【HSR/PRP应用】打造有效应对自然灾害的智能电网

2021年7月20日的一场特大暴雨，导致河南省多地出现重大汛情，国网河南省电力公司紧急启动I级防汛应急响应。公开数据显示，河南省7月21日便已出动保电人员累计6874人、车辆615台、发电车80台、发电机184台，用于全力开展应急抢修、重点保电等工作。因强降雨影响停运(含主动停运)的35千伏及以上的变电站和输电线路达42座和47条，1807条10千伏配电线受损。据了解，此次极端暴雨造成电力停运设备之多、设备受损之重、停电范围之广，均创下河南省电网历史之最。为抵御自然灾害和外界干扰，电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。

什么是智能电网？

所谓智能电网，就是电网的智能化，是建立在集成的、高速双向通信网络基础上的2.0阶段。随着通讯、计算机、自动化等技术与传统电网技术有机融合，电网逐步迈向智能化成为可能。通过先进的传感和测量技术、先进的设备控制方法和决策支持系统，智能电网能够变得更为可靠和安全，使得电网能够更有效地应对恶劣自然环境带来的干扰和攻击，当故障发生时，电网能够快速隔离故障，实现自我恢复，从而避免大面积停电的发生。另外，通过实时和非实时信息的高度集成和双向互动服务模式的建立，电网管理者能够获取更全面、完整和精细的电网运营状态图，用户也能更充分地了解供电能力、电能质量和停电信息，从而合理安排电器使用。

智能电网与HSR/PRP技术

建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，影响着智能电网的数据获取、保护和控制等多个方面。对于智能化的电力自动化和控制系统来说，IEC 61850起着十分关键的作用。IEC 61850 使得数据模型、多样化的通信服务、系统配置描述语言 (SCL)和用于联网和同步的链路层能够标准化。通过IEC 61850相关技术人员的不懈努力，一种基于以太网的零延迟和无帧丢失的网络解决方案成为现实，这一方案能够使智能电力自动化和控制系统内部的关键控制信息（如 GOOSE 或 SMV 消息）通讯变得更为安全可靠。

在之前的文章中有提到，IEC 61850 采用 IEC 61439-3 第 4 条和第 5 条在智能电力自动化和控制系统中提供无扰动以太网冗余，其中IEC 61439-3 第 5 条称为高可靠性无缝冗余 (HSR)，第 4 条称为并行冗余协议 (PRP)。这两种协议都是提供零切换延迟时间、在发生故障时不丢失帧以及在第 2 层进行网络监督的强大手段。

HSR 通过环形网络在两个方向上发送数据包并在支持 HSR 的接收节点上丢弃重复的数据包来提供冗余。使得HSR环网某一处的链路出现故障，而导致某一个方向的信息帧无法到达HSR接收节点时，其可以通过另一个方向接收到冗余信息帧。PRP 适配节点连接到两个独立的以太网网络，并通过两个网络发送帧。这允许在任意一个子网出现故障时，PRP接收节点都可以通过另一个子网接收到冗余信息帧。

- 变电站中使用 HSR 和 PRP 的网络通信 -

上图是HSR/PRP协议应用于变电站网络的一个简要示意。其中HSR用于连接变电站各个间隔层中的智能电子设备（IED），而PRP则用于站控层与间隔层之间的总线通信，连接许多异构设备。如本示例所示，为了保持通信冗余，PRP 和 HSR 网络之间的互连使用冗余网关执行。每个 HSR 链路使用两个网关设备连接到每个 PRP子网，从而避免出现潜在的“单点故障”问题。

正如在这个场景中所显示的那样，工业协议的组合在复杂性和多样性方面正在增加。这些基于以太网的新兴协议对灵活性的需求使得 FPGA 和可重新配置的设备成为组合多种协议首选方案。FPGA 能够提供的功能包括：

实现低切换延迟时间的硬件处理能力

足够的灵活性使设计适应特定客户的要求

硬件和复杂组合支持的协议更新（例如 HSR 和 IEEE 1588）

HSR/PRP 交换机 IP核

HSR-PRP 交换机是一个完整的硬件解决方案，它可以通过利用新的 Xilinx Vivado工具轻松集成到FPGA 设计中，该工具允许在图形用户界面中使用 IP 核并以简单的方式配置 IP 参数。另外，它还能在 HSR 环网、PRP Lans 或在 IEC 61850 环境中起着网络桥接器的作用。

产品介绍
1、集成10/100/1000多速率MAC，可提供(R)(G)MII接口与PHY芯片对接2、提供基于输入端口、VLANPCP（802.1Q）、DSCP TOS(IPv4/IPv6)等方式的QoS管理机制3、支持自定义的基于源、目的MAC的报文帧过滤，支持最高4Kbytes的巨型帧4、实现HSR/PRP冗余协议，HSR模式下支持HSR-SAN、HSR-PRP、HSR-HSR三种运行模式5、支持1588v2混合时钟（仅从站）、IRIG-B主时钟的同步方式6、向外部提供AXI4-Lite、UART、MDIO、CoE(Configurationover Ethernet)这四种配置IP内部的控制/统计用寄存器的手段7、支持Xilinx旗下多个系列、多个型号的FPGA，如6系列的Spartan、Virtex，7系列的Zynq,Spartan, Artix, Kintex, Virtex等