基于并行冗余協(xié)議的高可靠性過程總線通信研究

莫 峻 譚建成

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院 南寧 530004）

1 引言

目前基于IEC 61850的過程總線技術(shù)在我國(guó)正處于間隔試點(diǎn)，掛網(wǎng)運(yùn)行階段。主要采用端對(duì)端過程總線子網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行方式，在物理介質(zhì)上獨(dú)立于變電站總線?；?IEC61850-9-1[1]的過程總線技術(shù)正向IEC61850-9-2[2]網(wǎng)絡(luò)型過渡[3,4]。對(duì)過程層采集的電流電壓及狀態(tài)量進(jìn)行數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化處理。過程總線間隔試點(diǎn)通常采用小范圍孤網(wǎng)運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)流量較低，受網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)影響很小。過渡到IEC61850-9-2后，采樣測(cè)量值（SMV）、跳閘指令及斷路器隔離開關(guān)狀態(tài)量（GOOSE）傳輸于過程總線網(wǎng)絡(luò)，通信技術(shù)成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵[5-7]。通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、QoS服務(wù)質(zhì)量（優(yōu)先權(quán)配置）、冗余協(xié)議等都可能影響到過程總線及其繼電保護(hù)方案的可靠性。

冗余技術(shù)是提高變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)[8,9]?？焖偕蓸鋮f(xié)議（RSTP）是目前廣泛應(yīng)用的通信冗余技術(shù)。RSTP的故障修復(fù)時(shí)間少則幾十個(gè)毫秒，多達(dá)數(shù)十分鐘，主要受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其規(guī)模的限制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)鏈路故障進(jìn)行重構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)通信中斷或受到影響?；?RSTP的網(wǎng)絡(luò)鏈路故障可能造成大量采樣值無法通過過程總線到達(dá)保護(hù)裝置，GOOSE跳閘命令被延時(shí)，甚至消失在網(wǎng)絡(luò)中，無法通過過程總線到達(dá)智能終端，最終導(dǎo)致繼電保護(hù)檢查不到故障，或保護(hù)出口跳閘失敗，故障無法切除，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了確保采樣測(cè)量值及跳閘命令在過程總線的無損傳輸，本文采用雙網(wǎng)并行冗余協(xié)議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）構(gòu)建高可靠性過程總線系統(tǒng)。PRP方案應(yīng)用于過程總線將極大改善繼電保護(hù)信息系統(tǒng)的可靠性，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 PRP協(xié)議介紹

為滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及控制的高可靠性要求，IEC最新推出了雙網(wǎng)并行冗余協(xié)議PRP[10]。如圖1所示，并行冗余系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)A、B實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信性能方面可以相同也可以不同。在網(wǎng)絡(luò)中，可以根據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)劃分兩類節(jié)點(diǎn)：①DAN（Doubly Attached Nodes）節(jié)點(diǎn)：通過兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接到雙網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)；②SAN（Single Attached Nodes）節(jié)點(diǎn)：通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接到單網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。

圖1 PRP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 PRP network architecture

雙網(wǎng)冗余是通過DAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。DAN節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器和一個(gè)鏈路冗余實(shí)體（Link Redundancy Entity，LRE）。兩個(gè)適配器與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)A、B連接。上層應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)接口通過LRE連接。

LRE是DAN節(jié)點(diǎn)的核心設(shè)備，LRE工作在數(shù)據(jù)鏈路層，為了有效識(shí)別 DAN節(jié)點(diǎn)冗余信息，會(huì)給發(fā)送的數(shù)據(jù)幀添加一個(gè)冗余控制尾（Redundancy Control Trailer, RCT）。RCT包括16位的序列號(hào)，4位的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符（僅用1010和1011表示兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)），12位的幀長(zhǎng)，如圖2所示。

圖2 幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure

3 PRP在過程總線中的應(yīng)用

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

本文以變壓器差動(dòng)保護(hù)為例，分析過程總線的PRP運(yùn)行機(jī)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(cè)的電流數(shù)據(jù)打包成SMV報(bào)文分別通過兩個(gè)獨(dú)立局域網(wǎng)A、B傳輸給變壓器保護(hù)裝置（C點(diǎn)）。網(wǎng) A采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)B采用單交換機(jī)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 變壓器差動(dòng)保護(hù)PRP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.3 PRP based network architecture for transformer differential protection

當(dāng) SMV報(bào)文從兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)先后順序，根據(jù)該順序保護(hù)裝置為兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)各維持一個(gè)獨(dú)立滑動(dòng)窗口，窗口的下邊界是起始序列號(hào)，上邊界是期望序列號(hào)。

如圖4所示，滑窗A維系的上下邊界分別用e、s表示，當(dāng)前序列號(hào)用c表示。假設(shè)C點(diǎn)接收到來自網(wǎng)B幀（B幀）的當(dāng)前序列號(hào)落在網(wǎng)A的滑動(dòng)窗口內(nèi)，則說明網(wǎng)A已經(jīng)傳輸過該幀，應(yīng)該將該幀丟棄。若B幀的當(dāng)前序列號(hào)大于或等于網(wǎng)A期望序列號(hào)，則為 B幀早到。若 B幀當(dāng)前序列號(hào)小于網(wǎng) A起始序列號(hào)，則為B幀晚到。B幀早到和晚到都落在網(wǎng)A的滑動(dòng)窗口外，因此要保存該幀并將其轉(zhuǎn)發(fā)給上層。

圖4 網(wǎng)A的滑動(dòng)窗口Fig.4 Drop window for LAN A

當(dāng)網(wǎng) A鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，SMV報(bào)文順次出現(xiàn)在網(wǎng)B上，而沒有出現(xiàn)在網(wǎng)A上。C點(diǎn)通過判斷其序列號(hào)落在 A窗外（B幀早到），決定保存這些報(bào)文。在逐漸拉大B窗到一定程度時(shí)，A窗仍保持不變，則可判斷網(wǎng)A發(fā)生了故障。

由以上分析可得鏈路故障定位時(shí)間的計(jì)算公式

式中，Tf表示故障定位時(shí)間；Wmax表示最大滑動(dòng)窗口的長(zhǎng)度，是確定系統(tǒng)故障的重要判據(jù)；Ti表示第i個(gè)報(bào)文的發(fā)送周期。Wmax可由用戶定義，如果設(shè)置太小，會(huì)增加系統(tǒng)的誤報(bào)率?？紤]到Ti與報(bào)文的傳輸率有關(guān)，在過程總線中，采樣值報(bào)文具有傳輸流量大、周期性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了準(zhǔn)確判斷故障，減少故障定位的時(shí)間，式中Wmax的取值根據(jù)SMV報(bào)文的傳輸率fSMV進(jìn)行確定，從而得到基于采樣值報(bào)文傳輸?shù)墓收隙ㄎ粫r(shí)間計(jì)算公式為

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

4 可靠性分析

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全智能化保護(hù)系統(tǒng)一般由非常規(guī)互感器、合并單元、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、保護(hù)裝置、同步時(shí)鐘源等智能元件構(gòu)成。假設(shè)非常規(guī)互感器的可靠性遠(yuǎn)大于保護(hù)裝置[11,12]，網(wǎng)絡(luò)接口（包括SAN節(jié)點(diǎn)和DAN節(jié)點(diǎn)）可靠性直接歸算至 IED，本文的保護(hù)系統(tǒng)可靠性模型不考慮互感器和網(wǎng)絡(luò)接口。

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)描述，采用下述縮寫符號(hào)：TS（IEEE 1588 time synchronization）同步時(shí)鐘源；（Merging Unit，MU）合并單元；繼電保護(hù)（Protective Relay，PR）；交換機(jī)（Switch，SW）。本文建立的4種典型的過程總線結(jié)構(gòu)如圖5所示。結(jié)構(gòu)1、2為常規(guī)總線型構(gòu)架，結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4分別采用雙星形、雙環(huán)形的PRP構(gòu)架。

圖5 典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Typical system architectures

根據(jù)分布式繼電保護(hù)功能可得到結(jié)構(gòu) 1～4的系統(tǒng)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(tǒng)可靠性分析

割集是從系統(tǒng)故障角度考慮的。如果一個(gè)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(jié)構(gòu)1～4的最小割集已用虛線標(biāo)出。采用最小割集法計(jì)算系統(tǒng)可靠性。在已知最小割集的情況下，系統(tǒng)可靠度由下式[13]求得

式中，Rs為整個(gè)系統(tǒng)的可靠度；m為最小割集數(shù)量；ci為第 i個(gè)最小割集；Rn為第 n個(gè)單元可靠度；Fi為第i個(gè)最小割集的不可靠度；i=1,2,…,m。

在結(jié)構(gòu) 2、4中的過程總線交換機(jī)采用堆疊連接實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置、合并單元、同步時(shí)鐘“交叉?zhèn)溆谩?，這種冗余配置導(dǎo)致了多個(gè)割集域中出現(xiàn)相容事件，如：結(jié)構(gòu)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(tǒng)可靠度若采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度的直接不交化算法計(jì)算量大，容易產(chǎn)生組合爆炸問題[14]。因此可以考慮采用簡(jiǎn)化后的最小割集算法求解系統(tǒng)可靠度。

對(duì)于最小割集相容事件問題，采用式（3）計(jì)算由于多次考慮了重復(fù)出現(xiàn)在多個(gè)最小割集中的某些單元故障率的影響，因而其計(jì)算結(jié)果總是偏小。展開式（3）可得

由于上式二次項(xiàng)之后總是小于0的負(fù)小數(shù)，為了補(bǔ)償近似算法所重復(fù)計(jì)算的故障概率，不再考慮三次項(xiàng)以后的數(shù)值，從而得到簡(jiǎn)化的最小割集補(bǔ)償算法[15]。即

假設(shè)同一類型元件具有相同的故障率，同步時(shí)鐘源、合并單元、保護(hù)裝置、交換機(jī)的可靠性分別記作 pTS、pMU、pPR、pSW，根據(jù)結(jié)構(gòu) 1中虛線標(biāo)出的最小割集可得

將上式代入式（5）可得到結(jié)構(gòu)1的系統(tǒng)可靠度函數(shù)

利用同樣方法，可得到結(jié)構(gòu) 2～4的系統(tǒng)可靠性。假設(shè)元件壽命服從指數(shù)分布，則該元件可靠度函數(shù)為

式中，λ 為元件的故障率。與可靠度對(duì)應(yīng)的是不可靠度，表示產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能完成規(guī)定功能的概率。不可靠度與可靠度呈互補(bǔ)關(guān)系，因而有

在一般情況下，對(duì)可靠度函數(shù) R(t)從 0到+∞的時(shí)間區(qū)間進(jìn)行積分計(jì)算，可得到產(chǎn)品總體的平均壽命，即

假設(shè)所有元件壽命服從指數(shù)分布，取網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(tǒng)可靠度函數(shù)代入可得到各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不可靠度隨時(shí)間的變化情況，如圖7所示。

圖7 四種不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不可靠度Fig.7 System unreliability of 4 different architectures

下表列出了各結(jié)構(gòu)的最小割集數(shù)、MTTF以及在1 000h的系統(tǒng)不可靠度。

表 系統(tǒng)不可靠度及MTTFTab. System unreliability and MTTF

4.3 討論

（1）相比結(jié)構(gòu)1、2，結(jié)構(gòu)3、4不可靠度較小，系統(tǒng)平均壽命較長(zhǎng)，可靠性較高。說明了PRP系統(tǒng)的可靠性要優(yōu)于常規(guī)冗余系統(tǒng)。

（2）結(jié)構(gòu)3采用了雙星形構(gòu)架，相比雙環(huán)冗余構(gòu)架（結(jié)構(gòu)4），平均壽命有所提高，但是從圖7以及表中的不可靠度數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)4的性能并不完全比結(jié)構(gòu)3差。在平均壽命的某個(gè)時(shí)期內(nèi)，結(jié)構(gòu)4的可靠度要大于結(jié)構(gòu) 3。這說明了雙星形和雙環(huán)形構(gòu)架在性能上各有所長(zhǎng)。兩種方案如果從技術(shù)、成本等方面考慮，一般優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)3。

（3）結(jié)構(gòu)4采用雙環(huán)網(wǎng)冗余構(gòu)架，需要考慮網(wǎng)絡(luò)鏈路故障對(duì)繼電保護(hù)的影響。主要考察網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障修復(fù)時(shí)間是否滿足電力系統(tǒng)的故障切除要求。假設(shè)電力系統(tǒng)允許故障切除最長(zhǎng)時(shí)間為 T，斷路器開斷時(shí)間為Ta，允許的繼電保護(hù)出口跳閘時(shí)間為Tb= T-Ta，則要求結(jié)構(gòu)4的網(wǎng)絡(luò)故障修復(fù)時(shí)間滿足Tr＜Tb，否則冗余機(jī)制不能計(jì)入可靠性。

5 結(jié)論

基于PRP協(xié)議的過程總線方案可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力，提高工業(yè)系統(tǒng)的安全等級(jí)，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文分析了PRP過程總線系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，給出了網(wǎng)絡(luò)鏈路故障定位時(shí)間的計(jì)算方法和判斷依據(jù)。對(duì)采用PRP過程總線方案的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了深入研究。根據(jù)分布式繼電保護(hù)功能特征，構(gòu)建了4種典型的保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其可靠性框圖。基于最小割集理論，引入了最小割集補(bǔ)償算法計(jì)算系統(tǒng)可靠度，分析、論證了PRP系統(tǒng)的高可靠性應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

最小割集補(bǔ)償算法適于求解在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中具有較高可靠性單元的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度。該算法易于軟件實(shí)現(xiàn)，并可靈活擴(kuò)展，可動(dòng)態(tài)建立系統(tǒng)可靠性模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化，因而具有極大的工程實(shí)用價(jià)值。

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