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基于HSR/PRP冗余协议打造有效应对自然灾害的智能电网

虹科智能自动化 2021-10-14 13:18 次阅读
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引言

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。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。

pYYBAGFnvPuAeERmAAMnP-kPzCQ371.png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:

①实现低切换延迟时间的硬件处理能力

②足够的灵活性使设计适应特定客户的要求

③硬件和复杂组合支持的协议更新(例如 HSR 和 IEEE 1588)

以上为虹科工程师分享的HSR/PRP应用案例,欢迎与我们进行技术交流

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