嵌入式以太网在电力高压监控系统中的应用

电力18讯：    
安徽电力凤阳供电公司  胡成群

摘要：计算机通信网络是变电站自动化系统的关键。该文研究了新一代基于嵌入式以太网的电力高压监控系统，并给出了网络实现方案及其功能特点。实践证明新一代高压监控系统更具有良好的互操作性和开放性，能够满足日后变电站自动化发展的需求，代表了变电站自动化发展的最新成果。

关键词：变电站自动化；嵌入式；PLC

中图分类号：TM764.1 文献标识码：B 文章编号：1003-0867(2008)03-0035-02

1 嵌入式以太网技术

由于互联网+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，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。

用于智能设备的嵌入式微处理器、主频速度、控制软件的水平都有了很大的提高，再加上互联网的迅速普及，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在控制领域中的广泛应用。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。

2 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。

《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，如图1所示。网络体系大致分为三层结构。


图1 测控、保护功能模块图
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10Mbit/s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。

3 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。IEC 61850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IEC 61850的基本设计规范，即采用面向设备、面向对象的网络体系结构。

如图2所示，网络通信规约建立在TCP/IP协议之上，分为三层体系结构。


图2 网络协议图
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IEC 61850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