嵌入式以太網在高壓監控中的應用
摘要：計算機通信網絡是變電站自動化系統的關鍵。本文研究了新一代基于嵌入式以太網的
高壓監控系統，給出了網絡實現方案及其功能特點。
關鍵詞：變電站自動化，現場總線，以太網，嵌入式網絡管理，嵌入式PLC
0 引言
變電站自動化和無人值班變電站從20 世紀90 年代至今發展非常迅速，隨著計算機技術、網絡通信技術和自動控制技術的發展，變電站自動化系統正向著分散式、分布式、網絡化的方向發展。網絡技術已成為變電站自動化發展的關鍵技術，它把分散的各種智能設備組成一體化的網絡系統，進而構成功能完備、高可靠、高效率的自動化系統。
變電站自動化通信網絡從早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的標準的異步串行通信，發展到現在大多數系統正在使用的各種現場總線（Filed Bus ），如國內常見的東方電子采用的FDK Bus 、四方公司采用的Lon Works 、南自院采用的Can Bus 、西門子公司采用的ProfiBus 等等。現場總線網絡與早期的異步串行網絡相比具有抗干擾性強、效率高等優點，現場總線網絡的出現極大的推動了我國變電站自動化的發展。但現場總線網絡也存在著自身無法克服的弊端，首先其帶寬相對較低，無法適應日益增長的自動化系統對網絡的需求；其次互操作性差，由于不同廠家采用的現場總線不同，導致變電站內部不同生產廠家的設備互連幾乎是不可能的，即使采用同一種現場總線，如CAN BUS ，由于該現場總線沒有定義完備的應用層通信標準，各生產廠家采用自己的應用層通信協議，不同廠家基于CAN BUS 的智能設備互連也同樣沒有可能。
由于因特網的飛速發展，以太網絡通信技術得到了愈來愈廣泛的應用。嵌入式以太網因
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，價格便宜等特點在嵌入式控制領域得到了廣泛的應用，變電站自動化系統選用嵌入式以太網絡技術代表了變電站自動化網絡技術發展的最新方向。以下幾點技術的發展趨勢，可以看到嵌入式以太網的生命力。
a).用于智能設備的嵌入式微處理器從8 位已發展到32 位，主頻速度也從幾兆赫茲發展到幾十兆甚至上百兆赫茲。控制軟件也從匯編語言編程的單任務程序發展成為使用高級語言編程（一般為C 或C 語言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式實時操作系統。嵌入式操作系統都對TCP/IP 編程技術有著完備的支持，再加上INTERNET 的迅速普及，這些計算機發展的新成就都有力的推動了嵌入式以太網絡技術的在控制領域中的廣泛應用。
b).根據國家電力數據通信網的發展規劃，到2005 年全國電力系統將實現聯網，省級網作為數據網上的重要節點被要求首先建成電力寬帶數據通信網，寬帶網絡將作為統一的數據平臺納入國家電力建設之中，統一化的網絡平臺無疑是變電站自動化的發展方向。
c).代表世界電力標準發展先進領域的IEC 國際標準化組織，為使不同廠商的自動化產品具有互操作性，已制定了關于變電站自動化系統的網絡通信體系IEC61850 。盡管該標準還沒有頒布正式版本，但已經出版的IEC61850 委員會草案中，已經明確定義了嵌入式以太網絡通信技術作為唯一的變電站自動化領域的通信網絡，這將是技術發展的國際大趨勢。
1 高壓監控的網絡體系結構
基于以太網的高壓監控系統組網方式可以非常靈活，在小型變電站自動化系統中可以采用簡單的星型網絡拓撲結構，各智能設備直接通過以太網連接到主控通信單元，該網絡模型較為簡單，本文不再單獨描述。
《IEC61850 變電站通信網絡和系統》標準推薦大中型變電站的自動化系統應該采用按間隔配置、面向對象的組網方式，如下圖：網絡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，并把主站下發的控制命令分發到相應的采集單元；雙機數據庫通過網絡同步刷新；其備份方式既可以為主備方式，也可并列運行。根據用戶的需求可以在網絡上配置高級應用管理單元，如當地功能，無功綜合控制服務器，無防控制服務器，備用電源自動投切服務器等高級應用功能，這些高級應用管理單元既可以以專用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實現（當地功能除外），也可以分布到網絡的其它節點實現相應的管理功能。
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，分發到相應的智能設備，同時可以通過相應的軟件模塊完成本間隔內的自動控制功能。間隔通信單元也可以根據用戶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分流、故障切換的通信模式。正常通信過程中，雙網分別傳輸不同的數據內容，一旦其中的一條網絡出現故障，則另一條網絡擔負起傳輸全部數據的功能。這樣不但提高了系統的實時性，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10M 以太網傳輸實時數據。由于本網段內設備相對較少，完全可以保證數據的實時性。
合理的網絡配置可以減小網絡沖突，提高系統的實時性和可靠性。
2 網絡通信協議的實現
網絡通信協議是設備可互操作性的基礎，現階段，在變電站自動化領域還沒有可以直接遵循的國際標準。IEC61850 無疑是今后網絡通信架構的發展方向，但國際標準的制定和頒布仍然需要一段時間。我們在網絡通信協議的制定上，采用了IEC61850 的基本設計規范，既采用面向設備、面向對象的網絡體系結構。
如圖，網絡通信規約建立在TCP/IP 協議棧之上，分為三層體系結構。如上圖。
通信服務層建立在TCP/IP 之上，完成通信鏈路的建立和維護，通信服務層給上一層提供可靠的端到端的通信服務。
服務原語層把規約層的原語調用轉化為網絡報文結構，并通過通信服務層把數據發送出去。在異種機的網絡體系結構下，完成數據報文主
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