网络冗余 智能变电站并行冗余网络的研究与实现

抽象的

南京理工大学电气工程学院和南京南瑞继保电气有限公司的研究人员张三和张惠刚在2018年第8期《电气技术》上撰文，介绍了IEC 62439-3的并行冗余协议(PRP)的基本原理，详细阐述了PRP网络中双连通节点的基本结构和数据帧的工作原理。为了保证通信网络的传输性能，提出了一种冗余丢弃算法，该算法可以在Windows系统下实现。

实验表明，当单个网络出现故障时，变电站通信网络不会造成延迟，可以实现无缝切换。PRP网络结构简单、可靠性高、经济性好，将成为智能变电站通信网络的主要研究方向之一。

IEC 61850将智能变电站逻辑划分为变电站层、分区层和过程层[1]，取代了传统变电站的复杂结构，解决了通信故障、设备互操作、二次设备布线复杂等问题，实现了变电站自动化系统中通信网络的高可靠性和高可用性。但IEC 61850标准对变电站通信冗余方案没有明确要求，使得厂商提出了私有冗余解决方案，不利于智能变电站互操作性的实现，尤其是通信服务的一致性。

2008年，IEC SC65委员会发布了IEC 62439标准，为冗余网络的构建提供了标准化的定义，适用于站控层总线、过程层总线等拓扑结构。[2]，主要提出六个协议。它们是PRP(并行冗余协议)、HSR(高无缝环)、媒体冗余协议、交叉冗余协议、信标冗余协议(BRP)和分布式冗余协议。

文献[3-4]对这些网络冗余技术进行了比较，指出从网络冗余适应性和故障恢复性能来看，PRP和HSR是比较理想的冗余方案。文献[5]提出了PRP/HSR组网模式，可以提高变电站的安全性和应用性能。文献[6-7]实现了Linux系统下的PRP节点冗余方案。

本文在Windows系统下实现了PRP网络冗余方案。实验表明，该方案能够实现网络故障下的无缝切换和零恢复时间，为实现智能变电站的高可靠性冗余提供了设计参考。

1 PRP结构和原理

PRP网络的冗余功能是指在节点设备上实现双备份。PRP网络的拓扑结构如图1所示。PRP网络基于两个物理结构互不影响的平行网格。网络设备可以同时在两个网络中传输数据，并且可以在链路故障的情况下提供无缝切换。

PRP网络有两种连接方式:双附节点实现PRP(双附节点实现PRP)和单附节点SAN(单附节点)。DANP直接连接两个独立并行的局域网，实现双网通信。SAN可以直接接入局域网，但通信范围仅限于相连的局域网，可以通过红盒接入两个局域网，实现双网通信。

图1网络拓扑

在某种程度上，HSR网络可以看作是PRP网络的一个变种，它由作为两个传输方向的A和B网络以及作为一个环形网络连接的A和B网络组成。与PRP网络的DANP相比，HSR网络的DANH具有转发功能。

PRP网络和HSR网络都可以在网络故障下实现零恢复时间的无缝切换。简单分析了两种网络的经济性、网络负荷和可靠性。

1)经济

一方面，HSR遵循不同路径传输重复报文的原则，基础设施规模比PRP缩短一半。另一方面，与PRP报文结构不同，HSR标签位于ASDU前端，因此交换机在转发报文时采用直接交换技术，减少了转发过程的延迟。

但是在组网的多层交换机转发中，一般交换机的传输时延为50s.，如果一个网络中有6台交换机，传输时延会上升到300s，在大型变电站中没有经济优势。因此，PRP传输效率高、速度快，但成本大，适合大容量网络结构的建设。然而，HSR在交换机较多的情况下传输时延较长，但成本较低，适合小容量网络架构。

2)网络负载

从网络负载来看，单环网中的每个节点都需要承担转发数据帧的任务。如果网络中有n个节点，一个广播帧的传播路径数为2N，当n较大时，它占用的网络带宽较大。HSR通过查找表算法丢弃重复消息，降低了网络负载。在传统的双网络中，单通道故障发生在热备用状态，因此需要通知其他交换机改变网络拓扑，这增加了网络负担。然而，在PRP网络中，一条链路的故障不会影响另一条信道的信息传输。

建立PRP网络和HSR网络，用PC机记录相关数据，如表1所示。从表中可以看出，PRP网络的CPU负载率明显低于HSR网络，处理时间短，效率高。

表1 PRP和HSR网络的效率比较

3)可靠性分析

网络可靠性是指在特定时间或环境下执行信息传输任务的能力。网络结构的可靠性由组件可靠性(r)、平均故障间隔时间(MTBF)、有效性(a)和系统故障(q)等关键指标来衡量。

故障树分析法用于分析和预测系统故障的概率和系统故障的原因，并计算系统的可靠性。故障树分析通常以系统最不期望的故障状态作为故障分析的目标，逐步寻找事件的根本原因。根据可靠性指标、PRP网络和HSR网络的故障树、PRP网络和HSR网络的冗余可靠性统计数据指标，从表2可以看出，PRP网络的平均故障时间明显高于HSR网络，故障程度也较低。因此，PRP网络具有最高的可靠性。

表2 PRP和HSR的可靠性比较

双节点冗余的实现原理

PRP网络的冗余功能是在节点处实现的，冗余效果是通过节点冗余实现的。DANP结构图如图2所示。每个DANP包含两个具有相同物理地址和网络地址的网卡，网卡通过冗余链路实体(LRE)连接到网络层。

LRE负责冗余管理和消息处理。当网络层发出一个帧时，发送端LRE将该帧复制成两个帧，并添加RCT(冗余控制标签(RCT)，分别从阿兰和局域网乙发出。这两个帧以不同的延迟通过两个局域网，理想情况下，它们几乎同时到达目的地。当接收时，接收器LRE接收第一帧并将其转发到上层，并丢弃随后重复的帧。

图2 DANP结构图

PRP数据帧结构如图3所示，主要包括目的地址(da)、源地址(SA)、类型、LSDU和RCT。RCT(6字节)主要包括一个16位序列号。SeqNr:发送方发送两个序列号相同的帧，每次序列号增加1，间隔位为[0，65535]；4位局域网标识符。

此字段用于区分端口连接到局域网的方向。如果1010是A网络数据帧，如果1011是B网络数据帧。是一对重复信息中唯一不同的部分；LSDU长度为12位(链路服务数据单元)。这个字节可以识别为PRP或HSR帧，代表数据帧的数据字节加上RCT字节的总和，限定值为1496字节；16位PRP后缀的常量值为0x88FB。

图3 PRP数据帧结构

冗余算法的设计

以下是冗余丢弃算法的程序代码。

无符号int CheckRcvSeqNumber()

{int LANA，LANB

无符号长dropWindowMax = WMAX/*丢弃窗口的最大值*/

无符号短序列；

LANA=(lan_id==0xa)？0:1;/*判断数据帧是来自a网还是b网*/

LANB =(LANA+1)% 2；

curSeq[LANA]= seq；

if((((curSeq[LANA]-staSeq[LANA]+TwPI)% TwPI)& lt；= OnePi)& amp；& amp(((ex pseq[LAnb]-curSeq[LANA]+TwPI-1)% TwPI)& lt；OnePi))/*确定序列号是否在丢弃窗口中*/

{ if ( (curSeq[LANA]！= expseq [lana])/*判断数据帧是否无序*/

{ cnterroutoffset[LANA]=(cnterroutoffset[LANA]+1)；}/*按顺序记录数据帧的数量*/

ex pseq[LANA]=(curSeq[LANA]+1)% two pi；/*调整丢弃窗口的大小*/

staSeq[LANA]= EXPseq[LANA]；

sta seq[LANA]= ex pseq[LANA]；

返回真；}/*丢弃重复的帧*/

其他

{if (curSeq[LANA]！=expSeq[LANA]) /*判断数据帧是否无序*/

{pData->。cnterroutoffsequence[LANA]=(Pdata->；cntErrOutOfSequence[LANA]+1)；

staSeq[LANA]= curSeq[LANA]；}/*调整丢弃窗口的大小，使起始序列等于当前序列*/

其他

{ if((Pdata->；期望eq[LANA]-staSeq[LANA]+两个Pi) %两个Pi >的值；DropWindowMax) /*确定序列号是否在丢弃窗口之外*/

{ if(Pdata->；expected eq[LAnb]= = staSeq[LANA])

{pData->。cntErrStall[LANB]=pData->cntErrStall[LANB]+1；}

sta seq[LANA]=(Pdata->；expected eq[LANA]+TwPI-DropWindowMax)% TwPI；}}/*调整丢弃窗口的大小*/

stas eq[LAnb]= EXPseq[LAnb]；

ex pseq[LANA]=(curSeq[LANA]+1)% two pi；

返回FALSE}}/*转发到上层*/

4实验模拟

本文基于ndis(网络驱动程序接口规范)实现了PRP方案。NDIS中间层驱动是一个虚拟的驱动，它把上层的NDIS协议驱动和下层的NDIS作为一个微端口驱动连接起来，既能做到前承后启，又能做到“欺上瞒下”。

在NDIS提供的MPSendPackets功能框架中完成数据帧发送功能:在消息末尾添加RCT，同时向A、B网络发送数据；在NDIS提供的PtReceive功能框架中完成数据接收功能:丢弃冗余消息并将其转发到上层。在驱动中设置定时器，用于PRP管理帧的定时传输和外部节点状态的定时检测。

两台Windows计算机直接连接，用于PRP应用程序测试。每台计算机都配置了两个物理网卡，并安装了PRP网络接口驱动程序。PRP测试拓扑如图5所示。测试PRP网络中单个网络故障的自愈时间。两台电脑数据传输过程中，局域网B被拔掉，即B网中断。通过Wireshark数据包捕获分析，发现网络传输不受影响，因此PRP网络故障恢复时间为零，满足无缝切换的要求。

在测试过程中，每个节点的消息传输都可以通过节点表来实现。当B网出现故障时，通过节点表检测A网和B网的数据帧，发现A网数据帧的序列号是连续的，而B网数据帧的序列号是不连续的。如图6所示。从测试结果来看，当单个网络出现故障时，PRP网络可以实现零丢包和零恢复时间。

图5 PRP测试拓扑

图6单个网络故障时的帧接收

本文设计了一种基于序列号的冗余丢弃窗口算法，该算法简单，占用资源少，处理时间快。通过直连方式进行PRP应用测试，结果表明，PRP网络在单个网络出现故障时可以实现零丢包和零恢复时间，完全满足IEC TC57对变电站网络恢复时间的要求。PRP冗余协议提高了系统的可靠性和安全性，结构简单，将成为智能变电站通信网络的主要研究方向之一。