摘要：本文首先阐述了嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用模式，接着对嵌入式以太网传输模式的选择进行了探讨。
关键词： 嵌入式技术; 以太网; 现场总线
引言：
变电站自动化技术在我国发展很快 ,现在新建的变电站绝大多数都采用了变电站自动化技术 ,很多老站也在改造。与常规变电站系统相比 ,通信是变电站自动化系统的关键问题。最初是用 RS 485总线将保护设备连在一起 ,主从方式通信 ,这种方式较简单 ,但技术上缺陷很多。后来各种现场总线技术被引入国内 ,由于其简单易用、组网方便、抗干扰能力强 ,很快被用来构成变电站自动化系统的站内通信网。但随着变电站自动化系统从以前的 35 kV, 110 kV等中、低压变电站系统向 220 kV, 330 kV, 500 kV超高压大型变电站发展 ,现场总线的一些局限性也逐渐表现出来 ,不能满足超高压大型变电站自动化系统的要求。
1嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用模式
嵌入式以太网作为变电站自动化系统的内部通信网络 ,有 2种应用模式: ①每个智能电子装置( IED)配置 1个嵌入式以太网接口 ,每个 IED作为一个以太网节点直接连到以太网上;②几个 IED通过 RS 485, MODBUS或现场总线等方式连在一起 ,然后用嵌入式以太网接口作为一个以太网节点连到以太网上。从国外的应用情况来看 ,这 2种应用模式分别以 GE公司的 GESA系统和 GE — Harris公司的 PowerComm系统为代表。
在选择嵌入式以太网应用模式时 ,本文主要考虑了如下因素: ①超高压变电站系统的二次系统一般都是基于间隔 ( bay)设计的;②超高压变电站自动化系统内部通信网的可靠性要求很高 ,要求可方便地构成双网结构 ;③成本问题;④产品向下兼容性问题。
以间隔为单元 ,将站内通信网设计为 2层 ,间隔以上用 10 Mbit /s嵌入式以太网构成站内通信的主干网络 ,该网络负责后台机、远动机等 PC机和各间隔进行通信。 在间隔内部用 LonWorks现场总线把各保护装置连在一起。 LonWorks网上的信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。 测控单元是整个方案的核心和关键。测控单元完成两大功能: 通信功能和测控功能。 这种方案实际上将嵌入式以太网与 LonWorks现场总线技术相结合 ,发挥了各自的优势。底层的各种保护设备可不做任何改动 ,保持了产品的向下兼容性。
新型通信网络与 CSC2000系统原有网络相比 ,具有以下一些优点: ①网络带宽资源大大增加;②故障录波数据上传速度大大加快;③易于与 PC机接口;④易于与广域网相连。
2嵌入式以太网传输模式的选择
2.1 变电站自动化系统内部数据流的特点
在变电站自动化系统中 ,根据设备所完成的功能及所处的位置可分为变电站层和设备层 ,考虑到高压、超高压变电站按间隔设计的思想 ,有时在变电站层和设备层之间还设置一个间隔层。
在正常及故障状态下 ,设备层的设备将正常测控信息及故障信息向变电站层设备发送。 变电站层的设备一般包括后台 PC机、远动通信机和工程师站三大类 ,这些设备从网络上获得设备层的数据 ,然后利用这些数据完成各自不同的应用功能。 在大型变电站自动化系统中 ,变电站层的设备往往多重配置 ,它们接收从同一个数据源即设备层来的数据 ,且有时需要向整个设备层发送信息如广播对时命令。变电站层设备完成控制功能时需要与设备层的被控设备进行点对点通信。
2.2 嵌入式以太网的传输模式及其选择
嵌入式以太网为使用者提供了单播、广播及分组广播 3种传输模式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆 单播模式其实就是点对点通信 ,信息的目的地址只有 1个 ,网络上除目的地址之外的其他节点都不接收源节点发送的信息;广播模式是指一个节点发送信息 ,网络上除源节点之外的所有节点都能收到源节点所发信息的传输模式;分组广播模式是指源节点将一帧信息发送到网络上的一组节点 ,组内的各节点都能接收到该信息 ,而组外节点则不接收所发送的信息。 分组广播模式与广播模式的最大区别就在于分组广播模式对接收对象加以限制 ,而广播模式则没有。
结合上述对变电站自动化系统内部数据流的特点所做的分析 ,假设间隔层中 1号测控单元要将同一帧信息发往变电站层的 N 个设备 ,下面分别给出使用单播、广播及分组广播 3种传输模式构成的变电站内部数据传输方案。
在使用广播模式的传输方案中 ,对于同一帧信息 ,测控单元只向变电站层的N 个设备发送 1遍 ,这种方式要比单播模式的方案效率高得多 ,同时网络流量也没有增加。但这种做法的缺点是网上所连设备特别是测控单元中 CPU资源消耗太大。
某个测控单元向网络上发送信息之后 ,变电站层的所有设备不论是否与自己有关都会收到该信息 ,然后在应用层再将无关的信息丢掉 ,显然这样做浪费了变电站层相关设备的资源。对于间隔层的其他网关设备 ,这种广播风暴带来的后果则是灾难性的。 只要有一个测控单元以广播方式向网络上发送信息 ,网络上所连的其他所有测控单元都会收到该信息。 在该信息的接收过程中 , CPU都会将 TCP/IP中的相应部分执行 1遍 ,然后在应用层将信息丢掉。由于测控单元要不断地将间隔内的信息向以太网上发送 ,所以这种由于广播模式引发的硬件资源浪费是巨大的 ,对于嵌入式 CPU是不能接受的。
在使用分组广播模式的传输方案中 ,变电站层需要信息共享的 N 个设备使用同一个组地址 ,对于同一帧信息网关设备只需用组地址作为目的地址向变电站层的 N 个设备发送 1遍 ,网络上只有使用这个组地址的设备才能接收到该信息。 显然这种方式既有广播方式同一信息只发送 1遍的高效性 ,又避免了广播风暴 ,使资源得到了有效保护 ,同时网络流量也没有增加。 因此 ,本文选择分组广播模式作为传输模式。
TCP/IP协议族在应用层之下是传输层。 TCP /IP的传输层对应用层提供 UDP和 TCP两种类型的服务。 UDP是一种无连接的协议 ,也就是通信的发起节点在发起通信时在传输层不需要与通信接收方事先建立“握手”连接 ,而是直接发送。 TCP是一种面向连接的协议 ,也就是通信的发起节点在每次发起通信时在传输层都必须与通信接收方事先建立“握手”连接 ,之后才能发送。这 2种传输方式各有特色 , UDP由于不需要事先建立“握手”联系 ,所以效率很高 ,并且有单播、分组广播和广播 3种方式。TCP由于事先建立了“握手”联系 ,所以传输可靠 ,特别适用于文件等大块数据的传输。但 TCP是面向连接的 ,它不可能同时与一组节点建立连接 ,因此TCP方式不支持分组广播 ,这在逻辑上也是合理的。由于 UDP方式的高效性和分组广播等特点 ,以太网在工业控制领域应用时一般都采用 UDP方式。 美国电力科学研究院定义的 UCA通信协议体系也推荐使用 UDP的分组广播方式 ,所以本文选择 UDP作为嵌入式以太网的传输层协议。
结束语：
本文在分析现有中、低压变电站自动化系统通信网络的基础上 ,基于嵌入式以太网技术 ,提出了面向超高压变电站自动化系统的通信网络结构 ,并对以太网在变电站自动化系统中的应用模式和传输模式这 2个关键问题进行了分析和研究。 所提出的超高压变电站自动化系统通信网络方案已经成功地用于 220 kV, 500 kV变电站自动化工程实际 ,并取得了良好的效果。
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论文作者:王海明
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/16
标签：变电站论文; 以太网论文; 嵌入式论文; 模式论文; 设备论文; 节点论文; 信息论文; 《当代电力文化》2019年第11期论文;