智能变电站过程层冗余网络监视方法研究与实现

庄研 李成栋

摘 要：站在智能变电站过程层冗余组网工程实施角度，分析了IEC 62439-3标准引入的并行冗余协议（PRP）和高可用性无缝冗余协议（HSR），研究了基于PRP/HSR的冗余组网方案。将研究的网络监视方法应用至过程层冗余组網，提出了监视帧及IED状态上送两种网络监视管理方案并进行了分析比较，给出了应用于智能变电站过程层冗余网络的可选监视管理方案，解决了智能变电站冗余网络的监视问题，为智能变电站发展提供了有益的技术支撑。

关键词：智能变电站;并行冗余协议;高可用性无缝冗余协议;监测帧

0    引言

目前变电站普遍采用IEC 62439-3标准[1]对PRP/HSR两种网络协议进行解释，两种协议分别采用环形拓扑和双星型拓扑。通过RedBox（redundancy box）或Quadbox两种方式，可方便地组建变电站冗余网络系统，也可与其他网络互通[2]。PRP/HSR冗余网络具有网络冗余的特点，同时仅上送一份应用数据，降低了IED设备的处理器任务量。

相对于传统变电站中的双星型，PRP/HSR冗余网络产生了未预计到的情况，智能变电站运行中的网络状态若出现问题，告警无法实时告知，无法实现逻辑链路状态的识别[3]。IEC 62439-3中基于SNMP协议，搭建出变电站中网络状态监视方案，需要采集大量专业数据，信息过于密集，不符合实时监测需求，难以帮助维护人员实现运维管理的提升。

本文基于IEC 61850-90-4标准[4]及IEC 62439-3标准进行了PRP/HSR冗余组网方案的研究分析，给出了适合运维管理的组网方案，并对冗余网络的监视方法进行了研究和实现。

1    冗余组网方案研究

IEC 62439-3标准中给出了PRP/HSR冗余组网方案的示意图，根据不同工程的装置配置情况，选择不同的组网方案。

方案一：PRP/HSR混合冗余网络（图1）。

方案二：PRP冗余网络（图2）。

2    监视方案研究

在IEC 62439标准中，PRP/HSR实体实现了类似ARP的地址解析协议：通过简单网络管理协议（SNMP），可以获取冗余网络的节点信息，进而管理和监测网络故障。

但是IEC 62439并未给出智能变电站过程层冗余网络的具体实施方案。因此，通过探讨逻辑状态关系，对比两种可行方案。过程层冗余网络监视系统网络示意图如图3所示。

2.1    监测帧方案

本监视方案利用PRP/HSR的监测帧实现，要求PRP/HSR网络的所有节点开启监测帧功能。IEC 62439-3规定了运用上述协议组网后监测帧的格式，下面以PRP监视帧为例进行介绍。

PRP监测帧如表1所示。

监控帧的处理遵循PRP消息的处理机制。当从任何局域网接收到PRP监视帧时，节点根据接收到的消息中包含源MAC地址信息以及接收和丢弃数据帧中标识的复制帧，在节点表中创建入口地址。

该方案采用的监视帧中，源MAC地址是发送IED设备的唯一标示。但是，在链路订阅关系中采用目的组播MAC地址作为标示，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。

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

2.2    IED状态上送方案

在该方案中，IED设备将设备自身节点表中的timelastseena和timelastseenb结合起来，判断每个链路的A、B通信状态，实现设备中源MAC地址和目的地多播MAC地址的一对一通信，并通过发送标准GOOSE消息来判断IED设备各链路的状态。

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

2.3    监视方案比较

表2对IEC 62439提出的SNMP监视方案以及本文提出的两种监视方案进行了综合分析比较。

从表2可以看出，IEC 62439提出的使用SNMP进行监视管理具有较好的标准一致性和故障定位准确性，但SNMP专业性太强且信息过于繁琐，难以满足电力系统专业人员的运维管理需求。

在本文提出的两种监视方案中，IED设备状态上送的方案符合现有智能变电站的使用习惯，且利用现有GOOSE机制发送，不增加额外的报文。因此，智能变电站过程层冗余网络具体实施中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0 ms通信故障恢复时间，降低了IED设备处理器负载，实现了与国际标准统一。

同时，HSR组网方案可以有效降低组网成本，因而在智能变电站中具有广阔的应用前景。但是，由于PRP/HSR冗余协议的双网消息只发送和处理一份，单链路故障时，监控系统不易监控。

在充分了解PRP/HSR冗余原理的基础上，本文提出了两种监控方案，并对其进行了综合分析和比较，为智能变电站过程层冗余网络的后续工程实施提供了一种可行的监控管理方法。

[参考文献]

[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] 李俊刚，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] 张宪军，刘颖，余华武，等.IEC 62439 PRP冗余丢弃算法设计[J].电力系统保护与控制，2014，42（21）：110-115.

[4] 易永辉，王雷涛，陶永健.智能变电站过程层应用技术研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：1-5.

收稿日期：2020-03-31

作者简介：庄研（1989—），男，广东湛江人，电气工程师，主要从事变电站自动化的研究工作。

李成栋（1988—），男，湖北孝感人，硕士，电气工程师，主要从事智能变电站维护的研究工作。