嵌入式以太網(wǎng)在高壓監(jiān)控中的應用

　　引言

　　變電站自動化和無人值班變電站從20 世紀90 年代至今發(fā)展非常迅速，隨著計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和自動控制技術的發(fā)展，變電站自動化系統(tǒng)正向著分散式、分布式、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡技術已成為變電站自動化發(fā)展的關鍵技術，它把分散的各種智能設備組成一體化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，進而構成功能完備、高可靠、高效率的自動化系統(tǒng)。

　　變電站自動化通信網(wǎng)絡從早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的標準的異步串行通信，發(fā)展到現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)正在使用的各種現(xiàn)場總線（Filed Bus ），如國內(nèi)常見的東方電子采用的FDK Bus 、四方公司采用的Lon Works 、南自院采用的Can Bus 、西門子公司采用的Profibus 等等?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡與早期的異步串行網(wǎng)絡相比具有抗干擾性強、效率高等優(yōu)點，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的出現(xiàn)極大的推動了我國變電站自動化的發(fā)展。但現(xiàn)場總線網(wǎng)絡也存在著自身無法克服的弊端，首先其帶寬相對較低，無法適應日益增長的自動化系統(tǒng)對網(wǎng)絡的需求;其次互操作性差，由于不同廠家采用的現(xiàn)場總線不同，導致變電站內(nèi)部不同生產(chǎn)廠家的設備互連幾乎是不可能的，即使采用同一種現(xiàn)場總線，如CAN BUS ，由于該現(xiàn)場總線沒有定義完備的應用層通信標準，各生產(chǎn)廠家采用自己的應用層通信協(xié)議，不同廠家基于CAN BUS 的智能設備互連也同樣沒有可能。

　　由于因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)絡通信技術得到了愈來愈廣泛的應用。嵌入式以太網(wǎng)因為速度快，帶寬較寬（一般為10M 或100M 還有更高速的1000M ），互操作性好，可擴展性強，價格便宜等特點在嵌入式控制領域得到了廣泛的應用，變電站自動化系統(tǒng)選用嵌入式以太網(wǎng)絡技術代表了變電站自動化網(wǎng)絡技術發(fā)展的最新方向。以下幾點技術的發(fā)展趨勢，可以看到嵌入式以太網(wǎng)的生命力。

　　a）.用于智能設備的嵌入式微處理器從8 位已發(fā)展到32 位，主頻速度也從幾兆赫茲發(fā)展到幾十兆甚至上百兆赫茲?？刂栖浖矎膮R編語言編程的單任務程序發(fā)展成為使用高級語言編程（一般為C 或C++語言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式實時操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)都對TCP/IP 編程技術有著完備的支持，再加上INTERNET 的迅速普及，這些計算機發(fā)展的新成就都有力的推動了嵌入式以太網(wǎng)絡技術的在控制領域中的廣泛應用。

　　b）.根據(jù)國家電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，到2005 年全國電力系統(tǒng)將實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，省級網(wǎng)作為數(shù)據(jù)網(wǎng)上的重要節(jié)點被要求首先建成電力寬帶數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，寬帶網(wǎng)絡將作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺納入國家電力建設之中，統(tǒng)一化的網(wǎng)絡平臺無疑是變電站自動化的發(fā)展方向。

　　c）.代表世界電力標準發(fā)展先進領域的IEC 國際標準化組織，為使不同廠商的自動化產(chǎn)品具有互操作性，已制定了關于變電站自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信體系IEC61850 。盡管該標準還沒有頒布正式版本，但已經(jīng)出版的IEC61850 委員會草案中，已經(jīng)明確定義了嵌入式以太網(wǎng)絡通信技術作為唯一的變電站自動化領域的通信網(wǎng)絡，這將是技術發(fā)展的國際大趨勢。

　　1 高壓監(jiān)控的網(wǎng)絡體系結構

　　基于以太網(wǎng)的高壓監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式可以非常靈活，在小型變電站自動化系統(tǒng)中可以采用簡單的星型網(wǎng)絡拓撲結構，各智能設備直接通過以太網(wǎng)連接到主控通信單元，該網(wǎng)絡模型較為簡單，本文不再單獨描述。

　　《IEC61850 變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》標準推薦大中型變電站的自動化系統(tǒng)應該采用按間隔配置、面向?qū)ο蟮慕M網(wǎng)方式，如下圖：網(wǎng)絡體系大致分為三層結構。

　　最上層為站控層。包括雙主控通信單元，雙機為冗余熱備用方式，主控通信單元負責管理全站范圍的智能通信單元，收集各智能單元的數(shù)據(jù)送往調(diào)度主站，并把主站下發(fā)的控制命令分發(fā)到相應的采集單元;雙機數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡同步刷新;其備份方式既可以為主備方式，也可并列運行。根據(jù)用戶的需求可以在網(wǎng)絡上配置高級應用管理單元，如當?shù)毓δ?，無功綜合控制服務器，無防控制服務器，備用電源自動投切服務器等高級應用功能，這些高級應用管理單元既可以以專用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實現(xiàn)（當?shù)毓δ艹猓部梢苑植嫉骄W(wǎng)絡的其它節(jié)點實現(xiàn)相應的管理功能。

　　中間層為間隔通信單元。負責管理、收集本間隔內(nèi)智能設備的數(shù)據(jù)，送往站控層;接收站控層的控制命令，分發(fā)到相應的智能設備，同時可以通過相應的軟件模塊完成本間隔內(nèi)的自動控制功能。間隔通信單元也可以根據(jù)用戶的需要配置為雙機熱備用的方式。

　　智能單元包括測控模塊和保護模塊，分別完成測控功能和保護功能。

　　主控通信單元和間隔通信單元采用雙網(wǎng)分流、故障切換的通信模式。正常通信過程中，雙網(wǎng)分別傳輸不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，一旦其中的一條網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，則另一條網(wǎng)絡擔負起傳輸全部數(shù)據(jù)的功能。這樣不但提高了系統(tǒng)的實時性，也極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　間隔通信單元與各智能設備之間通過10M 以太網(wǎng)傳輸實時數(shù)據(jù)。由于本網(wǎng)段內(nèi)設備相對較少，完全可以保證數(shù)據(jù)的實時性。

　　合理的網(wǎng)絡配置可以減小網(wǎng)絡沖突，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。

　　2 網(wǎng)絡通信協(xié)議的實現(xiàn)

　　網(wǎng)絡通信協(xié)議是設備可互操作性的基礎，現(xiàn)階段，在變電站自動化領域還沒有可以直接遵循的國際標準。IEC61850 無疑是今后網(wǎng)絡通信架構的發(fā)展方向，但國際標準的制定和頒布仍然需要一段時間。我們在網(wǎng)絡通信協(xié)議的制定上，采用了IEC61850 的基本設計規(guī)范，既采用面向設備、面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡體系結構。

　　如圖，網(wǎng)絡通信規(guī)約建立在TCP/IP 協(xié)議棧之上，分為三層體系結構。如上圖。

　　通信服務層建立在TCP/IP 之上，完成通信鏈路的建立和維護，通信服務層給上一層提供可靠的端到端的通信服務。

　　服務原語層把規(guī)約層的原語調(diào)用轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡報文結構，并通過通信服務層把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在異種機的網(wǎng)絡體系結構下，完成數(shù)據(jù)報文主機字節(jié)順序和網(wǎng)絡字節(jié)順序的互相轉(zhuǎn)化。本協(xié)議支持與IEC61850 相一致的服務原語。支持的基本的服務原語有：

　　數(shù)據(jù)對象服務層調(diào)用相應的服務原語完成客戶和服務器數(shù)據(jù)庫之間的同步刷新，設備管理，目錄服務等面向應用的功能。對象服務采用客戶-服務器模型。本網(wǎng)絡協(xié)議支持豐富的數(shù)據(jù)對象，每種數(shù)據(jù)對象定義了對象值和對象屬性兩個部分，數(shù)據(jù)對象包括實時數(shù)據(jù)對象、事件數(shù)據(jù)對象、控制對象、文件對象等類別。

　　3 嵌入式網(wǎng)絡管理

　　電力系統(tǒng)中，變電站點多面廣，同時為適應減員增效和現(xiàn)代化管理的要求，很大一部分變電站都是無人值班變電站，這就要求變電站自動化系統(tǒng)應該有極高的可靠性和可維護性。隨著計算機互連網(wǎng)的深入發(fā)展和國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的建設，通過Internet 互連各級自動化系統(tǒng)將成為一種新的發(fā)展趨勢。也為基于嵌入式WEB 服務器的設備配置管理技術提供了良好的條件。

　　新型高壓監(jiān)控系統(tǒng)支持基于WEB 方式的設備管理。經(jīng)過授權的用戶可以在客戶端采用標準的WEB 瀏覽器（如IE5.0 ）在網(wǎng)絡的任一節(jié)點（甚至INTERNET ）方便、迅速的配置和管理設備，存取網(wǎng)絡信息。實現(xiàn)對變電站設備的在線管理，對采集數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。當變電站運行設備出現(xiàn)異常時，可以根據(jù)用戶的設定自動發(fā)送E_MAIL ，或者手機短消息等報警信息到指定用戶，及時通知管理人員處理設備故障。在正常運行期間，也可以根據(jù)用戶的設置，定期自動地向指定E_MAIL 信箱發(fā)送設備運行日志等。

　　基于WEB 的設備管理方式大大減輕了設備運行人員的勞動，使得設備管理部門能夠及時了解變電站運行信息，對設備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的發(fā)展，基于WEB 的設備維護將比以往基于遠程撥號的維護方式更加優(yōu)越。

　　4 嵌入式自動控制功能

　　隨著計算機技術和通信網(wǎng)絡技術的發(fā)展，用于變電站自動化智能設備的處理能力越來越強，網(wǎng)絡速度也越來越快，原來必須有一些獨立的裝置才能完成的自動功能，現(xiàn)在可以分布到新型監(jiān)控系統(tǒng)中各智能設備上來實現(xiàn)，變電站自動化的發(fā)展方向也必然朝著全分散式系統(tǒng)發(fā)展。

　　通過強大、高效的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡，各智能設備之間可以很方便地實現(xiàn)信息共享。新型監(jiān)控系統(tǒng)全面支持IEC61131-3 定義的5 種可編程邏輯控制語言。用戶定義自己的邏輯，實現(xiàn)各種自動控制功能，通過配置信息可以把自動控制功能分布到各個智能設備上，從而實現(xiàn)真正的分布式自動控制功能。如分布式無功綜合控制，分布式小電流接地選線，分布式電源備自投等自動化功能。

　　5 結語

　　新一代高壓監(jiān)控系統(tǒng)中采用了國際先進的變電站技術和計算機網(wǎng)絡通信技術，積極靠攏IEC 國際標準，使得系統(tǒng)具有良好的互操作性和開放性。采用嵌入式以太網(wǎng)技術，大大提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，具有良好的可擴充易使用的特點，能夠滿足日后變電站自動化發(fā)展的需求，它代表了變電站自動化發(fā)展的最新成果。