IEC 62439-3標準[1]對PRP/HSR兩種網(wǎng)絡協(xié)議進行解釋，兩種協(xié)議分別采用環(huán)形拓撲和雙星型拓撲。通過RedBox（redundancy box）或Quadbox兩種方式，可方便地組建變電站冗余網(wǎng)絡系統(tǒng)，也可與其他網(wǎng)絡互通[2]。PRP/HSR冗余網(wǎng)絡具有網(wǎng)絡冗余的特點，同時僅上送一份應用數(shù)據(jù)，降低了IED設備的處理器任務量。

相對于傳統(tǒng)變電站中的雙星型，PRP/HSR冗余網(wǎng)絡產(chǎn)生了未預計到的情況，智能變電站運行中的網(wǎng)絡狀態(tài)若出現(xiàn)問題，告警無法實時告知，無法實現(xiàn)邏輯鏈路狀態(tài)的識別[3]。IEC 62439-3中基于SNMP協(xié)議，搭建出變電站中網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)視方案，需要采集大量專業(yè)數(shù)據(jù)，信息過于密集，不符合實時監(jiān)測需求，難以幫助維護人員實現(xiàn)運維管理的提升。

本文基于IEC 61850-90-4標準[4]及IEC 62439-3標準進行了PRP/HSR冗余組網(wǎng)方案的研究分析，給出了適合運維管理的組網(wǎng)方案，并對冗余網(wǎng)絡的監(jiān)視方法進行了研究和實現(xiàn)。

1? ? 冗余組網(wǎng)方案研究

IEC 62439-3標準中給出了PRP/HSR冗余組網(wǎng)方案的示意圖，根據(jù)不同工程的裝置配置情況，選擇不同的組網(wǎng)方案。

方案一：PRP/HSR混合冗余網(wǎng)絡（圖1）。

方案二：PRP冗余網(wǎng)絡（圖2）。

2? ? 監(jiān)視方案研究

在IEC 62439標準中，PRP/HSR實體實現(xiàn)了類似ARP的地址解析協(xié)議：通過簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP），可以獲取冗余網(wǎng)絡的節(jié)點信息，進而管理和監(jiān)測網(wǎng)絡故障。

但是IEC 62439并未給出智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡的具體實施方案。因此，通過探討邏輯狀態(tài)關(guān)系，對比兩種可行方案。過程層冗余網(wǎng)絡監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡示意圖如圖3所示。

2.1? ? 監(jiān)測幀方案

本監(jiān)視方案利用PRP/HSR的監(jiān)測幀實現(xiàn)，要求PRP/HSR網(wǎng)絡的所有節(jié)點開啟監(jiān)測幀功能。IEC 62439-3規(guī)定了運用上述協(xié)議組網(wǎng)后監(jiān)測幀的格式，下面以PRP監(jiān)視幀為例進行介紹。

PRP監(jiān)測幀如表1所示。

監(jiān)控幀的處理遵循PRP消息的處理機制。當從任何局域網(wǎng)接收到PRP監(jiān)視幀時，節(jié)點根據(jù)接收到的消息中包含源MAC地址信息以及接收和丟棄數(shù)據(jù)幀中標識的復制幀，在節(jié)點表中創(chuàng)建入口地址。

該方案采用的監(jiān)視幀中，源MAC地址是發(fā)送IED設備的唯一標示。但是，在鏈路訂閱關(guān)系中采用目的組播MAC地址作為標示，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。

該方案通過網(wǎng)絡運維管理單元的后期綜合分析，并結(jié)合網(wǎng)絡交換機設備的通信狀態(tài)，可定位出故障的大概位置。

2.2? ? IED狀態(tài)上送方案

在該方案中，IED設備將設備自身節(jié)點表中的timelastseena和timelastseenb結(jié)合起來，判斷每個鏈路的A、B通信狀態(tài)，實現(xiàn)設備中源MAC地址和目的地多播MAC地址的一對一通信，并通過發(fā)送標準GOOSE消息來判斷IED設備各鏈路的狀態(tài)。

該方案通過網(wǎng)絡運維管理單元的后期綜合分析，并結(jié)合網(wǎng)絡交換機設備的通信狀態(tài)，可定位出故障的大概位置。

2.3? ? 監(jiān)視方案比較

表2對IEC 62439提出的SNMP監(jiān)視方案以及本文提出的兩種監(jiān)視方案進行了綜合分析比較。

從表2可以看出，IEC 62439提出的使用SNMP進行監(jiān)視管理具有較好的標準一致性和故障定位準確性，但SNMP專業(yè)性太強且信息過于繁瑣，難以滿足電力系統(tǒng)專業(yè)人員的運維管理需求。

在本文提出的兩種監(jiān)視方案中，IED設備狀態(tài)上送的方案符合現(xiàn)有智能變電站的使用習慣，且利用現(xiàn)有GOOSE機制發(fā)送，不增加額外的報文。因此，智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡具體實施中應根據(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0 ms通信故障恢復時間，降低了IED設備處理器負載，實現(xiàn)了與國際標準統(tǒng)一。

同時，HSR組網(wǎng)方案可以有效降低組網(wǎng)成本，因而在智能變電站中具有廣闊的應用前景。但是，由于PRP/HSR冗余協(xié)議的雙網(wǎng)消息只發(fā)送和處理一份，單鏈路故障時，監(jiān)控系統(tǒng)不易監(jiān)控。

在充分了解PRP/HSR冗余原理的基礎上，本文提出了兩種監(jiān)控方案，并對其進行了綜合分析和比較，為智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡的后續(xù)工程實施提供了一種可行的監(jiān)控管理方法。

[參考文獻]

[1] Industrial communication networks - high availability

automation networks-part 3：Parallel Redundancy Protocol

（PRP）and High-availability Seamless Rsdundancy（HSR）： IEC 62439-3—2010[S]. 2nd ed.

[2] 李俊剛，宋小會，狄軍峰，等.基于IEC 62439-3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] 張憲軍，劉穎，余華武，等.IEC 62439 PRP冗余丟棄算法設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（21）：110-115.

[4] 易永輝，王雷濤，陶永健.智能變電站過程層應用技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（21）：1-5.

收稿日期：2020-03-31

作者簡介：莊研（1989—），男，廣東湛江人，電氣工程師，主要從事變電站自動化的研究工作。

李成棟（1988—），男，湖北孝感人，碩士，電氣工程師，主要從事智能變電站維護的研究工作。