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嵌入式以太網(wǎng)在高壓監控中的應用
摘要：計算機通信網(wǎng)絡(luò )是變電站自動(dòng)化系統的關(guān)鍵。本文研究了新一代基于嵌入式以太網(wǎng)的
高壓監控系統，給出了網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方案及其功能特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化，現場(chǎng)總線(xiàn)，以太網(wǎng)，嵌入式網(wǎng)絡(luò )管理，嵌入式PLC
0 引言
變電站自動(dòng)化和無(wú)人值班變電站從20 世紀90 年代至今發(fā)展非常迅速，隨著(zhù)計算機技術(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)化系統正向著(zhù)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備組成一體化的網(wǎng)絡(luò )系統，進(jìn)而構成功能完備、高可靠、高效率的自動(dòng)化系統。
變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò )從早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的標準的異步串行通信，發(fā)展到現在大多數系統正在使用的各種現場(chǎng)總線(xiàn)（Filed Bus ），如國內常見(jiàn)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(mén)子公司采用的ProfiBus 等等�，F場(chǎng)總線(xiàn)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、效率高等優(yōu)點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的出現極大的推動(dòng)了我國變電站自動(dòng)化的發(fā)展。但現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )也存在著(zhù)自身無(wú)法克服的弊端，首先其帶寬相對較低，無(wú)法適應日益增長(cháng)的自動(dòng)化系統對網(wǎng)絡(luò )的需求；其次互操作性差，由于不同廠(chǎng)家采用的現場(chǎng)總線(xiàn)不同，導致變電站內部不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的設備互連幾乎是不可能的，即使采用同一種現場(chǎng)總線(xiàn)，如CAN BUS ，由于該現場(chǎng)總線(xiàn)沒(méi)有定義完備的應用層通信標準，各生產(chǎn)廠(chǎng)家采用自己的應用層通信協(xié)議，不同廠(chǎng)家基于CAN BUS 的智能設備互連也同樣沒(méi)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(lái)愈廣泛的應用。嵌入式以太網(wǎng)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(jià)格便宜等特點(diǎn)在嵌入式控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用，變電站自動(dòng)化系統選用嵌入式以太網(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，可以看到嵌入式以太網(wǎng)的生命力。
a).用于智能設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�？刂栖浖矎膮R編語(yǔ)言編程的單任務(wù)程序發(fā)展成為使用高級語(yǔ)言編程（一般為C 或C 語(yǔ)言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。嵌入式操作系統都對TCP/IP 編程技術(shù)有著(zhù)完備的支持，再加上INTERNET 的迅速普及，這些計算機發(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)域中的廣泛應用。
b).根據國家電力數據通信網(wǎng)的發(fā)展規劃，到2005 年全國電力系統將實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，省級網(wǎng)作為數據網(wǎng)上的重要節點(diǎn)被要求首先建成電力寬帶數據通信網(wǎng)，寬帶網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )平臺無(wú)疑是變電站自動(dòng)化的發(fā)展方向。
c).代表世界電力標準發(fā)展先進(jìn)領(lǐng)域的IEC 國際標準化組織，為使不同廠(chǎng)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)化系統的網(wǎng)絡(luò )通信體系IEC61850 。盡管該標準還沒(méi)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。
1 高壓監控的網(wǎng)絡(luò )體系結構
基于以太網(wǎng)的高壓監控系統組網(wǎng)方式可以非常靈活，在小型變電站自動(dòng)化系統中可以采用簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，各智能設備直接通過(guò)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，本文不再單獨描述。
《IEC61850 變電站通信網(wǎng)絡(luò )和系統》標準推薦大中型變電站的自動(dòng)化系統應該采用按間隔配置、面向對象的組網(wǎng)方式，如下圖：網(wǎng)絡(luò )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(fā)的控制命令分發(fā)到相應的采集單元；雙機數據庫通過(guò)網(wǎng)絡(luò )同步刷新；其備份方式既可以為主備方式，也可并列運行。根據用戶(hù)的需求可以在網(wǎng)絡(luò )上配置高級應用管理單元，如當地功能，無(wú)功綜合控制服務(wù)器，無(wú)防控制服務(wù)器，備用電源自動(dòng)投切服務(wù)器等高級應用功能，這些高級應用管理單元既可以以專(zhuān)用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實(shí)現（當地功能除外），也可以分布到網(wǎng)絡(luò )的其它節點(diǎn)實(shí)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(fā)到相應的智能設備，同時(shí)可以通過(guò)相應的軟件模塊完成本間隔內的自動(dòng)控制功能。間隔通信單元也可以根據用戶(hù)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(wǎng)分流、故障切換的通信模式。正常通信過(guò)程中，雙網(wǎng)分別傳輸不同的數據內容，一旦其中的一條網(wǎng)絡(luò )出現故障，則另一條網(wǎng)絡(luò )擔負起傳輸全部數據的功能。這樣不但提高了系統的實(shí)時(shí)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(guò)10M 以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數據。由于本網(wǎng)段內設備相對較少，完全可以保證數據的實(shí)時(shí)性。
合理的網(wǎng)絡(luò )配置可以減小網(wǎng)絡(luò )沖突，提高系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。
2 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議的實(shí)現
網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議是設備可互操作性的基礎，現階段，在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域還沒(méi)有可以直接遵循的國際標準。IEC61850 無(wú)疑是今后網(wǎng)絡(luò )通信架構的發(fā)展方向，但國際標準的制定和頒布仍然需要一段時(shí)間。我們在網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)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(wǎng)絡(luò )體系結構。
如圖，網(wǎng)絡(luò )通信規約建立在TCP/IP 協(xié)議棧之上，分為三層體系結構。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，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(yǔ)層把規約層的原語(yǔ)調用轉化為網(wǎng)絡(luò )報文結構，并通過(guò)通信服務(wù)層把數據發(fā)送出去。在異種機的網(wǎng)絡(luò )體系結構下，完成數據報文主
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