2021年7月20日的一場特大暴雨，導致河南省多地出現重大汛情，國網河南省電力公司緊急啟動I級防汛應急響應。公開數據顯示，河南省7月21日便已出動保電人員累計6874人、車輛615台、發電車80台、發電機184台，用於全力開展應急搶修、重點保電等工作。因強降雨影響停運（含主動停運）的35千伏及以上的變電站和輸電線路達 42座和 47條，1807條10千伏配電線受損。據了解，此次極端暴雨造成電力停運設備之多、設備受損之重、停電範圍之廣，均創下河南省電網歷史之最。為抵禦自然災害和外界干擾，電網必須依靠智能化手段不斷提高其安全防禦能力和自愈能力。
甚麼是智能電網?
所謂智能電網，就是電網的智能化，是建立在集成的、高速雙向通訊網路基礎上的 2.0階段。隨著通訊、計算機、自動化等技術與傳統電網技術有機融合，電網逐步邁向智能化成為可能。透過先進的傳感和測量技術、先進的設備控制方法和決策支持系統，智能電網能夠變得更為可靠和安全，使得電網能夠更有效地應對惡劣自然環境帶來的干擾和攻擊，當故障發生時，電網能夠快速隔離故障，實現自我恢復，從而避免大面積停電的發生。另外，透過實時和非實時訊息的高度集成和雙向互動服務模式的建立，電網管理者能夠獲取更全面、完整和精細的電網運營狀態圖，用戶也能更充分地了解供電能力、電能質量和停電訊息，從而合理安排電器使用。
智能電網 與 HSR/PRP技術
建立高速、雙向、實時、集成的通訊系統是實現智能電網的基礎，影響著智能電網的數據獲取、保護和控制等多個方面。對於智能化的電力自動化和控制系統來說，IEC 61850起著十分關鍵的作用。IEC 61850 使得數據模型、多樣化的通訊服務、系統配置描述語言 (SCL)和用於聯網和同步的鏈路層能夠標準化。透過 IEC 61850相關技術人員的不懈努力，一種基於以太網的零延遲和無幀丟失的網路解決方案成為現實，這一方案能夠使智能電力自動化和控制系統內部的關鍵控制訊息（如 GOOSE 或 SMV 消息）通訊變得更為安全可靠。
在之前的文章中有提到，IEC 61850 採用 IEC 61439-3 第 4 條和第 5 條在智能電力自動化和控制系統中提供無擾動以太網冗餘，其中 IEC 61439-3 第 5 條稱為高可靠性無縫冗餘 (HSR)，第4 條稱為並行冗餘協議 (PRP)。這兩種協議都是提供零切換延遲時間、在發生故障時不丟失幀以及在第 2 層進行網路監督的強大手段。
HSR 透過環形網路在兩個方向上發送數據包並在支持 HSR 的接收節點上丟棄重複的數據包來提供冗餘。使得 HSR環網某一處的鏈路出現故障，而導致某一個方向的訊息幀無法到達 HSR接收節點時，其可以透過另一個方向接收到冗餘訊息幀。PRP 適配節點連接到兩個獨立的以太網網路，並通過兩個網路發送幀。這允許在任意一個子網出現故障時，PRP接收節點都可以透過另一個子網接收到冗餘訊息幀。
上圖是 HSR/PRP協議應用於變電站網路的一個簡要示意。其中 HSR用於連接變電站各個間隔層中的智能電子設備（IED），而 PRP則用於站控層與間隔層之間的總線通訊，連接許多異構設備。如本示例所示，為了保持通訊冗餘，PRP 和 HSR 網路之間的互連使用冗餘網關執行。每個 HSR 鏈路使用兩個網關設備連接到每個 PRP子網，從而避免出現潛在的“單點故障”問題。
正如在這個場景中所顯示的那樣，工業協議的組合在復雜性和多樣性方面正在增加。這些基於以太網的新興協議對靈活性的需求使得 FPGA 和可重新配置的設備成為組合多種協議首選方案。FPGA 能夠提供的功能包括：
▍實現低切換延遲時間的硬體處理能力
▍足夠的靈活性使設計適應特定用戶的需求
▍硬體和複雜組合支持的協議更新（例如HSR 和IEEE 1588）
HSR/PRP 交換機IP核
HSR-PRP 交換機是一個完整的硬體解決方案，它可以透過利用新的 Xilinx Vivado工具輕鬆集成到 FPGA 設計中，該工具允許在圖形用戶界面中使用 IP 核並以簡單的方式配置 IP 參數。另外，它還能在 HSR 環網、PRP Lans 或在 IEC 61850 環境中起著網路橋接器的作用。
1、集成10/100/1000多速率 MAC，可提供 (R)(G)MII接口與 PHY晶片對接
2、提供基於輸入端口、VLANPCP（802.1Q）、DSCP TOS(IPv4/IPv6)等方式的QoS管理機制
3、支持自定義的基於源、目的 MAC的報文幀過濾，支持最高4Kbytes的巨型幀
4、實現HSR/ PRP冗餘協議，HSR模式下支持 HSR-SAN、HSR-PRP、HSR-HSR三種運行模式
5、支持1588v2混合時鐘（僅從站）、IRIG-B主時鐘的同步方式
6、向外部提供AXI4-Lite、UART、MDIO、CoE(Configurationover Ethernet)這四種配置IP內部的控制/統計用寄存器的手段
7、支持Xilinx旗下多個系列、多個型號的 FPGA，如6系列的 Spartan、Virtex，7系列的Zynq, Spartan, Artix, Kintex, Virtex等
