摘要：通信技術是變電站自動化的關鍵。目前我國變電站自動化采用的通信網絡種類繁多, 應用的規約各異。在研究嵌入式實時操作系統Nucleus 的基礎上, 構建了以MC68332 為CPU, CS8900 A 為以太網控制器的智能電氣設備以太網接入模塊, 分析了現有通信協議IEC60870- 5- 103 的實現, 提出以此作為變電站間隔層通信接口的變電站自動化系統通信方案。

　　關鍵詞：變電站自動化,嵌入式以太網,應用模式,傳輸模式

　　變電站自動化技術在我國發展很快, 現在新建的變電站絕大多數都采用了變電站自動化技術, 很多老站也在改造。與常規變電站系統相比, 通信是變電站自動化系統的關鍵問題。通信網絡和規約的不統一, 造成各廠商之間產品難以互聯和互操作。現有的串行總線網技術和現場總線技術無法滿足變電站自動化系統對通信網絡速度和可靠性的更高要求。國際電工委員會( IEC) 已經制定了變電站內通信網絡和系統的標準體系IEC61850。基于制造報文規范( MMS) 、以太網和TCP/ IP 的通信網絡將成為變電站自動化通信系統的主流 , 目前國外已經有不少變電站自動化系統完全采用以太網, 國內各大公司和高校也正在研究開發。現在已經出現了基于嵌入式實時操作系統VxWorks 和嵌入式操作系統LClinux 的以太網通信。這兩種系統對系統資源要求比較高, 而且LClinux 不具備實時性, 嵌入式操作系統Nucleus 以源代碼交付、實時性強( 包含完整的TCP/ IP協議及高可靠性) 而成為又一種選擇。應用Nucleus 設計了智能電氣設備( IED) 的以太網接入模塊, 在此基礎上提出了面向IEC61850 的變電站自動化通信方案。

　　一、嵌入式以太網在變電站自動化系統中的應用模式

　　1、嵌入式以太網作為變電站自動化系統的內部通信網絡,有2種應用模式:

　　1.1 每個智能電子裝置( IED) 配置1 個嵌入式以太網接口, 每個IED 作為一個以太網節點直接連到以太網上。

　　1.2幾個IED 通過RS 485, MODBUS 或現場總線等方式連在一起,然后用嵌入式以太網接口作為一個以太網節點連到以太網上。從國外的應用情況來看, 這2 種應用模式分別以GE 公司的GESA 系統和GE—Harris 公司的Pow erComm 系統為代表。

　　2、在選擇嵌入式以太網應用模式時, 本文主要考慮了如下因素:

　　2.1超高壓變電站系統的二次系統一般都是基于間隔( bay ) 設計的;

　　2.2超高壓變電站自動化系統內部通信網的可靠性要求很高, 要求可方便地構成雙網結構;

　　2.3成本問題;

　　2.4產品向下兼容性問題

　　3、基于以上考慮, 本文提出了以太網與Lo nWo rks網相結合的系統方案配置。

　　以間隔為單元, 將站內通信網設計為2 層, 間隔以上用10 Mbit / s 嵌入式以太網構成站內通信的主干網絡, 該網絡負責后臺機、遠動機等PC 機和各間隔進行通信。在間隔內部用LonWorks 現場總線把各保護裝置連在一起。LonWorks 網上的信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網上。測控單元是整個方案的核心和關鍵。測控單元完成兩大功能: 通信功能和測控功能。這種方案實際上將嵌入式以太網與LonWorks 現場總線技術相結合, 發揮了各自的優勢。底層的各種保護設備可不做任何改動, 保持了產品的向下兼容性。新型通信網絡與CSC2000 系統原有網絡相比,具有以下一些優點: ①網絡帶寬資源大大增加; ② 故障錄波數據上傳速度大大加快; ③易于與PC 機接口; ④易于與廣域網相連。

　　二、嵌入式以太網傳輸模式的選擇

　　2.1變電站自動化系統內部數據流的特點在變電站自動化系統中, 根據設備所完成的功能及所處的位置可分為變電站層和設備層, 考慮到高壓、超高壓變電站按間隔設計的思想, 有時在變電站層和設備層之間還設置一個間隔層。在正常及故障狀態下, 設備層的設備將正常測控信息及故障信息向變電站層設備發送。變電站層的設備一般包括后臺PC 機、遠動通信機和工程師站三大類, 這些設備從網絡上獲得設備層的數據, 然后利用這些數據完成各自不同的應用功能。在大型變電站自動化系統中, 變電站層的設備往往多重配置, 它們接收從同一個數據源即設備層來的數據, 且有時需要向整個設備層發送信息如廣播對時命令。變電站層設備完成控制功能時需要與設備層的被控設備進行點對點通信。

　　2.2嵌入式以太網的傳輸模式及其選擇嵌入式以太網為使用者提供了單播、廣播及分組廣播3種傳輸模式。單播模式其實就是點對點通信, 信息的目的地址只有1個, 網絡上除目的地址之外的其他節點都不接收源節點發送的信息; 廣播模式是指一個節點發送信息, 網絡上除源節點之外的所有節點都能收到源節點所發信息的傳輸模式; 分組廣播模式是指源節點將一幀信息發送到網絡上的一組節點, 組內的各節點都能接收到該信息, 而組外節點則不接收所發送的信息。分組廣播模式與廣播模式的最大區別就在于分組廣播模式對接收對象加以限制, 而廣播模式則沒有。

　　三、以太網通信模塊的設計

　　3.1 硬件實現

　　按照模塊化、插件式的設計思想, 將以太網通信及數據分析功能設計在一塊插件上, 命名為以太網通信模塊。該模塊以MC68332 為CPU , CS8900A 為以太網控制器, 有512 @ 16bitSDRAM, 1M @ 16bitFlash, 通過同步串行隊列QSPI 與顯示模塊交換數據。CS8900A 是CIRRUS LOGIC 公司生產的用于嵌入式設備的低成本以太網控制器。它的高度集成設計不再需要其他以太網控制器所必需的昂貴的外部部件。CS8900A 包括片上4kBRAM, 10Base- T 傳輸和接收濾波器, 以及帶24mA 驅動的直接ISA 總線接口。除了高度集成, CS8900 A 還提供其他性能和配置選擇。它獨特的PacketPage 結構可自動適應網絡通信量模式的改變和現有系統資源, 從而增加系統效率。CS8900A 內嵌IEEE802.3 以太網標準, 自動生成報頭, 自動進行CRC 校驗, 沖突后自動重發。CS8900A支持的傳輸模式有I/0 模式、Memory 模式和DMA 模式, 缺省的是I/ O 模式。

　　3.2 協議系統的選擇

　　以太網是物理層和數據鏈路層符合IEEE 802. 3標準的一種總線型網絡( 指的是邏輯拓撲結構) , 在以太網上可以實現多種高層協議, 其中包括國際互聯網的事實標準TCP/ IP 協議。TCP/ IP 協議是一個四層協議系統, 包含鏈路層、網絡層、運輸層、應用層。在Nucleus 中封裝了完整的TCP/ IP 協議, 使用時只需要開發應用層 。調度中心和變電站之間傳輸協議的國際標準是IEC60870- 5- 101( 以下簡稱101) 協議, 變電站內傳輸協議的國際標準是IEC60870- 5- 103( 以下簡稱103) 協議。為了滿足101 協議用于以太網, IEC 制定了IEC60870- 5- 104( 以下簡稱104) 協議, 其網絡層協議為TCP/ IP 協議, 應用層協議采用101 協議的應用服務數據單( ASDU) 。

　　2. 3 軟件實現

　　由于操作系統的引入,通信模塊的功能有很大的擴展空間和伸縮性能。基于Nucleus 的通信模塊軟件結構。應用程序采用了模塊化的設計方式, 除了通信服務模塊, 還有數據分析模塊, 數據分析模塊的優先級最高。IEC61850 將每個物理裝置分為服務器和應用兩部分, 每個通信模塊既可扮演服務器角色也可以扮演客戶角色。采用串行總線通信時, 只能由通信管理機召喚各個保護、測控單元上傳信息, 而采用以太網通信后, 保護、測控單元可以主動上傳信息, 各單元之間也能進行信息交流。

　　Nucleus為TCP/ IP 提供了應用編程接口Socket,其中流式套接字使用TCP 協議, 數據報套接字使用UDP 協議。TCP 協議是面向連接的, 在不可靠的網絡服務上提供端到端的可靠字節流。UDP 協議是用來提供不面向連接的, 它只是簡單地把數據報從一臺主機發送到另一臺主機, 但并不保證該數據報能到達另一端, 可靠性必須由應用層來提供。為了保證可靠的傳輸遠動數據, 104 規定傳輸層使用的是TCP 協議。分接收中斷服務進程和發送服務進程。接收中斷通信服務進程平時處于監聽狀態, 當收到客戶端的連接請求后與客戶端建立連接, 接收命令、發送報文。當有SOE( 順序事故記錄)、遙信變位等事件產生時, 發送服務進程請求與服務器建立連接, 主動上傳報文。

　　3　結語

　　在分析現有中低壓變電站自動化系統通信網絡的基礎上, 根據網絡技術發展的最新成果, 提出了嵌入式以太網的面向超高壓變電站自動化系統的通信網絡。文中對以太網在變電站自動化系統中的應用模式和傳輸模式這2 個關鍵問題進行了分析和研究, 選擇分組廣播模式作為傳輸模式, UDP 作為嵌入式以太網的傳輸層協議。所提出的方案已在工程實際中應用, 取得了良好效果。