组网组网方案

第46卷第8期电力系统保护与控制Vol.
46No.
82018年4月16日PowerSystemProtectionandControlApr.
16,2018DOI:10.
7667/PSPC170592智能变电站过程层冗余组网模式及网络延时累加技术研究陶文伟1,高红亮1,杨贵2,张喜铭1,彭安2(1.
中国南方电网电力调度控制中心,广东广州510663;2.
南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京211100)摘要:当前智能变电站过程层采用双网架构,IED设备的处理器同时处理双网数据,存在处理器负荷高的问题.
SV采用光纤直连传输方式、存在布线复杂、IED设备光口多、成本高、装置发热量大、信息共享困难及链路无法监视等各种问题.
同时GOOSE采用网络传输方式,过程层网络与光纤直连方式并存,结构不清晰问题.
针对高可靠性无缝冗余协议(HighReliablitySeamlessRedundantProtocol,HSR)和并行冗余协议(ParallelRedundantProtocol,PRP)的智能变电站过程层组网进行了研究,并基于该组网基础上进行了HSR和PRP的延时累加技术研究及测试.
该研究为将来在国内智能变电站进行推广应用此技术提供了坚实的理论分析和测试结果参考数据.
关键词:智能变电站;延时累加;HSR;PRP;过程层ResearchonredundantnetworkingmodeandnetworkdelayaccumulationtechnologyofsmartsubstationprocesslayerTAOWenwei1,GAOHongliang1,YANGGui2,ZHANGXiming1,PENGAn2(1.
PowerDispatchingandControlCenterofChinaSouthernPowerGrid,Guangzhou510663,China;2.
NRElectricCo.
,Ltd,Nanjing211100,China)Abstract:Thecurrentsmartsubstationprocesslayeradoptsdual-networkarchitectureandIEDprocessorprocessesdual-networkdatasimultaneously,whichcausestheproblemofhighprocessorload.
SVusesthemodeofdirectlyconnectedthroughopticalfibertransmission,inwhichexistscomplexwiring,multiportofIEDequipment,highcost,highheatingofequipment,difficultiesininformationsharing,andtheissuesthatlinkscannotbemonitored,etc.
Atthesametime,GOOSEadoptsnetworktransmissionmode,theprocesslayernetworkandopticalfiberconnectionmodecoexist,sothestructureisnotclear.
TheprocessnetworkofsmartsubstationofHSR(HighReliablitySeamlessRedundantProtocol)andPRP(ParallelRedundantProtocol)isstudied,andthedelayaccumulationtechnologyofHSRandPRPisstudiedandtestedonthebasisofthenetwork.
ItprovidesasolidtheoreticalanalysisandtestresultreferencedataforthefuturepopularizationandapplicationofsmartsubstationinChina.
ThisworkissupportedbyScienceandTechnologyProjectofChinaSouthernPowerGrid(No.
ZDKJQQ00000016).
Keywords:smartsubstation;delayaccumulation;HSR;PRP;processlayer0引言随着智能变电站的不断推广应用,普遍推广光纤直连采样和网络跳闸的组网模式[1-2],该组网模式是综合现有技术水平、可靠性、经济型等各方面因素的结果.
该组网方案在以下方面有待提升.
1)当前智能变电站过程层网络采用双网架构,IED设备的处理器需同时处理双网数据,存在处理器负荷高的问题.
2)过程层网络采用SV报文结合光纤直连传输基金项目:中国南方电网公司重点科技项目(ZDKJQQ00000016)方式[3],存在布线复杂,IED设备光口多,成本高,装置发热量大,信息共享困难,链路无法监视等各种问题.
3)过程层GOOSE报文采用网络传输方式,过程层网络与光纤直连方式并存[4],结构不清晰.
4)当前智能变电站的组网方案尚无有效手段解决IED双网数据处理的规范性问题,双网数据在IED设备的处理器中进行双网冗余处理,各厂家的实现方案尚未统一.
因此本文拟研究采用网络采样、网络跳闸方式实现过程层组网[5].
当采用网络采样、网络跳闸组网模式时,当前已有技术解决了报文传输可靠性问陶文伟,等智能变电站过程层冗余组网模式及网络延时累加技术研究-125-题,但网络采样方式传输延时不固定导致必须依赖外部时钟实现采样同步问题尚无有效手段解决.
同时IED处理双网数据尚无统一的规范处理手段,各厂家处理方式依然存在差异.
随着IEC61850技术的推广应用,IEC组织积累了各国多年的IEC61850变电站建设经验并结合通信技术的新发展推出了IEC61850E2版本.
其中,IEC61850-90-4针对变电站的组网方式进行了详尽的描述.
该标准引入了IEC62439-3制定的并行冗余协议(ParallelRedundantProtocol,PRP)、高可靠性无缝冗余协议(HighReliablitySeamlessRedundantProtocol,HSR),并给出了推荐的组网方式,PRP和HSR协议有效地解决了双网数据的处理方法.
由ABB、Siemens等公司主导的HSR、PRP组网方案已在国外开始尝试进行变电站组网建设,南瑞继保等公司率先在国内尝试将IEC62439-3与变电站二次设备相结合并在海外变电站进行了推广应用,目前已有变电站投入运行,但由于国内外的应用场景差异,国外的应用经验并不适合直接拿来在国内推广.
为了提升国内智能变电站的整体水平,解决现有变电站中存在的薄弱环节,同时解决各厂家双网报文处理不规范问题.
迫切需要研究IEC62439-3规范在国内智能变电站应用的可行性.
同时,为解决网络采样同步必须依赖外部时钟问题,需要研究基于IEC62439-3的同步解决方案.
1组网模式IEC61850-90-4只是示意性地给出了HSR、PRP的组网方案,并没有明确规定如何进行组网,同样地也没有对组网方式进行深入比较.
本文将以智能变电站过程层网络为基础进行组网架构研究.
PRP和HSR的特点请参照文献[6],这里不再赘述.
智能变电站过程层网络由保护、测控、合并单元、智能终端和交换机等设备构成[7],根据不同的变电站装置配置情况,可能存在保护、测控一体装置;合并单元、智能终端一体装置;甚至四种装置合一的四合一装置,因此,根据不同的装置配置,研究不同的组网方案.
1.
1PRP组网模式如图1所示,装置通过PRP协议接入到过程层双星型网络中.
在该组网模式下,需要的交换机数量与当前智能变电站网络需要的交换机数量相同,但PRP可实现IED设备的双网报文处理,通过在LRE实现双网报文的规范处理,在降低处理器的负荷的同时规范了双网数据的处理.
图1PRP网络结构Fig.
1PRParchitecture1.
2HSR组网模式1)HSR单环网通过HSR技术进行过程层组网有两种方案:方案一,装置间构成HSR环网,装置本身支持HSR功能;方案二,交换机间构成HSR环网,设备通过交换机接入HSR环网.
方案一组网架构图如图2所示,过程层设备构成一个大的环网结构,由于智能变电站过程层网络传输流量较大,每路SV报文流量一般在5~10Mbps,过程层报文流量一般会超过百兆,对于间隔数量较多的变电站报文流量可达到500Mbps以上[8],因此,采用HSR技术构成环网架构应采用千兆端口实现HSR功能,用以满足带宽要求.
该结构的特点是,网络上的设备构成一个大环网,每个设备都是一个HSR节点,对于设备安装在同一位置且装置数量不多的变电站来讲比较适合该组网方式.
图2按装置构成HSR环网架构Fig.
2HSRringarchitectureaccordingtodevice但是,当保护、测控、合并单元、智能装置安装于不同的变电站小室内时,采用图2的环网结构存在网络混乱等现象.
因此,过程层设备安装于不同小室时,应考虑在不同的小室内单独构成HSR环网,并通过两台Quadbox实现各小室间的设备构成HSR相切环网架构,网络结构图如图3所示.
母差、网分、主变等设备与每个HSR环上的两个Quadbox构成一个公共的HSR环网.
每个小室构成一个HSR环网,每个小室与公共HSR环之间通过两个QuadBox构成相切的HSR环网架构.
该结构的特点是,HSR环之间通过两个Quadbox连接,-126-电力系统保护与控制结构较为清晰;通过Quadbox连接,降低了每个HSR环上的设备数量,组网成本紧张的变电站应用该方案比较有优势.
图3按小室构成装置HSR环网架构Fig.
3HSRringarchitectureaccordingtocabin方案二组网架构如图4所示,过程层网络交换机构成一个大的环网结构,保护、测控、合并单元、智能终端等接入到交换机上,交换机构成HSR环网.
该结构的特点是,由交换机构成HSR环网,装置不需要支持HSR功能,对于设备安装在同一位置的变电站来讲,比较适合该组网方式.
图4构成交换机HSR环网结构Fig.
4HSRringarchitectureofswitch当保护、测控等装置安装于不同的变电站小室内时,采用图4的环网结构将存在组网混乱等现象.
因此,过程层设备安装于不同小室时,应考虑在不同的小室内单独构成HSR环网,并通过两台Quadbox与主控室内的设备构成HSR相切环网架构,网络结构图如图5所示.
母差、主变和网分等所在HSR环网与每个小室相连的两个Quadbox构成公共HSR环网.
每个小室通过交换机构成一个HSR环网,每个小室与公共HSR环网之间通过两个QuadBox构成相切的HSR环网架构.
该结构的特点是,HSR环网之间通过两对光纤连接,结构清晰;HSR环网之间通过Quadbox连接,通过交换机组网进一步降低了环上设备的数量,在组网成本和组网可靠性综合考虑的场景可尝试使用该组网方案.
图5按小室构成交换机HSR环网结构Fig.
5HSRringarchitectureofswitchaccordingtocabin2)HSR双环网该组网方案是对HSR单环网方案的双网实现方式.
在网络架构上从单网角度上看是完全一样的.
该组网方案具有可靠性提升的优点,但是对于装置实现HSR环网方式需要装置同时支持两路HSR环网功能,实现难度较大.
对于交换机实现HSR环网方式需要成倍地提供交换机和Quadbox,在成本上会有所增加.
在该组网模式下,装置可通过PRP协议接入,具有使网络同时获得PRP和HSR的双重优点.
但是,需要考虑环网上节点过多会导致传输时间变长和更容易出现N-2故障等情况.
因此,网络拓扑的最终选择需要综合考虑各种应用需求,从前面分析来看,过程层网络的报文流量较大,采用HSR环网必须采用千兆端口,实现难度大,因此,在当前技术条件下不建议采用HSR环网结构.
1.
3PRP、HSR混合组网模式(图6)HSR按照间隔进行组网、每个间隔内的保护、测控、合并单元和智能终端构成一个HSR环网,通过合并单元和智能终端分别接入到过程层PRP网络的A网和B网上面.
合并单元和智能终端需要支持跨接HSR和PRP网络的Redbox功能.
母差、录波、主变、网分等跨间隔接收SV、GOOSE信息的设备直接接入到PRP网络上,该组网方式具有结构清晰、交换机使用数量少等优点.
陶文伟,等智能变电站过程层冗余组网模式及网络延时累加技术研究-127-图6HSR/PRP网络结构Fig.
6HSRHSR/PRPnetworkarchitecture网络上的母差、录波、网分等装置支持PRP协议;合并单元、智能终端支持HSR协议,并支持1.
3节描述的Redbox功能;保护、测控装置支持HSR功能.
1.
4五种组网模式比较以上五种组网方案及传统双网架构模式的比较如表1.
从比较结果来看,HSR、PRP混合组网模式具有较高的可靠性,成本较低,且结构合理,易扩建,运维方便等优点;PRP组网模式在成本上比HSR、PRP混合组网模式方案高;HSR环网架构整体评价结果差;现有的组网方式存在兼容性差、IED设备处理器负荷高等缺点.
因此,在智能变电站的推广应用中推荐根据间隔内装置的配置情况选用HSR+PRP和PRP两种组网方案.
当间隔内的装置未做二合一或四合一时采用HSR、PRP组网方案,否则采用PRP组网方案.
表1各种组网模式比较Table1Comparisonofvariousnetworkingmodes比较项目现有双网架构HSR单环架构HSR双环架构PRP网络架构HSR/PRP网络架构可靠性高,双网低,易发生N-2故障高,双环网高,双网高,双接入点+双网组网成本高,交换机多低,节省交换机高,装置成本上升多高,交换机多较低,较PRP网络低结构合理性高,组网规则明确低,组网规则不明确低,组网规则不明确高,组网规则明确高,组网规则明确可扩展性高,易扩展低,扩建困难低,扩建困难高,易扩建高,易扩建可运维性高,运维方便低,运维困难低,运维困难高,运维方便高,运维方便兼容性低,私有实现方式高,国际规约高,国际规约高,国际规约高,国际规约CPU使用率高,处理双网数据低,处理单网数据低,处理单网数据低,处理单网数据低,处理单网数据2网络延时累加技术目前智能变电站普遍采用IRIG-B码对时方式实现过程层网络同步[9-10],保护可靠动作依赖外部时钟的可靠性.
延时累加技术有效解决了目前智能变电站组网模式下的网络采样依赖外部时钟的问题.
本文拟借鉴这一思路解决HSR、PRP混合组网模式下的网络采样的可靠性,但要考虑到HSR、PRP混合组网模式与现有组网模式在硬件实现上存在较大差异,HSR、PRP增加了LRE(链路冗余实体)处理模块,因此在进行延时累加处理时必须考虑该部分对精度的影响.
2.
1PRP实现延时累加PRP的延时累加实现逻辑框图如图7所示,A、B网的双网冗余报文分别进入到PORTA和PORTB端口,并在位置①和②打上报文进入的时间值0T和0T.
两帧报文分别通过位置③和④进入LRE中,LRE通过报文进入的先后顺序进行报文丢弃处理,先到的报文通过位置⑤打上时间戳T1并计算ΔT后进入应用层进行处理,如果报文从位置①进入应用层,那么10TTT,如果从位置②进入应用层,T10TT.
后到达LRE的报文丢弃处理,不再通过位置⑤打时间戳和进入应用层,确保应用层处理一帧报文.
由于LRE中存在排队等候、查表、标签剔除等不确定延时事件处理,因此,为了确保延时累加的处理精度,必须在端口的输入端和LRE之后进行延时值测量,确保测量精度.
图7PRP延时累加实现框图Fig.
7RealizationdiagramofPRPdelayaccumulation-128-电力系统保护与控制同样地,应用层发送报文从位置⑤进入LRE,通过LRE进行报文复制、标签插入等处理后分别通过PORTA和PORTB的发送端口输出.
延时测量需分别计算并回插到报文中,用于后续传输设备继续计算传输累加延时.
2.
2HSR实现延时累加HSR的延时累加实现逻辑框图如图8所示,图中以一个方向进入的报文为例进行说明,默认该方向的报文优先进入HSR节点,反方向报文进入HSR节点后将被丢弃.
图8HSR延时累加实现框图Fig.
8RealizationdiagramofHSRdelayaccumulation报文从位置①进入到HSR节点并打上进入时刻的时间戳,通过位置②进入LRE实例后,根据LRE的判别决定是否转发报文给应用层和通过位置④发送到环网.
通过位置⑤发送到应用层的报文在LRE进行排队、去标签等处理后打上时间戳T1,并计算延时值10TTT.
通过位置③发送到位置④的报文打上时间戳00TTT,并将T与报文原有延时累加值进行累加,获得新的延时累加值,并发送报文到HSR环网上.
2.
3延时累加测试通过以上方式实现的基于PRP和HSR的延时累加技术需要在网络的每个节点上均实现延时累加功能,按照变电站组网级联不超过三级的要求[11],每个节点的延时累加精度应优于200ns[12].
HSR环网的级联次数略多于现有的三级级联,根据推荐的组网方案,最大级联次数将可能达到七级,那么,HSR的每级延时累加精度应优于150ns.
通过搭建物理实验环境,分别测试了PRP网络、HSR网络和PRP+HSR网络情况下的延时累加准确性,包括单台装置、三级级联、七级级联等情况下的无背景流量、10%背景流量、90%背景流量等不同运行状态.
表2PRP、HSR网络架构下的延时累加测试Table2DelayaccumulationtestunderPRPandHSRnetworkarchitecturesHSR网络测试背景流量0%10%90%单台48ns46ns59ns三级级联95ns102ns97ns七级级联169ns183ns209nsPRP网络测试背景流量0%10%90%单台37ns53ns46ns三级级联106ns103ns108ns七级级联212ns195ns234nsPRP、HSR混合网络背景流量0%10%90%单台42ns41ns49ns三级级联94ns98ns95ns七级级联229ns216ns193ns测试结果表明,基于HSR和PRP的延时累加精度不依赖于外部网络环境,每级级联的精度优于100ns.
基于HSR、PRP网络的延时累加技术可以满足智能变电站过程层采样同步精度要求.
3总结本文针对HSR和PRP的智能变电站过程层组网进行了研究,并在该组网基础上进行了HSR和PRP的延时累加技术研究及测试.
为将来在国内智能变电站进行推广应用此技术提供了坚实的理论分析和测试结果参考数据.
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收稿日期:2017-04-22;修回日期:2017-05-28作者简介:陶文伟(1973—),男,博士,教授级高工程师,主要从事电力自动化研究与技术管理工作;E-mail:taoww@csg.
cn高红亮(1982—),男,硕士,工程师,主要从事电力自动化研究与技术管理工作;E-mail:gaohl@csg.
cn杨贵(1976—),男,通信作者,硕士,高级工程师,主要研究方向为通信技术、传输技术、时间同步技术等研究工作和变电站自动化系统.
E-mail:yangg@nrec.
com(编辑周金梅)