國網版網絡冗余技術與iec 62439標準(上）

1、網絡冗余技術與IEC 62439標準（上）,李俊剛許繼集團2014年9月25日,主要內容,并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán),其它冗余技術,網絡冗余技術實現(xiàn),一、課程介紹,,智能變電站自動化系統(tǒng)結構,（一）網絡冗余技術現(xiàn)狀,一、標準概述,,智能變電站網絡通信問題1. 由于以太網媒體訪問控制采用帶避撞的載波幀多路接入機制，信息傳遞時延具有無法預測的隨機性，例如交換機交換延時等。 2.網絡通信嚴重依賴于交換機，通信性能的優(yōu)劣受到交換機性能

2、的限制。并且大大提高變電站的投資成本。3.冗余標準缺失，IED 與IED 之間如何協(xié)調配合, 是否會對互操作造成影響，存在不確定性。同時冗余的實現(xiàn)往往以犧牲實時性為代價，得不償失。,（一）網絡冗余技術現(xiàn)狀,智能變電站網絡安全性與可靠性,一、標準概述,,IEC61850作為變電站自動化應用的基礎未對冗余網絡結構作嚴格定義私有冗余網絡方案對開放性和互操作性造成嚴重的威脅工業(yè)以太網終將解決變電站自動化領域的問題時鐘同步、網絡冗余

3、,（一）網絡冗余技術現(xiàn)狀,一、標準概述,,變電站可用性要求通用要求： 需常年穩(wěn)定運行，極少停運維修，要求設備具有實時更換能力。被保護的系統(tǒng)里，出現(xiàn)故障的保護元件一般產生兩種結果：超功能范圍：系統(tǒng)不必要的停運欠功能范圍：系統(tǒng)不被保護，同時運行變得不穩(wěn)定，次生性故障給系統(tǒng)帶來嚴重的危害。變電站設計要求：網絡故障不會導致系統(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)網絡故障時依然能夠保持運行的時間稱之為寬限時間

4、,（一）網絡冗余技術現(xiàn)狀,一、標準概述,,,網絡在出現(xiàn)出現(xiàn)網絡故障并恢復的時間要小于系統(tǒng)的寬限時間。TC57定義的系統(tǒng)各種工況下網絡恢復時間。 IEC61850-5要求的恢復時間。,（一）網絡冗余技術現(xiàn)狀,一、標準概述,,（二）IEC 62439標準,其它領域的寬限時間要求。,一、標準概述,,（一）網絡冗余技術現(xiàn)狀,7層網絡模型故障概率,IEC62439定義將工業(yè)以太網的高可用性實現(xiàn)重點放在物理層和數(shù)據鏈路層的故障探測和恢復上。,一、標

5、準概述,,國際電工標準委員會IEC SC65委員會第15工作組針對如何建設高度有效的自動化網絡，及時推出了IEC 62439標準。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 跨網冗余協(xié)議（CRP）；IEC 62439-5-20

6、10 信標備用協(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標準,一、標準概述,,可靠性計算,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,可靠性模型,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,冗余分類,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,冗余分類特點,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,I

7、EC 62439-2-2010 Media Redundancy Protocol 媒介冗余協(xié)議（MRP， Siemens-Hirschmann ）；主從式網絡結構，只有一個確定的主節(jié)點，發(fā)生故障時由主節(jié)點處理，存在著網絡風險集中的問題,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,IEC 62439-3-2010 Two seamless protocolsPRP (Parallel Redundancy Protocol,

8、并行冗余協(xié)議）采用2個對等的對立網絡，終端設備雙端口并行冗余實現(xiàn)故障時無縫切換，雙倍通信設備，系統(tǒng)成本高,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,IEC 62439-3-2010 Two seamless protocolsHSR (High availability seamless Redundancy, 高可用性無縫環(huán)網)采用環(huán)形網絡結構將一個環(huán)的不同方向作為獨立網絡處理，實現(xiàn)網絡冗余，成本降低,（二）IEC 6243

9、9標準,一、標準概述,,IEC 62439-4-2010 跨網冗余協(xié)議（CRP）；采用Mesh網絡多重化冗余技術，連接了原本獨立的雙網頂層交換機，給連接到雙網的設備之間提供了充足的物理通道，雖然綜合了網絡冗余和設備端口冗余2種方式，但網絡結構復雜難以實現(xiàn)。,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,IEC 62439-5-2010 信標備用協(xié)議（BRP）；網絡結構復雜，并且維護網絡拓撲的北京流量較大,（二）IEC 62439標

10、準,一、標準概述,,IEC 62439-6-2010 分布式冗余協(xié)議（DRP）；有多個交換節(jié)點構成，每個交換節(jié)點至少具有一堆環(huán)內端口和若干交換端口組成，每個交換節(jié)點都具有檢測單個物理鏈路或交換單元故障的功能，并能自行恢復網絡傳輸，能有效避免網絡風險集中帶來的不穩(wěn)定性，但是網絡重建速度較慢,（二）IEC 62439標準,一、標準概述,,IEC 62439-7-2011 環(huán)路冗余協(xié)議（RRP）。標準中最后推出的協(xié)議，只能局限于環(huán)網,

11、（二）IEC 62439標準,主要內容,并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,其它冗余技術,網絡冗余技術實現(xiàn),二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,,并行冗余協(xié)議,（二）PRP,國際電工標準委員會IEC SC65委員會第15工作組針對如何建設高度有效的自動化網絡，及時推出了IEC 62439標準。對網絡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)格的變電站網絡拓撲結構。它依賴于并列運行的兩個網絡結構，

12、當一個網絡連接或交換機出現(xiàn)問題時，基于數(shù)據鏈路層冗余方案，可以無縫的切換到另一網絡。因此無論變電站是何種協(xié)議或者何種網絡拓撲結構，都可以滿足變電站自動化網絡極高的實時性要求和數(shù)據安全性要求。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,,網絡中，節(jié)點裝置有三種：一、DANP IED(雙連接節(jié)點IED)，二、SAN IED（單連接接點 IED），三、冗余盒。相互獨立的并行網絡，它們按并行冗余協(xié)議配置，允許網絡管理協(xié)議，如ARP的正常操作。 DAN

13、P IED可以直接連接到兩個獨立的并行網絡上， SAN IED通過冗余盒可以連接到兩個并行網絡上，否則，它只能連接到其中的一個網絡上。,（二）PRP,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,線性拓撲的并行冗余網絡,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,環(huán)性拓撲的并行冗余網絡,,在基于PRP的變電站冗余網絡中，冗余節(jié)點起著重要作用，每個雙連接IED節(jié)點都有兩個網絡端口，這兩個端口并行運行。工作時，端口通過鏈路

14、冗余體（LRE）與網絡層相連，其作為一個單獨的網絡接口軟件管理處理以太網卡和上層網絡協(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,（二）PRP,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,節(jié)點中的兩個以太網卡具有相同的MAC地址和IP地址，因此PRP是基于第二層網絡協(xié)議的網絡拓撲結構，它不需要進行改動就可以使用正常的網絡管理，工程配制非常簡單。同時，支持第二層網絡冗余，對變電站系統(tǒng)而言就是完全支持GOOSE和SV數(shù)據

15、通信，變電站配置無需修改。節(jié)點中鏈路冗余體（LRE）有兩個任務：1）處理重復的報文；2）冗余的管理。當收到節(jié)點網絡層的一幀保文，節(jié)點的LRE在相應的幀報文位置添加冗余控制器（RCT），同時向兩個以太網卡端口發(fā)送報文。當接收節(jié)點從網絡上接收到這幀報文，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，并且丟棄重復的那幀。,,每一幀報文：序列號、網絡標識、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MAC地址的報文序列號，同源、同序列號的不同網絡（后到的）報文丟棄對于監(jiān)測而言。每一個節(jié)點節(jié)點表，其包含網絡中所有其它節(jié)點信息，利用節(jié)點信息來判斷節(jié)點和網絡故障,利用序列號進行重復丟棄,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,接收IED節(jié)點表中，相應節(jié)點預期幀序列號分別保存為ExpectedSeqA與 ExpectedSeqB。接收時，以A網為例，比較接收

17、幀序號CurrentSeqA和節(jié)點表中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)點表中ExpectedSeqA將被設置為比接收幀序號CurrentSeqA大1的值。節(jié)點將會創(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（網絡丟棄的最低序號）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,（二）PRP,

18、接收節(jié)點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窗口內部。則這幀報文將要丟棄，否則，接收幀將會提交給網絡層處理（圖中的keepB幀都將會上傳）。同時在幀丟棄或上送的同時，丟棄窗口的相關參數(shù)也在變化。這樣在丟棄窗口的配合下，進行幀的舍棄和上送。任何一個獨立網絡的故障，對于接收節(jié)點來說，都沒有任何影響，總有一幀報文可以實時的上送至節(jié)點的網絡層。,,單連接節(jié)點允許冗余控制體添加在payload之后 單連

19、接節(jié)點忽視冗余控制體，把他默認為報文填充,單連接節(jié)點的冗余體處理,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,,接收者判斷：雙連接節(jié)點發(fā)送的報文、單連接節(jié)點發(fā)送的報文接收者利用報文幀里面的suffix 和 size進行判斷，如果size大小和payload匹配，那么就認定是一PRP冗余幀報文 報文只有在從另一網絡上接收到同源同序列號、網絡標識正確才會丟棄。,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,（二）

20、PRP,,檢測到重復必須滿足以下要求：不丟棄正常幀報文丟棄重復報文 序列號是重復丟棄算法的基礎序列號（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,（二）PRP,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,同幀同序號報文抵達時間差,節(jié)點表條目保留最大時間,節(jié)點表條目保留最小時

21、間,不同幀同序號報文接收最小時間,,PRP網絡管理網絡質量對冗余系統(tǒng)產生重要的影響，因此網絡監(jiān)測顯得尤為重要，通過節(jié)點表，接收節(jié)點檢測并記錄相應發(fā)送節(jié)點的報文狀態(tài)，并且，每個雙連接節(jié)點都會周期性的發(fā)送PRP監(jiān)測幀（幾秒、可配置），那么每個節(jié)點都應接收到相應的監(jiān)測幀，如果在特定的時間內，某個節(jié)點的監(jiān)測幀沒有接收到，就可以認為，此節(jié)點和本節(jié)點失去聯(lián)系，節(jié)點表此節(jié)點信息將會刪除，若能再次接收到，那么在節(jié)電表中將會再次建立此節(jié)點信息。節(jié)

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

23、無縫環(huán)網,（二）PRP,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）PRP,因此IEC 62439-3中的PRP標準，在下一步的智能電網建設中，將會是智能變電站冗余網絡方案的最佳選擇。將會極大的提高網絡的可靠性。,HSR（高可用性無縫環(huán)網）是基于并行冗余技術的環(huán)形網絡典型應用，進而在環(huán)形拓撲結構上實現(xiàn)網絡通信高可靠性、無縫冗余。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）HSR,,HSR

24、多播(Multicast),目標,紅箭頭“A” frames藍箭頭: standard frames綠箭頭“B” framescross: removal from the ring,,,環(huán)中的每一個節(jié)點擁有兩個端口, port A 和 port B；每一幀要發(fā)送的報文(“C”-frame), 源節(jié)點同時向port A 和 port B各發(fā)送發(fā)送一幀；每一個節(jié)點都要轉發(fā)接收到的報文，除非已經轉發(fā)過； 目標節(jié)點接收第一幀(

25、“D-frame”) 同時丟棄后到的重復報文；.環(huán)網故障不會對應用業(yè)務造成影響，并且能快速發(fā)現(xiàn)網絡故障（沒有收到重復報文）,,,,,,,,,,,,,,,,,,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,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）HSR,,每一個節(jié)點轉發(fā)所接收到的報文（除非已轉發(fā)過）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,end node,,,end node,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end node,,,,,,,,end no

27、de,,,,,,,,end node,,,,,,,源,目標,,,,,?A“-frame,?B“-frame,,,,,,,,,,,,,,,,,,交換機,冗余盒,,,單連接節(jié)點,interlink,,,,,,,,,實箭頭: 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,（二）HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,switch

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

29、,,,,,,A,B,,,單連接節(jié)點通過冗余盒連接到網絡上（冗余盒充當代理，實現(xiàn)報文的處理）冗余盒產生管理報文（相當于冗余節(jié)點）,目標,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（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,（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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,發(fā)送重復報文,丟棄重復報文,,丟棄重復報文,發(fā)送重復報文,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,（二）HSR,每一個節(jié)點2個端口擁有相同的MAC地址每一個節(jié)點2

34、個端口擁有相同的IP地址支持網絡管理協(xié)議如ARP支持基于數(shù)據鏈路層的通信，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,（二）HSR,一幀包含:目的地址、源地址和 HSR 網絡類型, HSR 網絡類型包括16位的以太網類型標簽（0x892F），4位的報文標示, 12位幀大小 和16位的序列號, 插入到報文前面，以方便報文直接轉發(fā).報文

35、發(fā)送，序列號遞增 利用序列號對同源報文進行丟棄算法 報文可超過1522字節(jié)（HSR標簽），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,（二）HSR,具有VLAN標識可以依此進行信息傳送或隔離，實現(xiàn)虛擬網絡的功能。因此根據二者的特點可以分別運用到不同的區(qū)域。增加組網靈活性。使用HSR劃分技術可以根據功能需求，網絡管理者能夠把網絡上的任何節(jié)點進行組網；從而對網絡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,（二）HSR,,,,,,,,input queue,local queue,,,,,,,與PRP數(shù)據幀不同的是．HSR標簽位于數(shù)據幀的開始部分．跟在目的地址后面。這使得節(jié)點在轉發(fā)數(shù)據幀時能夠采用直通交換技術．節(jié)點在接收完數(shù)據幀目的地址、源地址和序列號部分并確認之前沒有接收或者發(fā)送過該數(shù)據幀后．直接在另一個端口將數(shù)據幀轉發(fā)．大幅減少了轉發(fā)過程帶來的延時。直通 (接收到報文 MAC 、立馬轉發(fā)) 提升節(jié)點的轉

37、發(fā)效率, 最差的情況發(fā)生在節(jié)點自身在發(fā)送報文 (若報文為1536 octets = 123 µs @ 100 Mbit/s).當一個環(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,（二）HSR,報文是在環(huán)網內2個不同方向同時傳輸?shù)模诰W絡正常情況下接收端在不同端口會接收到一對重復報文．因此

38、必須采用在鏈路層將重復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報文．每一個HSR數(shù)據幀由其獨特的目的地址DA(Destination Address)、源地址SA(SourceAddress)和序列號SEQ(SEQuence number)被網絡中其他節(jié)點識別。目的地址、源地址和序列號作為數(shù)據幀被節(jié)點接收的入口通行信息．環(huán)內節(jié)點為2個端口不同路徑保存各自的查閱表．表內儲存之前接收過的數(shù)據幀的入口通行信息。,,,

39、,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）HSR,查閱表搜索和寫操作過程 節(jié)點某一端口如端口A傳來某一單播或多播報文，在接收完數(shù)據幀目的地址、源地址和序列號后．先在另一端口查閱表內進行搜索．如果已經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報文中的第一個。該報文是重復的．將其丟棄。相反。如果在另一端口查閱表內沒有搜索到相同的入口通行信息．接收進程繼續(xù)．并在檢驗數(shù)據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)網中可能存在的循環(huán)報。在某一端口接收數(shù)據幀．在接收完數(shù)據幀目的地址、源地址和序列號后，先在本端口查閱表內進行搜索．如果已經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．接收進程繼續(xù)．并在檢驗數(shù)據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,（二）HSR,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,,,,丟棄重復,重復發(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,,8,,9,,10,,,冗余盒是單連接節(jié)點的代理. 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)點表。冗余盒是非HSR 節(jié)點接入HSR的橋梁,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）HSR,,間隔 (HSR ring 2),,,,,IED,,,,,,,,,,,,工作站1,logger,打印機,,,,,,,,,,COM,NCC,,,,工作站2,非冗余環(huán)網和 HSR 環(huán)網實現(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,（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,（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,（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接入防止獨立故障,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（二）HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

48、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,允許任何拓撲嚙合,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（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,（二）HSR,PRP 與 HSR基于同樣的原則實現(xiàn)冗余,硬件不需特別修改即可實現(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，同時打上網絡標簽（除非此端口已發(fā)送過相同的報文）冗余盒轉發(fā)收到連接的任意幀，沒有源頭在上行鏈路節(jié)點注冊表,有正確的局域網標識符(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,（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,（二）HSR,HSR 和 two PRP 耦合

55、 (sender in HSR),IEEE1588 Clocks,基本思想是通過設備軟硬件配合，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簽。有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網絡中的時間誤差和延時，從而實現(xiàn)網絡上從鐘和主鐘同步。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（三 ）時鐘同步,時鐘同步方式：GPS、SNTP、B碼、IEEE1588。,系統(tǒng)采用主從層次式結構來時鐘同步，實現(xiàn)機制如圖所示。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（TimeStamp）T1。從時鐘接收到Sync報文時，記錄下收到報文時標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T1。假定網絡延時為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

57、,（三 ）時鐘同步,在組網結構固定，網絡負載變化不大的系統(tǒng)中，網絡延遲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T3。主時鐘在收到Delay_Req 報文后，記錄下接收時刻的時標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T4。則可計算出網絡延遲TDelay： TDelay = T4

58、 – T3 ? Toffset,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（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,（三 ）時鐘同步,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（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,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,（三 ）時鐘同步,變電站數(shù)據分析,根據變電站功能要求

64、，上述接口之間通信數(shù)據有如下特性。周期性數(shù)據：采樣信號，時鐘同步報文。隨機性數(shù)據：開關控制命令：保護功能聯(lián)鎖，變壓器分接頭調整，電容器投切，數(shù)據長度角度，性能需要快速報文要求。保護定值修改，時間記錄查看，錄播數(shù)據傳輸，文件服務，數(shù)據較長，傳輸時間實時性要求相對較低屬于外部事件驅動的數(shù)據，由外部條件觸發(fā)。突發(fā)性數(shù)據：故障情況下，間隔層設備上傳保護動作信息，開關變位信息，傳輸時間需滿足中快速報文要求，數(shù)據短，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,（四）組網方案,站控層HSR機制,站控層的數(shù)據特性可以看出，多屬于突發(fā)性，隨機性數(shù)據，數(shù)據量較小，對信息共享有一定的需求，對實時性要求較低，用不帶VLAN標識的HSR網絡后，可以實現(xiàn)信息共享，同時在不增加網絡成本的同時，顯著的提高站控層網絡冗余度。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,（四）組網方案,間隔間GOOSE信息通信HSR網絡 （采用帶VLAN標識的HSR報文機制）

66、智能化變電站使得系統(tǒng)間隔層原有的很多功能實現(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，主變差動保護，母線PT 測控功能，防誤閉鎖等。為實現(xiàn)這些功能需要多個間隔裝置之間進行通信 。,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,（四）組網方案,較低電壓等級變電站系統(tǒng)，HSR級聯(lián)網絡基于HSR的變電站網絡系統(tǒng)，如圖4，基于獨有的節(jié)點報文交換技術，因此在網絡中無需交換機。這樣具有如下特點：1.無需交換機，成本低；2.通信過

67、程透明；3.網絡可靠性高。結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,,（四）組網方案,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)據量少。而過程層，節(jié)點多，大量的GOOSE和SV報文對實時性有嚴格的要求 。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網,,（四）組網方案,220KV以上變電站系統(tǒng)，節(jié)點多，對通信性能及安全性要求嚴格,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無