高可用性工业无线配网通信解决方案

1.概述

工业以太网伴随“建设坚强智能电网”的理念进入电力行业并广为人知。如同IEC61850协议统一了变电站数据结构一样，基于IEC 61968（DL/T 1080）/IEC61970协议的国标的颁布及完善，也为配网统一接口奠定了基础。配网作为智能电网的基础和延伸，采用交换机组成的数据传输网络代替硬接线数据网络，以最大化实现配网数据共享，减少接线复杂度已经成为趋势。

智能配电通信一般分为三个层次，主干层、汇聚层和接入层。通信方式会根据配电自动化通信网的层次划分，采用多种通信方式相结合的方式。其中，配电主站和配电子站（配电汇接站）的通信，通常利用现有光纤网络；配电子站（配电汇接站）到配电终端的通信，一般采用光纤、载波、无线等方式。

智能配电通信系统采用通信电缆、光纤通信、无线专网、无线公网、中压配电线载波等多种通信方式的组合。与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通信质量及通信数据（见表1）。

西门子公司（SIEMENS RuggedCom^TM）作为世界领先的严苛工业环境的高性能网络和通信设备制造商，有着智能电网和网络通信方面的深厚背景。公司基于配网领域遇到的问题和具体需求，结合全球主要电力公司和电力供应商的众多项目合作经验，提出设计性能卓越且高度可靠的基于4G工业无线通信的高可靠性配网解决方案。

表1配网常见通信方式比较

2.配网通信新技术

（1）4G工业无线技术

工业无线技术是面向工业自动化和过程自动化设备之间信息交互的无线通信技术，相对于有线通信系统，工业无线通信系统节省了通信电缆，简化了设备安装，降低了维护时间和停工时间，增加了系统的可用性，提高了系统的可靠性。

4G工业无线技术就是以4G通信技术为基础，面向工业自动化和过程自动化应用的无线通信技术。并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能。

4G工业无线技术主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心，包括抗干扰的高速接入技术、调制和信息传输技术，高性能的自适应智能天线，大容量的无线接口，以及系统资源、软件无线电、IP网络结构等。

西门子罗杰康WiMax系列产品，支持4G工业无线技术，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，提供比目前无线技术更高的服务质量和更好的性能价格比，非常适合配网设备的接入。

（2）4G工业无线冗余技术

为了保证4G工业无线系统能够可靠的工作，系统应用了4G工业无线冗余技术。4G工业无线冗余技术分为基站1+1冗余、基站和终端1+1冗余。

4G工业无线冗余，就是当主用基站（BS）故障时，它关闭无线发信（TX）和发送信号给备用基站表示不能正常工作。备用基站接收故障指示，并打开它的无线发信。主用基站不断发送“Hello”消息给备用基站。如果主用基站的功能出现问题，备用基站在一段时间不接收主用基站的“Hello”消息，则打开无线发信。

冗余功能的设计原则是1+1冗余，即一个备用基站备份一个主用基站。默认情况下，冗余功能是关闭的。系统的设计目的是处理一个单一的故障，没有可能检测双重故障情况。主用和备用基站都发射同一频率，主用基站无线发信打开，备用基站无线发信关闭。假设在主用和备用基站间有可靠的和冗余的网络连接，主用和备用基站的配置相同，只有不同的IP地址和一些特定参数（如BSID、BS名称等）。基站和交换机之间的连接，交换机应明确MAC地址表条目相关的端口。没有预先定义的主用和备用基站，确定过程发生在每次BS启动时间。用户发起的“Service stop”不是基站发生的故障。

对于系统经常采用的冗余是基站1+1冗余，在无线网络要求非常可靠的场合，宜采用基站和终端1+1冗余，如图1所示。

图1 WiMax基站和终端冗余方式

基站1+1冗余能够很好地保证工业无线网络系统中的基站不会因为功能故障而使无线网络不可用。

在有的工业无线网络中，要求每个接入点也不能发生网络故障，这就要求采用基站和终端1+1冗余。基站和终端（CPE）1+1冗余，就是在基站1+1冗余的基础上，终端也采用1+1冗余。

终端1+1冗余，就是在一个无线终端接入点，通过带冗余功能的交换机接入两个终端，这两个终端的无线是同时接入基站，但该终端接入点的数据通过带冗余功能的交换机，经过两个终端中其中一个终端接入基站，数据具体由哪个终端接入基站，由冗余交换机的设置决定。

基站和终端1+1冗余，应用在无线网络要求非常可靠的场合，能够保证无线网络稳定可靠。

（3）高可用性无缝冗余（HSR）与并行冗余协议（PRP）

HSR环网由多台支持双连接（DANH-doubly attached HSR Node）的HSR工业以太网交换机RS950构成，采用HSR技术（IEC62439-3，Feb 2012），每个节点具有两个HSR环网接口（端口A和端口B），该端口采用全双工方式工作，每个DANH节点都可将从A口接收到的数据转发到端口B，反之亦然，如图2所示。

图2 HSR网络数据流向图

在图2所示的网络结构中，数据源节点发送数据帧（C-数据帧）时，HSR交换机的DANH端口接到来自上层协议数据帧后：

1）先在HSR数据帧中加入HSR Tag标识重复报文，随后向两个DANH端口发送报文A-数据帧和B-数据帧；

2）目的端（Destinations）的DANH端口会在不同时间、不同端口收到重复的报文A-数据帧和B-数据帧，目的端交换机会处理收到第一个报文（D-数据帧），移除HSR Tag并将报文转发到上层协议，之后到达的第二个重复报文将被直接丢弃。

3）源交换机会丢弃本交换机发出到环网并经环网回到本交换机上的数据帧。例如，B口收到有本交换机A口发出的报文后直接丢弃，反之亦然。

4）即使在任一链路故障情况下，源端数据都有通往目的端的有效链路，对网络通信不会造成任何影响。

HSR支持环网、环网嵌套等多种网络结构。对单环网来说，当任一链路故障情况下，可以实现网络的无缝切换。HSR协议不像传统工业环网协议（环网检测帧型或基于RSTP协议），在链路故障时无需激活冗余链路，HRS不接受本身发出的报文，传输特性有效地避免了广播风暴的产生，同时双向报文传输特性避免了传统环网协议网络重构、MAC地址刷新等带来的报文丢失，真正实现链路故障情况下的无缝切换。

西门子罗杰康RS950系列工业以太网交换机支持IEC62439协议的HSR/RPR技术，该技术支持单点故障下零自愈时间，适合苛刻环境下的各种应用，诸如数字变电站、运动控制等。组网方式灵活，可以构成环网或嵌套环网。对于不支持HSR的传统设备——如计算机、打印机——装置可以通过冗余盒（Redundancy Box）装置接入，冗余盒的功能就像代理服务器一样进行工作，加入HSR Tag，把数据帧送到环网上，并丢弃回到本身的发出报文。(www.xing528.com)

RPR技术和HSR相似，如图3所示，支持PRP的设备拥有两个独立的以太网端口，各连接到一个独立的以太网络，在同一个设备内，这两个网口对于上层协议而言使用相同的MAC地址和IP地址，相当于一个以太网接口。发送节点将同一个以太网帧发给两个以太网端口，接收端从两个网络上接收数据，仅接收第1帧，将后到的第2帧丢弃。PRP通过软件实现。此协议容许单网故障。

图3 PRP常见网结构图

比起HSR技术，增加了网络交换设备，而HSR技术，装置只需要配备两组网络接口，简化了硬件配置，降低了设备功耗。

3.集成4G工业技术高可用性配网通信整体解决方案

罗杰康公司配网解决方案遵循“结构分层、功能分级、布置就近、信息集中、控制可靠”的原则，系统采用分层分布式结构，即主站层、中间层、终端接入层。

4G工业无线配网通信，是以4G通信技术为基础，面向配网自动化应用的无线通信解决方案。基于配网本身的速动性和可靠性要求，以及检测对象点多面广、更多的户外设备、网络路由复杂等特点。西门子罗杰康公司结合应用实际，在传统工业以太网配网传输的基础上，增加了基于4G无线工业通信高可靠配网解决方案。

4G工业无线配网通信网络，是一个全IP的无线专用网络，充分利用现有的网络设备，可以直接和现有的有线网络连接。基站提供标准的以太网接口，支持TCP/IP协议，连接配网的核心网络。终端可直接连接交换机、路由器、柱上开关、环网柜、开闭所有的重要配变设备，提供数据、语音和图像传输。

基于4G工业无线技术的高可用性配网解决方案的产品解决方案如下：

1）在主干层，推荐使用支持三层功能的ROX5000/1500，系列产品；

2）在中间层，推荐使用ROX1500系列产品或ROS2000系列产品；

3）在接入层，推荐使用RS900系列，及支持HSR/PRP的RS950G、4G-WiMAX　RUG_- GEDCOM WIN7000/7200 BS系列及RUGGEDCOM WIN 5100/5200 CPE产品，如图4所示。

为满足配电自动化应用，则要在配电站、配变上安装4G通信终端，再根据变电站的分布，合理地布置、分类4G通信基站，建立起一个“以配调为中心，变电站为基站，配电站为终端”的自动化业务接入网。

图4 罗杰康4G工业无线通信的高可靠配网解决方案

在基于4G工业无线通信的高可靠配网解决方案中，尤其对于地处偏远的地区，架设或埋设专用光纤通信网络不仅造价高、建设周期长，而且恶劣的工作条件，造成维护困难和容易发生通信故障。采用4G无线通信方式则具有应用成本低、容易扩展和可靠性优点，采用4G无线通信网构建保护控制系统，完全可以满足应用需求。

4G通信基站通常安装在配电控制中心、变电站或配电主站附近，以及比较高的通信塔或楼房顶端，能够覆盖周围几公里到十几公里的地方。4G通信基站为全室外结构，IP网络接口或光纤接口，通过有线光纤与附近的配电变电站或配电主站连接。4G通信基站的天线，根据用户数量和带宽要求，选配扇区天线或全向天线。4G通信基站通过两根1.5m的馈线连接天线安装在一根2m高的抱杆上。4G通信基站的电源通过专用基站电源接入。

4G通信终端通常安装在配电终端上（如杆上变压器）、配电柜旁的电杆、楼房配电室外墙上，通过数据和电源网络连接到设备箱内的PoE供电模块，PoE供电模块的IP接口通过标准网线连接配电用网络交换机上。

通过4G通信基站与通信终端的无线连接，将配电控制中心的网络，通过4G工业无线远程连接到配电终端的网络上，实现配网自动通信。如，一个中等城市的配电网，变压器有上千个，配电终端有上万个，4G工业无线通信系统，能够通过建立多个通信基站和多个扇区来将配电终端直接无线接入到配电主站，将智能电能表的用户用电信息、线路工作状态和故障信息发送到调度中心，完成配电智能化，配网接入应用如图5所示。

西门子罗杰康基于4G工业无线通信的高可靠配网解决方案具有以下特点：

1）技术先进：西门子4G无线产品应用先进的802.16e Wave 2（MIMO）无线标准，具有高性能、长距离、高安全性、高可靠性的全室外型无线宽带产品，通过无线通信方式将配网子站与各台站IP连接，实现多种配网业务。

图5 西门子罗杰康WiMax产品配网接入应用

2）通信带宽大：西门子4G无线基站的单扇区吞吐量：设备实际应用吞吐量下行12.0Mbit/s、上行12.0Mbit/s（下行50%），特别是上行与下行最大流量比可以达到70%，能够满足配网自动化系统多种数据接入，同时还能够满足视频传输要求。

3）传输性能好：西门子4G无线系统能够根据业务类别不同、不同用户等级分配不同的QoS机制，来保证不同业务对于通信的要求，特别是对于开关控制等业务要求很高的业务，能够提供强有力的QoS机制保障。同时，所有网络设备（含4G-WiMAX）支持IEC61850标准，支持Goose报文能力的良好实时性。

4）冗余性能优：基站支持eRSTP，实现全系网络设备在链路故障情况下的快速自愈；基于HSR环网技术，减少网络中使用交换机的数量，既降低了成本，又可满足终端数据在链路故障情况下零丢包切换。

5）接入能力强：西门子4G无线系统单扇区基站能够接入CPE数量：10MHz时最多为128CPE，5MHz时最多为84CPE。

6）安全性能高：西门子4G无线系统引进基于EAP协议的认证机制和安全标准，采用三元对等鉴别，具备完善的安全机制，使网络安全性能达到很高标准。

7）工业级品质：所有网络设备符合苛刻环境下通信的RuggedRated ^TM电力级设备标准，并支持多种工业认证；Win设备支持直流供电，采用无风扇散热方式，工作温度为-40～+75℃，MTBF高达500000h，是业界唯一的工业级的WiMAX产品；

8）应用成本低：西门子4G无线系统与其他同类产品比较，不论固定应用，还是移动漫游切换应用，都不需要专用的ASN网关，移动漫游切换通过基站（BS）来完成，大大降低了应用成本。与其他配网方案相比，应用成本仅为四分之一。同时维护简单方便，综合成本更低。

4.结束语

西门子罗杰康工业以太网配网解决方案已经在广州、深圳大运会等项目上成功应用，经受住了考验，整体情况运行稳定，基于4G工业无线通信的高可靠配网解决方案一定可以为客户提供了更加丰富、灵活地选择。

（作者：西门子（中国）有限公司 陶文帅 蒋五星 周佳华）