基于TDMA技術(shù)電力自動(dòng)化終端自主組網(wǎng)研究

摘要：本文結(jié)合電力自動(dòng)化行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，將通信網(wǎng)絡(luò)典型的時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)應(yīng)用于目前智能電網(wǎng)中配電自動(dòng)化終端自主組網(wǎng)，從分布式自動(dòng)化終端與通信主站直接的信息交互角度入手，探討了一種提高整個(gè)分布式配電自動(dòng)化終端網(wǎng)絡(luò)的自主組網(wǎng)能力和信息交互速度的應(yīng)用，廣泛適用于RS232、RS485、CAN等工業(yè)電力行業(yè)通用組網(wǎng)方式，對(duì)于提高整個(gè)智能電網(wǎng)配電自動(dòng)化終端網(wǎng)的智能化、提高網(wǎng)絡(luò)信息交互效率有著積極有效的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：時(shí)分多址；智能電網(wǎng)；配電自動(dòng)化；自主組網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 22-0000-02

1 分布式智能配電終端組網(wǎng)概況

隨著信息化時(shí)代的推進(jìn)，信息化智能化的配電終端覆蓋了整個(gè)智能電網(wǎng)，大量的智能配電終端在智能電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是組網(wǎng)與通信。組網(wǎng)才能完成各終端信息交互與匯總，才能實(shí)現(xiàn)主站對(duì)各節(jié)點(diǎn)信息的共享，并將控制中心的命令準(zhǔn)確及時(shí)的傳送到各分布式的遠(yuǎn)方終端。配電線(xiàn)路是直接給最終用戶(hù)供電的線(xiàn)路，由此類(lèi)線(xiàn)路組成的網(wǎng)絡(luò)通常稱(chēng)作配電網(wǎng)，及配網(wǎng)。配網(wǎng)自動(dòng)化終端主要完成配電網(wǎng)絡(luò)中的SCADA（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)視、控制）、故障判斷、故障定位、故障隔離、故障消除后的自動(dòng)線(xiàn)路恢復(fù)、線(xiàn)路管理等功能。下圖提供了一種配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的典型架構(gòu)，我們探討的TDMA技術(shù)的應(yīng)用所選取的終端結(jié)構(gòu)處于虛線(xiàn)框圖1內(nèi)部分，屬于整個(gè)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

2 分布式智能配電終端網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與信息交互現(xiàn)狀

常見(jiàn)的工業(yè)用組網(wǎng)方式主要有RS232、RS485、CAN等，雖然以太網(wǎng)目前已經(jīng)在整個(gè)社會(huì)中有了非常廣泛的應(yīng)用，但是目前而言，對(duì)于最遠(yuǎn)端的配電智能終端目前主流依然是是上述所說(shuō)的三種組網(wǎng)方式，而且在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將起關(guān)鍵作用。因此我們就選擇其中一種比較典型的CAN組網(wǎng)方式做為應(yīng)用研究對(duì)象。

CAN是Controller Area Network的縮寫(xiě)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

圖2提供了一種配網(wǎng)自動(dòng)化終端CAN網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)，適用于RS485，RS232。

目前組網(wǎng)采用的是全人工配置，每一個(gè)終端接入網(wǎng)絡(luò)后，需要在站端進(jìn)行終端入網(wǎng)配置，通過(guò)設(shè)置站端服務(wù)器的下掛終端來(lái)完成組網(wǎng)。

通信及信息交換采用的則是輪詢(xún)方式，部分關(guān)鍵點(diǎn)采用主動(dòng)上報(bào)，但是上報(bào)過(guò)程采取的是判斷總線(xiàn)狀態(tài)，然后發(fā)送報(bào)文，失敗后重復(fù)發(fā)送，失敗次數(shù)超限則報(bào)錯(cuò)。

從組網(wǎng)方式來(lái)看，其對(duì)人工操作的依賴(lài)性太強(qiáng)，占用了相對(duì)較多的人力，從信息交互角度來(lái)看，目前的報(bào)文交互能力在報(bào)文數(shù)量，報(bào)文流量，報(bào)文時(shí)效性等方面都存在比較大的上升空間。如果網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)站端，一個(gè)終端，通信方式采用站端詢(xún)問(wèn)式，那么總線(xiàn)是獨(dú)占的，總線(xiàn)負(fù)載反映的直接就是有效的通信負(fù)載，讀取的信息有效性也就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效負(fù)載，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)站端，多個(gè)終端，仍然采用輪詢(xún)查詢(xún)方式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效負(fù)載則會(huì)大大降低，對(duì)于智能配電終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其最大的作用是及時(shí)有效的處理關(guān)鍵信息，當(dāng)裝置正常，線(xiàn)路正常時(shí)，站端可以跳過(guò)常規(guī)信息，因此，異常信息主動(dòng)上報(bào)機(jī)制是普遍采用的網(wǎng)絡(luò)信息交換方式，此種方式最明顯的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于異常事件的處理及時(shí)有效。

異常信息主動(dòng)上報(bào)機(jī)制相對(duì)于輪詢(xún)機(jī)制而言，提高了有效信息的效率，提高了異常事件處理時(shí)效，提高了總線(xiàn)利用率。對(duì)于總線(xiàn)負(fù)載比較低的情況，例如終端數(shù)量及其報(bào)文總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)所能承受的負(fù)載總量時(shí)，主動(dòng)上報(bào)機(jī)制是有效率的，但是當(dāng)終端數(shù)量接近網(wǎng)絡(luò)負(fù)載總量或者突發(fā)報(bào)文數(shù)量接近負(fù)載總量時(shí)，突發(fā)報(bào)文的沖突就凸現(xiàn)出來(lái)尤其是原有缺乏有效網(wǎng)絡(luò)報(bào)文管理機(jī)制的做法已經(jīng)是目前這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

可靠性，實(shí)用性，有效性各種性能協(xié)同下的網(wǎng)絡(luò)特性才是工業(yè)產(chǎn)品最直接的性能展示，尤其是仍有相當(dāng)一部分場(chǎng)合并沒(méi)有支持到高速的通信網(wǎng)絡(luò)（例如光纖以太網(wǎng)等）?？紤]到兼容性，可實(shí)施性等多個(gè)因素，在原有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采用更加科學(xué)的組網(wǎng)方式，采用更有效率的通信方式顯得尤為重要。

3 TDMA技術(shù)在分布式配電終端網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 TDMA技術(shù)特點(diǎn)

TDMA：Time Division Multiple Access 時(shí)分多址。時(shí)分多址是把時(shí)間分割成周期性的幀（Frame）每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向站端發(fā)送信號(hào)，在滿(mǎn)足定時(shí)和同步的條件下，站端可以分別在各時(shí)隙中接收到各終端的信號(hào)而不混擾。同時(shí)，站端發(fā)向多個(gè)終端的信號(hào)都按順序安排在予定的時(shí)隙中傳輸，各終端只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)。

對(duì)于我們的智能配電終端網(wǎng)絡(luò)而言，總線(xiàn)就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一載體，我們采用TDMA技術(shù)的前提條件是各個(gè)終端有著同步的時(shí)鐘信號(hào)，而且各終端本身有相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)鐘。原有的配電網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在同步時(shí)鐘，特別是大型的站所都有PPS優(yōu)于1us的GPS及北斗等高精度時(shí)鐘源。

按照TDMA的技術(shù)需求，我們暫且采用秒幀方式，即每秒鐘作為幀周期，從自主組網(wǎng)與信息交互兩個(gè)方面分別TDMA的實(shí)際應(yīng)用。

3.2 TDMA在自主組網(wǎng)中的應(yīng)用

自主組網(wǎng)方式在以太網(wǎng)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，各網(wǎng)絡(luò)終端只需符合組網(wǎng)要求即可自動(dòng)獲取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置，這一點(diǎn)相對(duì)于目前配電網(wǎng)絡(luò)的人工錄入設(shè)備方式有極大的優(yōu)勢(shì)，既能節(jié)省人力，也能從自動(dòng)化角度減少人為的失誤。

自主組網(wǎng)最關(guān)鍵的是時(shí)鐘同步，所以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中需要有統(tǒng)一的同步時(shí)鐘脈沖，保證網(wǎng)絡(luò)中所以需要組網(wǎng)的終端有同步的時(shí)鐘源，另一個(gè)就是每個(gè)終端有自己的唯一的編碼ID（后面簡(jiǎn)稱(chēng)ID），此編碼作為組網(wǎng)系統(tǒng)中唯一有效的識(shí)別碼，根據(jù)配電終端的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，這個(gè)唯一編碼可以從設(shè)備的出廠(chǎng)編碼獲得。

需要接入網(wǎng)絡(luò)的各終端首先要獲得同步時(shí)鐘，也就是幀頻，下圖提供我們采用TDMA技術(shù)的自主組網(wǎng)的幀頻時(shí)隙圖。其中T0-T10為一幀，取周期1秒，按照時(shí)間等分為10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙，分別標(biāo)示為T(mén)0～T10。考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中各終端的自身時(shí)鐘誤差，各標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙之間預(yù)留了緩沖帶如圖3T0A-T0B綠色信標(biāo)之間區(qū)域，相鄰標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙之間緩沖帶寬度為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙的20%，此緩沖帶寬度選取主要取決于終端實(shí)時(shí)時(shí)鐘的性能指標(biāo)。

根據(jù)組網(wǎng)的最大化需求，我們初步設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙T1（T0-T1）為自主組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙，該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙內(nèi)，各終端根據(jù)自身唯一ID，在該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙內(nèi)主動(dòng)上報(bào)請(qǐng)求組網(wǎng)信息。

同樣主動(dòng)上報(bào)請(qǐng)求組網(wǎng)信息的方案依然采用TDMA方式，此時(shí)需要在原有的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙T1內(nèi)繼續(xù)劃分報(bào)文時(shí)隙，詳見(jiàn)示意圖，圖4中每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙劃分為10個(gè)報(bào)文時(shí)隙，實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)自主組網(wǎng)階段的參數(shù)性能要求，選取自主組網(wǎng)占用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙區(qū)間以及自主組網(wǎng)階段報(bào)文時(shí)隙時(shí)間。

新入網(wǎng)的終端或者尚未在站端注冊(cè)的終端在自主組網(wǎng)階段，通過(guò)一個(gè)報(bào)文時(shí)隙與站端建立注冊(cè)關(guān)系。注冊(cè)流程如圖5。

時(shí)隙序號(hào)是采用ID做種子生成的隨機(jī)數(shù)，并對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行了范圍限定通過(guò)大量試驗(yàn)及更優(yōu)化的算法各終端同一階段時(shí)隙序號(hào)的重復(fù)率可以控制低于10%，二次序號(hào)重復(fù)率即可降為1%，此處采用的優(yōu)化算法可大大提高自主組網(wǎng)階段的終端注冊(cè)成功率綜合權(quán)衡整個(gè)組網(wǎng)終端數(shù)量及成功率的關(guān)系可以完全自動(dòng)高效的完成自主組網(wǎng)。

TDMA技術(shù)在自主組網(wǎng)階段的效率可大大降低人工錄入的資源占用情況并且在線(xiàn)與掉線(xiàn)切換過(guò)程都可以全自動(dòng)完成，基本上無(wú)需人工干預(yù)。

3.3 TDMA在信息交互中的應(yīng)用

組網(wǎng)成功后的信息交互可以采用同樣的策略，針對(duì)各個(gè)不同的終端網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息交互的差異性，從信息的時(shí)效性上可以分為兩種：常態(tài)信息，突發(fā)信息，也就是說(shuō)常態(tài)信息屬于常規(guī)的信息包，站端對(duì)其時(shí)效性要求不嚴(yán)格，而突發(fā)信息往往是關(guān)鍵的需要站端立刻做出處理的信息包；在通常的網(wǎng)絡(luò)中，兩種信息交互過(guò)程顯然不能等同處理，必須給予突發(fā)信息一個(gè)專(zhuān)用的通道，也就是本文所討論的專(zhuān)用時(shí)隙，下面就針對(duì)信息包的特點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙劃分。

上面我們介紹了組網(wǎng)過(guò)程的時(shí)隙劃分，可以看到幀周期模型中尚有T2-T10共九個(gè)時(shí)隙可以用來(lái)作為信息交互過(guò)程，可以根據(jù)實(shí)際需要將剩余的時(shí)隙按功能區(qū)分為突發(fā)信息時(shí)隙段和常規(guī)信息時(shí)隙段，根據(jù)突發(fā)信息和常規(guī)信息的負(fù)載，有效合理的劃分是整個(gè)信息交互過(guò)程中的優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)，無(wú)論何種信息我們采用的信息交互流程如圖6：

4 結(jié)語(yǔ)

基于TDMA技術(shù)的智能配電終端網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從組網(wǎng)角度實(shí)現(xiàn)了自主組網(wǎng)的高效性，從信息交互的效率角度提供了一種信息交互模型，此模型在此類(lèi)工業(yè)終端網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將大大提高網(wǎng)絡(luò)的效率和信息包的時(shí)效性，用普通的工業(yè)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的高速交互與處理能力。

參考文獻(xiàn)：

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