國網(wǎng)版網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)與iec 62439標(biāo)準(zhǔn)(上）

1、網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)與IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)（上）,李俊剛許繼集團(tuán)2014年9月25日,主要內(nèi)容,并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán),其它冗余技術(shù),網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn),一、課程介紹,,智能變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（一）網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信問題1. 由于以太網(wǎng)媒體訪問控制采用帶避撞的載波幀多路接入機(jī)制，信息傳遞時延具有無法預(yù)測的隨機(jī)性，例如交換機(jī)交換延時等。 2.網(wǎng)絡(luò)通信嚴(yán)重依賴于交換機(jī)，通信性能的優(yōu)劣受到交換機(jī)性能

2、的限制。并且大大提高變電站的投資成本。3.冗余標(biāo)準(zhǔn)缺失，IED 與IED 之間如何協(xié)調(diào)配合, 是否會對互操作造成影響，存在不確定性。同時冗余的實(shí)現(xiàn)往往以犧牲實(shí)時性為代價，得不償失。,（一）網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全性與可靠性,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC61850作為變電站自動化應(yīng)用的基礎(chǔ)未對冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作嚴(yán)格定義私有冗余網(wǎng)絡(luò)方案對開放性和互操作性造成嚴(yán)重的威脅工業(yè)以太網(wǎng)終將解決變電站自動化領(lǐng)域的問題時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)冗余

3、,（一）網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,變電站可用性要求通用要求： 需常年穩(wěn)定運(yùn)行，極少停運(yùn)維修，要求設(shè)備具有實(shí)時更換能力。被保護(hù)的系統(tǒng)里，出現(xiàn)故障的保護(hù)元件一般產(chǎn)生兩種結(jié)果：超功能范圍：系統(tǒng)不必要的停運(yùn)欠功能范圍：系統(tǒng)不被保護(hù)，同時運(yùn)行變得不穩(wěn)定，次生性故障給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的危害。變電站設(shè)計要求：網(wǎng)絡(luò)故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)欠功能范圍，可以容許超功能范圍的出現(xiàn)，系統(tǒng)在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時依然能夠保持運(yùn)行的時間稱之為寬限時間

4、,（一）網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,,網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障并恢復(fù)的時間要小于系統(tǒng)的寬限時間。TC57定義的系統(tǒng)各種工況下網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間。 IEC61850-5要求的恢復(fù)時間。,（一）網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),其它領(lǐng)域的寬限時間要求。,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,（一）網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,7層網(wǎng)絡(luò)模型故障概率,IEC62439定義將工業(yè)以太網(wǎng)的高可用性實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)放在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的故障探測和恢復(fù)上。,一、標(biāo)

5、準(zhǔn)概述,,國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會IEC SC65委員會第15工作組針對如何建設(shè)高度有效的自動化網(wǎng)絡(luò)，及時推出了IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)。IEC 62439-1-2010 一般概念和計算方法；IEC 62439-2-2010 媒介冗余協(xié)議（MRP）；IEC 62439-3-2010 并行冗余協(xié)議（PRP）及高可用性無縫環(huán)（HSR）；IEC 62439-4-2010 跨網(wǎng)冗余協(xié)議（CRP）；IEC 62439-5-20

6、10 信標(biāo)備用協(xié)議（BRP）；IEC 62439-6-2010 分布式冗余協(xié)議（DRP）；IEC 62439-7-2011 環(huán)路冗余協(xié)議（RRP）。,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,可靠性計算,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,可靠性模型,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,冗余分類,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,冗余分類特點(diǎn),（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,I

7、EC 62439-2-2010 Media Redundancy Protocol 媒介冗余協(xié)議（MRP， Siemens-Hirschmann ）；主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只有一個確定的主節(jié)點(diǎn)，發(fā)生故障時由主節(jié)點(diǎn)處理，存在著網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險集中的問題,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC 62439-3-2010 Two seamless protocolsPRP (Parallel Redundancy Protocol,

8、并行冗余協(xié)議）采用2個對等的對立網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備雙端口并行冗余實(shí)現(xiàn)故障時無縫切換，雙倍通信設(shè)備，系統(tǒng)成本高,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC 62439-3-2010 Two seamless protocolsHSR (High availability seamless Redundancy, 高可用性無縫環(huán)網(wǎng))采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將一個環(huán)的不同方向作為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，成本降低,（二）IEC 6243

9、9標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC 62439-4-2010 跨網(wǎng)冗余協(xié)議（CRP）；采用Mesh網(wǎng)絡(luò)多重化冗余技術(shù)，連接了原本獨(dú)立的雙網(wǎng)頂層交換機(jī)，給連接到雙網(wǎng)的設(shè)備之間提供了充足的物理通道，雖然綜合了網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備端口冗余2種方式，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)。,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC 62439-5-2010 信標(biāo)備用協(xié)議（BRP）；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋本┝髁枯^大,（二）IEC 62439標(biāo)

10、準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC 62439-6-2010 分布式冗余協(xié)議（DRP）；有多個交換節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個交換節(jié)點(diǎn)至少具有一堆環(huán)內(nèi)端口和若干交換端口組成，每個交換節(jié)點(diǎn)都具有檢測單個物理鏈路或交換單元故障的功能，并能自行恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，能有效避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險集中帶來的不穩(wěn)定性，但是網(wǎng)絡(luò)重建速度較慢,（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC 62439-7-2011 環(huán)路冗余協(xié)議（RRP）。標(biāo)準(zhǔn)中最后推出的協(xié)議，只能局限于環(huán)網(wǎng),

11、（二）IEC 62439標(biāo)準(zhǔn),主要內(nèi)容,并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),其它冗余技術(shù),網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn),二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),,并行冗余協(xié)議,（二）PRP,國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會IEC SC65委員會第15工作組針對如何建設(shè)高度有效的自動化網(wǎng)絡(luò)，及時推出了IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)。對網(wǎng)絡(luò)冗余做出了專門的規(guī)定，其中IEC62439-3規(guī)定的PRP（并行冗余協(xié)議）適用于各種規(guī)格的變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它依賴于并列運(yùn)行的兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，

12、當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)連接或交換機(jī)出現(xiàn)問題時，基于數(shù)據(jù)鏈路層冗余方案，可以無縫的切換到另一網(wǎng)絡(luò)。因此無論變電站是何種協(xié)議或者何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都可以滿足變電站自動化網(wǎng)絡(luò)極高的實(shí)時性要求和數(shù)據(jù)安全性要求。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),,網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)裝置有三種：一、DANP IED(雙連接節(jié)點(diǎn)IED)，二、SAN IED（單連接接點(diǎn) IED），三、冗余盒。相互獨(dú)立的并行網(wǎng)絡(luò)，它們按并行冗余協(xié)議配置，允許網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，如ARP的正常操作。 DAN

13、P IED可以直接連接到兩個獨(dú)立的并行網(wǎng)絡(luò)上， SAN IED通過冗余盒可以連接到兩個并行網(wǎng)絡(luò)上，否則，它只能連接到其中的一個網(wǎng)絡(luò)上。,（二）PRP,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,線性拓?fù)涞牟⑿腥哂嗑W(wǎng)絡(luò),,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,環(huán)性拓?fù)涞牟⑿腥哂嗑W(wǎng)絡(luò),,在基于PRP的變電站冗余網(wǎng)絡(luò)中，冗余節(jié)點(diǎn)起著重要作用，每個雙連接IED節(jié)點(diǎn)都有兩個網(wǎng)絡(luò)端口，這兩個端口并行運(yùn)行。工作時，端口通過鏈路

14、冗余體（LRE）與網(wǎng)絡(luò)層相連，其作為一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)接口軟件管理處理以太網(wǎng)卡和上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信接口。,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,節(jié)點(diǎn)中的兩個以太網(wǎng)卡具有相同的MAC地址和IP地址，因此PRP是基于第二層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它不需要進(jìn)行改動就可以使用正常的網(wǎng)絡(luò)管理，工程配制非常簡單。同時，支持第二層網(wǎng)絡(luò)冗余，對變電站系統(tǒng)而言就是完全支持GOOSE和SV數(shù)據(jù)

15、通信，變電站配置無需修改。節(jié)點(diǎn)中鏈路冗余體（LRE）有兩個任務(wù)：1）處理重復(fù)的報文；2）冗余的管理。當(dāng)收到節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層的一幀保文，節(jié)點(diǎn)的LRE在相應(yīng)的幀報文位置添加冗余控制器（RCT），同時向兩個以太網(wǎng)卡端口發(fā)送報文。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)上接收到這幀報文，鏈路冗余體（LRE）即會從兩個端口中提取第一個收到的幀報文，并且丟棄重復(fù)的那幀。,,每一幀報文：序列號、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識、報文大小發(fā)送者向兩幀報文中插入同樣的序列號、并且序列號隨報文的發(fā)送而遞

16、增接收者跟蹤對應(yīng)MAC地址的報文序列號，同源、同序列號的不同網(wǎng)絡(luò)（后到的）報文丟棄對于監(jiān)測而言。每一個節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)表，其包含網(wǎng)絡(luò)中所有其它節(jié)點(diǎn)信息，利用節(jié)點(diǎn)信息來判斷節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)故障,利用序列號進(jìn)行重復(fù)丟棄,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,接收IED節(jié)點(diǎn)表中，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)預(yù)期幀序列號分別保存為ExpectedSeqA與 ExpectedSeqB。接收時，以A網(wǎng)為例，比較接收

17、幀序號CurrentSeqA和節(jié)點(diǎn)表中ExpectedSeqA.這樣即可判斷出報文是否為順序發(fā)送。接收后，不管是否為順序報文，節(jié)點(diǎn)表中ExpectedSeqA將被設(shè)置為比接收幀序號CurrentSeqA大1的值。節(jié)點(diǎn)將會創(chuàng)建并保持一個持續(xù)的丟棄窗口，窗口上限為ExpectedSeqA，（不包括該值），下限為StartSeqA（網(wǎng)絡(luò)丟棄的最低序號）如圖所示即為LAN_A上的丟棄窗口。,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,

18、接收節(jié)點(diǎn)通過丟棄窗口決定是否丟棄接收幀。若LAN_B的接收幀其序列號和在LAN_A窗口內(nèi)部。則這幀報文將要丟棄，否則，接收幀將會提交給網(wǎng)絡(luò)層處理（圖中的keepB幀都將會上傳）。同時在幀丟棄或上送的同時，丟棄窗口的相關(guān)參數(shù)也在變化。這樣在丟棄窗口的配合下，進(jìn)行幀的舍棄和上送。任何一個獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的故障，對于接收節(jié)點(diǎn)來說，都沒有任何影響，總有一幀報文可以實(shí)時的上送至節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層。,,單連接節(jié)點(diǎn)允許冗余控制體添加在payload之后 單連

19、接節(jié)點(diǎn)忽視冗余控制體，把他默認(rèn)為報文填充,單連接節(jié)點(diǎn)的冗余體處理,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,,接收者判斷：雙連接節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文、單連接節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報文接收者利用報文幀里面的suffix 和 size進(jìn)行判斷，如果size大小和payload匹配，那么就認(rèn)定是一PRP冗余幀報文 報文只有在從另一網(wǎng)絡(luò)上接收到同源同序列號、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識正確才會丟棄。,冗余報文和非冗余報文區(qū)分,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）

20、PRP,,檢測到重復(fù)必須滿足以下要求：不丟棄正常幀報文丟棄重復(fù)報文 序列號是重復(fù)丟棄算法的基礎(chǔ)序列號（16位，65535） 回還100Mbits/s ： 6.72us*65536=440ms1Gbits/s ：0.67us*65536 =44ms,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,同幀同序號報文抵達(dá)時間差,節(jié)點(diǎn)表條目保留最大時間,節(jié)點(diǎn)表條目保留最小時

21、間,不同幀同序號報文接收最小時間,,PRP網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量對冗余系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響，因此網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測顯得尤為重要，通過節(jié)點(diǎn)表，接收節(jié)點(diǎn)檢測并記錄相應(yīng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的報文狀態(tài)，并且，每個雙連接節(jié)點(diǎn)都會周期性的發(fā)送PRP監(jiān)測幀（幾秒、可配置），那么每個節(jié)點(diǎn)都應(yīng)接收到相應(yīng)的監(jiān)測幀，如果在特定的時間內(nèi)，某個節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測幀沒有接收到，就可以認(rèn)為，此節(jié)點(diǎn)和本節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系，節(jié)點(diǎn)表此節(jié)點(diǎn)信息將會刪除，若能再次接收到，那么在節(jié)電表中將會再次建立此節(jié)點(diǎn)信息。節(jié)

22、點(diǎn)中兩個以太網(wǎng)卡配置相同的MAC地址和IP地址，鏈路冗余體LRE提供網(wǎng)絡(luò)管理接口。允許類似ARP的協(xié)議工作，并且利用SNMP協(xié)議，可以對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行配置和獲取，管理每個網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)錯誤率增加時可提前偵測網(wǎng)絡(luò)故障。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,每個節(jié)點(diǎn)都要有節(jié)點(diǎn)表：單播、組播或廣播地址，條目1）支持冗余算法 2）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,節(jié)點(diǎn)管理工具,二、并行冗余協(xié)議及高可用性

23、無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）PRP,因此IEC 62439-3中的PRP標(biāo)準(zhǔn)，在下一步的智能電網(wǎng)建設(shè)中，將會是智能變電站冗余網(wǎng)絡(luò)方案的最佳選擇。將會極大的提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。,HSR（高可用性無縫環(huán)網(wǎng)）是基于并行冗余技術(shù)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用，進(jìn)而在環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信高可靠性、無縫冗余。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,HSR

24、多播(Multicast),目標(biāo),紅箭頭“A” frames藍(lán)箭頭: standard frames綠箭頭“B” framescross: removal from the ring,,,環(huán)中的每一個節(jié)點(diǎn)擁有兩個端口, port A 和 port B；每一幀要發(fā)送的報文(“C”-frame), 源節(jié)點(diǎn)同時向port A 和 port B各發(fā)送發(fā)送一幀；每一個節(jié)點(diǎn)都要轉(zhuǎn)發(fā)接收到的報文，除非已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過； 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收第一幀(

25、“D-frame”) 同時丟棄后到的重復(fù)報文；.環(huán)網(wǎng)故障不會對應(yīng)用業(yè)務(wù)造成影響，并且能快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障（沒有收到重復(fù)報文）,,,,,,,,,,,,,,,,,,node,,,node,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,源,,,,,?A“-frame(HSR tagged),?B“-frame(HSR tagged),,,,,,,,,,,,,,,,

26、,,,,,,,,,,,,,,,,?C“-frame,?D“-frame,,,,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,node,,目標(biāo),,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,每一個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)所接收到的報文（除非已轉(zhuǎn)發(fā)過）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,end node,,,end node,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end no

27、de,,,,,,,,end node,,,,,,,源,目標(biāo),,,,,?A“-frame,?B“-frame,,,,,,,,,,,,,,,,,,交換機(jī),冗余盒,,,單連接節(jié)點(diǎn),interlink,,,,,,,,,實(shí)箭頭: 單播空箭頭: 沒有接收的單播cross: remove from the ring,,,,,,,,,,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,switch

28、,RedBox,,,單連接節(jié)點(diǎn),interlink,,,,目標(biāo),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,node,,,node,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,,node,,,,,,,源,,,,,?A“-frame(HSR),?B“-frame(HSR),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,目標(biāo),?C“-frame,?D“-frame,,,,,

29、,,,,,,A,B,,,單連接節(jié)點(diǎn)通過冗余盒連接到網(wǎng)絡(luò)上（冗余盒充當(dāng)代理，實(shí)現(xiàn)報文的處理）冗余盒產(chǎn)生管理報文（相當(dāng)于冗余節(jié)點(diǎn)）,目標(biāo),二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,link redundancy entity,,Ethernet B,,Ethernet A,,,,TCP,RFC 793,,UDP,,IP,,ISO Transport,RFC 1006,,ISO Session,,ACSE,ISO/IEC 864

30、9:1996,,MMS,ISO 9506,-,1:2003,,Client/Server,,,ACSI,,PT=0800,,link layer,,application,,application,,application,,SNTP,,PTP,,ARP,,clock,,802.p1 / 802.1Q,,tagging,,PT=0806,,PTID=8100,,802.2,,RSTP,(802.1D),,MAC layer,,x88B9

31、,,x88B8,,x88BA,,GSEmgt,,GOOSE,hard real-time,,-,soft real time,,switching logic,,,SV,,1588A,1588B,,無改變!,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,send: LRE 同時發(fā)送兩幀報文端口 A and 端口B (1), (2).forw

32、ard:交換邏輯重新發(fā)送報文幀從一個端口在其他端口 (3),(4) 除非自己的報文(5),(6) receive: LRE 接收兩幀報文, 保留第一幀丟棄第二幀(7).,network layer,transport layer,A,B,publisher/subscriber,CCW,applications,network layer,transport layer,publisher/subscriber,applicati

33、ons,源,目標(biāo),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,發(fā)送重復(fù)報文,丟棄重復(fù)報文,,丟棄重復(fù)報文,發(fā)送重復(fù)報文,CCW,,7,,,,,,,,,,,,,Ethernetlink,,,,,,,,,,,,,,端口,鏈路冗余體(LRE),transceivers,上層,鏈路層interface,交換邏輯,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,每一個節(jié)點(diǎn)2個端口擁有相同的MAC地址每一個節(jié)點(diǎn)2

34、個端口擁有相同的IP地址支持網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議如ARP支持基于數(shù)據(jù)鏈路層的通信，GOOSE和SV提供了無縫切換中定義的61850-7-14為變電站站站控層和過程層提供相同的冗余方案,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,一幀包含:目的地址、源地址和 HSR 網(wǎng)絡(luò)類型, HSR 網(wǎng)絡(luò)類型包括16位的以太網(wǎng)類型標(biāo)簽（0x892F），4位的報文標(biāo)示, 12位幀大小 和16位的序列號, 插入到報文前面，以方便報文直接轉(zhuǎn)發(fā).報文

35、發(fā)送，序列號遞增 利用序列號對同源報文進(jìn)行丟棄算法 報文可超過1522字節(jié)（HSR標(biāo)簽），超過IEEE802.1D規(guī)定的.,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,具有VLAN標(biāo)識可以依此進(jìn)行信息傳送或隔離，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的功能。因此根據(jù)二者的特點(diǎn)可以分別運(yùn)用到不同的區(qū)域。增加組網(wǎng)靈活性。使用HSR劃分技術(shù)可以根據(jù)功能需求，網(wǎng)絡(luò)管理者能夠把網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)；從而對網(wǎng)絡(luò)的組建帶來了很大的方便。,,,,二、并

36、行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,input queue,local queue,,,,,,,與PRP數(shù)據(jù)幀不同的是．HSR標(biāo)簽位于數(shù)據(jù)幀的開始部分．跟在目的地址后面。這使得節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時能夠采用直通交換技術(shù)．節(jié)點(diǎn)在接收完數(shù)據(jù)幀目的地址、源地址和序列號部分并確認(rèn)之前沒有接收或者發(fā)送過該數(shù)據(jù)幀后．直接在另一個端口將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)．大幅減少了轉(zhuǎn)發(fā)過程帶來的延時。直通 (接收到報文 MAC 、立馬轉(zhuǎn)發(fā)) 提升節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)

37、發(fā)效率, 最差的情況發(fā)生在節(jié)點(diǎn)自身在發(fā)送報文 (若報文為1536 octets = 123 µs @ 100 Mbit/s).當(dāng)一個環(huán)報文幀到來，必須為環(huán)幀提供大小1536個字節(jié)的緩沖。,incoming ring frame,outgoing ring frame,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,報文是在環(huán)網(wǎng)內(nèi)2個不同方向同時傳輸?shù)模诰W(wǎng)絡(luò)正常情況下接收端在不同端口會接收到一對重復(fù)報文．因此

38、必須采用在鏈路層將重復(fù)報文丟棄的處理方式。在HSR中．可以利用基于查閱表的算法來處理重復(fù)報文．每一個HSR數(shù)據(jù)幀由其獨(dú)特的目的地址DA(Destination Address)、源地址SA(SourceAddress)和序列號SEQ(SEQuence number)被網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)識別。目的地址、源地址和序列號作為數(shù)據(jù)幀被節(jié)點(diǎn)接收的入口通行信息．環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)為2個端口不同路徑保存各自的查閱表．表內(nèi)儲存之前接收過的數(shù)據(jù)幀的入口通行信息。,,,

39、,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,查閱表搜索和寫操作過程 節(jié)點(diǎn)某一端口如端口A傳來某一單播或多播報文，在接收完數(shù)據(jù)幀目的地址、源地址和序列號后．先在另一端口查閱表內(nèi)進(jìn)行搜索．如果已經(jīng)存在相同的人口通行信息．則表示已在另一端口接收到了一對重復(fù)報文中的第一個。該報文是重復(fù)的．將其丟棄。相反。如果在另一端口查閱表內(nèi)沒有搜索到相同的入口通行信息．接收進(jìn)程繼續(xù)．并在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)幀無錯誤后將入口通行信息寫入端口A的查

40、閱表中。之后在另一端口傳來一對重復(fù)報文的第2個時。在另一個端口同樣采取上述過程．將其丟棄。 這種基于查閱表的箅法還利于處理環(huán)網(wǎng)中可能存在的循環(huán)報。在某一端口接收數(shù)據(jù)幀．在接收完數(shù)據(jù)幀目的地址、源地址和序列號后，先在本端口查閱表內(nèi)進(jìn)行搜索．如果已經(jīng)存在相同的入口通行信息，則表示該報文是循環(huán)報文，將其丟棄。相反，如果沒有搜索到相同的入口通行信息．接收進(jìn)程繼續(xù)．并在檢驗(yàn)數(shù)據(jù)幀無錯誤后將入口通信信息寫入本端口查閱表中。,,,,,二

41、、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,,,,丟棄重復(fù),重復(fù)發(fā)送,CCW,,7,CW,CCW,,C,,,,,,proxynodetable,,interlink to switch,鏈路冗余體(LRE),交換邏輯(SL),,,,,,,,,,,,,,switch,,,單連接節(jié)點(diǎn),,8,,9,,10,,,冗余盒是單連接節(jié)點(diǎn)的代理. 刪除自

42、己發(fā)送到環(huán)上的幀報文，并保持一個代理節(jié)點(diǎn)表。冗余盒是非HSR 節(jié)點(diǎn)接入HSR的橋梁,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,間隔 (HSR ring 2),,,,,IED,,,,,,,,,,,,工作站1,logger,打印機(jī),,,,,,,,,,COM,NCC,,,,工作站2,非冗余環(huán)網(wǎng)和 HSR 環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)部分冗余,,,,,,,間隔 (RSTP),,,,,,,,RSTP ring LAN,switching R

43、edBoxwith multicast filter,,,,,,,,,,IED,,,,,,IED,,,,,,,,,間隔 (HSR ring 1),,,,,IED,,,,,,,IED,,,,,,IED,,,,,,,,,,IED,IED,,GPS 時鐘,,,,,,,,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,

44、,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,QuadBox A,QuadBox B,環(huán) 1,環(huán)2,,,(其它環(huán)),?A“-frame,?B“-frame,,,,,,,end node,,,,,,,end node,,,,,,,end node,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,,,,,,,,避

45、免單點(diǎn)故障，采用雙冗余盒,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,,,,discardduplicate,sendduplicate,CCW,,7,CW,CCW,,C,,,,,,proxynodetable,,鏈路冗余體(LRE),交換邏輯(SL),,8,,9,,10,,framecheck,,C,,,,,,,,proxyn

46、odetable,,framecheck,interlink to RedBox A of LAN A,,,mirror RedBox (?A“),,,,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,QB,,,,QB,,,,,,,DANH,,,,DANH,,,,,,,,DANH,,,,,,QB,,,,QB,,,,DANH,,,,DANH,,,,,,,,DANH,,,,DANH,,,,SAN,,ring 2,r

47、ing 3,ring 1,,,,,,,,,,SAN,,,,,,DANH,,,,SAN,,,,,,,DANH,,,2個 quadboxes接入防止獨(dú)立故障,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

48、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,允許任何拓?fù)鋰Ш?二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,switch,,,,,,,,,,,switch,,switched local area network (tree) LAN_B,,,,,,,,,,,swit

49、ch,,switch,,,,,,,,,,,,switch,,,,,,,,,,,,,switch,RedundancyBox,switched local area network (tree) LAN_A,,,,,,,,,,,,,,,,,DANP,,,,DANP,,,,DANP,,,,DANP,,,,SANH2,,,SANHB1,,,SANHB2,,,SANH1,,,SANB3,,,SANB4,,,DANP,,,,,,,,S

50、AN =singly attached nodes,In PRP mode, frames are not forwarded from port to port. SANH are HSR-aware,,,,,,,,,,,,,SANH2,,,SANH3,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,PRP 與 HSR基于同樣的原則實(shí)現(xiàn)冗余,硬件不需特別修改即可實(shí)現(xiàn)兩種冗余的兼容,HSR 和 two PRP 耦合 (sender

51、in PRP),冗余盒接收報文并在代理節(jié)點(diǎn)表中存放源地址冗余盒同時向2個端口發(fā)送報文，同時打上網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽（除非此端口已發(fā)送過相同的報文）冗余盒轉(zhuǎn)發(fā)收到連接的任意幀，沒有源頭在上行鏈路節(jié)點(diǎn)注冊表,有正確的局域網(wǎng)標(biāo)識符(A或B)。,,,,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,A,B,A,B,A,B,A,,,,,BA,,,,,LAN A,B,AB,LAN B,,,,

52、,,,,,PRP nodes,,,,,,,,,RedBox A,RedBox B,,,,interlink A,interlink B,destination,,,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,,end node,B,A,,,,,,,,,,,,,,,,end node,,source,,,,,,,,,,,end node,,,,,,solid arrows: unicast trafficvoid arro

53、ws: multicast or not received unicast trafficpatterned arrows: duplicate from other RedBox,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,,,,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,A,B,A,B,A,B,A,,,,,B,,,,,LAN A,B,A,LAN B,,,,,,

54、,,,,,,,,,,,RedBox A,RedBox B,interlink A,interlink B,,,,?A“-frame,end node,,,,,,,,,,end node,B,A,,,,,,,,,,,,,,,,,,end node,,,receiver,,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,,PRP nodes,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（二）HSR,HSR 和 two PRP 耦合

55、 (sender in HSR),IEEE1588 Clocks,基本思想是通過設(shè)備軟硬件配合，記錄同步時鐘信息的發(fā)出時間和接收時間，并且給每一條信息加上時間標(biāo)簽。有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網(wǎng)絡(luò)中的時間誤差和延時，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上從鐘和主鐘同步。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（三 ）時鐘同步,時鐘同步方式：GPS、SNTP、B碼、IEEE1588。,系統(tǒng)采用主從層次式結(jié)構(gòu)來時鐘同步，實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖所示。主時鐘先發(fā)送周期性

56、發(fā)出Sync 報文，（一般每1秒鐘發(fā)送一次）。這時主時鐘記錄下Sync 報文的發(fā)出時標(biāo)（TimeStamp）T1。從時鐘接收到Sync報文時，記錄下收到報文時標(biāo)T2。然后主時鐘發(fā)出Follow_up 報文，該報文包含了Sync 報文發(fā)送的精確時標(biāo)T1。假定網(wǎng)絡(luò)延時為TDelay。則可計算出偏移時差Toffset Toffset = T2 ? T1 ? TDelay,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng)

57、,（三 ）時鐘同步,在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化不大的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)延遲TDelay 基本上變化不大。從時鐘向主時鐘發(fā)出Delay_Req報文，從時鐘記錄下報文的發(fā)送時標(biāo)T3。主時鐘在收到Delay_Req 報文后，記錄下接收時刻的時標(biāo)T4。然后，主時鐘向從時鐘發(fā)送Delay_Resp 報文。Delay_Resp 報文包含了時標(biāo)T4。則可計算出網(wǎng)絡(luò)延遲TDelay： TDelay = T4

58、 – T3 ? Toffset,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（三 ）時鐘同步,,,,,,,,end node,HC,HC,,,,,,,,end node,HC,HC,,,,,,,,end node,HC,HC,,,,,,,,end node,HC,HC,,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,redundant master clocks,,,,,,,,,,,,,?A“-

59、frame,?B“-frame,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,switch,RedBox,,,interlink,,,HC 是 透明時鐘 普通時鐘采用其中一個透明時鐘,MC,MC,MC Master ClockHC Hybrid Clock,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（三 ）時鐘同步,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（三 ）時鐘同步,,,,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,end

60、node,,,s,B,A,B,A,,,,,,,,,LAN A,m,m,LAN B,,,,,,,,,,,,,,,,,RedBox A,RedBox B,interlink A,interlink B,,,?A“-frame,?B“-frame,end node,,,,,,,,end node,B,A,,,,,,,,,,,,,,,,end node,,,(receiver),,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,,,

61、,end node,HC,HC,MC,MC,distinguish four cases:A received from A,A received from BB received from AB received from B,,,,,?B“-frame,,,BC,m,m,BC,s,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),PRP和 HSR 耦合的時鐘,（三 ）時鐘同步,2個 HSR 通過冗余盒耦合的時鐘,,,,,,,,,

62、,,,end node,A,B,,,,,,,,end node,A,B,,,,,,,,end node,A,B,,,,,,,,end node,A,B,,,,,,RedBoxA1,,,,,,,,,,end node,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,B,A,,,,,,,A,B,m,RedBoxA2,RedBoxB1,RedBoxB2,Rin

63、g 1,Ring 2,,,(nextring),?A“-frame,?B“-frame,,,,,,,end node,B,A,,,,,,,end node,B,A,,,,,,,end node,B,A,,,,,,,end node,B,A,interlink A,interlink B,,,,,BC,BC,HC,s,m,s,m,MC,HC,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（三 ）時鐘同步,變電站數(shù)據(jù)分析,根據(jù)變電站功能要求

64、，上述接口之間通信數(shù)據(jù)有如下特性。周期性數(shù)據(jù)：采樣信號，時鐘同步報文。隨機(jī)性數(shù)據(jù)：開關(guān)控制命令：保護(hù)功能聯(lián)鎖，變壓器分接頭調(diào)整，電容器投切，數(shù)據(jù)長度角度，性能需要快速報文要求。保護(hù)定值修改，時間記錄查看，錄播數(shù)據(jù)傳輸，文件服務(wù)，數(shù)據(jù)較長，傳輸時間實(shí)時性要求相對較低屬于外部事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)，由外部條件觸發(fā)。突發(fā)性數(shù)據(jù)：故障情況下，間隔層設(shè)備上傳保護(hù)動作信息，開關(guān)變位信息，傳輸時間需滿足中快速報文要求，數(shù)據(jù)短，要求傳輸時間集中。,二、

65、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（四）組網(wǎng)方案,站控層HSR機(jī)制,站控層的數(shù)據(jù)特性可以看出，多屬于突發(fā)性，隨機(jī)性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較小，對信息共享有一定的需求，對實(shí)時性要求較低，用不帶VLAN標(biāo)識的HSR網(wǎng)絡(luò)后，可以實(shí)現(xiàn)信息共享，同時在不增加網(wǎng)絡(luò)成本的同時，顯著的提高站控層網(wǎng)絡(luò)冗余度。并能完全滿足站控層通信性能要求。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（四）組網(wǎng)方案,間隔間GOOSE信息通信HSR網(wǎng)絡(luò) （采用帶VLAN標(biāo)識的HSR報文機(jī)制）

66、智能化變電站使得系統(tǒng)間隔層原有的很多功能實(shí)現(xiàn)方式發(fā)生了重大變化，這些功能包括：備自投，低頻減載，低壓母線保護(hù)，主變差動保護(hù)，母線PT 測控功能，防誤閉鎖等。為實(shí)現(xiàn)這些功能需要多個間隔裝置之間進(jìn)行通信 。,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),（四）組網(wǎng)方案,較低電壓等級變電站系統(tǒng)，HSR級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基于HSR的變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖4，基于獨(dú)有的節(jié)點(diǎn)報文交換技術(shù)，因此在網(wǎng)絡(luò)中無需交換機(jī)。這樣具有如下特點(diǎn)：1.無需交換機(jī)，成本低；2.通信過

67、程透明；3.網(wǎng)絡(luò)可靠性高。結(jié)合較低電壓等級變電站系統(tǒng)的需求,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),,（四）組網(wǎng)方案,針對110KV與220KV變電站系統(tǒng)，站控層與過程層有著較為明顯的區(qū)別。站控層對通信需求較為寬松，同時數(shù)據(jù)量少。而過程層，節(jié)點(diǎn)多，大量的GOOSE和SV報文對實(shí)時性有嚴(yán)格的要求 。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),,（四）組網(wǎng)方案,220KV以上變電站系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)多，對通信性能及安全性要求嚴(yán)格,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無