福建邮通技术股份有限公司 福建福州 350011
摘要：基于以太网的变电站自动化系统的功能大多由于分布于不同物理设备的两个或多个逻辑节点通过网络传输报文协调完成，系统的核心技术依靠于经济、可靠的数据通信。
关键词：智能监控系统 通信层 以太网
系统的核心技术依靠于经济、可靠的数据通信，根据变电站的环境因素及智能监控系统的需求对通信网络提出了以下要求：
一是实时响应能力。为满足将设备运行参数、指标通过以太网及时传输至站控层的基本要求，通信网络系统必须具备很好的实时响应能力，以保证直流电源智能监控系统运行的可靠性。
二是可靠性保障。变电站自动化系统中对通信网络可靠性要求极高，变电站数据通信必须做到连续并且可靠运行，一旦发生通信网络故障，会严重影响变电站自动化系统的运行，给公司造成极大的经济损失，甚至酿成事故。
三是良好的电磁兼容性能。为保障系统运行的稳定性与安全性，同时确保变电站现场设备正常持久地运行，通信网络必须采取相应手段避免电源、雷击、跳闸等强电磁干扰，变电站一般处于恶劣的强电磁干扰环境之中，因此对通信网络电磁兼容性能要求更高。
四是分层式结构。直流电源智能监控系统实现分层式结构的基本要求就是通信系统具有分层式结构，直流电源智能监控系统实现分层式结构可以确保实现特殊的应用条件和性能要求，因此通信系统需具备良好的分层式结构。
通信功能主要是以RS485方式与电源综合监控装置通信。将模块输出电压和电流、模块保护和告警信息发送给电源综合监控装置，接受并执行电源综合监控装置下发的控制命令。
通讯模块设计上对遥信、遥测、遥控、遥调的具体设计要求如表1所示。
表1 通讯模块上对相关数据监测的设计要求
智能变电站通信网络常用的拓扑结构主要有总线型结构、星型结构、环型结构三种基本网络结构。
一是总线型结构。总线结构中交换机a通过上行端口与相邻的交换机直接相邻，能容纳的最大交换机数量取决于系统可承受的最大延时，延时经过N台交换机传输数据帧时将成倍增加，给通信实时性造成极大的挑战。这种拓扑结构在网络中任意节点发出信息，总线上其他节点均可收听到。总线结构最大的优点是结构简单，相邻交换机之间相连，没有冗杂，极大程度地减少了设备与网络间的连接线，因此成本低廉。从另一种角度上讲，总线型结构的优点早就了其本身最大的弱点，若线路中任意一台交换机出现故障，整个通信网络都将瘫痪，可靠性很差，容易给公司造成极大的损失。
二是环型结构。环型结构是由交换机1到交换机N连接构成的闭合环路，环内信息只能单向传播，由于环上提供一定程度的冗杂，所以出现故障时不会造成整个通信网络中断。环型结构最大的优点是闭合环路上提供了一定程度的冗杂，当环路中某交换机出现故障时，可通过其他端口重构网络，因此不会造成网络中断，并且这种结构连接线也较少，但同时这种优点造就了环型结构网络的最大缺点，即只有管理交换机才能实现网络重构，这必将增加系统设置的复杂性。
三是星型结构。星型结构是由交换机N作为主交换机用以连接其他所有交换机，简单来说就是若干外围节点将一个中央节点包围起来的辐射式拓扑结构，这种连接方式系统等待时间短，任意俩交换机之间的交换信息不需要经过第三台交换机，只需要跨过双方即可，这很大程度地减少了星型结构网络传输延时，提高通信网络的实时性，这种结构近年来在局域网内得到了很好的发展。星型结构最大优点是等待时间最短，但是与总线型结构相同，星型结构依然没有提供冗杂，如果主要交换机N发生故障，将无法与其他交换机上进行信息交流，影响系统运行的可靠性，同时，星型结构设备与网络间的连接线也有所增加，这将增加成本投入。
考虑到网络通信的实时性与设备间的互操作性，智能变电站网络多采用以站总线和过程总线为中心的星型拓扑结构，站总线和过程总线保障了变电站内的设备之间的互操作性，整体采用星型拓扑结构保障了通信的实时性。
基于以太网的变电站自动化系统的功能大多由于分布于不同物理设备的两个或多个逻辑节点通过网络传输报文协调完成，进行报文传输的网络节点，往往既是报文传输节点，又是报文接收节点。
报文传输时，网络节点需要4个步骤，作为接收节点时：
（1）将待发送报文按帧格式封装，通过系统调用发送至操作系统。
（2）报文通过高层处理后，调用媒体介入控制层（简称MAC层）以太网控制器驱动程序的发送板块。
（3）在以太网控制器驱动程序的发送板块中，将要发送的报文复制到以太网控制器的发送缓冲区。
（4）在以太网控制器的发送缓冲区中，报文按照串行次序通过物理层的通信接口发送出去。
作为发送节点时：
（1）报文到达时，由以太网控制器产生中断信号触发CPU中断。
（2）CPU中断后，系统进入中断服务程序。
（3）将报文从媒体介入控制层中的以太网控制器的接收缓冲区复制到内核空间，产生处理任务，完成该过程后，系统恢复以前的状态。
（4）处理任务将报文从内核空间复制到用户空间，然后再从用户空间提取报文。
为通信网络的节点数目增加引起的网络重载甚至拥堵状态，确定保护跳闸报文传输延时，当前变电站多采用以太网构建的通信网络。
一是交换式以太网技术。交换式以太网具有微网段和全双工传输的特性，每个站点都具有独立的冲突域，不再受限于原有的CSM/CD工作方式，可以随时发送和接收数据，大大改进了以太网的实时性，从而为变电站中采用过程总线提供了技术支持。
二是虚拟局域网技术。虚拟局域网通过将局域网内的设备逻辑地分为网段从而实现虚拟工作组的新兴技术，虚拟局域网技术运行网络管理者将一个物理的LAN逻辑地分为不同的广播域，每一个虚拟局域网都包含一组有着相同需求的计算机工作站，与物理上形成的局域网有着相同的属性，通过划分虚拟局域网将一个交换端口划分到某一虚拟局域网中，把广播信息限制在各个虚拟局域网内部，大大减少了虚拟局域网中的广播信息，解决了因广播信息泛滥而造成的网络拥堵，提高了网络传输效率。
三是快速生成树协议传统的以太网拓扑中不能出现环路，因为广播产生的数据包会引起无限循环而导致阻塞，快速生成树协议使算法的收敛过程从60s降到1—10min，由于延时降低，可在通信网络中采用冗杂链路设计以保证网络的可靠性。可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。衡量可靠度的指标包括技术指标，可靠度指标，失效率，平均寿命，系统有效度及其失效度。
参考文献：
[1]胡俊.基于以太网的变电站智能监视监控系统研究[D].西安石油大学.2014
[2]陈智勇.变电站智能监控网络系统的设计与实现[J].电子科技大学，2011
论文作者:叶孔兴
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第28期
论文发表时间:2019/8/23
标签：结构论文; 报文论文; 变电站论文; 以太网论文; 交换机论文; 节点论文; 通信网络论文; 《建筑细部》2018年第28期论文;