發布時間：2022-01-04所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：隨著城市軌道交通智能化的發展，對網絡冗余提出了更高的要求。IEC62439-3標準提出了一種高可用性無縫環網結構，保證了單節點故障下數據的零延時恢復。為實現單節點設備接入 HSR環及 HSR環間信息的交互，研究了一種環網冗余裝置，并闡述了該裝置的軟硬件設計思路
摘 要：隨著城市軌道交通智能化的發展，對網絡冗余提出了更高的要求。IEC62439-3標準提出了一種高可用性無縫環網結構，保證了單節點故障下數據的零延時恢復。為實現單節點設備接入 HSR環及 HSR環間信息的交互，研究了一種環網冗余裝置，并闡述了該裝置的軟硬件設計思路和工作原理。
關鍵詞：HSR;環網;冗余裝置
0 引言
IEC61850標準在城市軌道交通變電站的引入實現了信息的網絡化傳輸及高度共享，利用光信號代替傳統電纜硬接線，具有靈活、功能強大、經濟、抗干擾能力強等特點。目前，城市軌道交通變電站數據傳輸的可靠性主要通過網絡拓撲結構冗余來實現，投入雙倍的交換機組建雙星型網絡結構，通過交換機實現裝置間信息的共享，但存在雙網切換時間長、網絡傳輸延時不確定、過多依賴交換機等不足。
IEC62439-3 標 準 提 出 的 高 可 靠 性 無 縫 冗 余 協 議(HSR)可實現單節點故障時的無縫切換，具有優異的故障恢復性能。支持 HSR 協議的雙節點設備通過手拉手的方式組成環網，實現環內的信息共享;HSR 環間則通過HSR四端口設備 (Quadbox)實現信息的共享;而對于不支持 HSR協議的設備，通過冗余盒 (Redbox)來實現信息的共享。目前冗余盒無法根據所處的網絡環境判斷自身是 Redbox還是 Quadbox，甚至有些 Quadbox直接由2個Redbox對接而成，配置繁瑣、效率低，缺乏智能性。為實現單節點設備接入 HSR環及 HSR環間信息的交互，本文研究了 一 種 環 網 冗 余 裝 置，該 裝 置 集 成 了 Redbox 與Quadbox功能，通過 FPGA 實現 HSR 功能，并可根據各網絡的連接狀態來確定工作模式。
1 基于 HSR技術的環網冗余盒
1.1 硬件設計
裝置采用模塊化結構設計，主要由主板、電源板、前面板接 口 板、機 箱 組 成。主 板 采 用 “ARM+FPGA+ 底板”架 構，ARM 板 和 FPGA 為 核 心 板， 扣 在 底 板 上，ARM 和 FPGA 之間通過 PCIE總線進行通信。ARM 內有用于實現人機交互配置工作的 CPU 芯片。FPGA 用于實現 HSR協議功能，通過 FPGA 模塊還可實現不同應用功能的切換。底板用于對外提供物理接口，集成了 4 個 光口、4個百兆網口、1個千兆網口、1個 USB接口和1個調試串口。前面板接口板包括指示燈板和 USB 板，用于指示裝置運行狀態及電口、光口的工作狀態。而電源模塊則為整機提供電源。裝置的硬件布局如圖1所示。
1.2 軟件設計
通過 FPGA 實 現 IEC62439-3 標 準 中 定 義 的 HSR、RBox的邏輯。FPGA 具有處理速度快、靈活性強等優點，對于現場特殊的功能可通過修改內部邏輯實現，而無需修改硬件。配置數據則由 ARM 通過 PCIE 高速總線下發給FPGA。軟件設計示意圖如圖2所示。
1.3 工作模式的選擇原理
FPGA 包括4個電網口和4個光網口。正常運行時，FPGA 獲取當前網絡下各網口的連接狀態，據此得出正確的工作狀態，并將模式信息上送給 CPU;CPU 根據接收到的模式信息判斷此時的工作模式，與 FPGA 狀態同步。根據 FPGA 程序的配置，環網冗余盒共有8種工作模式，分別為光口 Redbox、光口 Quadbox、電口 Redbox、電口Quadbox、光 電 Redbox、 光 電 Quadbox、 電 光 Redbox、光口 Redbox/電口 Redbox。
1.4 環網冗余盒的工作原理
環網冗余盒的工作原理如圖3所示。環網冗余盒包含1個鏈路冗余體 LRE，負責執行 HSR 協議。鏈路冗余體LRE主要實現以下功能：將1個端口接收到的幀數據傳輸到其他端口，除非這個幀已經被發送過;接收和上層協議地址相符的幀數據;在發送 2 個復制幀到 HSR 端口前，給從上層發出的幀加上相應的 HSR標記。
如圖3所示，A 和 B是冗余裝置接入環內的兩個以太網/光纖接口，TX_C、RX _C 是用于跨環互聯的 FPGA內部總線。其中 “1”表示進環的數據; “2”表示出環的數據;“3”表示轉發的數據。
HSR模式下數據接收與轉發流程如下：從端口 A 或端口B輸入的數據經過緩存后送入 DEMUX模塊，得到兩路相同的數據，通過總線2和3，分別將數據送給 TX_C口的發送緩存和 TX_A 或 TX_B的發送緩存。TX_C口的接收數據和 TX_A 或 TX_B的轉發數據，經過緩存后送入 MUX模塊。數據在 MUX模塊中完成重復幀判斷及丟棄功能，從而決定接收緩存和轉發緩存數據的有效性。
HSR模式下數據發送流程如下：RX_C口接收到上層模塊的數據幀后發送給 HSR標識模塊，HSR標識模塊給上層模塊數據幀添加 HSR 標識，添加完 HSR 標識的數據幀分別送給 TX_A 和 TX_B的發送緩存。經過緩存的數據幀送入 MUX模塊，在 MUX模塊中完成重復幀判斷及丟棄功能，再由端口 A和端口B將數據發送到 HSR環。
2 環網冗余盒的應用
地鐵供電 系 統 主 要 包 括 33kV 中 壓 供 電 系 統 和 DC1500V 直流牽引系統，網絡化保護涉及33kV 交流保護裝置和 DC1500V 直流保護裝置。按常規的正線牽引降壓變電所計算，33kV 交 流 保 護 裝 置 安 裝 在 交 流 高 壓 開 關 柜上，布置在交流小室，共有13臺裝置，包括進線、出線、母聯、整流變、動力變。DC1500V 直流保護裝置就地安裝在直流高壓柜上，布置在直流小室，共有7臺裝置，包括直流進線、直流饋線、負極柜。從分布上看，交、直流保護裝置分別分布在不同房間，每個房間中保護設備數量較少。通過光纖將33kV 小室交流裝置的2個自身光口以 “手拉手”的方式組成1個環形網絡，以同樣方式將直流小室的直流裝置組成環形網絡，2個環網再通過冗余盒連接，搭建整所保護設備的光纖網絡結構，實現網絡化保護功能。環網冗余盒組網示意圖如圖4所示。
33kV 交流繼電保護裝置間的信息共享由33kV 小室內的 HSR環實現，直流小室同理。正常運行時，裝置的2個端口同時發送、接收數據。接收裝置基于查閱表的算法處理報文，當報文不屬于本裝置的接收報文時，直接向下一臺裝置轉發該報文;當收到的報文屬于本裝置的接收報文時，正常接收該報文并不再向下一臺裝置轉發;當從另一個端口再次接收到該報文時，丟棄后到的重復報文，并不再轉發，防止環網風暴的形成。
交直流繼電保護裝置之間的信息共享通過環網冗余盒來實 現。 環 網 冗 余 盒 還 具 有 組 播 地 址 過 濾 功 能， 通 過VLAN/MAC地址過濾的方式能夠有效對出環和跨環的組播數據進行過濾。同時為避免環間的環網冗余盒出現內部故障時，導致數據交互中斷，采用2臺 Quadbox組建并行耦合環的組網方案。2臺 Quadbox裝置的2個端口通過光纖連接，剩余的2個端口與 HSR連接，當其中1臺 Quad-box裝置發生內部故障時，還可通過另1臺環網冗余盒實現環間信息的交互，保證信息傳輸的可靠性。
3 裝置的特點
IEC62439-3高可靠無縫環網 HSR 通過節點冗余實現系統冗余，這種方案可以實現網絡的零延時切換，滿足實時性的嚴格要求。地鐵供電系統的所內裝置數量不多，特別適合 HSR協議的應用。可根據交互關系劃分環，環內數據采用 HSR協議進行傳輸，環間經 Quadbox連接，通過環網冗余盒的環形結構，使所內的數據通過 HSR 冗余協議通信，相比于傳統的星型雙網結構，省略了過程層交換機，簡化了網絡結構，減少了系統的故障節點，不再高度依賴交換機，滿足設計上的故障弱化原則。同時，由于采用 “手拉手”的方式進行裝置間的光纖通信，因此每個柜子的通信線不需集中到交換機，可節省大量的通信線以及布線施工費用。
4 結語
HSR冗余協議實現了零恢復時間的網絡自愈，因此在軌道交通工程化應用中具有重要的意義。本文結合軌道交通網絡結構，研制了一種基于 HSR 技術的環網冗余裝置，所內裝置通過不同環進行連接，在保證實時性的同時也滿足了系統對可靠性的要求。在城市軌道交通系統中引入環網冗余裝置，在減少交換機使用量的同時節省了經濟成本，為軌道交通的網絡通信提供了一種切實可行的方案。——論文作者：鄭淳淳1，謝金蓮2，賴沛鑫2，何遠毫2，呂楚元2
參考文獻
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