虹科方案 | 在数字化的变电站中低成本实现无缝集成的独特解决方案

 

 

虹科RELY-SYNC-HSR/RPR-PCIe在AP Sensing公司的应用案例体现了第三方技术供应商在时间感知高可靠性基础设施中引入新监控系统方面的复杂性，而虹科RELY-SYNC-HSR/RPR-PCIe能够克服这一难题，并为电力部门提供具有成本效益且符合标准的无缝集成解决方案。

 

案例背景

AP Sensing是光学传感技术(分布式温度、声学和震动传感）领域的领导者，2007年它从惠普/安捷伦公司独立出来，目前在光纤测量方面有着超过25年的经验，并在光学传感（DTS, DAS, DVS）方面有着高质量和精心设计的解决方案，这些方案的应用领域之一便是电力部门，特别是发电站和变电站方面。 如今，当前设备的最高处理能力是推进数字化转型的一个重要方面，这意味着需要以合理的成本来进行高级分析，还可以基于真实世界的诸多因素创建一个数字模型并根据具体的输入数据预测未来的反应。所有的新型人工智能（AI）应用于操作系统不同方面，并允许为这些系统创建基于垂直领域的新应用。 在电力领域，如今的电网需要在尽可能高的安全容量水平上运行。为了保护基础设施，通常会采用高安全系数的应用，而这可能会限制对电力电缆基础设施的有效利用。实时热监测平衡了对资产保护和网络性能优化的需求。

 

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分布式温度感应（DTS）能够持续监测大功率电缆的温度、检测热点、提供运行状态、条件评估和电力电路额定数据（实时热额定-RTTR，动态电缆额定-DCR）。DTS利用Raman effect来测量温度。通过光纤发送的光学激光脉冲导致一些散射光反射回发送端，并在那里进行分析。

 

Raman scattering的强度是对光纤沿线温度的测量。Raman anti-Stokes signal的振幅会随着温度的变化而发生明显变化，而Raman Stokes signal则相对稳定。

如上图所示, 温度读数的位置是通过测量返回的光脉冲的到达时间来确定 ，类似于雷达回波。这种方法被称为OTDR（光学时域反射仪）。

 

另一方面，分布式声学传感(DAS)提供故障检测以及TPI(第三方干扰）保护，如陆地（挖掘和钻探）和海底（锚杆落和拖曳）的应用中。这有助于优化传输和分配网络，并降低运营成本。这些系统检测振动并捕获沿着光纤的声能，该光纤的功能就像安装了数以千计的麦克风，而分类算法则用来检测和定位，例如入侵活动。

 

案例中的难题与挑战

2017年，AP Sensing在沙特阿拉伯实施了新的监测系统，用于当地的5个数字化变电站。其客户已经在其控制和站内总线上实施了高可靠性的网络，而承包商必须将其通信适应现有网络。此外，市场上使用了多样化的DAS/DVS技术，根据不同的应用和项目要求，AP Sensing需要能够提供最合适的技术，并将其完全整合到纳入AP Sensing的软件套件。

 

 

如今，关键系统使用高可靠性网络是必须的，从技术角度看，最先进的解决方案可以确保在单一网络故障和 "即插即用 "操作的情况下不丢失数据包。此外，客户需要可互操作的的标准化解决方案，以避免因采用厂商专有的方法而受到限制。
 

 

基于现实需要，国际电工委员会（IEC）已加紧发布基于高可靠性以太网的解决方案，其中包括高可靠无缝冗余（HSR,IEC 62439-3-Clause 5）和并行冗余协议（PRP, IEC 62439-3-Clause 4）这两种实现网络故障时保证零延迟恢复时间的协议。

 

●  PRP的冗余是在节点中而不是在网络中实现的，特别是适应的节点（Dual Attached Nodes DANs）被连接到两个独立的以太网网络（LAN A和LAN B），并发送相同的帧在两个网络上发送。

 

 

该变电站项目提出的要求之一是使用基于硬件的PRP通信，而不是基于协议实现的软件。使用硬件PRP方案的好处是实现低延迟、高吞吐量，最重要的是，该解决方案独立于设备的CPU可以带来更强的稳定性。此外，基于硬件的PRP方案避免了在主机CPU上以软件的方式实现IEEE 1588标准，因为这种软件将被要求用于Transparent Clock操作，且交换的IEEE 1588帧也需要这种软件，从而成为PRP软件方案的一个显著风险。 目前，这5个变电站已部署了一个高质量的硬件PRP网络，并且希望所有终端设备的性能在同一水平上。另一方面，AP Sensing必须处理复杂的通信，否则可能会影响其应用的性能。

 

虹科RELY-SYNC-HSR/RPR-PCIe解决方案

在对虹科RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe卡进行全面测试后，AP Sensing验证了该解决方案是该变电站项目中的最佳解决方案。虹科RELY-SYNC-HSR/PRP-PCIe方案的主要好处之一是它独立于其所在计算机中的操作系统。这一特点简化了新项目所需的整合工作，从而节约成本。此外，客户能够在其网络中集成和监控新设备。

 

 

该案例中使用的设备配置基于单个RELY-SYNC-HSR/PRP-PCle 卡，提供三个可配置的 SFP 端口。其中一个端口通过一个1000 Base X光纤SFP连接到光纤传感器，允许从光纤传感器高速接收数据。另外两个 SFP 端口用于通过100 Base FX 光纤 SFP 将处理器单元连接到 PRP 网络，转换变电站网络的双连接节点中的处理器单元，并避免需要额外的网络设备。 

虹科RELY系列设备的核心基于多核可编程 SoC 电子架构，能够满足边缘数据采集、计算和网络应用中最苛刻的需求。嵌入式 CPU 是 ARM 处理器，与领先的 FPGA 共享同一硅芯片。这种可重新配置的逻辑支持用于低延迟安全网络和并行数据预处理的临时硬件核心，以及其他液体硬件微服务。因此，这项技术的另一个关键优势是能够进行远程升级，以实施新的标准版本。