智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視方法研究與實(shí)現(xiàn)

莊研 李成棟

摘 要：站在智能變電站過程層冗余組網(wǎng)工程實(shí)施角度，分析了IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)引入的并行冗余協(xié)議（PRP）和高可用性無縫冗余協(xié)議（HSR），研究了基于PRP/HSR的冗余組網(wǎng)方案。將研究的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視方法應(yīng)用至過程層冗余組網(wǎng)，提出了監(jiān)視幀及IED狀態(tài)上送兩種網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視管理方案并進(jìn)行了分析比較，給出了應(yīng)用于智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡(luò)的可選監(jiān)視管理方案，解決了智能變電站冗余網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視問題，為智能變電站發(fā)展提供了有益的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：智能變電站;并行冗余協(xié)議;高可用性無縫冗余協(xié)議;監(jiān)測幀

0? ? 引言

目前變電站普遍采用IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)[1]對PRP/HSR兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行解釋，兩種協(xié)議分別采用環(huán)形拓?fù)浜碗p星型拓?fù)?。通過RedBox（redundancy box）或Quadbox兩種方式，可方便地組建變電站冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也可與其他網(wǎng)絡(luò)互通[2]。PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)冗余的特點(diǎn)，同時(shí)僅上送一份應(yīng)用數(shù)據(jù)，降低了IED設(shè)備的處理器任務(wù)量。

相對于傳統(tǒng)變電站中的雙星型，PRP/HSR冗余網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了未預(yù)計(jì)到的情況，智能變電站運(yùn)行中的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)若出現(xiàn)問題，告警無法實(shí)時(shí)告知，無法實(shí)現(xiàn)邏輯鏈路狀態(tài)的識(shí)別[3]。IEC 62439-3中基于SNMP協(xié)議，搭建出變電站中網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視方案，需要采集大量專業(yè)數(shù)據(jù)，信息過于密集，不符合實(shí)時(shí)監(jiān)測需求，難以幫助維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理的提升。

本文基于IEC 61850-90-4標(biāo)準(zhǔn)[4]及IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了PRP/HSR冗余組網(wǎng)方案的研究分析，給出了適合運(yùn)維管理的組網(wǎng)方案，并對冗余網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視方法進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)。

1? ? 冗余組網(wǎng)方案研究

IEC 62439-3標(biāo)準(zhǔn)中給出了PRP/HSR冗余組網(wǎng)方案的示意圖，根據(jù)不同工程的裝置配置情況，選擇不同的組網(wǎng)方案。

方案一：PRP/HSR混合冗余網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

方案二：PRP冗余網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

2? ? 監(jiān)視方案研究

在IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)中，PRP/HSR實(shí)體實(shí)現(xiàn)了類似ARP的地址解析協(xié)議：通過簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP），可以獲取冗余網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息，進(jìn)而管理和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)故障。

但是IEC 62439并未給出智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)施方案。因此，通過探討邏輯狀態(tài)關(guān)系，對比兩種可行方案。過程層冗余網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

2.1? ? 監(jiān)測幀方案

本監(jiān)視方案利用PRP/HSR的監(jiān)測幀實(shí)現(xiàn)，要求PRP/HSR網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)開啟監(jiān)測幀功能。IEC 62439-3規(guī)定了運(yùn)用上述協(xié)議組網(wǎng)后監(jiān)測幀的格式，下面以PRP監(jiān)視幀為例進(jìn)行介紹。

PRP監(jiān)測幀如表1所示。

監(jiān)控幀的處理遵循PRP消息的處理機(jī)制。當(dāng)從任何局域網(wǎng)接收到PRP監(jiān)視幀時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的消息中包含源MAC地址信息以及接收和丟棄數(shù)據(jù)幀中標(biāo)識(shí)的復(fù)制幀，在節(jié)點(diǎn)表中創(chuàng)建入口地址。

該方案采用的監(jiān)視幀中，源MAC地址是發(fā)送IED設(shè)備的唯一標(biāo)示。但是，在鏈路訂閱關(guān)系中采用目的組播MAC地址作為標(biāo)示，因此需要進(jìn)行源MAC地址和目的組播MAC地址的映射才能判斷出故障設(shè)備。

該方案通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元的后期綜合分析，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備的通信狀態(tài)，可定位出故障的大概位置。

2.2? ? IED狀態(tài)上送方案

在該方案中，IED設(shè)備將設(shè)備自身節(jié)點(diǎn)表中的timelastseena和timelastseenb結(jié)合起來，判斷每個(gè)鏈路的A、B通信狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備中源MAC地址和目的地多播MAC地址的一對一通信，并通過發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)GOOSE消息來判斷IED設(shè)備各鏈路的狀態(tài)。

該方案通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理單元的后期綜合分析，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備的通信狀態(tài)，可定位出故障的大概位置。

2.3? ? 監(jiān)視方案比較

表2對IEC 62439提出的SNMP監(jiān)視方案以及本文提出的兩種監(jiān)視方案進(jìn)行了綜合分析比較。

從表2可以看出，IEC 62439提出的使用SNMP進(jìn)行監(jiān)視管理具有較好的標(biāo)準(zhǔn)一致性和故障定位準(zhǔn)確性，但SNMP專業(yè)性太強(qiáng)且信息過于繁瑣，難以滿足電力系統(tǒng)專業(yè)人員的運(yùn)維管理需求。

在本文提出的兩種監(jiān)視方案中，IED設(shè)備狀態(tài)上送的方案符合現(xiàn)有智能變電站的使用習(xí)慣，且利用現(xiàn)有GOOSE機(jī)制發(fā)送，不增加額外的報(bào)文。因此，智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡(luò)具體實(shí)施中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的監(jiān)視管理方案。

3? ? 結(jié)語

PRP/HSR冗余協(xié)議實(shí)現(xiàn)了0 ms通信故障恢復(fù)時(shí)間，降低了IED設(shè)備處理器負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了與國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

同時(shí)，HSR組網(wǎng)方案可以有效降低組網(wǎng)成本，因而在智能變電站中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于PRP/HSR冗余協(xié)議的雙網(wǎng)消息只發(fā)送和處理一份，單鏈路故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)不易監(jiān)控。

在充分了解PRP/HSR冗余原理的基礎(chǔ)上，本文提出了兩種監(jiān)控方案，并對其進(jìn)行了綜合分析和比較，為智能變電站過程層冗余網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)工程實(shí)施提供了一種可行的監(jiān)控管理方法。

[參考文獻(xiàn)]

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automation networks-part 3：Parallel Redundancy Protocol

（PRP）and High-availability Seamless Rsdundancy（HSR）： IEC 62439-3—2010[S]. 2nd ed.

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[4] 易永輝，王雷濤，陶永健.智能變電站過程層應(yīng)用技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（21）：1-5.

收稿日期：2020-03-31

作者簡介：莊研（1989—），男，廣東湛江人，電氣工程師，主要從事變電站自動(dòng)化的研究工作。

李成棟（1988—），男，湖北孝感人，碩士，電氣工程師，主要從事智能變電站維護(hù)的研究工作。