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(shí)時(shí)性，且保證通信中數(shù)據(jù)傳輸更為可靠。現(xiàn)代變電站系統(tǒng)建設(shè)中為滿足自動(dòng)化、智能化等需求，開(kāi)始將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引入其中，同時(shí)以太網(wǎng)自身CSMA/CD機(jī)制以及對(duì)多路訪問(wèn)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(duì)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(shí)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(shí)質(zhì)性作用，而在芯片技術(shù)不斷引入系統(tǒng)建設(shè)后，無(wú)論在操作系統(tǒng)、硬件資源或運(yùn)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(duì)這種設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。但相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，嵌入式以太網(wǎng)無(wú)需依托于PC機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行在實(shí)時(shí)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(yùn)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(guò)去幾年一直為電力企業(yè)以及許多學(xué)者爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。很多學(xué)者在分析中認(rèn)為由于以太網(wǎng)在監(jiān)測(cè)多路訪問(wèn)中所選擇的介質(zhì)主要以載波為主，其很難預(yù)測(cè)通信過(guò)程中存在的延遲傳輸，無(wú)法適應(yīng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行需求。若在傳輸介質(zhì)LAN中有較多以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，也可能存在數(shù)據(jù)傳輸沖突問(wèn)題，這樣節(jié)點(diǎn)會(huì)會(huì)采取退避措施，再次對(duì)介質(zhì)訪問(wèn)過(guò)程中便可能延長(zhǎng)整個(gè)傳輸時(shí)間。然而在嵌入式以太網(wǎng)在后期實(shí)踐應(yīng)用中，利用其與令牌總線網(wǎng)比較，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不足25%時(shí)，相比令牌總線網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)具有極快的響應(yīng)時(shí)間，而且在傳輸管理中以太網(wǎng)的沖突檢測(cè)也可做到有效的傳輸管理，能夠?qū)?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行控制，解決因節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸沖突而延長(zhǎng)傳輸時(shí)間的問(wèn)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(jī)性數(shù)據(jù)、異常運(yùn)行中突發(fā)性數(shù)據(jù)、周期數(shù)據(jù)為主，隨機(jī)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(yùn)行下，數(shù)據(jù)連續(xù)性以及穩(wěn)定性較高。所以系統(tǒng)運(yùn)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(fù)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(yàn)證以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性特征，許多發(fā)達(dá)國(guó)家也開(kāi)展許多相關(guān)研究，如美國(guó)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(shí)間上比令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)速度超出許多。再如德國(guó)在變電站通信系統(tǒng)研究中對(duì)于站級(jí)總線直接選取Ethernet/MMS，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用下無(wú)論在性能或傳輸時(shí)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(yùn)用研究

3.1 嵌入式以太網(wǎng)的具體運(yùn)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(dòng)規(guī)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將嵌入式以太網(wǎng)引入其中也需圍繞這兩方面進(jìn)行。常見(jiàn)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(dāng)節(jié)點(diǎn)，使其與以太網(wǎng)進(jìn)行連接。第二，若IED無(wú)法的進(jìn)行以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)，可考慮引入現(xiàn)場(chǎng)總線使設(shè)備進(jìn)行連接，并選取通信控制器作為節(jié)點(diǎn)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(jí)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(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮配置雙以太網(wǎng)，其可使系統(tǒng)運(yùn)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(shí)際應(yīng)用中變電站系統(tǒng)存在較多問(wèn)題，如IEDs設(shè)備主要來(lái)源于設(shè)備廠商，在接口設(shè)計(jì)中可能忽略以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)，而單純以現(xiàn)場(chǎng)總線接口為主，這種情況下IED設(shè)備將無(wú)法與通信系統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行連接。因此，應(yīng)用中需考慮進(jìn)行通信控制器的設(shè)計(jì)，其既將以太網(wǎng)接口以及其他通信接口設(shè)計(jì)其中，解決IEDs無(wú)法連接以太網(wǎng)的問(wèn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)于第二種模式的應(yīng)用，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合變電站實(shí)際情況進(jìn)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(dāng)前在芯片技術(shù)不斷成熟的背景下，常見(jiàn)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(jì)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(jì)方式，可滿足收發(fā)器、控制器功能實(shí)現(xiàn)的基本要求，其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP也可通過(guò)CPU執(zhí)行。而第二種設(shè)計(jì)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(jì)要求。

另外，在軟件方面，為使IED處理、存儲(chǔ)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(jì)中多與UNIX操作系統(tǒng)較為相似，可能存在無(wú)法滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求的情況。對(duì)此，在TCP/IP協(xié)議下，應(yīng)做好實(shí)時(shí)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(jī)制下實(shí)現(xiàn)。通過(guò)大多變電站通信系統(tǒng)建設(shè)實(shí)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(jī)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(yùn)行的重要技術(shù)保障。實(shí)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(shí)際建設(shè)情況合理選擇嵌入式以太網(wǎng)的不同模式。同時(shí)，為使嵌入式以太網(wǎng)作用得以充分發(fā)揮，在應(yīng)用過(guò)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(wèn)題得以解決，實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化建設(shè)目標(biāo)。

[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(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2011,03:77-79.

[2]汪哲民,張帆.變電站過(guò)程層嵌入式以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能的仿真[J].電子測(cè)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(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動(dòng)化,2010,03:60-63.

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

[5]馮小峰.嵌入式以太網(wǎng)在輪轂跳動(dòng)量測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué),2010.