數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)選型

精品文檔-下載后可編輯數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)選型【摘要】隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)必將走向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方向?；谇度胧揭蕴W(wǎng)技術(shù)，提出了數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)選型中應(yīng)用嵌入式以太網(wǎng)的實(shí)施方案。分析研究了以太網(wǎng)在數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用模式和傳輸模式這兩個(gè)關(guān)鍵問題。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化變電站；網(wǎng)絡(luò)選型；以太網(wǎng)；應(yīng)用模式；傳輸模式

0.引言

近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，全數(shù)字化的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)即將出現(xiàn)。它改變了傳統(tǒng)的二次設(shè)備的組態(tài)模式，增強(qiáng)了輸配電的可靠性，提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)尤其是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它降低了變電站的總造價(jià)，因此近幾年綜合自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是連接站內(nèi)各種智能電子設(shè)備（IED）的紐帶，是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的命脈，它的可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性。本文依據(jù)變電站的數(shù)據(jù)流和信息傳輸特點(diǎn)及變電站對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求，提出了以嵌入式以太網(wǎng)作為數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)的實(shí)施方案，并分析了以太網(wǎng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用模式和傳輸模式這兩個(gè)關(guān)鍵問題。

1.數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中保護(hù)裝置的信息采集與保護(hù)算法的運(yùn)行一般是在同一個(gè)CPU控制下進(jìn)行的，使得同步采樣、A／D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、輸出控制命令整個(gè)流程快速、簡捷，而數(shù)字化變電站的系統(tǒng)中信息的采集、保護(hù)算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)CPU協(xié)同完成的，如何控制好采樣的同步和保護(hù)命令的快速輸出變成了一個(gè)復(fù)雜問題，其最基本的條件是網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信速度的提高和合適的通信協(xié)議的制定。

通常的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)不能滿足數(shù)字化變電站自動(dòng)化高速通信的技術(shù)要求，以太網(wǎng)已經(jīng)引入工業(yè)自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域。例如：嵌入式工控主板通過板載串口、網(wǎng)口等功能，可以迅速構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。具有10/100M以太網(wǎng)接口，使系統(tǒng)能夠方便的接入企業(yè)信息管理層，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)控或者遠(yuǎn)程監(jiān)控；也可以利用以太網(wǎng)傳輸速率高的特點(diǎn)，作為終端管理單元，連接以太網(wǎng)（DAM－E3000）采集模塊和RS485/232(DAM-3000)采集模塊；多串口聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；外掛PC104數(shù)據(jù)采集板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)快速采集和實(shí)時(shí)控制。因此，達(dá)到10-100MHz速率的以太網(wǎng)控制與接口芯片的大量出現(xiàn)，和固化OSI七層協(xié)議的功能，為數(shù)字化變電站自動(dòng)化協(xié)議的研究、開發(fā)和應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用方案

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域出現(xiàn)了嵌入式技術(shù)，利用嵌入式軟、硬件，設(shè)計(jì)者可以在單片機(jī)協(xié)同系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)即嵌入式以太網(wǎng)。嵌入式以太網(wǎng)的出現(xiàn)為數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了實(shí)現(xiàn)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的新途徑。

2.1嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用模式

嵌入式以太網(wǎng)作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，有兩種應(yīng)用模式：①每個(gè)智能電子裝置（IED）配置一個(gè)嵌入式以太網(wǎng)接口，每個(gè)IED作為一個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)直接連接到以太網(wǎng)上；②幾個(gè)IED通過RS485、MODBUS等方式連接在一起，然后用嵌入式以太網(wǎng)接口作為一個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接到以太網(wǎng)上。

在選擇嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用模式時(shí)，主要考慮如下因素：①超高壓變電站系統(tǒng)的二次系統(tǒng)一般都是基于間隔設(shè)計(jì)的；②超高壓變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求很高，要求可方便地構(gòu)成雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)；③成本問題；④產(chǎn)品向下兼容問題。

這種新型通信網(wǎng)絡(luò)一般具有如下特點(diǎn)：①網(wǎng)絡(luò)寬帶資源大大增加；②數(shù)據(jù)上傳（如故障錄波數(shù)據(jù)）速度大大加快；③易于與PC機(jī)接口；④易于與廣域網(wǎng)連接。

2.2嵌入式以太網(wǎng)傳輸模式選擇

嵌入式以太網(wǎng)為使用者提供了單播、廣播及分組廣播三種模式。單播模式中信息的目的地址只有1個(gè)，網(wǎng)絡(luò)上除目的地址之外的其他節(jié)點(diǎn)都不能接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；廣播模式是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)上除源節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)都能接收到源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信息；分組廣播是指源節(jié)點(diǎn)將一幀信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的一組節(jié)點(diǎn)，組內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接收到該信息，而組外的節(jié)點(diǎn)則不接收所發(fā)送的信息。分組廣播模式與廣播模式的最大區(qū)別是在于分組廣播模式對(duì)接收對(duì)象加以限制，而廣播模式則沒有。假設(shè)間隔層中1號(hào)測(cè)控單元要將同一幀信息發(fā)送到變電站層的N個(gè)設(shè)備，下面分別給出了使用單播、廣播及分組廣播3種傳輸模式構(gòu)成的變電站內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸方案。

單播模式傳輸方案的缺點(diǎn)有：傳輸效率不高；網(wǎng)絡(luò)流量劇增將造成網(wǎng)絡(luò)上的沖突加??；測(cè)控單元CPU資源消耗太大，同一信息發(fā)送N遍，執(zhí)行TCP／IP協(xié)議的CPU就必須將TCP／IP協(xié)議的相關(guān)部分執(zhí)行N遍。

使用廣播模式的傳輸方案中，對(duì)于同一幀信息，測(cè)控單元只向變電站層的N個(gè)設(shè)備發(fā)送一遍，比單播模式效率高，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的流量并沒有增加。但某個(gè)測(cè)控單元向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息后，變電站層的所有設(shè)備不論是否與自己有關(guān)都會(huì)收到該信息，然后在應(yīng)用層再將無關(guān)的信息丟掉，顯然這樣做浪費(fèi)了變電站層相關(guān)設(shè)備的資源。由于測(cè)控單元要不斷地將間隔內(nèi)的信息向以太網(wǎng)上發(fā)送，所以這種由于廣播模式引發(fā)的硬件資源浪費(fèi)是巨大的，對(duì)于嵌入式CPU電路是不能接受的。

在使用分組廣播模式的傳播方案中，變電站層需要信息共享的N個(gè)設(shè)備使用同一個(gè)組地址，對(duì)于同一幀信息網(wǎng)關(guān)設(shè)備只需要用組地址作為目標(biāo)地址向變電站層的N個(gè)設(shè)備發(fā)送一遍，網(wǎng)絡(luò)上只有使用了這個(gè)組地址的設(shè)備才能接收到該信息。顯然這種方式既有廣播模式同一信息只發(fā)送一遍的高效率，又避免了廣播風(fēng)暴，使資源得到了有效保護(hù)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量也沒有增加。因此，本文推薦分組廣播模式作為傳輸模式。

根據(jù)開發(fā)系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，TCP／IP的傳輸層對(duì)應(yīng)用層提供UDP和TCP兩種類型的服務(wù)。

UDP是一種無連接的協(xié)議，也就是通信的發(fā)起節(jié)點(diǎn)在發(fā)起通信時(shí)在傳輸層不需要與通信接收方事先建立“握手”連接，而是直接發(fā)送。TCP是一種面向連接的協(xié)議，也就是通信的發(fā)起節(jié)點(diǎn)在每次發(fā)起通信時(shí)傳輸層都必須與通信接收方事先建立“握手”連接，之后才能發(fā)送。這兩種傳輸模式各有特色，UDP由于不需要事先建立“握手”聯(lián)系，所以效率很高，并且有單播、分組廣播和廣播三種模式。TCP由于事先建立了“握手”聯(lián)系，所以傳輸可靠，特別適用于文件等大塊數(shù)據(jù)的傳輸。但TCP是面向連接的，它不可能同時(shí)與一組節(jié)點(diǎn)建立連接，因此TCP方式不支持分組廣播，這在邏輯上也是合理的。由于UDP方式的高效率和分組廣播等特點(diǎn)，以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)一般都采用UDP方式。所以建議選用UDP作為嵌入式以太網(wǎng)的傳輸協(xié)議。

3.結(jié)束語

通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文論述了基于嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，提出了數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)和通