發(fā)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(fā)展，對網(wǎng)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(huán)網(wǎng)結(jié)構，保證了單節(jié)點故障下數(shù)據(jù)的零延時恢復。為實現(xiàn)單節(jié)點設備接入 HSR環(huán)及 HSR環(huán)間信息的交互，研究了一種環(huán)網(wǎng)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(fā)展，對網(wǎng)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(huán)網(wǎng)結(jié)構，保證了單節(jié)點故障下數(shù)據(jù)的零延時恢復。為實現(xiàn)單節(jié)點設備接入 HSR環(huán)及 HSR環(huán)間信息的交互，研究了一種環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng);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(xiàn)了信息的網(wǎng)絡化傳輸及高度共享，利用光信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜硬接線，具有靈活、功能強大、經(jīng)濟、抗干擾能力強等特點。目前，城市軌道交通變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾饕ㄟ^網(wǎng)絡拓撲結(jié)構冗余來實現(xiàn)，投入雙倍的交換機組建雙星型網(wǎng)絡結(jié)構，通過交換機實現(xiàn)裝置間信息的共享，但存在雙網(wǎng)切換時間長、網(wǎng)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(xié) 議(HSR)可實現(xiàn)單節(jié)點故障時的無縫切換，具有優(yōu)異的故障恢復性能。支持 HSR 協(xié)議的雙節(jié)點設備通過手拉手的方式組成環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)環(huán)內(nèi)的信息共享;HSR 環(huán)間則通過HSR四端口設備 (Quadbox)實現(xiàn)信息的共享;而對于不支持 HSR協(xié)議的設備，通過冗余盒 (Redbox)來實現(xiàn)信息的共享。目前冗余盒無法根據(jù)所處的網(wǎng)絡環(huán)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(xiàn)單節(jié)點設備接入 HSR環(huán)及 HSR環(huán)間信息的交互，本文研究了 一 種 環(huán) 網(wǎng) 冗 余 裝 置，該 裝 置 集 成 了 Redbox 與Quadbox功能，通過 FPGA 實現(xiàn) HSR 功能，并可根據(jù)各網(wǎng)絡的連接狀態(tài)來確定工作模式。
1 基于 HSR技術的環(huán)網(wǎng)冗余盒
1.1 硬件設計
裝置采用模塊化結(jié)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(nèi)有用于實現(xiàn)人機交互配置工作的 CPU 芯片。FPGA 用于實現(xiàn) HSR協(xié)議功能，通過 FPGA 模塊還可實現(xiàn)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(wǎng)口、1個千兆網(wǎng)口、1個 USB接口和1個調(diào)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(tài)及電口、光口的工作狀態(tài)。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(xiàn) 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(yōu)點，對于現(xiàn)場特殊的功能可通過修改內(nèi)部邏輯實現(xiàn)，而無需修改硬件。配置數(shù)據(jù)則由 ARM 通過 PCIE 高速總線下發(fā)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(wǎng)口和4個光網(wǎng)口。正常運行時，F(xiàn)PGA 獲取當前網(wǎng)絡下各網(wǎng)口的連接狀態(tài)，據(jù)此得出正確的工作狀態(tài)，并將模式信息上送給 CPU;CPU 根據(jù)接收到的模式信息判斷此時的工作模式，與 FPGA 狀態(tài)同步。根據(jù) FPGA 程序的配置，環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)冗余盒的工作原理
環(huán)網(wǎng)冗余盒的工作原理如圖3所示。環(huán)網(wǎng)冗余盒包含1個鏈路冗余體 LRE，負責執(zhí)行 HSR 協(xié)議。鏈路冗余體LRE主要實現(xiàn)以下功能：將1個端口接收到的幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌丝冢沁@個幀已經(jīng)被發(fā)送過;接收和上層協(xié)議地址相符的幀數(shù)據(jù);在發(fā)送 2 個復制幀到 HSR 端口前，給從上層發(fā)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(huán)內(nèi)的兩個以太網(wǎng)/光纖接口，TX_C、RX _C 是用于跨環(huán)互聯(lián)的 FPGA內(nèi)部總線。其中 “1”表示進環(huán)的數(shù)據(jù); “2”表示出環(huán)的數(shù)據(jù);“3”表示轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。
HSR模式下數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)流程如下：從端口 A 或端口B輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存后送入 DEMUX模塊，得到兩路相同的數(shù)據(jù)，通過總線2和3，分別將數(shù)據(jù)送給 TX_C口的發(fā)送緩存和 TX_A 或 TX_B的發(fā)送緩存。TX_C口的接收數(shù)據(jù)和 TX_A 或 TX_B的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，經(jīng)過緩存后送入 MUX模塊。數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)緩存數(shù)據(jù)的有效性。
HSR模式下數(shù)據(jù)發(fā)送流程如下：RX_C口接收到上層模塊的數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給 HSR標識模塊，HSR標識模塊給上層模塊數(shù)據(jù)幀添加 HSR 標識，添加完 HSR 標識的數(shù)據(jù)幀分別送給 TX_A 和 TX_B的發(fā)送緩存。經(jīng)過緩存的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送到 HSR環(huán)。
2 環(huán)網(wǎng)冗余盒的應用
地鐵供電 系 統(tǒng) 主 要 包 括 33kV 中 壓 供 電 系 統(tǒng) 和 DC1500V 直流牽引系統(tǒng)，網(wǎng)絡化保護涉及33kV 交流保護裝置和 DC1500V 直流保護裝置。按常規(guī)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(lián)、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(shù)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(huán)形網(wǎng)絡，以同樣方式將直流小室的直流裝置組成環(huán)形網(wǎng)絡，2個環(huán)網(wǎng)再通過冗余盒連接，搭建整所保護設備的光纖網(wǎng)絡結(jié)構，實現(xiàn)網(wǎng)絡化保護功能。環(huán)網(wǎng)冗余盒組網(wǎng)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(nèi)的 HSR環(huán)實現(xiàn)，直流小室同理。正常運行時，裝置的2個端口同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā);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(zhuǎn)發(fā)，防止環(huán)網(wǎng)風暴的形成。
交直流繼電保護裝置之間的信息共享通過環(huán)網(wǎng)冗余盒來實 現(xiàn)。 環(huán) 網(wǎng) 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(huán)和跨環(huán)的組播數(shù)據(jù)進行過濾。同時為避免環(huán)間的環(huán)網(wǎng)冗余盒出現(xiàn)內(nèi)部故障時，導致數(shù)據(jù)交互中斷，采用2臺 Quadbox組建并行耦合環(huán)的組網(wǎng)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(fā)生內(nèi)部故障時，還可通過另1臺環(huán)網(wǎng)冗余盒實現(xiàn)環(huán)間信息的交互，保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
3 裝置的特點
IEC62439-3高可靠無縫環(huán)網(wǎng) HSR 通過節(jié)點冗余實現(xiàn)系統(tǒng)冗余，這種方案可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的零延時切換，滿足實時性的嚴格要求。地鐵供電系統(tǒng)的所內(nèi)裝置數(shù)量不多，特別適合 HSR協(xié)議的應用。可根據(jù)交互關系劃分環(huán)，環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)采用 HSR協(xié)議進行傳輸，環(huán)間經(jīng) Quadbox連接，通過環(huán)網(wǎng)冗余盒的環(huán)形結(jié)構，使所內(nèi)的數(shù)據(jù)通過 HSR 冗余協(xié)議通信，相比于傳統(tǒng)的星型雙網(wǎng)結(jié)構，省略了過程層交換機，簡化了網(wǎng)絡結(jié)構，減少了系統(tǒng)的故障節(jié)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(jié)省大量的通信線以及布線施工費用。
4 結(jié)語
HSR冗余協(xié)議實現(xiàn)了零恢復時間的網(wǎng)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(jié)合軌道交通網(wǎng)絡結(jié)構，研制了一種基于 HSR 技術的環(huán)網(wǎng)冗余裝置，所內(nèi)裝置通過不同環(huán)進行連接，在保證實時性的同時也滿足了系統(tǒng)對可靠性的要求。在城市軌道交通系統(tǒng)中引入環(huán)網(wǎng)冗余裝置，在減少交換機使用量的同時節(jié)省了經(jīng)濟成本，為軌道交通的網(wǎng)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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