引言

2021年7月20日的一場(chǎng)特大暴雨，導(dǎo)致河南省多地出現(xiàn)重大汛情，國(guó)網(wǎng)河南省電力公司緊急啟動(dòng)I級(jí)防汛應(yīng)急響應(yīng)。公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，河南省7月21日便已出動(dòng)保電人員累計(jì)6874人、車輛615臺(tái)、發(fā)電車80臺(tái)、發(fā)電機(jī)184臺(tái)，用于全力開(kāi)展應(yīng)急搶修、重點(diǎn)保電等工作。因強(qiáng)降雨影響停運(yùn)(含主動(dòng)停運(yùn))的35千伏及以上的變電站和輸電線路達(dá)42座和47條，1807條10千伏配電線受損。據(jù)了解，此次極端暴雨造成電力停運(yùn)設(shè)備之多、設(shè)備受損之重、停電范圍之廣，均創(chuàng)下河南省電網(wǎng)歷史之最。為抵御自然災(zāi)害和外界干擾，電網(wǎng)必須依靠智能化手段不斷提高其安全防御能力和自愈能力。

什么是智能電網(wǎng)？

所謂智能電網(wǎng)，就是電網(wǎng)的智能化，是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的2.0階段。隨著通訊、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)有機(jī)融合，電網(wǎng)逐步邁向智能化成為可能。通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備控制方法和決策支持系統(tǒng)，智能電網(wǎng)能夠變得更為可靠和安全，使得電網(wǎng)能夠更有效地應(yīng)對(duì)惡劣自然環(huán)境帶來(lái)的干擾和攻擊，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)能夠快速隔離故障，實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)，從而避免大面積停電的發(fā)生。通過(guò)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的高度集成和雙向互動(dòng)服務(wù)模式的建立，電網(wǎng)管理者能夠獲取更全面、完整和精細(xì)的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)圖，用戶也能更充分地了解供電能力、電能質(zhì)量和停電信息，從而合理安排電器使用。

智能電網(wǎng)與HSR/PRP技術(shù)

建立高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，影響著智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制等多個(gè)方面。對(duì)于智能化的電力自動(dòng)化和控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，IEC 61850起著十分關(guān)鍵的作用。IEC 61850 使得數(shù)據(jù)模型、多樣化的通信服務(wù)、系統(tǒng)配置描述語(yǔ)言 (SCL)和用于聯(lián)網(wǎng)和同步的鏈路層能夠標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)IEC 61850相關(guān)技術(shù)人員的不懈努力，一種基于以太網(wǎng)的零延遲和無(wú)幀丟失的網(wǎng)絡(luò)解決方案成為現(xiàn)實(shí)，這一方案能夠使智能電力自動(dòng)化和控制系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)鍵控制信息（如 GOOSE 或 SMV 消息）通訊變得更為安全可靠。

在之前的文章中有提到，IEC 61850 采用 IEC 61439-3 第 4 條和第 5 條在智能電力自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中提供無(wú)擾動(dòng)以太網(wǎng)冗余，其中IEC 61439-3 第 5 條稱為高可靠性無(wú)縫冗余 (HSR)，第 4 條稱為并行冗余協(xié)議 (PRP)。這兩種協(xié)議都是提供零切換延遲時(shí)間、在發(fā)生故障時(shí)不丟失幀以及在第 2 層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督的強(qiáng)大手段。

HSR 通過(guò)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)方向上發(fā)送數(shù)據(jù)包并在支持 HSR 的接收節(jié)點(diǎn)上丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包來(lái)提供冗余。使得HSR環(huán)網(wǎng)某一處的鏈路出現(xiàn)故障，而導(dǎo)致某一個(gè)方向的信息幀無(wú)法到達(dá)HSR接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，其可以通過(guò)另一個(gè)方向接收到冗余信息幀。PRP 適配節(jié)點(diǎn)連接到兩個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送幀。這允許在任意一個(gè)子網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，PRP接收節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)另一個(gè)子網(wǎng)接收到冗余信息幀。

上圖是HSR/PRP協(xié)議應(yīng)用于變電站網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)簡(jiǎn)要示意。其中HSR用于連接變電站各個(gè)間隔層中的智能電子設(shè)備（IED），而PRP則用于站控層與間隔層之間的總線通信，連接許多異構(gòu)設(shè)備。如本示例所示，為了保持通信冗余，PRP 和 HSR 網(wǎng)絡(luò)之間的互連使用冗余網(wǎng)關(guān)執(zhí)行。每個(gè) HSR 鏈路使用兩個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到每個(gè) PRP子網(wǎng)，從而避免出現(xiàn)潛在的“單點(diǎn)故障”問(wèn)題。

正如在這個(gè)場(chǎng)景中所顯示的那樣，工業(yè)協(xié)議的組合在復(fù)雜性和多樣性方面正在增加。這些基于以太網(wǎng)的新興協(xié)議對(duì)靈活性的需求使得 FPGA 和可重新配置的設(shè)備成為組合多種協(xié)議首選方案。FPGA 能夠提供的功能包括：

①實(shí)現(xiàn)低切換延遲時(shí)間的硬件處理能力

②足夠的靈活性使設(shè)計(jì)適應(yīng)特定客戶的要求

③硬件和復(fù)雜組合支持的協(xié)議更新（例如 HSR 和 IEEE 1588）

以上為虹科工程師分享的HSR/PRP應(yīng)用案例，歡迎與我們進(jìn)行技術(shù)交流。