CN105376034B - 变电站通信网络之间的冗余内容桥接 - Google Patents

Abstract

本发明关于用于在通信网络的源与接收网络之间提供网络桥的方法，其中该网络桥包括根据在IEC62439‑3中定义的冗余方案在源与接收网络之间连接的两个内容桥接节点，该方法包括以下步骤：对两个内容桥接节点分配共同源网络节点标识符；通过两个内容桥接节点中的每个接收源网络内的网络业务；以及通过两个内容桥接节点中的每个使用源网络标识符将网络业务从源转发到接收网络。

Description

变电站通信网络之间的冗余内容桥接

技术领域

本发明涉及电力网络的变电站通信网络内的通信的领域，特别地，涉及变电站通信网络中的源与接收网络之间的冗余内容桥接。

背景技术

数字变电站自动化系统中的通信网络典型地分成若干层网络，即所谓的总线。每个层可承载不同类型的业务，其与连接到该层的设备的功能有关。网络业务的部分可以视为水平的，即承载的信息仅与该网络层而不是其他层上的接收者相关。一般，在网络层内包含这样的水平业务并且未将它转发到其他网络层，这例如由于性能原因而是可取的。然而，越来越多的业务是垂直的，即它需要被转发到更低或更高网络层。根据业务的类型和内容，按原样转发它、仅过滤并且转发数据流的部分或使选择的内容聚集到新的数据流（其然后被转发）可是必需的。

通常需要变电站通信网络来实现根据IEC 62439-3的冗余方案（例如PRP或HSR）以便提高通信系统的可用性。因此，网络层之间的桥接连接应也是冗余的。这因为冗余桥接连接应在紧密的合作中操作以便遵守冗余方案的规则而对阻断、过滤和聚集网络层之间的业务提出技术问题。因此，现有技术方案（例如冗余四盒（quad-box））的标准行为只是转发网络层之间的所有业务；不支持过滤和聚集。

现今，冗余桥和网关对于通信系统是已知的。冗余桥是四盒的变化。它们的主要特征是自身实现冗余方案的网络层之间的业务的冗余转发。复制帧以用于在发送网络处转发并且接送网络丢弃后来到达的复制帧中的一个。四盒如果它们支持VLAN则可以实现业务过滤。然而，数据在网络桥处的聚集是不可能的。源网络的拓扑未被隐藏，即四盒将一个网络层“投影”到另一个。另一方面，网关具有过滤并且潜在转化网络或网络层之间的数据的功能，但未提供冗余并且因此在失效情况下不具有零恢复时间。典型地，网关在桥接网络时还引入相当大的延迟。

发明内容

本发明的目标因此是提供这样的网络桥，其不仅采用冗余方式转发业务而且还在变电站通信网络中的不同网络之间在垂直通信中实现例如数据过滤和聚集等功能。

该目标通过在通信网络的源与接收网络之间提供网络桥的方法和设备实现。优选实施例也被提供。

本发明提供用于在变电站通信网络中的源与接收网络之间提供冗余网络桥的方法，其中该网络桥包括根据在标准IEC 62439-3中定义的冗余方案在源与接收网络之间连接的两个内容桥接节点。根据本发明的方法包括以下步骤：对两个内容桥接节点分配共同源网络节点标识符；通过两个内容桥接节点中的每个接收源网络内的网络业务；以及通过两个内容桥接节点中的每个使用共同源网络节点标识符将网络业务从源转发到接收网络。

根据另外的方面，本发明在变电站通信网络中的源与接收网络之间提供网络桥，其包括：根据在标准IEC62439-3中定义的冗余方案在源与接收网络之间连接的两个内容桥接节点，其中这两个内容桥接节点具有共同源网络节点标识符，并且两个网络桥接节点中的每个适于使用共同源网络节点标识符将网络业务从源转发到接收网络。

源和接收网络可在不同的网络层中，即变电站通信网络中的过程和站总线，每个提供不同的功能性或承载变电站通信的不同数据。例如，源网络承载过程数据，例如采样值SV消息和GOOSE消息，其包括状态信息，而接收网络包含控制数据或控制命令，例如MMS。使用根据本发明的源与接收网络之间的在提供相同功能性的源与接收网络之间使用根据本发明的网络桥，这也是可能的。

因为两个内容桥接节点使用相同源网络节点标识符，在接收网络内这两个节点表现为一个逻辑节点，其实际上代表整个源网络。源网络节点标识符可以在变电站通信网络中采用MAC地址的形式。

网络桥可在两个方向上接收和转发业务，即它也可将网络业务从接收网络转发到源网络。在既不聚集也不过滤也不代表朝向源网络的接收网络是必需的情况下，根据本发明的网络桥表现为两个网络内容桥接节点，即只是转发从接收网络朝向源网络的所有业务，并且源网络看到在接收网络中所有节点。在期望聚集、过滤或代表朝向源网络的接收网络的情况下，上文描述的使用共同网络标识符的原理也可以在该通信方向上应用，即，对内容桥接节点分配一个共同接收网络节点标识符使得具有接收网络节点的网络桥表现为一个逻辑网络，由此朝源网络隐藏接收网络。共同接收网络节点标识符可与共同源网络节点标识符不同。用于过滤和聚集的算法被例示两次，即每一个方向一个。

在示范性实施例中，存在超过一个共同源网络标识符。这些对于其中两个节点在接收网络内代表超过一个源网络的情况将是有用的。在该情况下，面对源网络的内容桥接节点的第一半分成两个部分，每个具有两个通信链路，这四个新的链路连接到第二源网络环。同样，面对接收网络的内容桥接节点的第二半可以分成两个，从而使源网络连接到两个独立接收网络。这两个内容桥接节点然后将使两个源网络连接到两个接收网络。

在本发明的另外的示范性实施例中，两个网络桥也可以在变电站通信网络内实现。在该情况下，第一网络桥在第一源与第一接收网络之间连接，并且第二网络桥在第二源与第二接收网络之间连接。第一网络桥的两个内容桥接节点共享识别第一源网络的第一共同源网络节点标识符，并且第二网络桥的两个内容桥接节点共享识别第二源网络的第二共同源网络节点标识符。在第一和第二接收网络中，两个网络桥表现为两个逻辑网络，其分别代表整个第一和整个第二源网络。

优选地，根据本发明的方法可进一步包括以下步骤：在转发之前通过两个内容桥节点过滤网络业务的第一部分；以及在转发之前通过两个内容桥节点聚集网络业务的第二部分。

优选地，根据本发明的方法可进一步包括以下步骤：如果网络业务包括偶发性数据则通过两个内容桥节点在源网络中交换同步信息。

优选地，源网络可以是PRP或HSR环，并且接收网络是PRP或HSR协议，并且网络业务根据接收网络的协议（即，PRP或HSR协议）来转发。

上文描述的本发明允许在数字通信系统中桥接网络层。这些网络层可实现冗余方案，例如PRP或HSR。网络层之间的桥接是冗余的，即在两个网络层之间存在至少两个通信信道。冗余网络桥隐藏源网络层的拓扑（即朝接收网络层），源表现为连接到该网络层的单个设备。冗余网络桥允许阻断、过滤和聚集周期性和偶发性业务。阻断、过滤和聚集可无缝整合到现有冗余方案。这可以在没有对现有网络拓扑的任何改变以及对其他连接设备没有额外要求的情况下实现。此外，根据转发/聚集业务的帧大小，低延迟（例如，<500μs或甚至<50μs）也可以通过本发明实现以用于桥接网络层之间的业务。

附图说明

本发明的主旨将在下列正文中参考在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地解释，其中：

图1示意地示出根据本发明在源与接收通信网络之间的冗余内容桥接拓扑；

图2示意地示出根据本发明具有纯周期性业务的操作原理；

图3示意地示出根据本发明具有混合周期性和偶发性业务的操作原理；以及

图4示意地示出根据本发明在HSR源网络与PRP接收网络之间的冗余内容桥接。

在附图中使用的参考符号和它们的主要意思采用概括形式在名称列表中列出。原则上，相同的部件在图中提供有相同的参考符号。

具体实施方式

根据本发明，冗余内容桥接采用透明且冗余的方式连接两个网络层。透明是因为每个网络在另一个内表现为一个逻辑网络节点。冗余是因为连接由两个物理独立通信路径组成。连接的网络本身也可实现冗余通信方案。

形成网络层连接的内容桥接节点从来自源网络层的数据生成对于接收网络层的数据。数据的该生成可以是对原始数据的任何种类的集合操作，例如过滤、聚集、映射等，其包括但不限于恒等映射，例如具有改变的源标识符的数据的简单转发。

在接收网络内，两个内容桥接节点具有相同的源标识符。因此，接收网络中的其他节点把由内容桥接节点中的任一个发送的帧看作源于相同节点。遵守在接收网络中期望并且自动丢弃复制帧的冗余原理并且内容桥接连接在没有对网络拓扑或其他网络节点行为的任何改变的情况下起作用。

图1示出根据本发明的冗余内容桥的基本连接原理。操作原理在根据IEC 62439-3的基于复制帧的冗余方案中能适用。在该拓扑中，内容桥接网络节点连接两个网络层，两者都根据HSR冗余方案实现。

附图简述操作原理：两个网络层都根据HSR冗余方案承载业务。内容桥接节点也是冗余的。源层业务的一部分被过滤并且转发到接收层内。源层业务的另一部分聚集并且转发到接收层内。所有转发业务在接收网络层中再次是冗余的。为了在紧密合作中操作，内容桥接节点在源网络中交换同步信息。

聚集且转发的业务起源于内容桥接节点。过滤且转发的业务以相似的方式通过内容桥接节点处理使得它对于接收网络层表现为也源于内容桥接节点。因此，在接收网络层中，源层被隐藏。所有转发业务表现为源于内容桥接节点。此外，内容桥接节点使用相同的源标识符。因此，它们表现为连接到接收网络层的一个逻辑设备。

业务过滤和聚集在内容桥接节点处相同地配置。因为两个节点在源网络层内接收相同业务，它们的过滤和聚集对接收网络层产生相同结果。在两个内容桥接节点处具有相同源标识符的情况下，所有转发业务表现为在接收网络层（其遵守通过网络层实现的冗余方案）内的复制帧。

为了使它们的转发同步，特别为了总是发送具有相同帧标识符的相同数据，内容桥接节点可交换内容同步信息。为了将消息从内容桥接节点传达到接收器，使消息的冗余标签（即，HSR标签、PRP尾部）同步是重要的。接收节点将仅检查该标签/尾部并且决定它是将帧转发到接收器还是丢弃它。一般，内容桥接可应对两个类型的业务：周期性数据，其中周期性数据流的帧以适当定义的间隔创建，帧典型地用序号标记；和偶发性数据，其中没有提前知道是否创建偶发性数据和什么时候创建偶发性数据。潜在地，偶发性数据以突发出现。例如，周期性数据可采用采样值的形式，其包含来自一次变电站设备的测量，而偶发性数据可采用GOOSE消息的形式，其包含在改变状态时偶发发出的变电站设备状态信息。

图2示出具有纯周期性业务的两个内容桥接节点CBN1和CBN2的示范性操作。提前已知每个帧的到达。由于帧序号而容易检测到丢帧。两个节点可以在没有通信的情况下同步处理和转发。在该情况下，内容桥接仅限于周期性业务，内容桥接节点不需要交换同步信息。如果所有帧在预期时间到达，例如在正常操作情况下，内容桥接节点可以在没有任何交互的情况下同步处理和转发帧。因为提前已知所有帧的到达，可以容易检测到任何丢帧。由于业务的周期特性，可以提前计算转发帧的序号。因此，丢帧将不扰乱序号的分配。因此甚至在丢帧情况下，内容桥接节点之间的同步不是必需的。

图3示出在混合周期性和偶发性业务的情况下的操作，其中内容桥接节点交换同步信息。在偶发性业务或混合周期性和偶发性业务的情况下，内容桥接节点应同步以便创建转发帧的确切副本。源网络层的冗余方案对每个内容桥接节点提供相同帧。然而，到达的顺序在两个内容桥接节点处可不相同。因此，节点需要同步以便创建确切副本-特别关于序号-用于转发。再者，在错误场景（例如帧在一个内容桥接节点处丢失）中，节点之间的同步是必需的。

内容桥接节点之间的同步可以采用不同方式实现，例如采用请求和响应的形式发送特定同步消息，或将必需的同步信息附连到由两个节点发送的现有帧。在第一个方法中，同步请求消息包含接收帧的标识符和提出的转发帧序号。对同步请求的响应包含转发帧的序号的约定集合或子集。

操作原理示出内容桥接节点在发送轮操作以便适应在源网络层内帧的不同到达时间。为了处理丢帧或失去的同步消息，发送轮可经受超时。如果内容桥接节点时间同步，它们的发送轮对齐，这可以使对于转发的延迟明显减小并且减少超时长度。

本发明的原理可以垂直且水平扩展以用于连接超过两个网络层。在垂直扩展中，连接超过两个网络层的层级使得内容桥接节点可以桥接每两个相邻网络层。这有效形成连接网络层链。在水平扩展中，多个网络连接成一个接收网络。在接收网络中，多对内容桥接节点在物理上表现为到源网络的桥。这通过其内容桥接节点而使源网络有效地连接到共同接收网络。

本发明的原理固有地是双向的：通过内容桥接节点连接的两个网络层，每个在另一个内表现为一个逻辑网络节点。同样，数据生成（即，转发、过滤、聚集等）采用两个方式起作用。因此，接收网络同时可以是源网络并且反之亦然。

在下文，解释若干实现示例或使用情况。

在如在图1中示出的实施例中，冗余内容桥接采用透明且冗余的方式连接两个网络层，网络层是源和接收网络，在该情况下是两个HSR环10和20。连接内容桥接节点35对于HSR环20表现为一个逻辑设备30，其隐藏另一网络的复杂性。网络连接由于两个物理分离且独立的内容桥接节点35而是冗余的。形成网络层连接的内容桥接节点35从来自源网络层10的数据生成对于接收网络层20的数据。数据的生成可以是对原始数据的任何种类的集合操作，例如过滤、聚集、映射等，其包括恒等映射，其中来自源网络的帧被转发到接收网络20而不改变帧内容，但将内容桥接节点标记为帧源。发送到接收网络内的帧遵照HSR协议。两个内容桥接节点35时间同步。因此，它们的发送轮（参见图3）时间对齐。

在另外的实施例中，在内容桥接节点之间无需有时间同步。在该实施例中，内容桥接节点的发送轮没有时间对齐。每个节点使它的发送轮与周期性业务的到达或与它的对等内容桥接节点的同步消息的到达局部对齐。

在另外的实施例中，仅存在纯周期性业务。在该实施例中，内容桥接只限于周期性业务。要通过内容桥接节点处理的每个帧用序号标记。因此，可以预先计算源网络层10中的序号到转发帧的序号的映射。这淘汰内容桥接节点35之间的所有同步消息。

在如在图4中示出的另外的实施例中，内容桥接节点35使HSR环10与PRP网络20连接。操作原理保持相同并且保留内容桥接的所有特征。转发的帧遵照PRP协议。为了允许网络层分离，在内容桥接节点上的PRP实现可背离标准PRP-HSR互连。可在内容桥接节点之间提供额外链路以用于将接收的PRP业务转发到对等节点。

在另外的实施例中，本发明可以提供双向内容桥接，其中业务过滤/聚集和转发在两个方向上配置。那意味着两个桥接网络层同时是源和接收者。在内容桥接节点处，处理逻辑被例示两次并且每个实例在一个方向上应用。桥接网络层可以是两个HSR环、或一个HSR环和一个PRP方案或两个PRP方案。

根据本发明的冗余内容桥接使得选择的信息跨网络层可用。与常规技术方案相比之下，带宽使用可以大大减小并且转发延迟可保持为最小。这便于根据关于变电站自动化层级中不同层级-更接近过程或在更强大计算平台上更靠上-的信息实现功能性。此外，功能性通过减少数据可用性的约束而更自由地集中或分布。

本发明可以使冗余网络透明互连并且在网络失效情况下提供零恢复时间。将源网络隐藏在接收网络中的一个逻辑节点后可以使配置和工程投入明显减少。

尽管本发明已经在附图和前述描述中详细地描述，这样的描述要认为是说明性或示范性而不是限制性的。对公开的实施例的变化可以被本领域内技术人员在从对附图、公开和附上的权利要求的学习来实践要求保护的本发明中所理解和实现。在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。某些元件或步骤在互相不同的从属权利要求中陈述的少数事实不指示这些元件或步骤的组合无法被有利地使用，具体地，除实际权利要求从属性外，任何另外的有意义权利要求组合应视为公开的。

名称列表

10 源网络

11 源网络内的业务

15 源网络中的网络节点

20 接收网络

21 接收网络内的业务

25 接收网络中的网络节点

30 接收网络的逻辑设备

35 内容桥接网络节点

61 过滤和转发的业务

62 聚集和转发的业务

70 内容桥同步消息

Claims (9)

1.一种用于在通信网络的源网络与接收网络之间提供网络桥的方法，其中所述网络桥包括根据在IEC 62439-3中定义的冗余方案在所述源网络与所述接收网络之间连接的两个内容桥接节点，其中所述方法包括以下步骤：

对所述两个内容桥接节点分配共同源网络节点标识符；

通过所述两个内容桥接节点中的每个接收所述源网络内的网络业务；以及

通过所述两个内容桥接节点中的每个使用所述共同源网络节点标识符将所述网络业务从所述源网络转发到所述接收网络。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在转发之前通过两个内容桥节点过滤所述网络业务的第一部分，以及

在转发之前通过两个内容桥节点聚集所述网络业务的第二部分。

3.如权利要求1或2所述的方法，其进一步包括：

如果所述网络业务包括偶发性数据，则在所述源网络中通过两个内容桥节点交换同步信息。

4.如权利要求1至2中的任一项所述的方法，

其中所述源网络是PRP或HSR环，并且所述接收网络是PRP或HSR协议，并且

其中所述网络业务根据所述接收网络的协议来转发。

5.一种通信网络的源网络与接收网络之间的网络桥，包括：

根据在IEC 62439-3中定义的冗余方案在所述源网络与所述接收网络之间连接的两个内容桥接节点，

其中所述两个内容桥接节点具有共同源网络节点标识符，并且每个适于接收所述源网络内的网络业务，并且使用所述共同源网络节点标识符将所述网络业务从所述源网络转发到所述接收网络。

6.如权利要求5所述的网络桥，其中两个内容桥节点进一步适于：

在转发之前过滤所述网络业务的第一部分，以及

在转发之前聚集所述网络业务的第二部分。

7.如权利要求5所述的网络桥，其中两个内容桥节点进一步适于：

如果所述网络业务包括偶发性数据，则在所述源网络中交换同步信息。

8.如权利要求6所述的网络桥，其中所述两个内容桥节点进一步适于：

如果所述网络业务包括偶发性数据，则在所述源网络中交换同步信息。

9.如权利要求5至8中任一项所述的网络桥，

其中所述源网络是PRP或HSR环，并且所述接收网络是PRP或HSR协议，并且

其中所述网络业务根据所述接收网络的协议来转发。

Images