用于IEC 61850数字变电站的HSR、PRP和PTP技术

10月25日晚20：00-21：00，虹科技术工程师罗工为大家分享了“用于IEC 61850数字变电站的HSR、PRP和PTP技术”，主要内容包括零延迟恢复时间以太网时间协议HSR/PRP、IEEE 1588精确时间协议PTP、以及IEC 61850数字变电站引入HSR/PRP/PTP技术的原因和实际用例。目前，国内关于HSR、PRP协议的介绍相对来说还比较少，本次直播也是为了可以让更多人了解这些协议。

精彩内容回顾

基础概念梳理

# IEC 61850

IEC 61850是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，它的目的是解决变电站内设备互操作问题。此标准使得数据模型、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。但由于IEC 61850对于变电站中的冗余通信情况并没有明确的标准或者模式，各厂家提出自己的冗余解决方案，从而违背IEC 61850服务于互操作性的目标，于是电力工作组采用HSR/PRP协议为智能电力自动化和控制系统中提供以太网冗余解决方案。

# HSR, 高可用性无缝冗余协议

HSR是IEC62439-3第5条规定的标准，它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无缝冗余。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, 并行冗余协议

PRP是 IEC 62439-3第4条中定义的标准，主要用于处理以太网网络中的冗余情况。PRP协议使用双局域网的结构，每个可能的发送源和接收地总是通过两个局域网进行连接。假设在局域网LANA发生故障的情况下，网络仍然可以通过局域网LANB，给源和目的地提供连接，以至于在任意一个子网出现故障的时候，PRP接收节点可以通过另一个子网接收到冗余的数据帧。

# PTP, 精确时间协议

PTP是基于以太网的协议，并在IEEE 1588标准中进行了详细的描述。该协议主要使用主/从分配机制来同步网络设备集合上的时钟。目前的版本被命名为PTPv2，也就是版本2，在IEEE 1588-2008的规范下进行标准化。随着电站系统中的设备对同步要求越来越高，以确保采样的数据能真实反映出实际工况，IEC智能电网战略组建议采用标准中定义的精确时间协议PTP，用于变电站中的高精度时间同步，PTP直接通过以太网，在变电站网络中去分配绝对时间，以实现纳秒范围内的同步精度。

HSR/PRP和PTP在变电站自动化中的应用：

HSR面向的是以太网环形网络结构，它确保数据帧传输时间的已知最坏情况。PRP与两个独立的旧式以太网网络一起工作，但它并不适合在实时场景中的应用，并且运动控制等实时应用需要网络中的设备具备精确的时钟同步，因此，网络必须支持时钟同步和 HSR/PRP的冗余协议，为了与这项工作相进行一个协调，IEC组织已经开发和发布了能够在这些冗余环境中运行的精确时间协议PTP，并制定特定的配置文件，所以开始在行业中引入这种组合方法，就是可靠性以太网与IEEE 1588相结合。

IEC智能电网战略组建议采用 IEEE 1588-2008标准中定义的精确时间协议PTP，用于变电站中的高精度时间同步，PTP直接通过以太网在变电站网络中去分配绝对的时间，从而实现设备纳秒范围内的同步精度。而PTP系统遵循主从层次结构，其中主设备施加时间，从设备在相位和频率上与其进行同步。事实上，PRP、HSR和PTP三种协议可以结合起来支持时间感知网络。

HPS IP核：HSR-PRP Switch实现HSR和PRP冗余协议，提供无缝以太网冗余。通过网络中的两条冗余路径复制和发送帧，接收第一个副本并丢弃第二个，并定期发送监督帧。

HSR-PRP Switch IP

RELY-RB

时间感知的Redbox交换机： RELY-RB是一种新的智能设备概念，它集成了先进的现场验证技术，用于非包丢失冗余以太网、亚微秒同步和网络安全。该设备能够将整个局域网与冗余网络合并，并互连PRP和HSR网络。同时基于IEEE 1588标准实现了高精度时钟同步。

精彩问答节选

Q: 什么是无缝冗余？同样都是冗余协议，HSR协议和PRP协议的异同点在什么地方呢？

A: 无缝冗余网络指网络单链故障时，数据传输能够保持正常通信并且不会出现报文丢失的情况。两个协议的异同点：为了实现冗余，PRP基于双局域网的网络结构，而HSR采用环网结构；这两种协议都能实现无缝冗余，并且对上层协议透明。

Q: HSR网络环中的设备都需要支持HSR协议吗？

A: 由于HSR的标签与标准以太网帧不兼容，所以HSR环中的设备都需要具备接收和发送HSR信息帧的能力。

Q: PRP双局域网中的交换机能转发PRP数据帧吗？

A: PRP由两个标准以太网组成，支持PRP的设备负责通过两个局域网发送和接收重复的数据帧。

Q: pcie通信怎么保证实时性？

A: 因为设备具备IEEE1588，PCIE的冗余交换端口还有互联端口，都可以去和网络结构中的具有同步要求的设备去进行时钟同步，使得系统达到实时性要求。

Q: 对芯片主频有要求吗？

A: 目前IP核的集成平台，是在一些固定的赛灵思平台去实现的，所以对于这类的时钟主频是没问题，具体可以去关注官网上的有关HSR/PRP的IP有关信息，如果考虑其他的实现平台或者芯片，得讨论验证方案的可行性

　　审核编辑：汤梓红