實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EPL在智能變電站中的應(yīng)用

劉世明，李森林，許志成，呼文強(qiáng)，閆 磊

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

IEC 61850 國際標(biāo)準(zhǔn)將智能變電站從邏輯概念和物理概念上分為變電站層，間隔層和過程層。站內(nèi)過程總線和站級(jí)總線通信采用以太網(wǎng)技術(shù)共享數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)物理層采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)技術(shù)(CSMA/CD)的網(wǎng)絡(luò)共享訪問方案，網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)必須隨時(shí)檢測(cè)沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生，立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段預(yù)定義的隨機(jī)時(shí)間之后重新發(fā)送幀。這種機(jī)制簡(jiǎn)單、可靠，但是也造成數(shù)據(jù)發(fā)送延遲的不確定性，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重情況下甚至無法發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸要求。

為了提高智能變電站中以太網(wǎng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，目前大多數(shù)研究和應(yīng)用[1-2]采用的是提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、分網(wǎng)結(jié)構(gòu)、采樣值采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、以太網(wǎng)交換機(jī)數(shù)據(jù)分流、利用虛擬局域網(wǎng)和報(bào)文優(yōu)先級(jí)等技術(shù)。這些方法以增加投資、犧牲數(shù)據(jù)共享性能等為代價(jià)，雖然在一定程度上緩解以太網(wǎng)的通信壓力，改善通信的實(shí)時(shí)性，但無法從根本上解決CSMA/CD 機(jī)制帶來的通信延時(shí)不確定的弊端。

另一方面，工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域?yàn)榻鉀Q工業(yè)應(yīng)用中的高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)傳輸問題以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)高可靠性、高精度同步的要求，各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案。這些方案經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)后，有的被IEC 采納，成為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。由此可以看出，將實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)與IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)結(jié)合，用以提高智能變電站的通信性能，是一種可行性很高的方案。如文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹了PROFINET 技術(shù)在數(shù)字化變電站過程總線通信中的應(yīng)用。目前，我國在這一領(lǐng)域的研究還比較少。

1 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)選擇

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)起源于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，因其成本低，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全性高等特點(diǎn)而廣泛于工業(yè)控制領(lǐng)域。這里比較當(dāng)前幾種主流的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議：EtherCAT、EtherNet/IP、EPL、SERCOS III 和PROFINET等[4-5]。這些協(xié)議大多以循環(huán)周期通信方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，相關(guān)技術(shù)要素歸納如表1所示。結(jié)合智能變電站中的應(yīng)用，比較這幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議：PROFINET的實(shí)時(shí)性能處在毫秒級(jí)(ms)，相比之下性能略低；SERCOS III性能優(yōu)越，卻沒有相應(yīng)的同步方式；EtherCAT的通信采用主從方式通信，主節(jié)點(diǎn)常依賴于具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PC機(jī)，且只能采用環(huán)形和星形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一定的要求；EtherNet/IP修改OSI的會(huì)話層與表示層以達(dá)到實(shí)時(shí)的效果，而在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)報(bào)文模型中，數(shù)據(jù)由應(yīng)用層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，不經(jīng)過傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層以減少數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中的延時(shí)；初步對(duì)比表明，上述幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能變電站技術(shù)上可能會(huì)存在一定的局限性。從表1可以看出，EPL自身性能優(yōu)越，相比于其他協(xié)議，是唯一的開源協(xié)議，且純軟件實(shí)現(xiàn)無需硬件支持，同時(shí)還采用了智能變電站中IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)推薦的IEEE1588時(shí)鐘同步方式。2003年10月，Ethernet POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組織正式提出申請(qǐng)并通過IEC國際標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)，成為IEC體系通信標(biāo)準(zhǔn)的一部分，最有可能適合變電站的應(yīng)用。因此下文選擇EPL的應(yīng)用為例展開敘述。

表1 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議技術(shù)比較Table1 Comparison of real-time Ethernet technology

EPL以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)CSMA/CD為基礎(chǔ)，在鏈路層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)機(jī)制。數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀格式[5]，如圖1所示，實(shí)際的EPL 數(shù)據(jù)位于標(biāo)準(zhǔn)的14 Bytes以太網(wǎng)幀頭之后，包括服務(wù)標(biāo)識(shí)(SID)、目的地址(DA)、源地址(SA)等。

圖1 EPL 幀格式Fig.1 Format of EPL frame

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，EPL協(xié)議引入時(shí)間槽(SCNM)實(shí)時(shí)管理機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)站點(diǎn)充當(dāng)管理站(MN)管理網(wǎng)絡(luò)中的控制節(jié)點(diǎn)(CN)通信，CN 在MN 上登記組態(tài)。在一個(gè)時(shí)間槽內(nèi)，MN 給一個(gè)CN 分配發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限，該CN 得到發(fā)布權(quán)限之后可以發(fā)布信息。一個(gè)通信周期內(nèi)有四個(gè)階段：包括起始階段、同步階段、異步階段和空閑階段，如圖2所示。

圖2 EPL 循環(huán)周期Fig.2 Cycle of EPL

1）開始階段，在起始數(shù)據(jù)流SoC(多播)之后，信號(hào)以多播的形式發(fā)送給各個(gè)CN，收到該數(shù)據(jù)的CN 就此同步。

2）同步階段，MN 按事先定義的順序依次向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送輪詢信號(hào)PReq(單播)，CN 收到輪詢報(bào)文后發(fā)出響應(yīng)報(bào)文PRes(多播)，所有節(jié)點(diǎn)都可以收到這幀的信息，這段時(shí)間也就是所謂的時(shí)間槽。

3）異步階段，該階段從SoA(多播)開始進(jìn)行異步通信，傳輸實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)。

4）空閑階段，等待下一個(gè)周期前的等待時(shí)間。

由圖2所示，進(jìn)入同步階段MN 每次使用單播PReq 幀訪問網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)CN，只有物理MAC 地址與該單播地址匹配的CN 才能收到該P(yáng)Req 幀，該CN 收到PReq 幀后發(fā)送響應(yīng)幀PRes。這段時(shí)間內(nèi)其他CN 沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限，故在同步階段不會(huì)產(chǎn)生沖突，而異步階段不能保證這種數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)時(shí)性。

2 EPL在智能變電站中的應(yīng)用

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可分為三類：1）正常運(yùn)行時(shí)的周期數(shù)據(jù)；2）故障情況下的突發(fā)性數(shù)據(jù)；3）命令下發(fā)時(shí)的隨機(jī)性數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)當(dāng)中，周期性數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)且變化量小，而隨機(jī)性數(shù)據(jù)流量很小。這三種數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也不盡相同。智能變電站過程層各間隔的合并單元MU 將各個(gè)通道的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式將數(shù)據(jù)封裝通過交換機(jī)將其傳送到間隔層保護(hù)測(cè)控裝置P&C，如圖3(a)所示。顯然，若將智能變電站系統(tǒng)中諸如采樣值，跳閘命令等實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)安排在EPL 同步階段傳輸，在異步階段發(fā)送開關(guān)設(shè)備狀態(tài)等實(shí)時(shí)性要求不高的異步數(shù)據(jù)是一種非常理想的通信解決方案。對(duì)于實(shí)時(shí)報(bào)文，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)“實(shí)時(shí)性”要求通常定義為4ms[6-12]，EPL 最小通信周期能夠達(dá)到百微秒級(jí)，在滿足變電站對(duì)實(shí)時(shí)性要求的時(shí)間范圍內(nèi)，使用EPL 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)過程層中多個(gè)間隔間的實(shí)時(shí)通信。因此，合理安排系統(tǒng)中的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)和循環(huán)周期長(zhǎng)短理論上可滿足變電站設(shè)備發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。

圖3 EPL 應(yīng)用方案Fig.3 Scheme of EPL application

EPL 利用PReq、PRes 幀進(jìn)行同步數(shù)據(jù)交換，要求兩種數(shù)據(jù)流均須滿足圖1所示的EPL 幀格式要求，對(duì)于異步數(shù)據(jù)的格式則無特殊要求。為滿足智能變電站對(duì)信息共享及設(shè)備互操作性的要求，IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相關(guān)通信數(shù)據(jù)格式有明確的規(guī)定。兩種數(shù)據(jù)格式的不兼容決定兩種數(shù)據(jù)幀不能套用，即EPL協(xié)議的數(shù)據(jù)不能直接用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信。由于PReq與PRes 兩數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隙具有絕對(duì)的實(shí)時(shí)性，按照上文所述將站內(nèi)實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)(如GOOSE,IEC 61850-9-1(2)映射)內(nèi)嵌入PReq與PRes之間的時(shí)間間隙發(fā)送，在異步階段直接進(jìn)行實(shí)時(shí)性要求次之的數(shù)據(jù)(如IEC 61850-8-1 映射)的交換，形成圖3(b)所示的通信應(yīng)用方案也應(yīng)能實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 EPL 應(yīng)用測(cè)試

針對(duì)上文提出了EPL 傳輸智能變電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的方案，該方案的可行性需要得到有效的測(cè)試。目前網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的方法分為軟件和硬件兩種。軟件測(cè)試以Wireshark 等網(wǎng)絡(luò)分析軟件為代表，但軟件測(cè)試方法能提供的最高精度為毫秒級(jí)(ms)，無法達(dá)到該方案的測(cè)試要求。另一方面，用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的硬件有示波器、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、數(shù)據(jù)采集卡及實(shí)時(shí)以太網(wǎng)專用測(cè)試設(shè)備等多種工具，這些硬件的測(cè)試精度高，然而成本也很高，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試不適用。本文利用Blackfin 系列的DSP 結(jié)合μCOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成功移植了EPL協(xié)議，并在軟件中模擬了圖3(b)所示的過程總線通信方案。最后介紹一種結(jié)合μCOS系統(tǒng)時(shí)間和DSP 內(nèi)核時(shí)鐘記錄時(shí)間戳的方法測(cè)試上述的應(yīng)用方案。

BF536的內(nèi)核時(shí)鐘是一個(gè)T=1 ms的周期時(shí)鐘，當(dāng)前周期內(nèi)的內(nèi)核時(shí)間t1(μs)，由寄存器pTCOUNT記錄，該寄存器初始化值為4000，此后每經(jīng)過250 ns后，pTCOUNT值減1。該值減小為0時(shí)，當(dāng)前1 ms(4000×250 ns=1 ms)的內(nèi)核周期時(shí)間消耗完產(chǎn)生中斷，中斷處理中由操作系統(tǒng)μCOS 提供的全局變量OSTime 加1 來記錄系統(tǒng)啟動(dòng)之后所經(jīng)過系統(tǒng)時(shí)間t2(ms)。中斷返回后pTCOUNT 自動(dòng)從初始值開始遞減重新計(jì)時(shí)?？梢?，該方法的計(jì)時(shí)精度為250 ns，完全能夠達(dá)到測(cè)試要求。測(cè)試調(diào)試時(shí)，最終的結(jié)果通過串口輸出或printf 語句打印出來。這種測(cè)試辦法精度高，幾乎不需要消耗任何成本。

圖4(a)是本文的過程層通信測(cè)試的平臺(tái)，在PC機(jī)上DSP 仿真開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行MN 和第三方軟件Wireshark。MN 充當(dāng)過程層的一個(gè)IED，通過HUB管理其他4個(gè)IED1～4(CN)通信，循環(huán)周期為2 ms。各IED 設(shè)備的內(nèi)核和系統(tǒng)頻率均為CCLK/SCLK=500/125 MHz，通信速率為100 Mbit/s。在方案實(shí)時(shí)階段IED1,2分別傳輸IEC 61850-9-1(2)格式的采樣數(shù)據(jù)，IED3,4 傳輸實(shí)時(shí)GOOSE 數(shù)據(jù)；異步階段，4個(gè)IED 均可交換異步數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6,10]設(shè)置合理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，此處均為120 Bytes。EPL協(xié)議數(shù)據(jù)均為64 Bytes。為便于觀察，IED0 不參與變電站數(shù)據(jù)傳輸，利用上述內(nèi)核時(shí)鐘記錄時(shí)標(biāo)方法和第三方軟件Wireshark 截包功能進(jìn)行測(cè)試記錄通信信息：當(dāng)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)發(fā)出時(shí)記錄幀類型和時(shí)間戳，數(shù)據(jù)到來時(shí)從接收中斷中記錄接收數(shù)據(jù)的IED 編號(hào)和接收時(shí)間戳。同時(shí)用Wireshark 觀察通信是否異常。最終測(cè)試結(jié)果在仿真環(huán)境由printf函數(shù)中打印出來，如圖4(b)所示。

圖4 測(cè)試平臺(tái)和結(jié)果Fig.4 Platform and result of the test

經(jīng)過大量的測(cè)試，結(jié)合Wireshark 截包可看出，測(cè)試過程中，網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定可靠，傳輸過程中抖動(dòng)極小，滿足EPL 抖動(dòng)時(shí)間小于1 μs的要求。在通信的同步階段，相鄰的PReq 幀之間只有來自同一個(gè)IED的IEC 61850 數(shù)據(jù)和PRes的響應(yīng)數(shù)據(jù)，其實(shí)時(shí)性要求能夠很好地得到滿足。異步階段各個(gè)IED 交替發(fā)送數(shù)據(jù)，不具備周期性被訪問的特點(diǎn)，部分周期內(nèi)個(gè)別IED 甚至無法發(fā)送數(shù)據(jù)，毫無規(guī)律。如圖4(b)所示，同步階段，各個(gè)IED 均能正常通信，而在異步階段，時(shí)間長(zhǎng)度為1 098 μs(SoA 距下個(gè)周期SoC 間的時(shí)間差)，各IED 有充足的時(shí)間傳遞至少一次異步數(shù)據(jù)，但個(gè)別IED(圖4(b)中CN37)卻沒有發(fā)出數(shù)據(jù)，可見該階段的實(shí)時(shí)性無法得到滿足。上述表明EPL 能夠?qū)⒆冸娬鞠到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)時(shí)性要求分類發(fā)送。記錄數(shù)據(jù)信息和時(shí)間戳代碼消耗的時(shí)間可忽略不計(jì)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)同步階段IED0 訪問一個(gè)IED(1～4)的時(shí)間分布如圖5所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of test result

測(cè)試顯示：IED0 訪問另一個(gè)IED所需要時(shí)間在190～220 μs之間。所以推薦過程層以單一總線原則組網(wǎng)時(shí)，所有間隔的設(shè)備連接在該總線上，在2 ms 內(nèi)，該過程層網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足10個(gè)間隔左右的IED 實(shí)時(shí)通信，該測(cè)試結(jié)果能夠滿足EPL在智能變電站中的應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文以EPL為例介紹了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在智能變電站中的應(yīng)用，提出在智能變電站應(yīng)用EPL的一種方案，最后對(duì)該方案的通信性能進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試。初步工作實(shí)踐表明利用EPL 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)能夠完全滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，抖動(dòng)小，可靠性高，能夠滿足智能變電站中的應(yīng)用。但距離EPL 實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步的工作完善：

1）MN節(jié)點(diǎn)極為重要，出現(xiàn)故障會(huì)引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的癱瘓，針對(duì)智能變電站應(yīng)用，該技術(shù)通信的可靠性還須進(jìn)一步的研究。

2）2010 年貝加萊公司提出了PRC 技術(shù)，同步階段，CN 將數(shù)據(jù)在分配好的時(shí)間槽內(nèi)依次上傳，不需要MN 輪詢?cè)L問，通信性能可提高1/3，但該技術(shù)較新尚需在實(shí)踐中檢驗(yàn)。

3）智能變電站中推薦使用交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，受測(cè)試條件限制，本文使用HUB 組網(wǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中交換機(jī)對(duì)EPL 通信性能影響需進(jìn)一步的探討。

上述內(nèi)容將將成為本課題后續(xù)研究工作，若相關(guān)工作開展順利，相信EPL 將很好地解決智能變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

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