10月25日晚20：00-21：00，虹科技術工程師羅工為大家分享了“用于IEC 61850數字變電站的HSR、PRP和PTP技術”，主要內容包括零延遲恢復時間以太網時間協議HSR/PRP、IEEE 1588精確時間協議PTP、以及IEC 61850數字變電站引入HSR/PRP/PTP技術的原因和實際用例。目前，國內關于HSR、PRP協議的介紹相對來說還比較少，本次直播也是為了可以讓更多人了解這些協議。

精彩內容回顧

基礎概念梳理

# IEC 61850

IEC 61850是電力系統自動化領域唯一的全球通用標準，它的目的是解決變電站內設備互操作問題。此標準使得數據模型、多樣化的通信服務、系統配置描述語言 (SCL)和用于聯網和同步的鏈路層能夠標準化。但由于IEC 61850對于變電站中的冗余通信情況并沒有明確的標準或者模式，各廠家提出自己的冗余解決方案，從而違背IEC 61850服務于互操作性的目標，于是電力工作組采用HSR/PRP協議為智能電力自動化和控制系統中提供以太網冗余解決方案。

# HSR,高可用性無縫冗余協議

HSR是IEC62439-3第5條規定的標準，它通過環形網絡在兩個方向上發送數據包，并在支持HSR的接收節點上丟棄重復的數據包來提供無縫冗余。使得HSR環網某一處的鏈路出現故障，而導致某一個方向的信息幀無法到達HSR接收節點時，其可以通過另一個方向接收到冗余信息幀。

# PRP, 并行冗余協議

PRP是 IEC 62439-3第4條中定義的標準，主要用于處理以太網網絡中的冗余情況。PRP協議使用雙局域網的結構，每個可能的發送源和接收地總是通過兩個局域網進行連接。假設在局域網LANA發生故障的情況下，網絡仍然可以通過局域網LANB，給源和目的地提供連接，以至于在任意一個子網出現故障的時候，PRP接收節點可以通過另一個子網接收到冗余的數據幀。

# PTP, 精確時間協議

PTP是基于以太網的協議，并在IEEE 1588標準中進行了詳細的描述。該協議主要使用主/從分配機制來同步網絡設備集合上的時鐘。目前的版本被命名為PTPv2，也就是版本2，在IEEE 1588-2008的規范下進行標準化。隨著電站系統中的設備對同步要求越來越高，以確保采樣的數據能真實反映出實際工況，IEC智能電網戰略組建議采用標準中定義的精確時間協議PTP，用于變電站中的高精度時間同步，PTP直接通過以太網，在變電站網絡中去分配絕對時間，以實現納秒范圍內的同步精度。

HSR/PRP和PTP在變電站自動化中的應用：

HSR面向的是以太網環形網絡結構，它確保數據幀傳輸時間的已知最壞情況。PRP與兩個獨立的舊式以太網網絡一起工作，但它并不適合在實時場景中的應用，并且運動控制等實時應用需要網絡中的設備具備精確的時鐘同步，因此，網絡必須支持時鐘同步和 HSR/PRP的冗余協議，為了與這項工作相進行一個協調，IEC組織已經開發和發布了能夠在這些冗余環境中運行的精確時間協議PTP，并制定特定的配置文件，所以開始在行業中引入這種組合方法，就是可靠性以太網與IEEE 1588相結合。

IEC智能電網戰略組建議采用 IEEE 1588-2008標準中定義的精確時間協議PTP，用于變電站中的高精度時間同步，PTP直接通過以太網在變電站網絡中去分配絕對的時間，從而實現設備納秒范圍內的同步精度。而PTP系統遵循主從層次結構，其中主設備施加時間，從設備在相位和頻率上與其進行同步。事實上，PRP、HSR和PTP三種協議可以結合起來支持時間感知網絡。

HPS IP核：HSR-PRP Switch實現HSR和PRP冗余協議，提供無縫以太網冗余。通過網絡中的兩條冗余路徑復制和發送幀，接收第一個副本并丟棄第二個，并定期發送監督幀。

HSR-PRP Switch IP

RELY-RB

時間感知的Redbox交換機： RELY-RB是一種新的智能設備概念，它集成了先進的現場驗證技術，用于非包丟失冗余以太網、亞微秒同步和網絡安全。該設備能夠將整個局域網與冗余網絡合并，并互連PRP和HSR網絡。同時基于IEEE 1588標準實現了高精度時鐘同步。

精彩問答節選

Q: 什么是無縫冗余？同樣都是冗余協議，HSR協議和PRP協議的異同點在什么地方呢？

A: 無縫冗余網絡指網絡單鏈故障時，數據傳輸能夠保持正常通信并且不會出現報文丟失的情況。兩個協議的異同點：為了實現冗余，PRP基于雙局域網的網絡結構，而HSR采用環網結構；這兩種協議都能實現無縫冗余，并且對上層協議透明。

Q: HSR網絡環中的設備都需要支持HSR協議嗎？

A: 由于HSR的標簽與標準以太網幀不兼容，所以HSR環中的設備都需要具備接收和發送HSR信息幀的能力。

Q: PRP雙局域網中的交換機能轉發PRP數據幀嗎？

A: PRP由兩個標準以太網組成，支持PRP的設備負責通過兩個局域網發送和接收重復的數據幀。

Q: pcie通信怎么保證實時性？

A:因為設備具備IEEE1588，PCIE的冗余交換端口還有互聯端口，都可以去和網絡結構中的具有同步要求的設備去進行時鐘同步，使得系統達到實時性要求。

Q:對芯片主頻有要求嗎？

A:目前IP核的集成平臺，是在一些固定的賽靈思平臺去實現的，所以對于這類的時鐘主頻是沒問題，具體可以去關注官網上的有關HSR/PRP的IP有關信息，如果考慮其他的實現平臺或者芯片，得討論驗證方案的可行性

審核編輯：湯梓紅