PRP和HSR冗余协议在电力网中的应用_朱胜.pdf

86 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用摘要：阐述变电站综自二次通信组网的要求，各种冗余通信方式的结构和特点，提出了一种综合通信解决方案，冗余通信方式的应用案例，PRP与HSR的综合通信解决方案。关键词：变电站二次通信，通信冗余组网，综合通信方案。中图分类号：TN915.0，TM63 文章编号：1674-2583(2023)01-0086-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.032文献引用格式：朱胜，姚辉.PRP和HSR冗余协议在电力网中的应用J.集成电路应用,2023,40(01):86-87.RSTP环网结构有两种，（1）基于交换机建立环网（如图2）；（2）基于装置本身建立环网（如图3）。两种环网结构，都能实现网络的冗余，但实时性和可靠性也较差。由于各个厂家设备的RSTP协议存在一定差异，兼容性较差。当环网发生故障时的恢复时间较长，更严重时，可能产生网络风暴。并行冗余协议（PRP）和高可用性无缝冗余（HSR）。在IEC62439标准中就规范了PRP和HSR两种通信协议。从物理结构来看，PRP是双星形网络连接，HSR是一种环网连接。技术上，PRP与HSR实现了网络通道的无缝切换，其现场连接方式如图4所示。PRP/HSR的冗余实现方案，依托双物理网口，再通过链路冗余实体（Link redundancy entity,LRE）模块实现冗余，如图5所示。在接收方向，LRE模块将网口A与网口B送过来的数据进行过滤，仅保留一份先到达的PRP信息帧，再送给0 引言目前，在埃及国家电网公司变电站二次自动化通信网络中，所有的控保装置IED与后台服务器工作站之间，都要求采用光纤连接，要求基于IEC61850规约实现冗余配置和通信，因此双网冗余、PRP、HSR和RSTP等通信组网方式得到了广泛应用。1 变电站常用冗余通信技术 双网双IP冗余方式。双网双IP的冗余方式，在早期的变电站二次通信解决方案上，应用得非常广泛。后台工作站、控保装置都配置了2个独立的网口，具有IP地址，通过交换机形成2个独立的星型网络（如图1所示）。正常情况下，只有一个网口与后台工作站交互数据。当这条通道中断后，后台工作站在尝试几次TCP重建不成功后，才会切到另外一个端口建立TCP连接，因此要花费1030s时间，链路才会重新建立。考虑到不同厂家装置的通信实现机制不同，在链路切换的过程中，可能还会导致数据的丢失或者重复的情况。快速生成权协议（RSTP）。快速生成权协议，在变电站二次通信网络中的应用非常广泛。PRP和HSR冗余协议在电力网中的应用朱胜，姚辉（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 211102）Abstract This paper describes the requirements for the secondary communication networking of the substation integrated automation,the structure and characteristics of various redundant communication modes,and puts forward a comprehensive communication solution,an application case of redundant communication mode,and a comprehensive communication solution of PRP and HSR.Index Terms substation secondary communication,communication redundancy networking,integrated communication scheme.Application of PRP and HSR Redundancy Protocol in Power NetworkZHU Sheng,YAO Hui(Nanjing NR Electric Co.,Ltd.,Jiangsu 211102,China.)作者简介：朱胜，南京南瑞继保电气有限公司，工程师；研究方向：变电站冗余通信。收稿日期：2022-07-08；修回日期：2022-12-26。图1 双网冗余连接方式图2 基于交换机的RSTP环网图3 基于装置的RSTP环网Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 87DSP；而在发送方向，LRE将数据复制一份，形成PRP信息帧，同时发给两个网口。2 冗余通信方式的应用案例以埃及220kV变电站为例，二次系统通信网络的主要有三种实现方式：双网双IP，PRP和RSTP。高压220kV和66kV部分，采用双网双IP或PRP的方式，而22（11）kV中压部分，三种方式都有使用。然而，在运维过程中，电力公司的工程师发现中压部分装置的网络存在以下两个问题：（1）双网冗余或PRP结构。中压综保装置较多，如果直接从二楼主控室拉尾缆到一楼开关柜，大量的尾缆和其他线缆交织在线槽。此时，在敷设电缆时，很有可能损坏尾缆。过多的线缆叠加在线槽，也不利于尾缆的更换、增加。（2）RSTP环网结构。在埃及的变电站中，中压柜上综保一般采用基于装置本身的组成一个RSTP大环网。当更换新的综保后，整个中压的装置会出现的通信中断又恢复的诡异情况，进而在排查网络故障时，由于网络过于复杂要花费大量的时间。3 PRP与HSR的综合通信解决方案随着通信技术的成熟应用，2022年年初，埃及电网公司升级了变电站二次通信的技术规范和要求，变电站二次通信均要求采用PRP和HSR的冗余方式，即高压220kV和66kV部分控保装置采用PRP结构、中压22（11）kV部分综保装置采用HSR结构。由于现在各主流控制保护厂家的装置都支持原生态PRP和HSR协议，为了满足埃及电网公司升级后的二次通信的技术规范和要求，只需要考虑如何将HSR网络接入到PRP网络中。如果后台电脑不支持PRP，还需要考虑用用RedBox进行转换。如图6所示，基于RedBox的PRP&HSR的综合通信解决方案，既实现了后台电脑的PRP冗余配置，也实现了HSR网络与PRP网络的互联。在图6的解决方案中，有以下2个关键点：（1）后台工作站和服务器，通过2个RedBox实现PRP连接。目前主流的电脑厂商（DELL/HP/联想）的产品，都不支持PRP协议，因此配置2台Redbox与后台电脑交叉互联，即可实现PRP链路的冗余。不管单一链路中断还是单一Redbox异常，均不影响后台的正常运行。（2）HSR网络转PRP网络的实现。11kV的综保与2个Redbox装置形成HSR环网，然后接入到PRP网络中。由于是每个IED“手拉手”形成环网，每个IED的报文都会历经整个环网所有其他IED，因此网络负载较多。如果环网中的装置越多，报文信息量就越大，整个网络负载就会越大，严重时会导致网络堵塞。所以在实际应用中，将一段中压母线的装置(约10台)组成一个HSR环，整个中压分成46个环，分别接入到2个Redbox中。综上所述，在PRP&HSR的综合通信解决方案中，主要实现了：（1）整个二次通信网络从理论上实现了零时间自愈和无缝切换。（2）由于各个控保厂商采用统一的HSR协议，兼容性好，不同厂家综保的“手拉手”互联不存通信问题，有利于二次系统运维和扩展。（3）按照中压母线段分成若干个HSR环网，物理结构简单清晰，易于维护；同时控制了环网中IED的数量，控制了通信网络负载，通信质量得到了保证。（4）由于中压采用HSR网络结构，相对PRP直连方式，在一定程度上减少交换机和通信光缆的使用，降低了成本。4 结语基于Redbox的冗余PRP和HSR网络的综合解决方案，很好地满足了变电站二次网络通信的无缝切换的要求，尤其是在中压开关柜综保的通信组网方式上，按母线分段组环，相比其他几种网络方案具有更高的扩展性、可靠性和经济性。随着通信技术的快速发展以及各个国家对变电站二次通信的高标准要求，这种组网方式，将会得到广泛推广及应用。参考文献1 姚亮,邹磊,陈实.变电站二次系统通信网络冗余技术应用的探讨J.电工技术,2017(03):12-14+16.2 何钟杰,黄险峰,崔春,罗劲松.几种智能变电站冗余通信协议分析比较J.广东电力,2011,24(04):5-8.3 许丹莉,文继锋,付艳兰,高红亮,李彦.基于无缝冗余协议的智能变电站通信组网方式J.广东电力,2017,30(12):75-80.4 谢黎.并行冗余和高可靠无缝环网冗余技术在智能变电站中的应用J.电气技术,2021,22(09):103-108.图4 PRP与HSR网络连接方式图5 冗余实现方案图6 PRP&HSR的综合通信解决方案