基于HSR/PRP冗余協(xié)議打造有效應對自然災害的智能電網(wǎng)

引言

2021年7月20日的一場特大暴雨，導致河南省多地出現(xiàn)重大汛情，國網(wǎng)河南省電力公司緊急啟動I級防汛應急響應。公開數(shù)據(jù)顯示，河南省7月21日便已出動保電人員累計6874人、車輛615臺、發(fā)電車80臺、發(fā)電機184臺，用于全力開展應急搶修、重點保電等工作。因強降雨影響停運(含主動停運)的35千伏及以上的變電站和輸電線路達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設備之多、設備受損之重、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)絡基礎上的2.0階段。隨著通訊、計算機、自動化等技術與傳統(tǒng)電網(wǎng)技術有機融合，電網(wǎng)逐步邁向智能化成為可能。通過先進的傳感和測量技術、先進的設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)能夠更有效地應對惡劣自然環(huán)境帶來的干擾和攻擊，當故障發(fā)生時，電網(wǎng)能夠快速隔離故障，實現(xiàn)自我恢復，從而避免大面積停電的發(fā)生。通過實時和非實時信息的高度集成和雙向互動服務模式的建立，電網(wǎng)管理者能夠獲取更全面、完整和精細的電網(wǎng)運營狀態(tài)圖，用戶也能更充分地了解供電能力、電能質量和停電信息，從而合理安排電器使用。

智能電網(wǎng)與HSR/PRP技術

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎，影響著智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制等多個方面。對于智能化的電力自動化和控制系統(tǒng)來說，IEC 61850起著十分關鍵的作用。IEC 61850 使得數(shù)據(jù)模型、多樣化的通信服務、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準化。通過IEC 61850相關技術人員的不懈努力，一種基于以太網(wǎng)的零延遲和無幀丟失的網(wǎng)絡解決方案成為現(xiàn)實，這一方案能夠使智能電力自動化和控制系統(tǒng)內部的關鍵控制信息（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 條在智能電力自動化和控制系統(tǒng)中提供無擾動以太網(wǎng)冗余，其中IEC 61439-3 第 5 條稱為高可靠性無縫冗余 (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間、在發(fā)生故障時不丟失幀以及在第 2 層進行網(wǎng)絡監(jiān)督的強大手段。

HSR 通過環(huán)形網(wǎng)絡在兩個方向上發(fā)送數(shù)據(jù)包并在支持 HSR 的接收節(jié)點上丟棄重復的數(shù)據(jù)包來提供冗余。使得HSR環(huán)網(wǎng)某一處的鏈路出現(xiàn)故障，而導致某一個方向的信息幀無法到達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 適配節(jié)點連接到兩個獨立的以太網(wǎng)網(wǎng)絡，并通過兩個網(wǎng)絡發(fā)送幀。這允許在任意一個子網(wǎng)出現(xiàn)故障時，PRP接收節(jié)點都可以通過另一個子網(wǎng)接收到冗余信息幀。

上圖是HSR/PRP協(xié)議應用于變電站網(wǎng)絡的一個簡要示意。其中HSR用于連接變電站各個間隔層中的智能電子設備（IED），而PRP則用于站控層與間隔層之間的總線通信，連接許多異構設備。如本示例所示，為了保持通信冗余，PRP 和 HSR 網(wǎng)絡之間的互連使用冗余網(wǎng)關執(zhí)行。每個 HSR 鏈路使用兩個網(wǎng)關設備連接到每個 PRP子網(wǎng)，從而避免出現(xiàn)潛在的“單點故障”問題。

正如在這個場景中所顯示的那樣，工業(yè)協(xié)議的組合在復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)議對靈活性的需求使得 FPGA 和可重新配置的設備成為組合多種協(xié)議首選方案。FPGA 能夠提供的功能包括：

①實現(xiàn)低切換延遲時間的硬件處理能力

②足夠的靈活性使設計適應特定客戶的要求

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

以上為虹科工程師分享的HSR/PRP應用案例，歡迎與我們進行技術交流。