走近SoC-e——TSN（时间敏感网络）的先驱和幕后推手（三）——在智能电网的应用

用于电力自动化的TSN SoC

IEC 61850是智能电源自动化和控制系统（PAC）的骨干。IEC 61850标准化了数据模型，多种通信服务，系统配置描述语言（SCL）甚至用于网络和同步的链路层。IEC 61850社区和行业已经投入大量精力为这些系统内传递的关键控制消息（如GOOSE或SMV消息）提供基于零延迟和无帧丢失的基于以太网的联网解决方案。

IEC 61850是变电站自动化的标准，可实现变电站和许多智能电网房屋的互操作数字化。它定义了数据模型，服务和通信协议。自2004年发布标准的14个部分以来，该行业中大多数数字化过程都遵循此标准方法。精确时间协议（PTP，IEEE 1588）也包含在此标准中，用于同步。

从安全角度来看，电力部门被确定为关键系统。发电厂和变电站被认为是关键基础设施。因此，这些场所的数字化已将网络攻击列为潜在威胁。PTP和第2层控制消息GOOSE和SMV的保护需要特定的分析和解决方法。IEC 62351-6标准提出了GOOSE和SMV消息的安全扩展。但是，此以太网流量可识别IEEE 1588，因此，为保护此类消息而建议的任何解决方案都必须考虑到不影响同步平面的问题。

IEC 61850采用IEC 61439-3的第4和第5条，以在PAC中提供无冲击的以太网冗余。IEC 61439-3的第5条被称为高可用性无缝冗余（HSR），第4条被称为并行冗余协议（PRP）。

两种协议都提供了零切换延迟时间，在故障情况下不会丢失任何帧，以及在第2层进行网络监督提供了强大手段。

HSR通过在环形网络上双向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。如果环网中断，则将始终通过另一个端口接收帧。

适应PRP的节点连接到两个独立的以太网，并通过两个网络发送帧。当任何网络出现故障时，这将允许通过该帧进行接收。

使用HSR和PRP的变电站网络通信

上图显示了在变电站自动化中实现的这种新协议的示例。HSR在每个机架中互连智能电子设备（IED）（机架内通信），而PRP适合用于站点和机架间总线，并连接许多异构设备。

如在该示例中描绘的，为了维持通信中的冗余，使用冗余网关来执行PRP和HSR网络之间的互连。每个HSR链接使用两个网关设备连接到每个PRP LAN。因此，避免了潜在的“单点故障”。

正如在这种情况下所显示的，工业协议的组合在复杂性和多样性上正在增加。这些新兴的基于以太网的协议对灵活性的需求使得FPGA和可重配置设备通常成为实现能够组合多种协议的网络设备的最佳选择。由适当的IP核支持的FPGA提供：

·硬件处理能力可缩短切换延迟时间

·足够的灵活性以使设计适应特定的客户要求

·硬件和复杂组合（例如HSR和IEEE 1588）支持的协议更新 

SoC-e还提供了一种颠覆性的解决方案，可以对智能电网中测量的电流和电压值执行大规模并行DSP处理。

 这种计算是在本地或云数据中心完成的，仅使用一张FPGA加速卡即可支持数百微秒范围的固定延迟DSP处理数百个测量值流。该性能比独立IED设备完成的常规处理高出一个数量级。因此，启用了用于智能电网自动化，控制，安全性，质量分析和商业智能的大量新的高级应用程序。

该演示基于基于PCIe Xilinx的设备加速卡（Zynq-7000，Zynq UltraScale + MPSoC）和SoC-e SMV IP内核。

虹科是一家在工业自动化领域，特别是工业总线通讯行业经验超过10年的高科技公司。虹科工业通讯事业部与世界知名的工业通讯专家【PEAK-System，Hilscher，Kunbus，SYS TEC，Koenig-Pa，Port，Copa-data，TenAsys，SoC-e、RELYUM】等深度合作，提供业内顶尖水平的工业总线协议软硬件解决方案，协议类型包含【CAN、CANopen、EtherCAT、Profibus、Profinet、Ethernet/IP、TSN】等，产品类型包含代码、软件、芯片、板卡、模块等。虹科工业通讯以客户需求为导向，以技术能力为基础，为国内企业提供最适合的产品和最满意的服务。特别是在工业4.0的大环境下，虹科工业通讯与时俱进，推出了TSN（时间敏感网络）的解决方案，后者将在推动万物互联的潮流中扮演着如高速公路般的连接作用。 

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