嵌入式以太網(wǎng)在變電站自動化通信中的應(yīng)用探討

安徽省電力公司馬鞍山供電公司 常舜禹

前言

變電站通信系統(tǒng)中，不同層次間數(shù)據(jù)交換極為頻繁，不僅要求數(shù)據(jù)交換具有較高的實時性，且保證通信中數(shù)據(jù)傳輸更為可靠?，F(xiàn)代變電站系統(tǒng)建設(shè)中為滿足自動化、智能化等需求，開始將現(xiàn)場總線技術(shù)引入其中，同時以太網(wǎng)自身CSMA/CD機制以及對多路訪問的控制也為變電站通信系統(tǒng)整體性能提高提供技術(shù)保障。因此，對變電站通信系統(tǒng)中嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

1 嵌入式以太網(wǎng)的相關(guān)概述

關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)，其可應(yīng)用變電站系統(tǒng)建設(shè)中主要得益于自身嵌入式技術(shù)。事實上，傳統(tǒng)大多軟件系統(tǒng)中，因存在較多限制性因素如資源、速度等使微控制器、處理器等很難發(fā)揮實質(zhì)性作用，而在芯片技術(shù)不斷引入系統(tǒng)建設(shè)后，無論在操作系統(tǒng)、硬件資源或運行速度等方面都得到很大程度的改善，這樣變電站通信系統(tǒng)能夠進行實時通信、中斷管理以及任務(wù)調(diào)度等。因此，在通信系統(tǒng)中將實時操作系統(tǒng)引入其中，確保低端環(huán)境下控制器或處理器仍可執(zhí)行較為復(fù)雜的任務(wù)，對這種設(shè)計方式便可理解為嵌入式技術(shù)。從嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用的原理看，其主要以TCP/IP協(xié)議作為系統(tǒng)邏輯，而且以IEEE802.3作為以太網(wǎng)物理標準。但相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，嵌入式以太網(wǎng)無需依托于PC機運行，進行在實時操作系統(tǒng)中將TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族引入其中，便可在許多行業(yè)領(lǐng)域中運用[1]。

2 變電站通信系統(tǒng)中嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用的可行性分析

變電站通信系統(tǒng)中是否可將嵌入式以太網(wǎng)引入其中在過去幾年一直為電力企業(yè)以及許多學者爭論的焦點。很多學者在分析中認為由于以太網(wǎng)在監(jiān)測多路訪問中所選擇的介質(zhì)主要以載波為主，其很難預(yù)測通信過程中存在的延遲傳輸，無法適應(yīng)實時系統(tǒng)運行需求。若在傳輸介質(zhì)LAN中有較多以太網(wǎng)節(jié)點進行訪問，也可能存在數(shù)據(jù)傳輸沖突問題，這樣節(jié)點會會采取退避措施，再次對介質(zhì)訪問過程中便可能延長整個傳輸時間。然而在嵌入式以太網(wǎng)在后期實踐應(yīng)用中，利用其與令牌總線網(wǎng)比較，可發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)絡(luò)負荷不足25%時，相比令牌總線網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)具有極快的響應(yīng)時間，而且在傳輸管理中以太網(wǎng)的沖突檢測也可做到有效的傳輸管理，能夠?qū)?jié)點數(shù)據(jù)的傳輸進行控制，解決因節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸沖突而延長傳輸時間的問題[2]。

另外，從以太網(wǎng)系統(tǒng)響應(yīng)看，由于變電站系統(tǒng)主要以隨機性數(shù)據(jù)、異常運行中突發(fā)性數(shù)據(jù)、周期數(shù)據(jù)為主，隨機性數(shù)據(jù)不具有較大的流量，周期性數(shù)據(jù)主要產(chǎn)生于正常運行下，數(shù)據(jù)連續(xù)性以及穩(wěn)定性較高。所以系統(tǒng)運行中僅需考慮異常情況下的突發(fā)性數(shù)據(jù)，保證以太網(wǎng)負荷量控制在25%以內(nèi)，便可使系統(tǒng)響應(yīng)速度得到提高。為驗證以太網(wǎng)實時性特征，許多發(fā)達國家也開展許多相關(guān)研究，如美國EPRI其將12Mb/s令牌傳遞與以太網(wǎng)置于較差的系統(tǒng)環(huán)境下，分析得出以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)通信時間上比令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)速度超出許多。再如德國在變電站通信系統(tǒng)研究中對于站級總線直接選取Ethernet/MMS，實踐中發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用下無論在性能或傳輸時間等各方面出現(xiàn)異常情況的幾率都較小。因此，在變電站通信系統(tǒng)建設(shè)中引入嵌入式以太網(wǎng)具有極大的可行性[3]。

3 變電站通信系統(tǒng)中嵌入式以太網(wǎng)的具體運用研究

3.1 嵌入式以太網(wǎng)的具體運用

現(xiàn)代變電站通信系統(tǒng)建設(shè)中更側(cè)重于智能化、自動規(guī)劃目標的實現(xiàn)，將嵌入式以太網(wǎng)引入其中也需圍繞這兩方面進行。常見的應(yīng)用模式主要體現(xiàn)在：第一，將以太網(wǎng)接口設(shè)置于設(shè)備IEDs中，并使IEDs設(shè)備充當節(jié)點，使其與以太網(wǎng)進行連接。第二，若IED無法的進行以太網(wǎng)接口設(shè)計，可考慮引入現(xiàn)場總線使設(shè)備進行連接，并選取通信控制器作為節(jié)點使其與以太網(wǎng)連接。兩種模式相比之下，在技術(shù)上都以嵌入式以太網(wǎng)接口為主，但其他如配置、電壓等級等存在一定差異。若從應(yīng)用可靠性角度出發(fā)，變電站通信系統(tǒng)在設(shè)計過程中應(yīng)考慮配置雙以太網(wǎng)，其可使系統(tǒng)運行更為穩(wěn)定。但需注意的是假定變電站系統(tǒng)為中低壓，在第一種嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用下，配置雙以太網(wǎng)將表現(xiàn)出明顯的冗余特征，適用性較差。若將第二種應(yīng)用模式引入其中，配置雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)則比較適用。

實際應(yīng)用中變電站系統(tǒng)存在較多問題，如IEDs設(shè)備主要來源于設(shè)備廠商，在接口設(shè)計中可能忽略以太網(wǎng)接口的設(shè)計，而單純以現(xiàn)場總線接口為主，這種情況下IED設(shè)備將無法與通信系統(tǒng)以太網(wǎng)進行連接。因此，應(yīng)用中需考慮進行通信控制器的設(shè)計，其既將以太網(wǎng)接口以及其他通信接口設(shè)計其中，解決IEDs無法連接以太網(wǎng)的問題。變電站通信系統(tǒng)中選取通信控制器，其類似于嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用的第二種模式，可考慮實際建設(shè)中選擇第二種模式，使以太網(wǎng)中IEDs都可集成。需注意的是若廠商提供的IEDs直接提供標準通信接口，在系統(tǒng)集成中可選用第一種模式。另外，許多變電站通信系統(tǒng)建設(shè)中對于第二種模式的應(yīng)用，往往會發(fā)現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)不同，直接影響網(wǎng)絡(luò)流量特性，但需注意變電站通信系統(tǒng)信息，采用10Mb/s帶寬可滿足通信要求，網(wǎng)絡(luò)特性受第二種應(yīng)用模式影響與第一種模式存在的差別較小。因此，實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合變電站實際情況進行不同模式的選擇[4]。

3.2 嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)分析

嵌入式以太網(wǎng)在變電站通信系統(tǒng)中作用的發(fā)揮主要得益于其涉及的硬件技術(shù)與軟件技術(shù)。其中在硬件技術(shù)方面，主要將以太網(wǎng)收發(fā)器、控制器以及MCU等作為以太網(wǎng)硬件體系。當前在芯片技術(shù)不斷成熟的背景下，常見的以太網(wǎng)控制器如Net ARM、MPC8260等都得到廣泛應(yīng)用。但為使以太網(wǎng)更好地服務(wù)于變電站通信系統(tǒng)，要求做好以太網(wǎng)硬件設(shè)計工作，主要可從兩方面著手，其一為以太網(wǎng)收發(fā)器、控制器與CPU的組合，另一種則以收發(fā)器、芯片與CPU為主。其中第一種硬件設(shè)計方式，可滿足收發(fā)器、控制器功能實現(xiàn)的基本要求，其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP也可通過CPU執(zhí)行。而第二種設(shè)計的方式要求利用芯片集成控制器，通信效率較高而且具有明顯的抗干擾能力，但這種方式應(yīng)用下需保證芯片性能符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

另外，在軟件方面，為使IED處理、存儲以及其他智能功能得以滿足，可選擇IP、ARP、TCP等作為設(shè)備TCP/IP協(xié)議。但該協(xié)議具有一定的復(fù)雜性特征，許多軟件設(shè)計中多與UNIX操作系統(tǒng)較為相似，可能存在無法滿足實時系統(tǒng)要求的情況。對此，在TCP/IP協(xié)議下，應(yīng)做好實時操作系統(tǒng)的選擇，確保相關(guān)的調(diào)度或管理都可在RTOS多任務(wù)機制下實現(xiàn)。通過大多變電站通信系統(tǒng)建設(shè)實踐可發(fā)現(xiàn)，由TCP/IP軟件模塊以及嵌入式RTOS共同構(gòu)成的以太網(wǎng)軟件，通信中許多復(fù)雜機制都能夠?qū)崿F(xiàn)[5]。

4 結(jié)論

變電站通信系統(tǒng)中嵌入式以太網(wǎng)的引入是保證系統(tǒng)安全可靠運行的重要技術(shù)保障。實際應(yīng)用中應(yīng)正視嵌入式以太網(wǎng)的基本原理，根據(jù)變電站通信系統(tǒng)實際建設(shè)情況合理選擇嵌入式以太網(wǎng)的不同模式。同時，為使嵌入式以太網(wǎng)作用得以充分發(fā)揮，在應(yīng)用過程中還需從其硬件技術(shù)與軟件技術(shù)等方面著手，確保嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用下通信系統(tǒng)存在的管理或調(diào)度問題得以解決，實現(xiàn)變電站系統(tǒng)自動化、智能化建設(shè)目標。

[1]李文軍,楊德偉.嵌入式以太網(wǎng)在變電站中的應(yīng)用研究與設(shè)計[J].微計算機信息,2011,03:77-79.

[2]汪哲民,張帆.變電站過程層嵌入式以太網(wǎng)實時性能的仿真[J].電子測量技術(shù),2010,04:75-77+122.

[3]陳偉,郝曉弘,張帆.變電站嵌入式以太網(wǎng)通信平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣自動化,2010,03:60-63.

[4]汪哲民,張帆.變電站層嵌入式以太網(wǎng)實時性能分析與仿真[J].微計算機信息,2010,32:49-50+85.

[5]馮小峰.嵌入式以太網(wǎng)在輪轂跳動量測量儀中的應(yīng)用研究[D].長春理工大學,2010.