用于IEC 61850數(shù)字變電站的HSR、PRP和PTP技術(shù)

10月25日晚20：00-21：00，虹科技術(shù)工程師羅工為大家分享了“用于IEC 61850數(shù)字變電站的HSR、PRP和PTP技術(shù)”，主要內(nèi)容包括零延遲恢復(fù)時間以太網(wǎng)時間協(xié)議HSR/PRP、IEEE 1588精確時間協(xié)議PTP、以及IEC 61850數(shù)字變電站引入HSR/PRP/PTP技術(shù)的原因和實際用例。目前，國內(nèi)關(guān)于HSR、PRP協(xié)議的介紹相對來說還比較少，本次直播也是為了可以讓更多人了解這些協(xié)議。

精彩內(nèi)容回顧

基礎(chǔ)概念梳理

# IEC 61850

IEC 61850是電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，它的目的是解決變電站內(nèi)設(shè)備互操作問題。此標(biāo)準(zhǔn)使得數(shù)據(jù)模型、多樣化的通信服務(wù)、系統(tǒng)配置描述語言 (SCL)和用于聯(lián)網(wǎng)和同步的鏈路層能夠標(biāo)準(zhǔn)化。但由于IEC 61850對于變電站中的冗余通信情況并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)或者模式，各廠家提出自己的冗余解決方案，從而違背IEC 61850服務(wù)于互操作性的目標(biāo)，于是電力工作組采用HSR/PRP協(xié)議為智能電力自動化和控制系統(tǒng)中提供以太網(wǎng)冗余解決方案。

# HSR,高可用性無縫冗余協(xié)議

HSR是IEC62439-3第5條規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，它通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)在兩個方向上發(fā)送數(shù)據(jù)包，并在支持HSR的接收節(jié)點上丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包來提供無縫冗余。使得HSR環(huán)網(wǎng)某一處的鏈路出現(xiàn)故障，而導(dǎo)致某一個方向的信息幀無法到達(dá)HSR接收節(jié)點時，其可以通過另一個方向接收到冗余信息幀。

# PRP, 并行冗余協(xié)議

PRP是 IEC 62439-3第4條中定義的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于處理以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的冗余情況。PRP協(xié)議使用雙局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，每個可能的發(fā)送源和接收地總是通過兩個局域網(wǎng)進(jìn)行連接。假設(shè)在局域網(wǎng)LANA發(fā)生故障的情況下，網(wǎng)絡(luò)仍然可以通過局域網(wǎng)LANB，給源和目的地提供連接，以至于在任意一個子網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候，PRP接收節(jié)點可以通過另一個子網(wǎng)接收到冗余的數(shù)據(jù)幀。

# PTP, 精確時間協(xié)議

PTP是基于以太網(wǎng)的協(xié)議，并在IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了詳細(xì)的描述。該協(xié)議主要使用主/從分配機(jī)制來同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集合上的時鐘。目前的版本被命名為PTPv2，也就是版本2，在IEEE 1588-2008的規(guī)范下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。隨著電站系統(tǒng)中的設(shè)備對同步要求越來越高，以確保采樣的數(shù)據(jù)能真實反映出實際工況，IEC智能電網(wǎng)戰(zhàn)略組建議采用標(biāo)準(zhǔn)中定義的精確時間協(xié)議PTP，用于變電站中的高精度時間同步，PTP直接通過以太網(wǎng)，在變電站網(wǎng)絡(luò)中去分配絕對時間，以實現(xiàn)納秒范圍內(nèi)的同步精度。

HSR/PRP和PTP在變電站自動化中的應(yīng)用：

HSR面向的是以太網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它確保數(shù)據(jù)幀傳輸時間的已知最壞情況。PRP與兩個獨立的舊式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)一起工作，但它并不適合在實時場景中的應(yīng)用，并且運動控制等實時應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具備精確的時鐘同步，因此，網(wǎng)絡(luò)必須支持時鐘同步和 HSR/PRP的冗余協(xié)議，為了與這項工作相進(jìn)行一個協(xié)調(diào)，IEC組織已經(jīng)開發(fā)和發(fā)布了能夠在這些冗余環(huán)境中運行的精確時間協(xié)議PTP，并制定特定的配置文件，所以開始在行業(yè)中引入這種組合方法，就是可靠性以太網(wǎng)與IEEE 1588相結(jié)合。

IEC智能電網(wǎng)戰(zhàn)略組建議采用 IEEE 1588-2008標(biāo)準(zhǔn)中定義的精確時間協(xié)議PTP，用于變電站中的高精度時間同步，PTP直接通過以太網(wǎng)在變電站網(wǎng)絡(luò)中去分配絕對的時間，從而實現(xiàn)設(shè)備納秒范圍內(nèi)的同步精度。而PTP系統(tǒng)遵循主從層次結(jié)構(gòu)，其中主設(shè)備施加時間，從設(shè)備在相位和頻率上與其進(jìn)行同步。事實上，PRP、HSR和PTP三種協(xié)議可以結(jié)合起來支持時間感知網(wǎng)絡(luò)。

HPS IP核：HSR-PRP Switch實現(xiàn)HSR和PRP冗余協(xié)議，提供無縫以太網(wǎng)冗余。通過網(wǎng)絡(luò)中的兩條冗余路徑復(fù)制和發(fā)送幀，接收第一個副本并丟棄第二個，并定期發(fā)送監(jiān)督幀。

HSR-PRP Switch IP

RELY-RB

時間感知的Redbox交換機(jī)： RELY-RB是一種新的智能設(shè)備概念，它集成了先進(jìn)的現(xiàn)場驗證技術(shù)，用于非包丟失冗余以太網(wǎng)、亞微秒同步和網(wǎng)絡(luò)安全。該設(shè)備能夠?qū)⒄麄€局域網(wǎng)與冗余網(wǎng)絡(luò)合并，并互連PRP和HSR網(wǎng)絡(luò)。同時基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了高精度時鐘同步。

精彩問答節(jié)選

Q: 什么是無縫冗余？同樣都是冗余協(xié)議，HSR協(xié)議和PRP協(xié)議的異同點在什么地方呢？

A: 無縫冗余網(wǎng)絡(luò)指網(wǎng)絡(luò)單鏈故障時，數(shù)據(jù)傳輸能夠保持正常通信并且不會出現(xiàn)報文丟失的情況。兩個協(xié)議的異同點：為了實現(xiàn)冗余，PRP基于雙局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而HSR采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)；這兩種協(xié)議都能實現(xiàn)無縫冗余，并且對上層協(xié)議透明。

Q: HSR網(wǎng)絡(luò)環(huán)中的設(shè)備都需要支持HSR協(xié)議嗎？

A: 由于HSR的標(biāo)簽與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀不兼容，所以HSR環(huán)中的設(shè)備都需要具備接收和發(fā)送HSR信息幀的能力。

Q: PRP雙局域網(wǎng)中的交換機(jī)能轉(zhuǎn)發(fā)PRP數(shù)據(jù)幀嗎？

A: PRP由兩個標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)組成，支持PRP的設(shè)備負(fù)責(zé)通過兩個局域網(wǎng)發(fā)送和接收重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。

Q: pcie通信怎么保證實時性？

A:因為設(shè)備具備IEEE1588，PCIE的冗余交換端口還有互聯(lián)端口，都可以去和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的具有同步要求的設(shè)備去進(jìn)行時鐘同步，使得系統(tǒng)達(dá)到實時性要求。

Q:對芯片主頻有要求嗎？

A:目前IP核的集成平臺，是在一些固定的賽靈思平臺去實現(xiàn)的，所以對于這類的時鐘主頻是沒問題，具體可以去關(guān)注官網(wǎng)上的有關(guān)HSR/PRP的IP有關(guān)信息，如果考慮其他的實現(xiàn)平臺或者芯片，得討論驗證方案的可行性

審核編輯：湯梓紅