摘 要：随着城市轨道交通智能化的发展，对网络冗余提出了更高的要求。IEC62439-3标准提出了一种高可用性无缝环网结构，保证了单节点故障下数据的零延时恢复。为实现单节点设备接入 HSR环及 HSR环间信息的交互，研究了一种环网冗余装置，并阐述了该装置的软硬件设计思路和工作原理。
关键词：HSR;环网;冗余装置
0 引言
IEC61850标准在城市轨道交通变电站的引入实现了信息的网络化传输及高度共享，利用光信号代替传统电缆硬接线，具有灵活、功能强大、经济、抗干扰能力强等特点。目前，城市轨道交通变电站数据传输的可靠性主要通过网络拓扑结构冗余来实现，投入双倍的交换机组建双星型网络结构，通过交换机实现装置间信息的共享，但存在双网切换时间长、网络传输延时不确定、过多依赖交换机等不足。
IEC62439-3 标 准 提 出 的 高 可 靠 性 无 缝 冗 余 协 议(HSR)可实现单节点故障时的无缝切换，具有优异的故障恢复性能。支持 HSR 协议的双节点设备通过手拉手的方式组成环网，实现环内的信息共享;HSR 环间则通过HSR四端口设备 (Quadbox)实现信息的共享;而对于不支持 HSR协议的设备，通过冗余盒 (Redbox)来实现信息的共享。目前冗余盒无法根据所处的网络环境判断自身是 Redbox还是 Quadbox，甚至有些 Quadbox直接由2个Redbox对接而成，配置繁琐、效率低，缺乏智能性。为实现单节点设备接入 HSR环及 HSR环间信息的交互，本文研究了 一 种 环 网 冗 余 装 置，该 装 置 集 成 了 Redbox 与Quadbox功能，通过 FPGA 实现 HSR 功能，并可根据各网络的连接状态来确定工作模式。
1 基于 HSR技术的环网冗余盒
1.1 硬件设计
装置采用模块化结构设计，主要由主板、电源板、前面板接 口 板、机 箱 组 成。主 板 采 用 “ARM+FPGA+ 底板”架 构，ARM 板 和 FPGA 为 核 心 板， 扣 在 底 板 上，ARM 和 FPGA 之间通过 PCIE总线进行通信。ARM 内有用于实现人机交互配置工作的 CPU 芯片。FPGA 用于实现 HSR协议功能，通过 FPGA 模块还可实现不同应用功能的切换。底板用于对外提供物理接口，集成了 4 个 光口、4个百兆网口、1个千兆网口、1个 USB接口和1个调试串口。前面板接口板包括指示灯板和 USB 板，用于指示装置运行状态及电口、光口的工作状态。而电源模块则为整机提供电源。装置的硬件布局如图1所示。
1.2 软件设计
通过 FPGA 实 现 IEC62439-3 标 准 中 定 义 的 HSR、RBox的逻辑。FPGA 具有处理速度快、灵活性强等优点，对于现场特殊的功能可通过修改内部逻辑实现，而无需修改硬件。配置数据则由 ARM 通过 PCIE 高速总线下发给FPGA。软件设计示意图如图2所示。
1.3 工作模式的选择原理
FPGA 包括4个电网口和4个光网口。正常运行时，FPGA 获取当前网络下各网口的连接状态，据此得出正确的工作状态，并将模式信息上送给 CPU;CPU 根据接收到的模式信息判断此时的工作模式，与 FPGA 状态同步。根据 FPGA 程序的配置，环网冗余盒共有8种工作模式，分别为光口 Redbox、光口 Quadbox、电口 Redbox、电口Quadbox、光 电 Redbox、 光 电 Quadbox、 电 光 Redbox、光口 Redbox/电口 Redbox。
1.4 环网冗余盒的工作原理
环网冗余盒的工作原理如图3所示。环网冗余盒包含1个链路冗余体 LRE，负责执行 HSR 协议。链路冗余体LRE主要实现以下功能：将1个端口接收到的帧数据传输到其他端口，除非这个帧已经被发送过;接收和上层协议地址相符的帧数据;在发送 2 个复制帧到 HSR 端口前，给从上层发出的帧加上相应的 HSR标记。
如图3所示，A 和 B是冗余装置接入环内的两个以太网/光纤接口，TX_C、RX _C 是用于跨环互联的 FPGA内部总线。其中 “1”表示进环的数据; “2”表示出环的数据;“3”表示转发的数据。
HSR模式下数据接收与转发流程如下：从端口 A 或端口B输入的数据经过缓存后送入 DEMUX模块，得到两路相同的数据，通过总线2和3，分别将数据送给 TX_C口的发送缓存和 TX_A 或 TX_B的发送缓存。TX_C口的接收数据和 TX_A 或 TX_B的转发数据，经过缓存后送入 MUX模块。数据在 MUX模块中完成重复帧判断及丢弃功能，从而决定接收缓存和转发缓存数据的有效性。
HSR模式下数据发送流程如下：RX_C口接收到上层模块的数据帧后发送给 HSR标识模块，HSR标识模块给上层模块数据帧添加 HSR 标识，添加完 HSR 标识的数据帧分别送给 TX_A 和 TX_B的发送缓存。经过缓存的数据帧送入 MUX模块，在 MUX模块中完成重复帧判断及丢弃功能，再由端口 A和端口B将数据发送到 HSR环。
2 环网冗余盒的应用
地铁供电 系 统 主 要 包 括 33kV 中 压 供 电 系 统 和 DC1500V 直流牵引系统，网络化保护涉及33kV 交流保护装置和 DC1500V 直流保护装置。按常规的正线牵引降压变电所计算，33kV 交 流 保 护 装 置 安 装 在 交 流 高 压 开 关 柜上，布置在交流小室，共有13台装置，包括进线、出线、母联、整流变、动力变。DC1500V 直流保护装置就地安装在直流高压柜上，布置在直流小室，共有7台装置，包括直流进线、直流馈线、负极柜。从分布上看，交、直流保护装置分别分布在不同房间，每个房间中保护设备数量较少。通过光纤将33kV 小室交流装置的2个自身光口以 “手拉手”的方式组成1个环形网络，以同样方式将直流小室的直流装置组成环形网络，2个环网再通过冗余盒连接，搭建整所保护设备的光纤网络结构，实现网络化保护功能。环网冗余盒组网示意图如图4所示。
33kV 交流继电保护装置间的信息共享由33kV 小室内的 HSR环实现，直流小室同理。正常运行时，装置的2个端口同时发送、接收数据。接收装置基于查阅表的算法处理报文，当报文不属于本装置的接收报文时，直接向下一台装置转发该报文;当收到的报文属于本装置的接收报文时，正常接收该报文并不再向下一台装置转发;当从另一个端口再次接收到该报文时，丢弃后到的重复报文，并不再转发，防止环网风暴的形成。
交直流继电保护装置之间的信息共享通过环网冗余盒来实 现。 环 网 冗 余 盒 还 具 有 组 播 地 址 过 滤 功 能， 通 过VLAN/MAC地址过滤的方式能够有效对出环和跨环的组播数据进行过滤。同时为避免环间的环网冗余盒出现内部故障时，导致数据交互中断，采用2台 Quadbox组建并行耦合环的组网方案。2台 Quadbox装置的2个端口通过光纤连接，剩余的2个端口与 HSR连接，当其中1台 Quad-box装置发生内部故障时，还可通过另1台环网冗余盒实现环间信息的交互，保证信息传输的可靠性。
3 装置的特点
IEC62439-3高可靠无缝环网 HSR 通过节点冗余实现系统冗余，这种方案可以实现网络的零延时切换，满足实时性的严格要求。地铁供电系统的所内装置数量不多，特别适合 HSR协议的应用。可根据交互关系划分环，环内数据采用 HSR协议进行传输，环间经 Quadbox连接，通过环网冗余盒的环形结构，使所内的数据通过 HSR 冗余协议通信，相比于传统的星型双网结构，省略了过程层交换机，简化了网络结构，减少了系统的故障节点，不再高度依赖交换机，满足设计上的故障弱化原则。同时，由于采用 “手拉手”的方式进行装置间的光纤通信，因此每个柜子的通信线不需集中到交换机，可节省大量的通信线以及布线施工费用。
4 结语
HSR冗余协议实现了零恢复时间的网络自愈，因此在轨道交通工程化应用中具有重要的意义。本文结合轨道交通网络结构，研制了一种基于 HSR 技术的环网冗余装置，所内装置通过不同环进行连接，在保证实时性的同时也满足了系统对可靠性的要求。在城市轨道交通系统中引入环网冗余装置，在减少交换机使用量的同时节省了经济成本，为轨道交通的网络通信提供了一种切实可行的方案。——论文作者：郑淳淳1，谢金莲2，赖沛鑫2，何远毫2，吕楚元2
参考文献
[1]IEC62439Industrialcommunicationnet-works：highavaila-bilityautomationnetworks，part3：ParallelRedundancyPro-tocol(PRP)andHighavailabilitySeamlessRing(HSR)[S].
[2]李俊刚，宋小会，狄军峰，等.基于IEC62439-3的智能变电站通信网络冗余设计[J].电力系统自动化，2011，35(10)：70-73.
[3]高红亮，陶文伟，唐孝周，等.基于监测帧的 PRP和 HSR 冗余网络监视系统的实现[J].电力工程技术，2017，36(4)：65-69.
[4]何钟杰，黄险峰，崔春，等.几种智能变电站冗余通信协议分析比较[J].广东电力，2011，24(4)：5-8.
[5]许铁峰，徐习东.高可用性无缝环网在数字化变电站通信网络的应用[J].电力自动化设备，2011(10)：121-125.
