智能變電站并行冗余協(xié)議系統(tǒng)測(cè)試方案探討

師 康，谷傳國(guó)，朱春紅，朱來(lái)強(qiáng)

(西門子電力自動(dòng)化有限公司，南京 211100)

在220 kV及以上的變電站通信系統(tǒng)中，雙網(wǎng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主流。通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性是變電站最基本的要求。隨著智能變電站的發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性提出了更高要求，既要報(bào)文不重復(fù)，也要報(bào)文不丟包，還要雙網(wǎng)切換的延時(shí)盡可能短。目前，國(guó)內(nèi)各個(gè)廠家針對(duì)雙網(wǎng)星型拓?fù)渥隽巳哂嘣O(shè)計(jì)，但是實(shí)現(xiàn)方式各不相同，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

近年來(lái)，一些新技術(shù)和新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩喑霈F(xiàn)，其中IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)中制定的并行冗余協(xié)議(Parallel Redundancy Protocol，簡(jiǎn)稱PRP)[1-3]就很好地解決雙網(wǎng)星型拓?fù)渲械娜哂鄦?wèn)題[4-6]，并且國(guó)內(nèi)主流繼保廠家已經(jīng)開始逐步應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合IEC 61850 GOOSE規(guī)約，對(duì)智能變電站并行冗余協(xié)議系統(tǒng)測(cè)試方案進(jìn)行討論。

1 PRP簡(jiǎn)介

PRP適用于雙網(wǎng)星型拓?fù)洌軌蚣嫒輫?guó)內(nèi)主流的網(wǎng)絡(luò)配置方案，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

PRP是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)冗余的冗余協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是以雙以太網(wǎng)口的方式連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，稱為雙連接節(jié)點(diǎn)(Doubly Attached Node using PRP,簡(jiǎn)稱DANP)，其與兩個(gè)局域網(wǎng)都會(huì)建立物理連接。局域網(wǎng)中可能存在單以太網(wǎng)口設(shè)備，稱為單連接節(jié)點(diǎn)(Singly Attached Node, 簡(jiǎn)稱SAN)，其可以與其中任意一個(gè)局域網(wǎng)建立連接。

當(dāng)一個(gè)DANP源節(jié)點(diǎn)同時(shí)向A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送報(bào)文時(shí)，DANP目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)收到并處理來(lái)自A網(wǎng)和B網(wǎng)的兩份報(bào)文，同時(shí)丟棄掉重復(fù)的報(bào)文，而SAN目標(biāo)節(jié)點(diǎn)只會(huì)收到一份報(bào)文。當(dāng)其中一個(gè)局域網(wǎng)(A網(wǎng))發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，DANP目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)處理來(lái)自另外一個(gè)局域網(wǎng)(B網(wǎng))的報(bào)文。PRP協(xié)議內(nèi)部處理雙網(wǎng)冗余報(bào)文機(jī)制如圖2所示。

圖1 PRP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 兩個(gè)DANP節(jié)點(diǎn)的PRP通信

2 PRP系統(tǒng)化測(cè)試方案

目前國(guó)外的一些第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)(例如KEMA公司)已經(jīng)開展了PRP的第三方認(rèn)證服務(wù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于PRP規(guī)約的工程應(yīng)用還比較少，第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)還沒(méi)有開展PRP規(guī)約的認(rèn)證工作。

考慮到IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)數(shù)字化變電站的主流通信規(guī)約，標(biāo)準(zhǔn)中定義了GOOSE模型，用于變電站內(nèi)智能設(shè)備的通信與交互。GOOSE通信機(jī)制是一種實(shí)時(shí)通信技術(shù)，根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GOOSE信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)應(yīng)當(dāng)小于4 ms。 因此，GOOSE對(duì)于通信的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了很高的要求。本文基于GOOSE進(jìn)行PRP系統(tǒng)測(cè)試。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

PRP測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要包括測(cè)試主機(jī)(運(yùn)行報(bào)文監(jiān)視工具、PRP模擬發(fā)送器等軟件、PRP診斷信息配置)、以太網(wǎng)交換機(jī)、測(cè)試設(shè)備等。

測(cè)試設(shè)備為西門子公司的7SJ686裝置。該裝置支持三個(gè)以太網(wǎng)口。測(cè)試主機(jī)1需要支持兩個(gè)以太網(wǎng)口，分別通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接測(cè)試設(shè)備的以太網(wǎng)口1和2，用于PRP報(bào)文的收發(fā)以及報(bào)文的監(jiān)視。測(cè)試主機(jī)2通過(guò)以太網(wǎng)口連接測(cè)試設(shè)備的網(wǎng)口3，用于監(jiān)視測(cè)試設(shè)備的PRP管理信息。

圖3 PRP測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)中需要用到的協(xié)議如下：IEC 61850-8-1 Ed2 (2011), GOOSE用于測(cè)試主機(jī)1和測(cè)試設(shè)備之間的交互；HTTP用于讀取裝置中的PRP信息；ICMP用于網(wǎng)絡(luò)狀況的識(shí)別。

2.2 測(cè)試設(shè)備PRP報(bào)文發(fā)送

(1) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(LanId)需要在報(bào)文中傳輸，并且占用4個(gè)比特位。對(duì)于A網(wǎng)LanId=0xA，B網(wǎng)LanId=0xB。

(2) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文的SeqNr。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，從A網(wǎng)和B網(wǎng)同時(shí)發(fā)出報(bào)文的SeqNr必須相同,占用16個(gè)比特位。

(3) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文的LSDUSize。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，設(shè)備發(fā)送正確的LSDUSize，并且從A網(wǎng)和B網(wǎng)同時(shí)發(fā)出的報(bào)文的LSDUSize必須相同,占用12個(gè)比特位。

(4) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文的PRPSuffix。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，設(shè)備從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送固定的PRPSuffix=0x88FB，占用16個(gè)比特位。

(5) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送新PRP報(bào)文以后，SeqNr加1。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，每當(dāng)設(shè)備發(fā)送一幀新的PRP報(bào)文，報(bào)文的SeqNr比上一幀增加1。

(6) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文LSDUSize的正確性。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，對(duì)于正常發(fā)送的PRP報(bào)文，LSDUSize是獨(dú)立于VLAN的，僅僅是LSDU和RCT的長(zhǎng)度之和；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視報(bào)文，同樣LSDUSize也是獨(dú)立于VLAN的，仍然是LSDU和RCT的長(zhǎng)度之和。

(7) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文的網(wǎng)口MAC地址。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，設(shè)備從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送的PRP報(bào)文，應(yīng)當(dāng)使用同一個(gè)物理地址。

(8) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP報(bào)文的IP地址。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，設(shè)備從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)送的PRP報(bào)文，應(yīng)當(dāng)使用同一個(gè)IP地址。

(9) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP最短報(bào)文。測(cè)試從裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，對(duì)于不含有VLAN標(biāo)簽的PRP報(bào)文，報(bào)文的最短長(zhǎng)度為70字節(jié)，不足70字節(jié)的部分，應(yīng)當(dāng)被強(qiáng)制填充為70字節(jié)。對(duì)于含有VLAN標(biāo)簽的PRP報(bào)文，報(bào)文的最短長(zhǎng)度為74字節(jié)，不足74字節(jié)自己的部分應(yīng)當(dāng)被強(qiáng)制填充為74字節(jié)。

(10) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP監(jiān)視報(bào)文。每2 000 ms，設(shè)備通過(guò)組播的方式從A網(wǎng)和B網(wǎng)同時(shí)發(fā)送監(jiān)視報(bào)文。

(11) 測(cè)試設(shè)備發(fā)送PRP監(jiān)視報(bào)文的格式。從設(shè)備發(fā)出網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視報(bào)文格式，由于裝置是一個(gè)DANP節(jié)點(diǎn)，因此發(fā)送的監(jiān)視報(bào)文中只需要滿足TLV1即可。

2.3 測(cè)試設(shè)備PRP報(bào)文接收

(1) 測(cè)試設(shè)備接收SAN報(bào)文：

斷開裝置B網(wǎng)，從A口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的SAN GOOSE報(bào)文；

斷開裝置A網(wǎng)，從B口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的SAN GOOSE報(bào)文；

裝置能夠收到并正確處理接收到的GOOSE報(bào)文。

(2) 測(cè)試設(shè)備接收到的DANP報(bào)文：

斷開裝置B口，將裝置A口連接到A網(wǎng)，從A口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的A網(wǎng)DANP GOOSE報(bào)文；

斷開裝置B口，將裝置A口連接到B網(wǎng)，從A口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的B網(wǎng)DANP GOOSE報(bào)文；

斷開裝置A口，將裝置B口連接到B網(wǎng)，從B口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的B網(wǎng)DANP GOOSE報(bào)文；

斷開裝置A口，將裝置B口連接到A網(wǎng)，從B口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的A網(wǎng)DANP GOOSE報(bào)文；

同時(shí)連接裝置的A網(wǎng)和B網(wǎng)，將裝置A口連接到A網(wǎng)，裝置B口連接到B網(wǎng)，同時(shí)從裝置的A口和B口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的DANP GOOSE報(bào)文；

同時(shí)連接裝置的A網(wǎng)和B網(wǎng)，將裝置A口連接到B網(wǎng)，裝置B口連接到A網(wǎng)，同時(shí)從裝置的A口和B口接收從測(cè)試軟件發(fā)出的DANP GOOSE報(bào)文；

裝置能夠收到并且正確處理收到的GOOSE報(bào)文。

(3) 測(cè)試設(shè)備接收DANP的最大丟棄間隔。設(shè)備從A口和B口接收來(lái)自A網(wǎng)和B網(wǎng)的同一幀DANP報(bào)文，并不能保證A口和B口同時(shí)收到，因此需要一個(gè)時(shí)長(zhǎng)tresideMin(400 ms)來(lái)區(qū)分是否作為同一幀報(bào)文來(lái)接收。當(dāng)A口B口接收到同一序號(hào)的PRP報(bào)文的時(shí)差小于該時(shí)長(zhǎng)，則認(rèn)為是來(lái)自A網(wǎng)和B網(wǎng)的同一幀PRP報(bào)文，裝置會(huì)丟棄掉重復(fù)的一幀報(bào)文。如果時(shí)差大于該時(shí)長(zhǎng)，則認(rèn)為是來(lái)自A網(wǎng)和B網(wǎng)的兩幀報(bào)文，兩幀報(bào)文都會(huì)被處理。

為了測(cè)試該時(shí)長(zhǎng)，測(cè)試軟件需要對(duì)GOOSE報(bào)文做一些特殊處理，裝置需要對(duì)來(lái)自A網(wǎng)和B網(wǎng)的報(bào)文做出不同的處理，但對(duì)于報(bào)文的PRP部分，A網(wǎng)和B網(wǎng)的序號(hào)則一致。因此，裝置對(duì)收到的A網(wǎng)，B網(wǎng)GOOSE報(bào)文觸發(fā)不同的消息(A網(wǎng)“PRP-A”，B網(wǎng)“PRP-B”)，并且將觸發(fā)的消息作為GOOSE報(bào)文發(fā)送給測(cè)試主機(jī)1。用測(cè)試主機(jī)1監(jiān)視收到的GOOSE報(bào)文。

從測(cè)試軟件A網(wǎng)發(fā)出報(bào)文以后，經(jīng)過(guò)延時(shí)t發(fā)出B網(wǎng)報(bào)文，不斷調(diào)整t來(lái)觀察裝置的行為。網(wǎng)報(bào)文丟棄間隔測(cè)試結(jié)果如表1所示，可以得出該測(cè)試的最大延時(shí)t為385 ms。

表1 B網(wǎng)報(bào)文丟棄間隔測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試軟件B網(wǎng)發(fā)出報(bào)文以后，經(jīng)過(guò)延時(shí)t發(fā)出A網(wǎng)報(bào)文，不斷調(diào)整t來(lái)觀察裝置的行為。A網(wǎng)報(bào)文丟棄間隔測(cè)試結(jié)果如表2所示，可以得出該測(cè)試的最大延時(shí)t為380 ms。

表2 A網(wǎng)報(bào)文丟棄間隔測(cè)試

(4) 測(cè)試設(shè)備接收兩幀DANP的最小間隔。當(dāng)裝置從A口和B口接收的報(bào)文超過(guò)最大丟棄間隔以后，裝置會(huì)將A網(wǎng)和B網(wǎng)收到的報(bào)文按照兩幀報(bào)文來(lái)處理。通過(guò)A網(wǎng)，B網(wǎng)GOOSE報(bào)文觸發(fā)不同的消息(A網(wǎng)“PRP-A”，B網(wǎng)“PRP-B”)，并且將觸發(fā)的消息作為GOOSE報(bào)文發(fā)送給測(cè)試主機(jī)1。從測(cè)試軟件A網(wǎng)發(fā)出報(bào)文以后，經(jīng)過(guò)延時(shí)t發(fā)出B網(wǎng)報(bào)文，不斷調(diào)整t來(lái)觀察裝置的行為。接收DANP最小間隔測(cè)試結(jié)果如表3所示，可以得出該測(cè)試的最小延時(shí)t為395 ms。

表3 接收DANP最小間隔測(cè)試

從測(cè)試軟件B網(wǎng)發(fā)出報(bào)文以后，經(jīng)過(guò)延時(shí)t發(fā)出A網(wǎng)報(bào)文，不斷調(diào)整t來(lái)觀察裝置的行為。接收DANP最小間隔測(cè)試結(jié)果如表4所示，可以得出該測(cè)試的最小延時(shí)t為395 ms。

表4 接收DANP最小間隔測(cè)試

(5) 測(cè)試裝置接收巨型幀。當(dāng)增加PRP報(bào)文RCT(6字節(jié))以后，PRP網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文有可能會(huì)超過(guò)ISO/IEC 8802-3[9]中所定義的最大報(bào)文數(shù)(1522字節(jié))。PRP標(biāo)準(zhǔn)中聲明一個(gè)DANP節(jié)點(diǎn)需要支持超過(guò)最大長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文(1 528字節(jié)=1 522字節(jié)+RCT)。將測(cè)試主機(jī)網(wǎng)卡的Jumbo Packet屬性設(shè)置為啟用并指定一個(gè)數(shù)值。從測(cè)試主機(jī)發(fā)送一個(gè)超長(zhǎng)的GOOSE報(bào)文，裝置應(yīng)當(dāng)能接收并且處理報(bào)文。

(6) 測(cè)試裝置接收到錯(cuò)誤的PRP報(bào)文：

測(cè)試主機(jī)發(fā)送GOOSE報(bào)文到裝置，其中PRPSuffix錯(cuò)誤，例如PRPSuffix=0x88FC；

測(cè)試主機(jī)發(fā)送GOOSE報(bào)文到裝置，其中LSDUsize錯(cuò)誤，例如LSDUsize=0；

測(cè)試主機(jī)發(fā)送GOOSE報(bào)文到裝置，其中LanId錯(cuò)誤，例如LanId=0xC；

裝置接收到錯(cuò)誤的PRP報(bào)文，應(yīng)當(dāng)直接丟棄報(bào)文。

(7) 測(cè)試裝置沒(méi)有收到PRP監(jiān)視報(bào)文。裝置上電以后，測(cè)試主機(jī)不向測(cè)試裝置發(fā)送PRP監(jiān)視報(bào)文，此時(shí)裝置收到的DANP報(bào)文將被視作SAN報(bào)文。將測(cè)試主機(jī)發(fā)出的A網(wǎng)GOOSE報(bào)文點(diǎn)亮裝置的1號(hào)LED燈，B網(wǎng)發(fā)出的GOOSE報(bào)文點(diǎn)亮2號(hào)LED燈，但A網(wǎng)B網(wǎng)的GOOSE報(bào)文使用相同的PRP報(bào)文序號(hào)。裝置同時(shí)從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)出GOOSE報(bào)文，裝置應(yīng)當(dāng)將接收到的報(bào)文作為SAN報(bào)文處理，同時(shí)點(diǎn)亮裝置的1號(hào)LED燈和2號(hào)LED燈。

(8) 測(cè)試裝置收到PRP監(jiān)視報(bào)文。測(cè)試主機(jī)定時(shí)(2 000 ms)向裝置以組播的方式發(fā)送PRP監(jiān)視報(bào)文，此時(shí)裝置接收的報(bào)文會(huì)視作DANP報(bào)文。其中組播報(bào)文的MAC地址固定為：“01:15:4E:00:01:XX”，“XX”為可任意設(shè)定的地址段，一般設(shè)為“00”。將測(cè)試主機(jī)發(fā)出的A網(wǎng)GOOSE報(bào)文點(diǎn)亮裝置的1號(hào)LED燈，B網(wǎng)發(fā)出的GOOSE報(bào)文點(diǎn)亮2號(hào)LED燈，但A網(wǎng)B網(wǎng)的GOOSE報(bào)文使用相同的PRP報(bào)文序號(hào)。裝置同時(shí)從A網(wǎng)和B網(wǎng)發(fā)出上述GOOSE報(bào)文，裝置應(yīng)當(dāng)將接收到的報(bào)文作為DANP報(bào)文處理，1號(hào)LED燈和2號(hào)LED燈僅有一個(gè)能夠被點(diǎn)亮。

2.4 PRP在線數(shù)據(jù)

通過(guò)HTTP協(xié)議，可以在網(wǎng)頁(yè)上獲取裝置的PRP在線數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中，查看并檢查在線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.5 測(cè)試結(jié)果

西門子電力自動(dòng)化有限公司的7SJ686裝置完全通過(guò)了測(cè)試用例，在滿足PRP規(guī)約的同時(shí)，也滿足了GOOSE規(guī)約傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

PRP是一個(gè)比較適合國(guó)內(nèi)變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜哂鄥f(xié)議，提出了一套測(cè)試方案。基于此測(cè)試方案，可以驗(yàn)證PRP規(guī)約的穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性。隨著國(guó)內(nèi)變電站對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，PRP規(guī)約會(huì)得到比較廣泛的應(yīng)用。屆時(shí)，系統(tǒng)的PRP測(cè)試方案會(huì)提上日程，第三方的PRP測(cè)試認(rèn)證服務(wù)也會(huì)得到廣泛的開展。