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摘 要： 摘 要：隨著城市軌道交通智能化的發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)冗余提出了更高的要求。IEC62439-3標(biāo)準(zhǔn)提出了一種高可用性無(wú)縫環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證了單節(jié)點(diǎn)故障下數(shù)據(jù)的零延時(shí)恢復(fù)。為實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)設(shè)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(shè)計(jì)思路
摘 要：隨著城市軌道交通智能化的發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)冗余提出了更高的要求。IEC62439-3標(biāo)準(zhǔn)提出了一種高可用性無(wú)縫環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證了單節(jié)點(diǎn)故障下數(shù)據(jù)的零延時(shí)恢復(fù)。為實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)設(shè)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(shè)計(jì)思路和工作原理。
關(guān)鍵詞：HSR;環(huán)網(wǎng);冗余裝置
0 引言
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在城市軌道交通變電站的引入實(shí)現(xiàn)了信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸及高度共享，利用光信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜硬接線，具有靈活、功能強(qiáng)大、經(jīng)濟(jì)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，城市軌道交通變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾饕ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)，投入雙倍的交換機(jī)組建雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)裝置間信息的共享，但存在雙網(wǎng)切換時(shí)間長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)不確定、過(guò)多依賴交換機(jī)等不足。
IEC62439-3 標(biāo) 準(zhǔn) 提 出 的 高 可 靠 性 無(wú) 縫 冗 余 協(xié) 議(HSR)可實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)故障時(shí)的無(wú)縫切換，具有優(yōu)異的故障恢復(fù)性能。支持 HSR 協(xié)議的雙節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)手拉手的方式組成環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)內(nèi)的信息共享;HSR 環(huán)間則通過(guò)HSR四端口設(shè)備 (Quadbox)實(shí)現(xiàn)信息的共享;而對(duì)于不支持 HSR協(xié)議的設(shè)備，通過(guò)冗余盒 (Redbox)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的共享。目前冗余盒無(wú)法根據(jù)所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境判斷自身是 Redbox還是 Quadbox，甚至有些 Quadbox直接由2個(gè)Redbox對(duì)接而成，配置繁瑣、效率低，缺乏智能性。為實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)設(shè)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(guò) FPGA 實(shí)現(xiàn) HSR 功能，并可根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)來(lái)確定工作模式。
1 基于 HSR技術(shù)的環(huán)網(wǎng)冗余盒
1.1 硬件設(shè)計(jì)
裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由主板、電源板、前面板接 口 板、機(jī) 箱 組 成。主 板 采 用 “ARM+FPGA+ 底板”架 構(gòu)，ARM 板 和 FPGA 為 核 心 板， 扣 在 底 板 上，ARM 和 FPGA 之間通過(guò) PCIE總線進(jìn)行通信。ARM 內(nèi)有用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互配置工作的 CPU 芯片。FPGA 用于實(shí)現(xiàn) HSR協(xié)議功能，通過(guò) FPGA 模塊還可實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用功能的切換。底板用于對(duì)外提供物理接口，集成了 4 個(gè) 光口、4個(gè)百兆網(wǎng)口、1個(gè)千兆網(wǎng)口、1個(gè) USB接口和1個(gè)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(yùn)行狀態(tài)及電口、光口的工作狀態(tài)。而電源模塊則為整機(jī)提供電源。裝置的硬件布局如圖1所示。
1.2 軟件設(shè)計(jì)
通過(guò) FPGA 實(shí) 現(xiàn) IEC62439-3 標(biāo) 準(zhǔn) 中 定 義 的 HSR、RBox的邏輯。FPGA 具有處理速度快、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)特殊的功能可通過(guò)修改內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需修改硬件。配置數(shù)據(jù)則由 ARM 通過(guò) PCIE 高速總線下發(fā)給FPGA。軟件設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。
1.3 工作模式的選擇原理
FPGA 包括4個(gè)電網(wǎng)口和4個(gè)光網(wǎng)口。正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)PGA 獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(gè)鏈路冗余體 LRE，負(fù)責(zé)執(zhí)行 HSR 協(xié)議。鏈路冗余體LRE主要實(shí)現(xiàn)以下功能：將1個(gè)端口接收到的幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌丝冢沁@個(gè)幀已經(jīng)被發(fā)送過(guò);接收和上層協(xié)議地址相符的幀數(shù)據(jù);在發(fā)送 2 個(gè)復(fù)制幀到 HSR 端口前，給從上層發(fā)出的幀加上相應(yīng)的 HSR標(biāo)記。
如圖3所示，A 和 B是冗余裝置接入環(huán)內(nèi)的兩個(gè)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(jìn)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(guò)緩存后送入 DEMUX模塊，得到兩路相同的數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)緩存后送入 MUX模塊。數(shù)據(jù)在 MUX模塊中完成重復(fù)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(biāo)識(shí)模塊，HSR標(biāo)識(shí)模塊給上層模塊數(shù)據(jù)幀添加 HSR 標(biāo)識(shí)，添加完 HSR 標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)幀分別送給 TX_A 和 TX_B的發(fā)送緩存。經(jīng)過(guò)緩存的數(shù)據(jù)幀送入 MUX模塊，在 MUX模塊中完成重復(fù)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(yīng)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(luò)化保護(hù)涉及33kV 交流保護(hù)裝置和 DC1500V 直流保護(hù)裝置。按常規(guī)的正線牽引降壓變電所計(jì)算，33kV 交 流 保 護(hù) 裝 置 安 裝 在 交 流 高 壓 開(kāi) 關(guān) 柜上，布置在交流小室，共有13臺(tái)裝置，包括進(jìn)線、出線、母聯(lián)、整流變、動(dòng)力變。DC1500V 直流保護(hù)裝置就地安裝在直流高壓柜上，布置在直流小室，共有7臺(tái)裝置，包括直流進(jìn)線、直流饋線、負(fù)極柜。從分布上看，交、直流保護(hù)裝置分別分布在不同房間，每個(gè)房間中保護(hù)設(shè)備數(shù)量較少。通過(guò)光纖將33kV 小室交流裝置的2個(gè)自身光口以 “手拉手”的方式組成1個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，以同樣方式將直流小室的直流裝置組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)環(huán)網(wǎng)再通過(guò)冗余盒連接，搭建整所保護(hù)設(shè)備的光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)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(hù)裝置間的信息共享由33kV 小室內(nèi)的 HSR環(huán)實(shí)現(xiàn)，直流小室同理。正常運(yùn)行時(shí)，裝置的2個(gè)端口同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。接收裝置基于查閱表的算法處理報(bào)文，當(dāng)報(bào)文不屬于本裝置的接收?qǐng)?bào)文時(shí)，直接向下一臺(tái)裝置轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文;當(dāng)收到的報(bào)文屬于本裝置的接收?qǐng)?bào)文時(shí)，正常接收該報(bào)文并不再向下一臺(tái)裝置轉(zhuǎn)發(fā);當(dāng)從另一個(gè)端口再次接收到該報(bào)文時(shí)，丟棄后到的重復(fù)報(bào)文，并不再轉(zhuǎn)發(fā)，防止環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴的形成。
交直流繼電保護(hù)裝置之間的信息共享通過(guò)環(huán)網(wǎng)冗余盒來(lái)實(shí) 現(xiàn)。 環(huán) 網(wǎng) 冗 余 盒 還 具 有 組 播 地 址 過(guò) 濾 功 能， 通 過(guò)VLAN/MAC地址過(guò)濾的方式能夠有效對(duì)出環(huán)和跨環(huán)的組播數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾。同時(shí)為避免環(huán)間的環(huán)網(wǎng)冗余盒出現(xiàn)內(nèi)部故障時(shí)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互中斷，采用2臺(tái) Quadbox組建并行耦合環(huán)的組網(wǎng)方案。2臺(tái) Quadbox裝置的2個(gè)端口通過(guò)光纖連接，剩余的2個(gè)端口與 HSR連接，當(dāng)其中1臺(tái) Quad-box裝置發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，還可通過(guò)另1臺(tái)環(huán)網(wǎng)冗余盒實(shí)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(diǎn)
IEC62439-3高可靠無(wú)縫環(huán)網(wǎng) HSR 通過(guò)節(jié)點(diǎn)冗余實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余，這種方案可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的零延時(shí)切換，滿足實(shí)時(shí)性的嚴(yán)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(yīng)用。可根據(jù)交互關(guān)系劃分環(huán)，環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)采用 HSR協(xié)議進(jìn)行傳輸，環(huán)間經(jīng) Quadbox連接，通過(guò)環(huán)網(wǎng)冗余盒的環(huán)形結(jié)構(gòu)，使所內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò) HSR 冗余協(xié)議通信，相比于傳統(tǒng)的星型雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，省略了過(guò)程層交換機(jī)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少了系統(tǒng)的故障節(jié)點(diǎn)，不再高度依賴交換機(jī)，滿足設(shè)計(jì)上的故障弱化原則。同時(shí)，由于采用 “手拉手”的方式進(jìn)行裝置間的光纖通信，因此每個(gè)柜子的通信線不需集中到交換機(jī)，可節(jié)省大量的通信線以及布線施工費(fèi)用。
4 結(jié)語(yǔ)
HSR冗余協(xié)議實(shí)現(xiàn)了零恢復(fù)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)自愈，因此在軌道交通工程化應(yīng)用中具有重要的意義。本文結(jié)合軌道交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研制了一種基于 HSR 技術(shù)的環(huán)網(wǎng)冗余裝置，所內(nèi)裝置通過(guò)不同環(huán)進(jìn)行連接，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)也滿足了系統(tǒng)對(duì)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(jī)使用量的同時(shí)節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，為軌道交通的網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種切實(shí)可行的方案。——論文作者：鄭淳淳1，謝金蓮2，賴沛鑫2，何遠(yuǎn)毫2，呂楚元2
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