嵌入式以太網(wǎng)在高壓監(jiān)控中的應(yīng)用

　　引言

　　變電站自動(dòng)化和無人值班變電站從20 世紀(jì)90 年代至今發(fā)展非常迅速，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)正向著分散式、分布式、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為變電站自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，它把分散的各種智能設(shè)備組成一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進(jìn)而構(gòu)成功能完備、高可靠、高效率的自動(dòng)化系統(tǒng)。

　　變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)從早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信，發(fā)展到現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)正在使用的各種現(xiàn)場(chǎng)總線（Filed Bus ），如國內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與早期的異步串行網(wǎng)絡(luò)相比具有抗干擾性強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)極大的推動(dòng)了我國變電站自動(dòng)化的發(fā)展。但現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)也存在著自身無法克服的弊端，首先其帶寬相對(duì)較低，無法適應(yīng)日益增長(zhǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求;其次互操作性差，由于不同廠家采用的現(xiàn)場(chǎng)總線不同，導(dǎo)致變電站內(nèi)部不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備互連幾乎是不可能的，即使采用同一種現(xiàn)場(chǎng)總線，如CAN BUS ，由于該現(xiàn)場(chǎng)總線沒有定義完備的應(yīng)用層通信標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)廠家采用自己的應(yīng)用層通信協(xié)議，不同廠家基于CAN BUS 的智能設(shè)備互連也同樣沒有可能。

　　由于因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。嵌入式以太網(wǎng)因?yàn)樗俣瓤?，帶寬較寬（一般為10M 或100M 還有更高速的1000M ），互操作性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，價(jià)格便宜等特點(diǎn)在嵌入式控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)選用嵌入式以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代表了變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的最新方向。以下幾點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以看到嵌入式以太網(wǎng)的生命力。

　　a）.用于智能設(shè)備的嵌入式微處理器從8 位已發(fā)展到32 位，主頻速度也從幾兆赫茲發(fā)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(wù)程序發(fā)展成為使用高級(jí)語言編程（一般為C 或C++語言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)都對(duì)TCP/IP 編程技術(shù)有著完備的支持，再加上INTERNET 的迅速普及，這些計(jì)算機(jī)發(fā)展的新成就都有力的推動(dòng)了嵌入式以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。

　　b）.根據(jù)國家電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，到2005 年全國電力系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，省級(jí)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)網(wǎng)上的重要節(jié)點(diǎn)被要求首先建成電力寬帶數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，寬帶網(wǎng)絡(luò)將作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)納入國家電力建設(shè)之中，統(tǒng)一化的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)無疑是變電站自動(dòng)化的發(fā)展方向。

　　c）.代表世界電力標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展先進(jìn)領(lǐng)域的IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，為使不同廠商的自動(dòng)化產(chǎn)品具有互操作性，已制定了關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信體系IEC61850 。盡管該標(biāo)準(zhǔn)還沒有頒布正式版本，但已經(jīng)出版的IEC61850 委員會(huì)草案中，已經(jīng)明確定義了嵌入式以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作為唯一的變電站自動(dòng)化領(lǐng)域的通信網(wǎng)絡(luò)，這將是技術(shù)發(fā)展的國際大趨勢(shì)。

　　1 高壓監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　基于以太網(wǎng)的高壓監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式可以非常靈活，在小型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中可以采用簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各智能設(shè)備直接通過以太網(wǎng)連接到主控通信單元，該網(wǎng)絡(luò)模型較為簡(jiǎn)單，本文不再單獨(dú)描述。

　　《IEC61850 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)推薦大中型變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該采用按間隔配置、面向?qū)ο蟮慕M網(wǎng)方式，如下圖：網(wǎng)絡(luò)體系大致分為三層結(jié)構(gòu)。

　　最上層為站控層。包括雙主控通信單元，雙機(jī)為冗余熱備用方式，主控通信單元負(fù)責(zé)管理全站范圍的智能通信單元，收集各智能單元的數(shù)據(jù)送往調(diào)度主站，并把主站下發(fā)的控制命令分發(fā)到相應(yīng)的采集單元;雙機(jī)數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)同步刷新;其備份方式既可以為主備方式，也可并列運(yùn)行。根據(jù)用戶的需求可以在網(wǎng)絡(luò)上配置高級(jí)應(yīng)用管理單元，如當(dāng)?shù)毓δ?，無功綜合控制服務(wù)器，無防控制服務(wù)器，備用電源自動(dòng)投切服務(wù)器等高級(jí)應(yīng)用功能，這些高級(jí)應(yīng)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(shí)現(xiàn)（當(dāng)?shù)毓δ艹猓?，也可以分布到網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的管理功能。

　　中間層為間隔通信單元。負(fù)責(zé)管理、收集本間隔內(nèi)智能設(shè)備的數(shù)據(jù)，送往站控層;接收站控層的控制命令，分發(fā)到相應(yīng)的智能設(shè)備，同時(shí)可以通過相應(yīng)的軟件模塊完成本間隔內(nèi)的自動(dòng)控制功能。間隔通信單元也可以根據(jù)用戶的需要配置為雙機(jī)熱備用的方式。

　　智能單元包括測(cè)控模塊和保護(hù)模塊，分別完成測(cè)控功能和保護(hù)功能。

　　主控通信單元和間隔通信單元采用雙網(wǎng)分流、故障切換的通信模式。正常通信過程中，雙網(wǎng)分別傳輸不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，一旦其中的一條網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，則另一條網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)起傳輸全部數(shù)據(jù)的功能。這樣不但提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　間隔通信單元與各智能設(shè)備之間通過10M 以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于本網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備相對(duì)較少，完全可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

　　合理的網(wǎng)絡(luò)配置可以減小網(wǎng)絡(luò)沖突，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是設(shè)備可互操作性的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段，在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域還沒有可以直接遵循的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850 無疑是今后網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)的發(fā)展方向，但國際標(biāo)準(zhǔn)的制定和頒布仍然需要一段時(shí)間。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定上，采用了IEC61850 的基本設(shè)計(jì)規(guī)范，既采用面向設(shè)備、面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

　　如圖，網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約建立在TCP/IP 協(xié)議棧之上，分為三層體系結(jié)構(gòu)。如上圖。

　　通信服務(wù)層建立在TCP/IP 之上，完成通信鏈路的建立和維護(hù)，通信服務(wù)層給上一層提供可靠的端到端的通信服務(wù)。

　　服務(wù)原語層把規(guī)約層的原語調(diào)用轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)報(bào)文結(jié)構(gòu)，并通過通信服務(wù)層把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在異種機(jī)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下，完成數(shù)據(jù)報(bào)文主機(jī)字節(jié)順序和網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序的互相轉(zhuǎn)化。本協(xié)議支持與IEC61850 相一致的服務(wù)原語。支持的基本的服務(wù)原語有：

　　數(shù)據(jù)對(duì)象服務(wù)層調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)原語完成客戶和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫之間的同步刷新，設(shè)備管理，目錄服務(wù)等面向應(yīng)用的功能。對(duì)象服務(wù)采用客戶-服務(wù)器模型。本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持豐富的數(shù)據(jù)對(duì)象，每種數(shù)據(jù)對(duì)象定義了對(duì)象值和對(duì)象屬性兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)對(duì)象包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)象、事件數(shù)據(jù)對(duì)象、控制對(duì)象、文件對(duì)象等類別。

　　3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)管理

　　電力系統(tǒng)中，變電站點(diǎn)多面廣，同時(shí)為適應(yīng)減員增效和現(xiàn)代化管理的要求，很大一部分變電站都是無人值班變電站，這就要求變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該有極高的可靠性和可維護(hù)性。隨著計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)的深入發(fā)展和國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的建設(shè)，通過Internet 互連各級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)將成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。也為基于嵌入式WEB 服務(wù)器的設(shè)備配置管理技術(shù)提供了良好的條件。

　　新型高壓監(jiān)控系統(tǒng)支持基于WEB 方式的設(shè)備管理。經(jīng)過授權(quán)的用戶可以在客戶端采用標(biāo)準(zhǔn)的WEB 瀏覽器（如IE5.0 ）在網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點(diǎn)（甚至INTERNET ）方便、迅速的配置和管理設(shè)備，存取網(wǎng)絡(luò)信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備的在線管理，對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)變電站運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，可以根據(jù)用戶的設(shè)定自動(dòng)發(fā)送E_MAIL ，或者手機(jī)短消息等報(bào)警信息到指定用戶，及時(shí)通知管理人員處理設(shè)備故障。在正常運(yùn)行期間，也可以根據(jù)用戶的設(shè)置，定期自動(dòng)地向指定E_MAIL 信箱發(fā)送設(shè)備運(yùn)行日志等。

　　基于WEB 的設(shè)備管理方式大大減輕了設(shè)備運(yùn)行人員的勞動(dòng)，使得設(shè)備管理部門能夠及時(shí)了解變電站運(yùn)行信息，對(duì)設(shè)備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的發(fā)展，基于WEB 的設(shè)備維護(hù)將比以往基于遠(yuǎn)程撥號(hào)的維護(hù)方式更加優(yōu)越。

　　4 嵌入式自動(dòng)控制功能

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，用于變電站自動(dòng)化智能設(shè)備的處理能力越來越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)速度也越來越快，原來必須有一些獨(dú)立的裝置才能完成的自動(dòng)功能，現(xiàn)在可以分布到新型監(jiān)控系統(tǒng)中各智能設(shè)備上來實(shí)現(xiàn)，變電站自動(dòng)化的發(fā)展方向也必然朝著全分散式系統(tǒng)發(fā)展。

　　通過強(qiáng)大、高效的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，各智能設(shè)備之間可以很方便地實(shí)現(xiàn)信息共享。新型監(jiān)控系統(tǒng)全面支持IEC61131-3 定義的5 種可編程邏輯控制語言。用戶定義自己的邏輯，實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制功能，通過配置信息可以把自動(dòng)控制功能分布到各個(gè)智能設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)真正的分布式自動(dòng)控制功能。如分布式無功綜合控制，分布式小電流接地選線，分布式電源備自投等自動(dòng)化功能。

　　5 結(jié)語

　　新一代高壓監(jiān)控系統(tǒng)中采用了國際先進(jìn)的變電站技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，積極靠攏IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)具有良好的互操作性和開放性。采用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，具有良好的可擴(kuò)充易使用的特點(diǎn)，能夠滿足日后變電站自動(dòng)化發(fā)展的需求，它代表了變電站自動(dòng)化發(fā)展的最新成果。