高可靠冗余环技术在过程层网络应用的探讨

高可靠冗余环技术在过程层网络应用的探讨

肖源

（宜昌电力勘测设计院有限公司湖北宜昌443003）

摘要：智能变电站的发展将最终实现“一次设备智能化、二次设备网络化”的建设目标，一次设备的智能化将必然促进通信接口的智能化和网络结构的优化。本文探讨基于HSR（高可靠冗余环）在变电站过程层的应用方案，为智能变电站的发展提供了一种新颖的通讯方式。

关键词：HSR（高可靠冗余环）；过程层网络；智能化变电站

0引言

智能化变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑。智能化变电站分为站控层，间隔层和过程层。与传统综合自动化变电站相比，过程层是实现模数转换的重要层面。过程层通信网络是否能够准确可靠的工作，是智能化变电站稳定可靠运行的关键。

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HSR（HighAvailabilitySeamlessRedundancy高可靠无缝环网冗余）技术体系在智能变电站过程层的应用进行探讨，希望能够为今后智能化变电站的二次网络优化带来新的参考和思路。

1HSR技术概述

1.1智能化变电站过程层网络介绍

智能化变电站过程层网络主要负责采样值（SV）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SV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。

1.2HSR的工作原理

基于PRP的工作原理，可以通过一种称为高可靠无缝环网协议HSR（IEC62439-3Clause5）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HSR被设计成环形结构。通过使用HSR技术，DAN（双端口节点）设备的两个网络接口被同时连接在同一个环形网络中，如下图1.2-1所示。

图1.2-1HSR典型结构

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

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。

每个HSR设备将HSR环网中的单播（UnicastFrame）报文中的目的地地址移除后发送给上层应用。广播（BroadcastFrame）和多播（MulticastFrame）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1.2-1所示那样。

SAN（单端口节点）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。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。但也正是由于这个原因，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HSR环网的实际有效可利用带宽将为50%。

2HSR技术在过程层网络的应用与分析

本章节以一个110kV间隔为例研究了HSR的过程层组环方案，并对此进行了技术分析。

图2-1基于HSR的110kV单间隔过程层组网方案

对于1个110kV间隔，每两个间隔的二次设备共组1个HSR环，环中任1节点或链路故障不影响系统的可靠性。但由于其向上通过RedBox与110kV中心交换机级联，RedBox承担的作用实际上与单星形网络的交换机类似。因此在可靠性上两者基本相当。但要注意若在保护和测控单元分开的情况下，即测控单元不与保护直采直跳的点对点方式共用通道，则测控单元所需的遥测、遥控信息将更依赖于过程层网络，该情况下HSR环的可靠性将优于单星形网络。

采用HSR技术组网，间隔内不设交换机，但需要考虑配置1台RedBox，同时对于每个装置需配置1块HSR模块，其价格相对于目前装置内的网卡略有增加。每间隔有4根光纤芯出舱，考虑到双重化配置和对时需求，每间隔需敷设2根8芯的铠装光缆由保护舱至智能汇控柜，由于是环形结构，相邻2个智能汇控柜间还需敷设1根4芯铠装光缆实现互联。

3HSR发展的前景

HSR技术作为IEC61850-90-4推荐的组网方案，其对于环内网络风暴的抑制和GOOSE报文优先级的支持上有着完整的技术方案。值得注意的是，HSR技术无缝支持IEC61850协议；采用“直通转发”技术在负载低的情况下报文传递比交换机的“存储转发”功能更为迅速；采用的FPGA模块集PTP计算与解码于一身，无需增加费用即可支持PTP协议，随着PTP技术在智能变电站的大规模应用，HSR技术优势将更为明显。

4结束语

智能变电站的发展将最终实现“一次设备智能化、二次设备网络化”的建设目标，一次设备的智能化将必然促进通信接口的智能化和网络结构的优化。随着国内设备厂家对IEC62439的深入理解，HSR技术在电网建设中将具有广阔的前景。

参考文献：

[1]IEC62439-3-2012工业通信网络.高可靠性自动化网络.第3部分：平行冗余协议（PRP）及高可用性无缝冗余度（HSR）［S］，2012

[2]张小健.智能变电站无缝冗余通信网络技术研究［C］//2012年电力通信管理暨智能电网通信技术论坛论文集，2012：145-149

作者简介：

肖源，大学本科，高级工程师，研究方向：电力系统继电保护，主要从事电力系统继电保护设计工作。