網(wǎng)絡(luò)工程師評職論文淺談以太網(wǎng)設(shè)計

　　摘要：通信技術(shù)是變電站自動化的關(guān)鍵。目前我國變電站自動化采用的通信網(wǎng)絡(luò)種類繁多, 應(yīng)用的規(guī)約各異。在研究嵌入式實時操作系統(tǒng)Nucleus 的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建了以MC68332 為CPU, CS8900 A 為以太網(wǎng)控制器的智能電氣設(shè)備以太網(wǎng)接入模塊, 分析了現(xiàn)有通信協(xié)議IEC60870- 5- 103 的實現(xiàn), 提出以此作為變電站間隔層通信接口的變電站自動化系統(tǒng)通信方案。

　　關(guān)鍵詞：變電站自動化,嵌入式以太網(wǎng),應(yīng)用模式,傳輸模式

　　變電站自動化技術(shù)在我國發(fā)展很快, 現(xiàn)在新建的變電站絕大多數(shù)都采用了變電站自動化技術(shù), 很多老站也在改造。與常規(guī)變電站系統(tǒng)相比, 通信是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。通信網(wǎng)絡(luò)和規(guī)約的不統(tǒng)一, 造成各廠商之間產(chǎn)品難以互聯(lián)和互操作?，F(xiàn)有的串行總線網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)無法滿足變電站自動化系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)速度和可靠性的更高要求。國際電工委員會( IEC) 已經(jīng)制定了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標準體系IEC61850?；谥圃靾笪囊?guī)范( MMS) 、以太網(wǎng)和TCP/ IP 的通信網(wǎng)絡(luò)將成為變電站自動化通信系統(tǒng)的主流 , 目前國外已經(jīng)有不少變電站自動化系統(tǒng)完全采用以太網(wǎng), 國內(nèi)各大公司和高校也正在研究開發(fā)?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了基于嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks 和嵌入式操作系統(tǒng)LClinux 的以太網(wǎng)通信。這兩種系統(tǒng)對系統(tǒng)資源要求比較高, 而且LClinux 不具備實時性, 嵌入式操作系統(tǒng)Nucleus 以源代碼交付、實時性強( 包含完整的TCP/ IP協(xié)議及高可靠性) 而成為又一種選擇。應(yīng)用Nucleus 設(shè)計了智能電氣設(shè)備( IED) 的以太網(wǎng)接入模塊, 在此基礎(chǔ)上提出了面向IEC61850 的變電站自動化通信方案。

　　一、嵌入式以太網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用模式

　　1、嵌入式以太網(wǎng)作為變電站自動化系統(tǒng)的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò),有2種應(yīng)用模式:

　　1.1 每個智能電子裝置( IED) 配置1 個嵌入式以太網(wǎng)接口, 每個IED 作為一個以太網(wǎng)節(jié)點直接連到以太網(wǎng)上。

　　1.2幾個IED 通過RS 485, MODBUS 或現(xiàn)場總線等方式連在一起,然后用嵌入式以太網(wǎng)接口作為一個以太網(wǎng)節(jié)點連到以太網(wǎng)上。從國外的應(yīng)用情況來看, 這2 種應(yīng)用模式分別以GE 公司的GESA 系統(tǒng)和GE—Harris 公司的Pow erComm 系統(tǒng)為代表。

　　2、在選擇嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用模式時, 本文主要考慮了如下因素:

　　2.1超高壓變電站系統(tǒng)的二次系統(tǒng)一般都是基于間隔( bay ) 設(shè)計的;

　　2.2超高壓變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)的可靠性要求很高, 要求可方便地構(gòu)成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu);

　　2.3成本問題;

　　2.4產(chǎn)品向下兼容性問題

　　3、基于以上考慮, 本文提出了以太網(wǎng)與Lo nWo rks網(wǎng)相結(jié)合的系統(tǒng)方案配置。

　　以間隔為單元, 將站內(nèi)通信網(wǎng)設(shè)計為2 層, 間隔以上用10 Mbit / s 嵌入式以太網(wǎng)構(gòu)成站內(nèi)通信的主干網(wǎng)絡(luò), 該網(wǎng)絡(luò)負責(zé)后臺機、遠動機等PC 機和各間隔進行通信。在間隔內(nèi)部用LonWorks 現(xiàn)場總線把各保護裝置連在一起。LonWorks 網(wǎng)上的信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網(wǎng)上。測控單元是整個方案的核心和關(guān)鍵。測控單元完成兩大功能: 通信功能和測控功能。這種方案實際上將嵌入式以太網(wǎng)與LonWorks 現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合, 發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。底層的各種保護設(shè)備可不做任何改動, 保持了產(chǎn)品的向下兼容性。新型通信網(wǎng)絡(luò)與CSC2000 系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)相比,具有以下一些優(yōu)點: ①網(wǎng)絡(luò)帶寬資源大大增加; ② 故障錄波數(shù)據(jù)上傳速度大大加快; ③易于與PC 機接口; ④易于與廣域網(wǎng)相連。

　　二、嵌入式以太網(wǎng)傳輸模式的選擇

　　2.1變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流的特點在變電站自動化系統(tǒng)中, 根據(jù)設(shè)備所完成的功能及所處的位置可分為變電站層和設(shè)備層, 考慮到高壓、超高壓變電站按間隔設(shè)計的思想, 有時在變電站層和設(shè)備層之間還設(shè)置一個間隔層。在正常及故障狀態(tài)下, 設(shè)備層的設(shè)備將正常測控信息及故障信息向變電站層設(shè)備發(fā)送。變電站層的設(shè)備一般包括后臺PC 機、遠動通信機和工程師站三大類, 這些設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上獲得設(shè)備層的數(shù)據(jù), 然后利用這些數(shù)據(jù)完成各自不同的應(yīng)用功能。在大型變電站自動化系統(tǒng)中, 變電站層的設(shè)備往往多重配置, 它們接收從同一個數(shù)據(jù)源即設(shè)備層來的數(shù)據(jù), 且有時需要向整個設(shè)備層發(fā)送信息如廣播對時命令。變電站層設(shè)備完成控制功能時需要與設(shè)備層的被控設(shè)備進行點對點通信。

　　2.2嵌入式以太網(wǎng)的傳輸模式及其選擇嵌入式以太網(wǎng)為使用者提供了單播、廣播及分組廣播3種傳輸模式。單播模式其實就是點對點通信, 信息的目的地址只有1個, 網(wǎng)絡(luò)上除目的地址之外的其他節(jié)點都不接收源節(jié)點發(fā)送的信息; 廣播模式是指一個節(jié)點發(fā)送信息, 網(wǎng)絡(luò)上除源節(jié)點之外的所有節(jié)點都能收到源節(jié)點所發(fā)信息的傳輸模式; 分組廣播模式是指源節(jié)點將一幀信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的一組節(jié)點, 組內(nèi)的各節(jié)點都能接收到該信息, 而組外節(jié)點則不接收所發(fā)送的信息。分組廣播模式與廣播模式的最大區(qū)別就在于分組廣播模式對接收對象加以限制, 而廣播模式則沒有。

　　三、以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計

　　3.1 硬件實現(xiàn)

　　按照模塊化、插件式的設(shè)計思想, 將以太網(wǎng)通信及數(shù)據(jù)分析功能設(shè)計在一塊插件上, 命名為以太網(wǎng)通信模塊。該模塊以MC68332 為CPU , CS8900A 為以太網(wǎng)控制器, 有512 @ 16bitSDRAM, 1M @ 16bitFlash, 通過同步串行隊列QSPI 與顯示模塊交換數(shù)據(jù)。CS8900A 是CIRRUS LOGIC 公司生產(chǎn)的用于嵌入式設(shè)備的低成本以太網(wǎng)控制器。它的高度集成設(shè)計不再需要其他以太網(wǎng)控制器所必需的昂貴的外部部件。CS8900A 包括片上4kBRAM, 10Base- T 傳輸和接收濾波器, 以及帶24mA 驅(qū)動的直接ISA 總線接口。除了高度集成, CS8900 A 還提供其他性能和配置選擇。它獨特的PacketPage 結(jié)構(gòu)可自動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源, 從而增加系統(tǒng)效率。CS8900A 內(nèi)嵌IEEE802.3 以太網(wǎng)標準, 自動生成報頭, 自動進行CRC 校驗, 沖突后自動重發(fā)。CS8900A支持的傳輸模式有I/0 模式、Memory 模式和DMA 模式, 缺省的是I/ O 模式。

　　3.2 協(xié)議系統(tǒng)的選擇

　　以太網(wǎng)是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層符合IEEE 802. 3標準的一種總線型網(wǎng)絡(luò)( 指的是邏輯拓撲結(jié)構(gòu)) , 在以太網(wǎng)上可以實現(xiàn)多種高層協(xié)議, 其中包括國際互聯(lián)網(wǎng)的事實標準TCP/ IP 協(xié)議。TCP/ IP 協(xié)議是一個四層協(xié)議系統(tǒng), 包含鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運輸層、應(yīng)用層。在Nucleus 中封裝了完整的TCP/ IP 協(xié)議, 使用時只需要開發(fā)應(yīng)用層 。調(diào)度中心和變電站之間傳輸協(xié)議的國際標準是IEC60870- 5- 101( 以下簡稱101) 協(xié)議, 變電站內(nèi)傳輸協(xié)議的國際標準是IEC60870- 5- 103( 以下簡稱103) 協(xié)議。為了滿足101 協(xié)議用于以太網(wǎng), IEC 制定了IEC60870- 5- 104( 以下簡稱104) 協(xié)議, 其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議為TCP/ IP 協(xié)議, 應(yīng)用層協(xié)議采用101 協(xié)議的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單( ASDU) 。

　　2. 3 軟件實現(xiàn)

　　由于操作系統(tǒng)的引入,通信模塊的功能有很大的擴展空間和伸縮性能。基于Nucleus 的通信模塊軟件結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序采用了模塊化的設(shè)計方式, 除了通信服務(wù)模塊, 還有數(shù)據(jù)分析模塊, 數(shù)據(jù)分析模塊的優(yōu)先級最高。IEC61850 將每個物理裝置分為服務(wù)器和應(yīng)用兩部分, 每個通信模塊既可扮演服務(wù)器角色也可以扮演客戶角色。采用串行總線通信時, 只能由通信管理機召喚各個保護、測控單元上傳信息, 而采用以太網(wǎng)通信后, 保護、測控單元可以主動上傳信息, 各單元之間也能進行信息交流。

　　Nucleus為TCP/ IP 提供了應(yīng)用編程接口Socket,其中流式套接字使用TCP 協(xié)議, 數(shù)據(jù)報套接字使用UDP 協(xié)議。TCP 協(xié)議是面向連接的, 在不可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上提供端到端的可靠字節(jié)流。UDP 協(xié)議是用來提供不面向連接的, 它只是簡單地把數(shù)據(jù)報從一臺主機發(fā)送到另一臺主機, 但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達另一端, 可靠性必須由應(yīng)用層來提供。為了保證可靠的傳輸遠動數(shù)據(jù), 104 規(guī)定傳輸層使用的是TCP 協(xié)議。分接收中斷服務(wù)進程和發(fā)送服務(wù)進程。接收中斷通信服務(wù)進程平時處于監(jiān)聽狀態(tài), 當(dāng)收到客戶端的連接請求后與客戶端建立連接, 接收命令、發(fā)送報文。當(dāng)有SOE( 順序事故記錄)、遙信變位等事件產(chǎn)生時, 發(fā)送服務(wù)進程請求與服務(wù)器建立連接, 主動上傳報文。

　　3　結(jié)語

　　在分析現(xiàn)有中低壓變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上, 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的最新成果, 提出了嵌入式以太網(wǎng)的面向超高壓變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。文中對以太網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用模式和傳輸模式這2 個關(guān)鍵問題進行了分析和研究, 選擇分組廣播模式作為傳輸模式, UDP 作為嵌入式以太網(wǎng)的傳輸層協(xié)議。所提出的方案已在工程實際中應(yīng)用, 取得了良好效果。

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