如何為協(xié)助管理電網(wǎng)基礎設施提供控制和通信

電網(wǎng)是當今世界的重要資源。電力網(wǎng)絡的可靠性至關重要，特別是隨著分布式發(fā)電的使用的日益增加，以及引入的微電網(wǎng)在監(jiān)視和控制方面需要更多本地智能的情況下。電網(wǎng)上的所有系統(tǒng)需要相互協(xié)作，通過對電壓、頻率和開關柜狀態(tài)的頻繁分析來確保網(wǎng)絡能夠提供穩(wěn)定而一致的交流電。這就要求在控制中心和變電站等高價值節(jié)點之間使用先進的監(jiān)控和即時可用的低延遲通信，從而確?？蓢烂鼙O(jiān)控每個子系統(tǒng)的狀態(tài)。

為協(xié)助管理電網(wǎng)基礎設施以及提供必要的控制和通信，配電行業(yè)采用了 IEC 61580 標準。采用 IEC 61580 標準后，數(shù)字信號可通過基于以太網(wǎng)技術的網(wǎng)絡在變電站和電氣子系統(tǒng)之間傳輸電力狀態(tài)信息。為了滿足電網(wǎng)運營商越來越復雜的需求，IEC 61580 標準已逐漸發(fā)展為包含眾多時間關鍵型的服務，如 IEEE 1588 同步、面向通用對象的系統(tǒng)事件 (GOOSE) 和采樣值 (SV) 消息傳遞。

圖 1：IEC 61580 的關鍵要素及其與以太網(wǎng)的關系。

相比許多 IT 系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)客戶端-服務器通信模式，支持發(fā)布-訂閱消息傳遞的 GOOSE 協(xié)議更適合分布式控制應用。IEC 61580 使客戶端-服務器消息傳遞可分別用于支持遠程站和其它情形下的設備管理，在這些情形下需要直接訪問子站或微電網(wǎng)內(nèi)節(jié)點。

GOOSE 允許將各種電力要素狀態(tài)的實時消息中繼到任何需要查看這些消息的設備。例如，每個繼電器針對其包含的需報告狀態(tài)的各個不同類型的對象，使用一個識別符來發(fā)布信息。其他繼電器和設備可以訂閱目標繼電器發(fā)出的狀態(tài)消息流。這是通過使用在網(wǎng)絡上多點傳送并在接收節(jié)點進行過濾組合方式來實現(xiàn)的，且發(fā)布者不需要知道用戶是誰或者他們是否接收到消息。為了獲得最佳性能，GOOSE 不使用常用的 TCP/IP 協(xié)議。相反，GOOSE 消息直接放在以太網(wǎng)幀內(nèi)。同樣，SV 消息傳遞提供了一種數(shù)據(jù)多點傳送方式，將如電壓測量之類快速變化的值傳送到訂閱的接收器。

IEC 61580 所提供的服務包括符合 IEEE 1588 標準的時間同步。該標準會分配來自高精度主時鐘的定時信號。在今天使用的許多系統(tǒng)中，該主時鐘使用配有一個原子鐘的全球定位系統(tǒng) (GPS) 衛(wèi)星發(fā)送的時間信號。主時鐘支持著一個從時鐘樹，時鐘樹既可歸類為邊界時鐘（存在于網(wǎng)關中，在 GPS 信號失效時可以充當臨時主時鐘），也可歸類為存在于每個系統(tǒng)中的需要同步的普通時鐘。定時信息使用一系列消息交換在該時鐘樹上進行行波傳送，消息交換需要定期重復，以確保所有系統(tǒng)保持同步。

該協(xié)議的工作方式是，讓主時鐘向從時鐘發(fā)送包含時間戳的同步消息。隨后主時鐘還會發(fā)送一個包含稍晚時間戳的后續(xù)消息。從時鐘會進行響應，向主時鐘詢問延遲估計的消息，而主時鐘會提供進一步響應，反饋消息的發(fā)送時間。此過程結束時，從時鐘將具有四個時間戳，其中三個由主時鐘發(fā)送。從時鐘使用序列中的定時信息確定其內(nèi)部時鐘所需的更改，使其盡可能接近主時鐘。協(xié)議產(chǎn)生定時同步，其在局域網(wǎng)上通常精確到幾十納秒。

IEC 61580 基礎架構的其他關鍵部分包含冗余數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。并行冗余協(xié)議 (PRP) 已在 IEC 62439 中標準化，支持雙端口全雙工以太網(wǎng)通信。協(xié)議提供像 GOOSE 和 SV 之類上層應用協(xié)議所見的 MAC 層接口下的兩個冗余數(shù)據(jù)包處理流。通常情況下，以太網(wǎng)連接通過不同的以太網(wǎng)交換機，并采用星形布線網(wǎng)絡拓撲。

圖 2：PRP 冗余協(xié)議采用星形連接拓撲。

一種替代方案是高可用性無縫冗余 (HSR)，IEC 62439 中同樣有此定義。HSR 采用環(huán)形拓撲，每個數(shù)據(jù)包在復制后，會在環(huán)路架構以相反方向轉發(fā)至目的地。環(huán)路架構無需采用額外的交換機/路由器，可避免數(shù)據(jù)包在到達目的地前需要通過多個節(jié)點而產(chǎn)生的延遲。高級通信控制器可以通過使用直通轉發(fā)提供幫助，以盡可能將該延遲降至最低。這種方法不需要數(shù)據(jù)包在轉發(fā)到目的地之前完全解碼。

圖 3：HSR 冗余協(xié)議適用于環(huán)形拓撲。

由于需要廣泛過濾傳入的以太網(wǎng)消息，IEC 61580 需要高性能處理，以便減少用于控制算法的計算量。其中一個解決方案是盡量減輕網(wǎng)絡級分析負載，使主機處理器只需處理需要注意的消息。這可以在多核 SoC 上實現(xiàn)，其中一些包含專用智能網(wǎng)絡處理器。例如Texas Instruments生產(chǎn)的嵌入式微處理器AM572x Sitara。該公司提供的評估板可輕松探索其網(wǎng)絡功能。

AM572x 基于 ARM?Cortex?-A15 處理器。這個多核器件通過一個 Cortex-M4 擴展了主機處理器，可用于幫助減少 I/O 密集型任務的負擔。該產(chǎn)品還包括一對網(wǎng)絡處理器以及基于 C66x 架構的數(shù)字信號處理器，可用于執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。AM572x 上的 PRU-ICSS 子系統(tǒng)除 ARM 內(nèi)核的處理外，還提供單獨的處理。該單元包含兩個 PRU，每個都包含一個運行頻率高達 200 MHz 的 32 位 RISC 處理器和一個網(wǎng)絡接口。兩個獨立智能內(nèi)核可以隨時為 PRP 和 HSR 提供支持。

PRU 內(nèi)核中的 RISC 處理器沒有通用架構。相反，該內(nèi)核專門用于處理網(wǎng)絡幀中遇到的打包存儲器映射數(shù)據(jù)結構的類型。它集成了許多功能，可支持具有緊密實時約束的應用?？梢栽?PRU 處理器上執(zhí)行某種程度的數(shù)據(jù)包過濾。在 AM572x 上， Cortex-M4 為諸如 IEEE 1588、GOOSE 和 SV 之類協(xié)議提供了更多空間。

Cortex-M4 可用于分析所有傳入的多點傳送數(shù)據(jù)包，并比較其應用 ID (APPID) 地址，以實現(xiàn)由 Cortex-A15 上運行的軟件提供的有效訂閱。這樣 M4 可以確定哪些消息需要向上游傳遞。其他數(shù)據(jù)包則可以丟棄并從存儲器中刪除。

圖 4：共享存儲器 IPC 支持將 IEC 61580 處理工作卸載到 Cortex-M4 和其他處理器。

這種卸載處理架構中的一個關鍵考慮因素是各處理器如何相互通信。AM572x 提供共享存儲器就是要幫助將消息從一個處理器傳遞到另一個處理器。數(shù)據(jù)包可以輕易形成隊列，因此可以按順序進行寫入和讀取。關鍵問題是要使用的協(xié)議。一種選擇是在 Cortex-A15 上使用 Linux。這樣可以使用操作系統(tǒng)為進程間通信提供的標準應用編程接口 (API)，例如 remoteproc 和 rpmsg。

rpmsg 消息傳遞系統(tǒng)工作方式是通過提供一個虛擬設備反映鏈接到遠程進程的每個通信通道來實現(xiàn)的。通道通過文本名稱標識，并具有本地 rpmsg 地址和遠程 rpmsg 地址。當一個驅(qū)動器開始監(jiān)聽一個通道時，用于接收的回調(diào)函數(shù)綁定到唯一的 32 位 rpmsg 本地地址。入站消息到達時，rpmsg 內(nèi)核會根據(jù)目的地地址將其發(fā)送給相應的驅(qū)動器。在提供入站消息有效載荷的同時，通過調(diào)用驅(qū)動器的接收處理程序來中繼消息。通過這種方案，GOOSE 和 SV 消息的過濾代碼可以將具有特定 APPID 地址的消息傳遞給在 Cortex-A15 上運行的不同處理程序。或者，可以將所有消息進行分組，中繼到公共消息處理器，然后在主處理器上進行排序。

TI 的 Git 存儲庫提供的開源 IPC3.x 庫實現(xiàn)該軟件，以支持在 Linux 環(huán)境與 TI RTOS 之間使用 rpmsg（適用于 Cortex-M4 和 DSP 內(nèi)核）。IPC 產(chǎn)品可在 TI 設備上提供相同的 API，從而為硬件自旋鎖、處理器間郵箱和通過 MessageQ API 傳遞的 rpmsg 兼容消息取得設備特定支持。

總結

通過具有消息傳遞支持的多處理功能，像 AM572x 這樣的器件可以有效支持復雜的實時控制協(xié)議，例如為管理電網(wǎng)基礎設施的任務關鍵工作而設計的協(xié)議。