基于IEC62439-3协议的智能变电站过程层网络监视方法研究与实现

杨贵 高红亮 李广华 李彦 付艳兰

摘要：IEC61850-90-4标准中引入了基于并行冗余协议（PRP）和高可用性无缝冗余协议（HSR）的组网方案，该组网方案与国内普遍推广应用的双星型网络在网络监视等方面具有明显的差异。本文在HSR、PRP的过程层组网方案基础上进行网络监视方法研究，提出了基于监视帧、nodetable表、IED上送状态等几种网络监视管理方案并对几种监视管理方案进行了分析比较，给出基于HSR、PRP网络的可选监视管理方案。从IEC61850-90-4组网方案的工程实施角度出发，解决标准中未涉及到的实际问题，为国内智能变电站发展提供了有益的技术支撑。

关键词：并行冗余协议;高可用性无缝冗余协议;监测帧;智能变电站

中图分类号：TM769; TP393

文献标识码：A

0 引言

随着智能变电站的推广建设，智能变电站技术得到了飞跃发展，但是国内普遍采用的双星型网络架构存在组网成本高、IED设备处理器负荷重、与国际标准兼容性等方面问题。

2012年推出的IEC62439-3[1J标准描述了PRP/HSR两种冗余网络协议，其中HSR采用环网拓扑结构，PRP采用双星型网络拓扑结构。通过RedBox（redundancy box）或QuadBox可有效的实现HSR与PRP网络、PRP/HSR网络与RSTP （rapid span-ning tree protocoD等其他网络进行互通[2]。PRP/HSR冗余网络的特点是网络冗余，向应用层只上送一份数据，降低了对嵌入式硬件资源的使用需求[3]。同时采用HSR环网可有效的降低组网成本。

IEC61850第二版中增加了IEC61850_90_4c4]组网方案相关的标准，该标准对智能变电站的各种组网方案进行了描述。在IEC61850-90-4标准中第一次明确引入了IEC62439 -3标准中定义的PRP/HSR两种组网技术，并给出了各种基于该技术的组网方案。因此，研究基于PRP/HSR的组网方案有利于解决智能变电站现存的组网成本、处理器负荷、标准兼容等问题。

但PRP/HSR相对传统双星型网络和RSTP环网来讲，PRP/HSR冗余网络也引入了新的问题，即增加了双网告警困难，无法实现逻辑链路的A、B网状态的单独识别等问题[5]。但是IEC61850-90-4标准中并未明确给出如何对基于该技术的网络进行监视管理，而IEC62439-3中给出了基于SNMP的监视方案，但信息繁琐且过于专业无法满足电力系统专业人员日常运维管理需求。

本文将基于IEC61850-90 -4标准中提出的PRP/HSR的过程层组网方案进行研究分析，给出适合国内应用需求的组网方案，并在该组网方案的基础上进行监视方案的研究。

1 组网方案研究

IEC61850-90-4中只是示意性的给出了PRP/HSR的组网方案并没有明确规定具体工程如何进行组网，同样的也没有对组网方式进行深入比较，本文将以国内智能变电站过程层网络为基础进行组网架构研究。对于PRP/HSR冗余协议的特点请参照文献[1]，这里不再赘述。

智能变电站过程层网络由保护、测控、合并单元、智能终端和交换机等设备构成[6]，根据不同的变电站装置配置情况，可能存在保护、测控一体装置及合并单元、智能终端一体装置，甚至是四种装置合一的四合一装置[7][8]，因此，需要根据不同具体工程的装置配置情况，给出不同的组网方案。IEC61850-90-4中虽然对HSR/PRP的组网给出了示例，但是并没有说明在各种不同装置配置情况下如何进行组网设计，本文提供了针对不同IED设备配置的两种组网方案。

方案一，HSR/PRP混合网络

对于保护、测控、合并单元及智能终端均为独立装置配置的情况，推荐过程层网络采用间隔内构成HSR环网的方式，跨间隔采用PRP网络的方式组网，间隔内的四台装置构成HSR环网，通过合并单元、智能终端分别接入到PRP网络的A网和B网，用以满足保护的N-l故障保护功能不受影响的要求。对于跨间隔接收GOOSE、SV信息的母差、主变等装置直接接入到PRP双星型网络上。

HSR/PRP混合组网方案具有如下优点：

结构清晰，每个间隔构成一个HSR环网，跨间隔设备直接接入过程层PRP双星型网络。

可靠性高，HSR與PRP网络之间通过双设备接入及PRP采用双星型网络架构，均能够确保发生N-l故障时网络通信正常。

节约组网成本，与现有的双星型网络比较每个间隔可减少6个交换机端口，因此有效降低了过程层交换机使用量。

减少IED的处理器负荷，采用PRP、HSR技术降低的IED设备的CPU负荷，大概可减少处理器近百分之五十的负荷。

方案二，PRP网络

对于过程层采用保测一体装置、合智一体装置或四合一装置配置的情况，由于每个间隔内采用保测一体装置、合智一体装置或四合一装置导致间隔内只有一到两台装置，这个时候采用HSR环网架构将不能带来明显优势，交换机数量等不会得到明显减少。因此，采用PRP双网架构直接实现过程层网络搭建。

该组网方案具有如下优点：

结构清晰，过程层设备直接接入PRP双网。

可靠性高，PRP通过双星型网络进行组网，有效解决N-l故障。

减少IED的CPU负荷，采用PRP技术降低的IED设备的处理器负荷，大概可减少处理器百分之五十的负荷。

2 监视方案研究

IEC62439-3标准通过对每个PRP/HSR实体建立一个可选的监视数据集与NodesTable表来统计各个PRP/HSR的监视状态信息，但并未给出在IEC 61850通信构架下的具体实施方案。因此，本文给出了三种可行的PRP/HSR监视管理方案供用户选择。监视系统网络示意图如图3所示。

2.1 监视帧方案

利用PRP＼HSR的监测帧来实现冗余网络监视，要求PRP＼HSR网络所有节点都开启监测帧功能。IEC62439-3规定了PRP、HSR监测帧的格式，下面以PRP监视帧为例进行介绍，HSR监视帧在原理上无差异，本文将不再赘述。关键字段含义如下：

PRP_DestinationAddress：预留的多播地址：

SourceAddress： PRP节点的源MAC地址;

SupSequenceNumber：监测帧序列号;

MacAddress：被两个端口使用的MAC地址。

另外，TLV2.Type和TLV2.Length 以及RedBoxMacAddress为Redbox实体的监测帧特有字段，若节点不是RedBox则没有这几个字段。

Padding是70个（无VLAN标记）或者74个（有VIAN标记）避免填充的字节。

监视帧的处理遵从PRP报文的处理机制。当从任一个局域网接收到PRP监测帧时，伴随着在帧中标示的复制帧接收和复制帧丢弃的工作模式，节点应该根据接收来的消息体里包含的源MAC地址信息在节点表中创建入口地址。

如果一个节点停止接收来自一个源节点的监测帧的时间超过了NodeForgetTime，但是这个节点仅从其中的一个局域网上接收源节点的帧数据，此时它应该改变源节点的状态到网络A或网络B，这取决于接收的帧来自哪个局域网。

由于每个PRP或者HSR节点都会周期性地发送PRP/HSR监测帧，那么每个节点都应该接收到相应的监测帧[9]。如果在特定的时间内，某个节点的监测帧没有接收到，就可以认为此节点和本节点失去联系，节点表中此节点信息将会删除;若能再次接收到，那么在节点表中将会再次建立此节点的信息。最后，每个节点将各自节点表所包含的统计信息分别发送给网络运维单元，统一实现冗余网络监视。

该方案采用的监视帧只能通过源MAC地址唯一的判别出发送IED设备，但是，在链路订阅关系中采用的是目的组播MAC地址，因此需要进行源MAC地址和目的组播MAC地址的映射才能判断出故障设备。

该方案结合网络交换机设备的通信状态，通过网络运维管理单元的后期综合分析也可定位出故障的大概位置。

2.2 NodesTable表方案

IEC62439-3标准定义了PRP＼HSR的管理信息和SNMP上送MIB信息库，管理信息在NodesTable表中体现。在智能变电站应用中为给用户提供更好的PRP/HSR冗余双网的运维体验，并考虑MU、智能终端等设备无SNMP通信协议的支持，本方案通过GOOSE机制实现PRP/HSR网络统计信息上送网络运维监控系统的方法，实现全站网络运维管理。

NodesTable表中具有丰富的监视管理信息，但在智能变电站应用中最关键的是能够方便的判断出虚拟链路的通断状态及准确的定位故障位置，因此，本方案从NodesTable中选取了MacAddress、TimeLastSeenA和TimeLastSeenB三个量用于判断通断状态。其中MacAddress为报文发送IED装置的源MAC地址;TimeLastSeenA为该IED装置最后一帧报文在PRP＼HSR的A网中出现后经过的时间;TimeLastSeenB为该IED装置最后一帧报文在PRP＼HSR的B网中出现后经过的时间。结合该报文经过的PRP＼HS节点的TimeLastSeenA和Time-LastSeenB可有效的判断出该装置在发送路径上哪个接点发生了通信中断，从而实现准确定位故障，达到提升运维管理水平的目的。

该方案较监视帧方案具有故障定位准确的优点，但同样存在监视帧方案源MAC地址和目的组播MAC地址对应的问题。该方案通过裁剪信息点表满足智能变电站的应用要求，且完全符合IEC62439-3标准的要求。

2.3 lED上送状态方案

该方案通过IED设备结合设备自身的NodesTable表中的TimeLastSeenA和TimeLast-SeenB来判断每一个链路的A、B网通信状态，并在设备内部实现源MAC地址和目的组播MAC地址的一一对应，通过装置发送标准GOOSE报文上送该IED设备每个链路的通信状态。

该方案结合网络交换机设备的通信状态，通过网络运维管理单元的后期综合分析也可定位出故障的大概位置。

2.4 监视方案比较

表1对三种监视方案的优缺点进行了分析比较。

从表中可以看出，采用NodesTable表具有较好的标准一致性，同时定位准确性高，但是需要采用非标准的GOOSE的方式实现监视信息的传输，额外增加了过程层网络的流量。采用IED设备上送状态方案具有使用习惯与现有智能变电站一致的优点。因此具体工程应根据实际情况选择适合的监视管理方案。

3 结语

PRP/HSR冗余协议实现了零恢复时间的网络自愈、降低了IED装置的处理器负荷并实现了标准统一，同时HSR组网方案有效的降低了组网成本，因此在智能变电站工程化应用中具有重要意义。但是由于PRP＼HSR冗余协议双网报文仅上送处理器一份报文，因而在发生单一链路故障时，监控系统不易监视。在充分理解PRP和HSR冗余原理的基础上，提出了三种监视方案并对方案进行了比较，为后续PRP/HSR的工程实施提供了可行的监视管理办法，并可根据变电站的要求选择可行的监视方案。

参考文献

[1] IEC/SC 65C. IEC62439 Industrial communication networks：high availahility automation networks，part 3：Parallel Redun-dancy Protocol （PRP） and High availability Seamless Ring（HSR） [S].2nd ed.[S.I]：1EC，2010

[2]李俊剛，宋小会，狄军峰，等.基于IEC 62439-3的智能变电站通信网络冗余设计[J].电力系统自动化，2011，35 （10）：70-73.

[3]何钟杰，黄险峰，崔春，等.几种智能变电站冗余通信协议分析比较[J].广东电力，2011，24（4）：5-8.

[4]IEC/TR 61850-90-4 TECHNICAL REPORTESl.Communicationnetworks and systems for power utility automation Part 90-4：Network engineering guidelines.

[5] 张宪军，刘颖，余华武，等.IEC62439 PRP冗余丢弃算法设计[J].电力系统保护与控制，2014，42（21）：li0-115.

[6]李忠安，迟翔，张惠刚，等.基于虚拟网桥原理的PRP/HSR网络接口设计[J].智能电网，2016，4（6）：582-586.

[7]樊陈，倪益民，窦仁辉，等.智能变电站过程层组网方案分析[J]，电力系统自动化，2011，35 （18），67-71

[8]刘井密，李彦，杨贵.智能变电站过程层交换机延时测量方案设计[J]，电力系统保护与控制，2015，43 （10），IIl-115

[9]李俊刚，张爱民，宋小会，等.并行冗余协议在智能变电站网络的应用[J].南方电网技术，2013，7（4）：92-96.