電網(wǎng)是當(dāng)今世界的重要資源。電力網(wǎng)絡(luò)的可靠性至關(guān)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(duì)電壓、頻率和開關(guān)柜狀態(tài)的頻繁分析來(lái)確保網(wǎng)絡(luò)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(jià)值節(jié)點(diǎn)之間使用先進(jìn)的監(jiān)控和即時(shí)可用的低延遲通信，從而確保可嚴(yán)密監(jiān)控每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)。

為協(xié)助管理電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及提供必要的控制和通信，配電行業(yè)采用了 IEC 61580 標(biāo)準(zhǔn)。采用 IEC 61580 標(biāo)準(zhǔn)后，數(shù)字信號(hào)可通過基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)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(yùn)營(yíng)商越來(lái)越復(fù)雜的需求，IEC 61580 標(biāo)準(zhǔn)已逐漸發(fā)展為包含眾多時(shí)間關(guān)鍵型的服務(wù)，如 IEEE 1588 同步、面向通用對(duì)象的系統(tǒng)事件 (GOOSE) 和采樣值 (SV) 消息傳遞。

圖 1：IEC 61580 的關(guān)鍵要素及其與以太網(wǎng)的關(guān)系。

相比許多 IT 系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)客戶端-服務(wù)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(yīng)用。IEC 61580 使客戶端-服務(wù)器消息傳遞可分別用于支持遠(yuǎn)程站和其它情形下的設(shè)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(diǎn)。

GOOSE 允許將各種電力要素狀態(tài)的實(shí)時(shí)消息中繼到任何需要查看這些消息的設(shè)備。例如，每個(gè)繼電器針對(duì)其包含的需報(bào)告狀態(tài)的各個(gè)不同類型的對(duì)象，使用一個(gè)識(shí)別符來(lái)發(fā)布信息。其他繼電器和設(shè)備可以訂閱目標(biāo)繼電器發(fā)出的狀態(tài)消息流。這是通過使用在網(wǎng)絡(luò)上多點(diǎn)傳送并在接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行過濾組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且發(fā)布者不需要知道用戶是誰(shuí)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(diǎn)傳送方式，將如電壓測(cè)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(wù)包括符合 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步。該標(biāo)準(zhǔn)會(huì)分配來(lái)自高精度主時(shí)鐘的定時(shí)信號(hào)。在今天使用的許多系統(tǒng)中，該主時(shí)鐘使用配有一個(gè)原子鐘的全球定位系統(tǒng) (GPS) 衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信號(hào)。主時(shí)鐘支持著一個(gè)從時(shí)鐘樹，時(shí)鐘樹既可歸類為邊界時(shí)鐘(存在于網(wǎng)關(guān)中，在 GPS 信號(hào)失效時(shí)可以充當(dāng)臨時(shí)主時(shí)鐘)，也可歸類為存在于每個(gè)系統(tǒng)中的需要同步的普通時(shí)鐘。定時(shí)信息使用一系列消息交換在該時(shí)鐘樹上進(jìn)行行波傳送，消息交換需要定期重復(fù)，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(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送包含時(shí)間戳的同步消息。隨后主時(shí)鐘還會(huì)發(fā)送一個(gè)包含稍晚時(shí)間戳的后續(xù)消息。從時(shí)鐘會(huì)進(jìn)行響應(yīng)，向主時(shí)鐘詢問延遲估計(jì)的消息，而主時(shí)鐘會(huì)提供進(jìn)一步響應(yīng)，反饋消息的發(fā)送時(shí)間。此過程結(jié)束時(shí)，從時(shí)鐘將具有四個(gè)時(shí)間戳，其中三個(gè)由主時(shí)鐘發(fā)送。從時(shí)鐘使用序列中的定時(shí)信息確定其內(nèi)部時(shí)鐘所需的更改，使其盡可能接近主時(shí)鐘。 協(xié)議產(chǎn)生定時(shí)同步，其在局域網(wǎng)上通常精確到幾十納秒。

IEC 61580 基礎(chǔ)架構(gòu)的其他關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用協(xié)議所見的 MAC 層接口下的兩個(gè)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(jī)，并采用星形布線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖 2：PRP 冗余協(xié)議采用星形連接拓?fù)洹?/p>

一種替代方案是高可用性無(wú)縫冗余 (HSR)，IEC 62439 中同樣有此定義。HSR 采用環(huán)形拓?fù)洌總€(gè)數(shù)據(jù)包在復(fù)制后，會(huì)在環(huán)路架構(gòu)以相反方向轉(zhuǎn)發(fā)至目的地。環(huán)路架構(gòu)無(wú)需采用額外的交換機(jī)/路由器，可避免數(shù)據(jù)包在到達(dá)目的地前需要通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)而產(chǎn)生的延遲。高級(jí)通信控制器可以通過使用直通轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?fù)洹?/p>

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(jì)算量。其中一個(gè)解決方案是盡量減輕網(wǎng)絡(luò)級(jí)分析負(fù)載，使主機(jī)處理器只需處理需要注意的消息。這可以在多核 SoC 上實(shí)現(xiàn)，其中一些包含專用智能網(wǎng)絡(luò)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(píng)估板可輕松探索其網(wǎng)絡(luò)功能。

AM572x 基于 ARM®Cortex®-A15 處理器。這個(gè)多核器件通過一個(gè) Cortex-M4 擴(kuò)展了主機(jī)處理器，可用于幫助減少 I/O 密集型任務(wù)的負(fù)擔(dān)。該產(chǎn)品還包括一對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理器以及基于 C66x 架構(gòu)的數(shù)字信號(hào)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(dú)的處理。該單元包含兩個(gè) PRU，每個(gè)都包含一個(gè)運(yùn)行頻率高達(dá) 200 MHz 的 32 位 RISC 處理器和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。兩個(gè)獨(dú)立智能內(nèi)核可以隨時(shí)為 PRP 和 HSR 提供支持。

PRU 內(nèi)核中的 RISC 處理器沒有通用架構(gòu)。相反，該內(nèi)核專門用于處理網(wǎng)絡(luò)幀中遇到的打包存儲(chǔ)器映射數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型。它集成了許多功能，可支持具有緊密實(shí)時(shí)約束的應(yīng)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(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包，并比較其應(yīng)用 ID (APPID) 地址，以實(shí)現(xiàn)由 Cortex-A15 上運(yùn)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(chǔ)器中刪除。

圖 4：共享存儲(chǔ)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(gòu)中的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是各處理器如何相互通信。AM572x 提供共享存儲(chǔ)器就是要幫助將消息從一個(gè)處理器傳遞到另一個(gè)處理器。數(shù)據(jù)包可以輕易形成隊(duì)列，因此可以按順序進(jìn)行寫入和讀取。關(guān)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(jìn)程間通信提供的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(gè)虛擬設(shè)備反映鏈接到遠(yuǎn)程進(jìn)程的每個(gè)通信通道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通道通過文本名稱標(biāo)識(shí)，并具有本地 rpmsg 地址和遠(yuǎn)程 rpmsg 地址。當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器開始監(jiān)聽一個(gè)通道時(shí)，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(dá)時(shí)，rpmsg 內(nèi)核會(huì)根據(jù)目的地地址將其發(fā)送給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。在提供入站消息有效載荷的同時(shí)，通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)器的接收處理程序來(lái)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(yùn)行的不同處理程序?；蛘?，可以將所有消息進(jìn)行分組，中繼到公共消息處理器，然后在主處理器上進(jìn)行排序。

TI 的 Git 存儲(chǔ)庫(kù)提供的開源 IPC3.x 庫(kù)實(shí)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(shè)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(shè)備特定支持。

總結(jié)

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(fù)雜的實(shí)時(shí)控制協(xié)議，例如為管理電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的任務(wù)關(guān)鍵工作而設(shè)計(jì)的協(xié)議。