嵌入式以太網在變電站自動化通信中的應用探討

安徽省電力公司馬鞍山供電公司 常舜禹

前言

變電站通信系統中，不同層次間數據交換極為頻繁，不僅要求數據交換具有較高的實時性，且保證通信中數據傳輸更為可靠。現代變電站系統建設中為滿足自動化、智能化等需求，開始將現場總線技術引入其中，同時以太網自身CSMA/CD機制以及對多路訪問的控制也為變電站通信系統整體性能提高提供技術保障。因此，對變電站通信系統中嵌入式以太網的應用研究具有十分重要的意義。

1 嵌入式以太網的相關概述

關于嵌入式以太網，其可應用變電站系統建設中主要得益于自身嵌入式技術。事實上，傳統大多軟件系統中，因存在較多限制性因素如資源、速度等使微控制器、處理器等很難發揮實質性作用，而在芯片技術不斷引入系統建設后，無論在操作系統、硬件資源或運行速度等方面都得到很大程度的改善，這樣變電站通信系統能夠進行實時通信、中斷管理以及任務調度等。因此，在通信系統中將實時操作系統引入其中，確保低端環境下控制器或處理器仍可執行較為復雜的任務，對這種設計方式便可理解為嵌入式技術。從嵌入式以太網應用的原理看，其主要以TCP/IP協議作為系統邏輯，而且以IEEE802.3作為以太網物理標準。但相比傳統以太網，嵌入式以太網無需依托于PC機運行，進行在實時操作系統中將TCP/IP等網絡協議族引入其中，便可在許多行業領域中運用[1]。

2 變電站通信系統中嵌入式以太網應用的可行性分析

變電站通信系統中是否可將嵌入式以太網引入其中在過去幾年一直為電力企業以及許多學者爭論的焦點。很多學者在分析中認為由于以太網在監測多路訪問中所選擇的介質主要以載波為主，其很難預測通信過程中存在的延遲傳輸，無法適應實時系統運行需求。若在傳輸介質LAN中有較多以太網節點進行訪問，也可能存在數據傳輸沖突問題，這樣節點會會采取退避措施，再次對介質訪問過程中便可能延長整個傳輸時間。然而在嵌入式以太網在后期實踐應用中，利用其與令牌總線網比較，可發現，當網絡負荷不足25%時，相比令牌總線網絡，以太網具有極快的響應時間，而且在傳輸管理中以太網的沖突檢測也可做到有效的傳輸管理，能夠對節點數據的傳輸進行控制，解決因節點數據傳輸沖突而延長傳輸時間的問題[2]。

另外，從以太網系統響應看，由于變電站系統主要以隨機性數據、異常運行中突發性數據、周期數據為主，隨機性數據不具有較大的流量，周期性數據主要產生于正常運行下，數據連續性以及穩定性較高。所以系統運行中僅需考慮異常情況下的突發性數據，保證以太網負荷量控制在25%以內，便可使系統響應速度得到提高。為驗證以太網實時性特征，許多發達國家也開展許多相關研究，如美國EPRI其將12Mb/s令牌傳遞與以太網置于較差的系統環境下，分析得出以太網在網絡通信時間上比令牌傳遞網絡速度超出許多。再如德國在變電站通信系統研究中對于站級總線直接選取Ethernet/MMS，實踐中發現以太網應用下無論在性能或傳輸時間等各方面出現異常情況的幾率都較小。因此，在變電站通信系統建設中引入嵌入式以太網具有極大的可行性[3]。

3 變電站通信系統中嵌入式以太網的具體運用研究

3.1 嵌入式以太網的具體運用

現代變電站通信系統建設中更側重于智能化、自動規劃目標的實現，將嵌入式以太網引入其中也需圍繞這兩方面進行。常見的應用模式主要體現在：第一，將以太網接口設置于設備IEDs中，并使IEDs設備充當節點，使其與以太網進行連接。第二，若IED無法的進行以太網接口設計，可考慮引入現場總線使設備進行連接，并選取通信控制器作為節點使其與以太網連接。兩種模式相比之下，在技術上都以嵌入式以太網接口為主，但其他如配置、電壓等級等存在一定差異。若從應用可靠性角度出發，變電站通信系統在設計過程中應考慮配置雙以太網，其可使系統運行更為穩定。但需注意的是假定變電站系統為中低壓，在第一種嵌入式以太網應用下，配置雙以太網將表現出明顯的冗余特征，適用性較差。若將第二種應用模式引入其中，配置雙以太網結構則比較適用。

實際應用中變電站系統存在較多問題，如IEDs設備主要來源于設備廠商，在接口設計中可能忽略以太網接口的設計，而單純以現場總線接口為主，這種情況下IED設備將無法與通信系統以太網進行連接。因此，應用中需考慮進行通信控制器的設計，其既將以太網接口以及其他通信接口設計其中，解決IEDs無法連接以太網的問題。變電站通信系統中選取通信控制器，其類似于嵌入式以太網應用的第二種模式，可考慮實際建設中選擇第二種模式，使以太網中IEDs都可集成。需注意的是若廠商提供的IEDs直接提供標準通信接口，在系統集成中可選用第一種模式。另外，許多變電站通信系統建設中對于第二種模式的應用，往往會發現因網絡節點數不同，直接影響網絡流量特性，但需注意變電站通信系統信息，采用10Mb/s帶寬可滿足通信要求，網絡特性受第二種應用模式影響與第一種模式存在的差別較小。因此，實際應用中應結合變電站實際情況進行不同模式的選擇[4]。

3.2 嵌入式以太網應用的相關技術分析

嵌入式以太網在變電站通信系統中作用的發揮主要得益于其涉及的硬件技術與軟件技術。其中在硬件技術方面，主要將以太網收發器、控制器以及MCU等作為以太網硬件體系。當前在芯片技術不斷成熟的背景下，常見的以太網控制器如Net ARM、MPC8260等都得到廣泛應用。但為使以太網更好地服務于變電站通信系統，要求做好以太網硬件設計工作，主要可從兩方面著手，其一為以太網收發器、控制器與CPU的組合，另一種則以收發器、芯片與CPU為主。其中第一種硬件設計方式，可滿足收發器、控制器功能實現的基本要求，其他網絡協議TCP/IP也可通過CPU執行。而第二種設計的方式要求利用芯片集成控制器，通信效率較高而且具有明顯的抗干擾能力，但這種方式應用下需保證芯片性能符合系統設計要求。

另外，在軟件方面，為使IED處理、存儲以及其他智能功能得以滿足，可選擇IP、ARP、TCP等作為設備TCP/IP協議。但該協議具有一定的復雜性特征，許多軟件設計中多與UNIX操作系統較為相似，可能存在無法滿足實時系統要求的情況。對此，在TCP/IP協議下，應做好實時操作系統的選擇，確保相關的調度或管理都可在RTOS多任務機制下實現。通過大多變電站通信系統建設實踐可發現，由TCP/IP軟件模塊以及嵌入式RTOS共同構成的以太網軟件，通信中許多復雜機制都能夠實現[5]。

4 結論

變電站通信系統中嵌入式以太網的引入是保證系統安全可靠運行的重要技術保障。實際應用中應正視嵌入式以太網的基本原理，根據變電站通信系統實際建設情況合理選擇嵌入式以太網的不同模式。同時，為使嵌入式以太網作用得以充分發揮，在應用過程中還需從其硬件技術與軟件技術等方面著手，確保嵌入式以太網應用下通信系統存在的管理或調度問題得以解決，實現變電站系統自動化、智能化建設目標。

[1]李文軍,楊德偉.嵌入式以太網在變電站中的應用研究與設計[J].微計算機信息,2011,03:77-79.

[2]汪哲民,張帆.變電站過程層嵌入式以太網實時性能的仿真[J].電子測量技術,2010,04:75-77+122.

[3]陳偉,郝曉弘,張帆.變電站嵌入式以太網通信平臺的設計與實現[J].電氣自動化,2010,03:60-63.

[4]汪哲民,張帆.變電站層嵌入式以太網實時性能分析與仿真[J].微計算機信息,2010,32:49-50+85.

[5]馮小峰.嵌入式以太網在輪轂跳動量測量儀中的應用研究[D].長春理工大學,2010.