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可靠电网的实时冗余通信
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2022-11-28
刘芳
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电网是当今世界的重要资源。电网的可靠性至关重要，尤其是随着分布式发电的使用越来越多以及微电网的引入需要更多的本地智能进行监测和控制。电网上的所有系统都需要通过对电压、频率和开关设备状态的频繁分析来保证网络能够提供稳定一致的交流电。这一要求指向在控制中心和高价值节点（例如变电站）之间使用高级监控和随时可用的低延迟通信，以确保密切监控每个子系统的状态。电网是当今世界的重要资源。电网的可靠性至关重要，尤其是随着分布式发电的使用越来越多以及微电网的引入需要更多的本地智能进行监测和控制。电网上的所有系统都需要通过对电压、频率和开关设备状态的频繁分析来保证网络能够提供稳定一致的交流电。这一要求指向在控制中心和高价值节点（例如变电站）之间使用高级监控和随时可用的低延迟通信，以确保密切监控每个子系统的状态。为帮助管理电网基础设施并提供必要级别的控制和通信，配电行业采用了 IEC 61580 标准。使用 IEC 61580，数字信号通过基于以太网技术的网络在变电站和电气子系统之间传输有关电源状态的信息。为了满足电网运营商日益复杂的需求，IEC 61580 标准已经发展到包含许多时间关键型服务，例如 IEEE 1588 同步、通用对象导向系统事件 (GOOSE) 和采样值 (SV) 消息传递。为帮助管理电网基础设施并提供必要级别的控制和通信，配电行业采用了 IEC 61580 标准。使用 IEC 61580，数字信号通过基于以太网技术的网络在变电站和电气子系统之间传输有关电源状态的信息。为了满足电网运营商日益复杂的需求，IEC 61580 标准已经发展到包含许多时间关键型服务，例如 IEEE 1588 同步、通用对象导向系统事件 (GOOSE) 和采样值 (SV) 消息传递。图 1：IEC 61580 的关键要素及其与以太网的关系。图 1：IEC 61580 的关键要素及其与以太网的关系。GOOSE 协议支持发布-订阅消息传递，与许多 IT 系统中使用的传统客户端-服务器通信模型相比，它更适合分布式控制应用程序。IEC 61580 使客户端-服务器消息传递可单独使用，以支持远程站的设备管理以及需要直接访问变电站或微电网中的节点的其他情况。GOOSE 协议支持发布-订阅消息传递，与许多 IT 系统中使用的传统客户端-服务器通信模型相比，它更适合分布式控制应用程序。IEC 61580 使客户端-服务器消息传递可单独使用，以支持远程站的设备管理以及需要直接访问变电站或微电网中的节点的其他情况。GOOSE 允许将有关各种电气元件状态的实时消息中继到需要查看它们的任何设备。例如，每个中继针对它包含的需要报告状态的每种不同类型的对象使用单个标识符来发布信息。其他中继和设备可以订阅目标中继发出的状态消息流。这是通过网络多播和接收节点过滤的组合来执行的——发布者不需要知道订阅者是谁或者他们是否收到了消息。为了获得最佳性能，GOOSE 不使用常用的 TCP/IP 协议。相反，GOOSE 消息直接放在以太网帧中。同样，SV 消息传递提供了一种为快速变化的值多播数据的方法，例如电压测量、GOOSE 允许将有关各种电气元件状态的实时消息中继到需要查看它们的任何设备。例如，每个中继针对它包含的需要报告状态的每种不同类型的对象使用单个标识符来发布信息。其他中继和设备可以订阅目标中继发出的状态消息流。这是通过网络多播和接收节点过滤的组合来执行的——发布者不需要知道订阅者是谁或者他们是否收到了消息。为了获得最佳性能，GOOSE 不使用常用的 TCP/IP 协议。相反，GOOSE 消息直接放在以太网帧中。同样，SV 消息传递提供了一种为快速变化的值多播数据的方法，例如电压测量、根据 IEC 61580 提供的服务包括根据 IEEE 1588 标准的时间同步。该标准分配源自高精度主时钟的定时信号。在当今使用的许多系统中，这个主时钟使用全球定位系统 (GPS) 卫星传输的时间信号，每个卫星都包含一个原子钟。主时钟提供一棵从时钟树，这些从时钟要么被归类为边界时钟——这些时钟位于网关中，如果 GPS 信号出现故障，它们可以充当临时主时钟——或者位于每个需要同步的系统内的普通时钟。定时信息使用一系列需要定期重复的消息交换在树中波动，以确保所有系统保持同步。根据 IEC 61580 提供的服务包括根据 IEEE 1588 标准的时间同步。该标准分配源自高精度主时钟的定时信号。在当今使用的许多系统中，这个主时钟使用全球定位系统 (GPS) 卫星传输的时间信号，每个卫星都包含一个原子钟。主时钟提供一棵从时钟树，这些从时钟要么被归类为边界时钟——这些时钟位于网关中，如果 GPS 信号出现故障，它们可以充当临时主时钟——或者位于每个需要同步的系统内的普通时钟。定时信息使用一系列需要定期重复的消息交换在树中波动，以确保所有系统保持同步。该协议的工作原理是让主时钟向从时钟发送包含时间戳的同步消息。不久之后，它会发送一个包含稍后时间戳的后续消息。从机响应一条消息，要求主机提供延迟估计，并提供包含发送时间的进一步响应。在此过程结束时，slave 将有四个时间戳，其中三个是 master 发送的。使用序列中的定时信息，从设备确定对其内部时钟进行的更改以尽可能接近主设备。该协议导致在局域网上通常精确到几十纳秒的时间同步。该协议的工作原理是让主时钟向从时钟发送包含时间戳的同步消息。
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