嵌入式以太網(wǎng)在高壓監控中的應用

　　引言

　　變電站自動(dòng)化和無(wú)人值班變電站從20 世紀90 年代至今發(fā)展非常迅速，隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統正向著(zhù)分散式、分布式、網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已成為變電站自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，它把分散的各種智能設備組成一體化的網(wǎng)絡(luò )系統，進(jìn)而構成功能完備、高可靠、高效率的自動(dòng)化系統。

　　變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò )從早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的標準的異步串行通信，發(fā)展到現在大多數系統正在使用的各種現場(chǎng)總線(xiàn)（Filed Bus ），如國內常見(jiàn)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(mén)子公司采用的Profibus 等等?，F場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與早期的異步串行網(wǎng)絡(luò )相比具有抗干擾性強、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的出現極大的推動(dòng)了我國變電站自動(dòng)化的發(fā)展。但現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )也存在著(zhù)自身無(wú)法克服的弊端，首先其帶寬相對較低，無(wú)法適應日益增長(cháng)的自動(dòng)化系統對網(wǎng)絡(luò )的需求;其次互操作性差，由于不同廠(chǎng)家采用的現場(chǎng)總線(xiàn)不同，導致變電站內部不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的設備互連幾乎是不可能的，即使采用同一種現場(chǎng)總線(xiàn)，如CAN BUS ，由于該現場(chǎng)總線(xiàn)沒(méi)有定義完備的應用層通信標準，各生產(chǎn)廠(chǎng)家采用自己的應用層通信協(xié)議，不同廠(chǎng)家基于CAN BUS 的智能設備互連也同樣沒(méi)有可能。

　　由于因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)得到了愈來(lái)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(jià)格便宜等特點(diǎn)在嵌入式控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用，變電站自動(dòng)化系統選用嵌入式以太網(wǎng)絡(luò )技術(shù)代表了變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的最新方向。以下幾點(diǎn)技術(shù)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(yǔ)言編程的單任務(wù)程序發(fā)展成為使用高級語(yǔ)言編程（一般為C 或C++語(yǔ)言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。嵌入式操作系統都對TCP/IP 編程技術(shù)有著(zhù)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(dòng)了嵌入式以太網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的在控制領(lǐng)域中的廣泛應用。

　　b）.根據國家電力數據通信網(wǎng)的發(fā)展規劃，到2005 年全國電力系統將實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，省級網(wǎng)作為數據網(wǎng)上的重要節點(diǎn)被要求首先建成電力寬帶數據通信網(wǎng)，寬帶網(wǎng)絡(luò )將作為統一的數據平臺納入國家電力建設之中，統一化的網(wǎng)絡(luò )平臺無(wú)疑是變電站自動(dòng)化的發(fā)展方向。

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

　　1 高壓監控的網(wǎng)絡(luò )體系結構

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

　　《IEC61850 變電站通信網(wǎng)絡(luò )和系統》標準推薦大中型變電站的自動(dòng)化系統應該采用按間隔配置、面向對象的組網(wǎng)方式，如下圖：網(wǎng)絡(luò )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據送往調度主站，并把主站下發(fā)的控制命令分發(fā)到相應的采集單元;雙機數據庫通過(guò)網(wǎng)絡(luò )同步刷新;其備份方式既可以為主備方式，也可并列運行。根據用戶(hù)的需求可以在網(wǎng)絡(luò )上配置高級應用管理單元，如當地功能，無(wú)功綜合控制服務(wù)器，無(wú)防控制服務(wù)器，備用電源自動(dòng)投切服務(wù)器等高級應用功能，這些高級應用管理單元既可以以專(zhuān)用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實(shí)現（當地功能除外），也可以分布到網(wǎng)絡(luò )的其它節點(diǎn)實(shí)現相應的管理功能。

　　中間層為間隔通信單元。負責管理、收集本間隔內智能設備的數據，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(shí)可以通過(guò)相應的軟件模塊完成本間隔內的自動(dòng)控制功能。間隔通信單元也可以根據用戶(hù)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(guò)程中，雙網(wǎng)分別傳輸不同的數據內容，一旦其中的一條網(wǎng)絡(luò )出現故障，則另一條網(wǎng)絡(luò )擔負起傳輸全部數據的功能。這樣不但提高了系統的實(shí)時(shí)性，也極大的提高了系統的可靠性。

　　間隔通信單元與各智能設備之間通過(guò)10M 以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數據。由于本網(wǎng)段內設備相對較少，完全可以保證數據的實(shí)時(shí)性。

　　合理的網(wǎng)絡(luò )配置可以減小網(wǎng)絡(luò )沖突，提高系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　2 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的實(shí)現

　　網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議是設備可互操作性的基礎，現階段，在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域還沒(méi)有可以直接遵循的國際標準。IEC61850 無(wú)疑是今后網(wǎng)絡(luò )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(shí)間。我們在網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的制定上，采用了IEC61850 的基本設計規范，既采用面向設備、面向對象的網(wǎng)絡(luò )體系結構。

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

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

　　服務(wù)原語(yǔ)層把規約層的原語(yǔ)調用轉化為網(wǎng)絡(luò )報文結構，并通過(guò)通信服務(wù)層把數據發(fā)送出去。在異種機的網(wǎng)絡(luò )體系結構下，完成數據報文主機字節順序和網(wǎng)絡(luò )字節順序的互相轉化。本協(xié)議支持與IEC61850 相一致的服務(wù)原語(yǔ)。支持的基本的服務(wù)原語(yǔ)有：

　　數據對象服務(wù)層調用相應的服務(wù)原語(yǔ)完成客戶(hù)和服務(wù)器數據庫之間的同步刷新，設備管理，目錄服務(wù)等面向應用的功能。對象服務(wù)采用客戶(hù)-服務(wù)器模型。本網(wǎng)絡(luò )協(xié)議支持豐富的數據對象，每種數據對象定義了對象值和對象屬性?xún)蓚€(gè)部分，數據對象包括實(shí)時(shí)數據對象、事件數據對象、控制對象、文件對象等類(lèi)別。

　　3 嵌入式網(wǎng)絡(luò )管理

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

　　新型高壓監控系統支持基于WEB 方式的設備管理。經(jīng)過(guò)授權的用戶(hù)可以在客戶(hù)端采用標準的WEB 瀏覽器（如IE5.0 ）在網(wǎng)絡(luò )的任一節點(diǎn)（甚至INTERNET ）方便、迅速的配置和管理設備，存取網(wǎng)絡(luò )信息。實(shí)現對變電站設備的在線(xiàn)管理，對采集數據的實(shí)時(shí)監測。當變電站運行設備出現異常時(shí)，可以根據用戶(hù)的設定自動(dòng)發(fā)送E_MAIL ，或者手機短消息等報警信息到指定用戶(hù)，及時(shí)通知管理人員處理設備故障。在正常運行期間，也可以根據用戶(hù)的設置，定期自動(dòng)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(dòng)，使得設備管理部門(mén)能夠及時(shí)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(zhù)國家電力數據網(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(dòng)控制功能

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，用于變電站自動(dòng)化智能設備的處理能力越來(lái)越強，網(wǎng)絡(luò )速度也越來(lái)越快，原來(lái)必須有一些獨立的裝置才能完成的自動(dòng)功能，現在可以分布到新型監控系統中各智能設備上來(lái)實(shí)現，變電站自動(dòng)化的發(fā)展方向也必然朝著(zhù)全分散式系統發(fā)展。

　　通過(guò)強大、高效的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，各智能設備之間可以很方便地實(shí)現信息共享。新型監控系統全面支持IEC61131-3 定義的5 種可編程邏輯控制語(yǔ)言。用戶(hù)定義自己的邏輯，實(shí)現各種自動(dòng)控制功能，通過(guò)配置信息可以把自動(dòng)控制功能分布到各個(gè)智能設備上，從而實(shí)現真正的分布式自動(dòng)控制功能。如分布式無(wú)功綜合控制，分布式小電流接地選線(xiàn)，分布式電源備自投等自動(dòng)化功能。

　　5 結語(yǔ)

　　新一代高壓監控系統中采用了國際先進(jìn)的變電站技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，積極靠攏IEC 國際標準，使得系統具有良好的互操作性和開(kāi)放性。采用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，大大提高了系統的實(shí)時(shí)性和可靠性，具有良好的可擴充易使用的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足日后變電站自動(dòng)化發(fā)展的需求，它代表了變電站自動(dòng)化發(fā)展的最新成果。