嵌入式以太网在高压监控中的应用

嵌入式以太网在高压监控中的应用

摘要：计算机通信网络是变电站自动化系统的关键。本文研究了新一代基于嵌入式以太网的高压监控系统，给出了网络实现方案及其功能特点。关键词：变电站自动化，现场总线，以太网，嵌入式网络管理，嵌入式PLC0引言变电站自动化和无人值班变电站从20世纪90年代至今发展非常迅速，随着计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的发展，变电站自动化系统正向着分散式、分布式、网络化的方向发展。网络技术已成为变电站自动化发展的关键技术，它把分散的各种智能设备组成一体化的网络系统，进而构成功能完备、高可靠、高效率的自动化系统。

变电站自动化通信网络从早期的RS485/RS422和CCITTV.24方式的标准的异步串行通信，发展到现在大多数系统正在使用的各种现场总线（FiledBus），如国内常见的东方电子采用的FDKBus、四方公司采用的LonWorks、南自院采用的CanBus、西门子公司采用的ProfiBus等等。现场总线网络与早期的异步串行网络相比具有抗干扰性强、效率高等优点，现场总线网络的出现极大的推动了我国变电站自动化的发展。但现场总线网络也存在着自身无法克服的弊端，首先其带宽相对较低，无法适应日益增长的自动化系统对网络的需求；其次互操作性差，由于不同厂家采用的现场总线不同，导致变电站内部不同生产厂家的设备互连几乎是不可能的，即使采用同一种现场总线，如CANBUS，由于该现场总线没有定义完备的应用层通信标准，各生产厂家采用自己的应用层通信协议，不同厂家基于CANBUS的智能设备互连也同样没有可能。

由于因特网的飞速发展，以太网络通信技术得到了愈来愈广泛的应用。嵌入式以太网因为速度快，带宽较宽（一般为10M或100M还有更高速的1000M），互操作性好，可扩展性强，价格便宜等特点在嵌入式控制领域得到了广泛的应用，变电站自动化系统选用嵌入式以太网络技术代表了变电站自动化网络技术发展的最新方向。以下几点技术的发展趋势，可以看到嵌入式以太网的生命力。

a).用于智能设备的嵌入式微处理器从8位已发展到32位，主频速度也从几兆赫兹发展到几十兆甚至上百兆赫兹。控制软件也从汇编语言编程的单任务程序发展成为使用高级语言编程（一般为C或C++语言，或者嵌入式JAVA）的嵌入式实时操作系统。嵌入式操作系统都对TCP/IP编程技术有着完备的支持，再加上INTERNET的迅速普及，这些计算机发展的新成就都有力的推动了嵌入式以太网络技术的在控制领域中的广泛应用。

b).根据国家电力数据通信网的发展规划，到2005年全国电力系统将实现联网，省级网作为数据网上的重要节点被要求首先建成电力宽带数据通信网，宽带网络将作为统一的数据平台纳入国家电力建设之中，统一化的网络平台无疑是变电站自动化的发展方向。

c).代表世界电力标准发展先进领域的IEC国际标准化组织，为使不同厂商的自动化产品具有互操作性，已制定了关于变电站自动化系统的网络通信体系IEC61850。尽管该标准还没有颁布正式版本，但已经出版的IEC61850委员会草案中，已经明确定义了嵌入式以太网络通信技术作为唯一的变电站自动化领域的通信网络，这将是技术发展的国际大趋势。1高压监控的网络体系结构基于以太网的高压监控系统组网方式可以非常灵活，在小型变电站自动化系统中可以采用简单的星型网络拓扑结构，各智能设备直接通过以太网连接到主控通信单元，该网络模型较为简单，本文不再单独描述。

《IEC61850变电站通信网络和系统》标准推荐大中型变电站的自动化系统应该采用按间隔配置、面向对象的组网方式，如下图：网络体系大致分为三层结构。

最上层为站控层。包括双主控通信单元，双机为冗余热备用方式，主控通信单元负责管理全站范围的智能通信单元，收集各智能单元的数据送往调度主站，并把主站下发的控制命令分发到相应的采集单元；双机数据库通过网络同步刷新；其备份方式既可以为主备方式，也可并列运行。根据用户的需求可以在网络上配置高级应用管理单元，如当地功能，无功综合控制服务器，无防控制服务器，备用电源自动投切服务器等高级应用功能，这些高级应用管理单元既可以以专用软件模块的方式集中在主控通信单元实现（当地功能除外），也可以分布到网络的其它节点实现相应的管理功能。

中间层为间隔通信单元。负责管理、收集本间隔内智能设备的数据，送往站控层；接收站控层的控制命令，分发到相应的智能设备，同时可以通过相应的软件模块完成本间隔内的自动控制功能。间隔通信单元也可以根据用户的需要配置为双机热备用的方式。

智能单元包括测控模块和保护模块，分别完成测控功能和保护功能。主控通信单元和间隔通信单元采用双网分流、故障切换的通信模式。正常通信过程中，双网分别传输不同的数据内容，一旦其中的一条网络出现故障，则另一条网络担负起传输全部数据的功能。这样不但提高了系统的实时性，也极大的提高了系统的可靠性。

间隔通信单元与各智能设备之间通过10M以太网传输实时数据。由于本网段内设备相对较少，完全可以保证数据的实时性。

合理的网络配置可以减小网络冲突，提高系统的实时性和可靠性。2网络通信协议的实现网络通信协议是设备可互操作性的基础，现阶段，在变电站自动化领域还没有可以直接遵循的国际标准。IEC61850无疑是今后网络通信架构的发展方向，但国际标准的制定和颁布仍然需要一段时间。我们在网络通信协议的制定上，采用了IEC61850的基本设计规范，既采用面向设备、面向对象的网络体系结构。

如图，网络通信规约建立在TCP/IP协议栈之上，分为三层体系结构。如上图。

通信服务层建立在TCP/IP之上，完成通信链路的建立和维护，通信服务层给上一层提供可靠的端到端的通信服务。

服务原语层把规约层的原语调用转化为网络报文结构，并通过通信服务层把数据发送出去。在异种机的网络体系结构下，完成数据报文主机字节顺序和网络字节顺序的互相转化。本协议支持与IEC61850相一致的服务原语。支持的基本的服务原语有：数据对象服务层调用相应的服务原语完成客户和服务器数据库之间的同步刷新，设备管理，目录服务等面向应用的功能。对象服务采用客户-服务器模型。本网络协议支持丰富的数据对象，每种数据对象定义了对象值和对象属性两个部分，数据对象包括实时数据对象、事件数据对象、控制对象、文件对象等类别。3嵌入式网络管理电力系统中，变电站点多面广，同时为适应减员增效和现代化管理的要求，很大一部分变电站都是无人值班变电站，这就要求变电站自动化系统应该有极高的可靠性和可维护性。随着计算机互连网的深入发展和国家电力数据网的建设，通过Internet互连各级自动化系统将成为一种新的发展趋势。也为基于嵌入式WEB服务器的设备配置管理技术提供了良好的条件。

新型高压监控系统支持基于WEB方式的设备管理。经过授权的用户可以在客户端采用标准的WEB浏览器（如IE5.0）在网络的任一节点（甚至INTERNET）方便、迅速的配置和管理设备，存取网络信息。实现对变电站设备的在线管理，对采集数据的实时监测。当变电站运行设备出现异常时，可以根据用户的设定自动发送E_MAIL，或者手机短消息等报警信息到指定用户，及时通知管理人员处理设备故障。在正常运行期间，也可以根据用户的设置，定期自动地向指定E_MAIL信箱发送设备运行日志等。

基于WEB的设备管理方式大大减轻了设备运行人员的劳动，使得设备管理部门能够及时了解变电站运行信息，对设备故障的处理也更加快速有效。伴随着国家电力数据网的发展，基于WEB的设备维护将比以往基于远程拨号的维护方式更加优越。4嵌入式自动控制功能随着计算机技术和通信网络技术的发展，用于变电站自动化智能设备的处理能力越来越强，网络速度也越来越快，原来必须有一些独立的装置才能完成的自动功能，现在可以分布到新型监控系统中各智能设备上来实现，变电站自动化的发展方向也必然朝着全分散式系统发展。

通过强大、高效的以太网通信网络，各智能设备之间可以很方便地实现信息共享。新型监控系统全面支持IEC61131-3定义的5种可编程逻辑控制语言。用户定义自己的逻辑，实现各种自动控制功能，通过配置信息可以把自动控制功能分布到各个智能设备上，从而实现真正的分布式自动控制功能。如分布式无