网络工程师评职论文浅谈以太网设计

　　摘要：通信技术是变电站自动化的关键。目前我国变电站自动化采用的通信网络种类繁多, 应用的规约各异。在研究嵌入式实时操作系统Nucleus 的基础上, 构建了以MC68332 为CPU, CS8900 A 为以太网控制器的智能电气设备以太网接入模块, 分析了现有通信协议IEC60870- 5- 103 的实现, 提出以此作为变电站间隔层通信接口的变电站自动化系统通信方案。

　　关键词：变电站自动化,嵌入式以太网,应用模式,传输模式

　　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。通信网络和规约的不统一, 造成各厂商之间产品难以互联和互操作。现有的串行总线网技术和现场总线技术无法满足变电站自动化系统对通信网络速度和可靠性的更高要求。国际电工委员会( IEC) 已经制定了变电站内通信网络和系统的标准体系IEC61850。基于制造报文规范( MMS) 、以太网和TCP/ IP 的通信网络将成为变电站自动化通信系统的主流 , 目前国外已经有不少变电站自动化系统完全采用以太网, 国内各大公司和高校也正在研究开发。现在已经出现了基于嵌入式实时操作系统VxWorks 和嵌入式操作系统LClinux 的以太网通信。这两种系统对系统资源要求比较高, 而且LClinux 不具备实时性, 嵌入式操作系统Nucleus 以源代码交付、实时性强( 包含完整的TCP/ IP协议及高可靠性) 而成为又一种选择。应用Nucleus 设计了智能电气设备( IED) 的以太网接入模块, 在此基础上提出了面向IEC61850 的变电站自动化通信方案。

　　一、嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用模式

　　1、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:

　　1.1 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。

　　1.2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Pow erComm 系统为代表。

　　2、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:

　　2.1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;

　　2.2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;

　　2.3成本问题;

　　2.4产品向下兼容性问题

　　3、基于以上考虑, 本文提出了以太网与Lo nWo rks网相结合的系统方案配置。

　　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。

　　二、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。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。

　　三、以太网通信模块的设计

　　3.1 硬件实现

　　按照模块化、插件式的设计思想, 将以太网通信及数据分析功能设计在一块插件上, 命名为以太网通信模块。该模块以MC68332 为CPU , CS8900A 为以太网控制器, 有512 @ 16bitSDRAM, 1M @ 16bitFlash, 通过同步串行队列QSPI 与显示模块交换数据。CS8900A 是CIRRUS LOGIC 公司生产的用于嵌入式设备的低成本以太网控制器。它的高度集成设计不再需要其他以太网控制器所必需的昂贵的外部部件。CS8900A 包括片上4kBRAM, 10Base- T 传输和接收滤波器, 以及带24mA 驱动的直接ISA 总线接口。除了高度集成, CS8900 A 还提供其他性能和配置选择。它独特的PacketPage 结构可自动适应网络通信量模式的改变和现有系统资源, 从而增加系统效率。CS8900A 内嵌IEEE802.3 以太网标准, 自动生成报头, 自动进行CRC 校验, 冲突后自动重发。CS8900A支持的传输模式有I/0 模式、Memory 模式和DMA 模式, 缺省的是I/ O 模式。

　　3.2 协议系统的选择

　　以太网是物理层和数据链路层符合IEEE 802. 3标准的一种总线型网络( 指的是逻辑拓扑结构) , 在以太网上可以实现多种高层协议, 其中包括国际互联网的事实标准TCP/ IP 协议。TCP/ IP 协议是一个四层协议系统, 包含链路层、网络层、运输层、应用层。在Nucleus 中封装了完整的TCP/ IP 协议, 使用时只需要开发应用层 。调度中心和变电站之间传输协议的国际标准是IEC60870- 5- 101( 以下简称101) 协议, 变电站内传输协议的国际标准是IEC60870- 5- 103( 以下简称103) 协议。为了满足101 协议用于以太网, IEC 制定了IEC60870- 5- 104( 以下简称104) 协议, 其网络层协议为TCP/ IP 协议, 应用层协议采用101 协议的应用服务数据单( ASDU) 。

　　2. 3 软件实现

　　由于操作系统的引入,通信模块的功能有很大的扩展空间和伸缩性能。基于Nucleus 的通信模块软件结构。应用程序采用了模块化的设计方式, 除了通信服务模块, 还有数据分析模块, 数据分析模块的优先级最高。IEC61850 将每个物理装置分为服务器和应用两部分, 每个通信模块既可扮演服务器角色也可以扮演客户角色。采用串行总线通信时, 只能由通信管理机召唤各个保护、测控单元上传信息, 而采用以太网通信后, 保护、测控单元可以主动上传信息, 各单元之间也能进行信息交流。

　　Nucleus为TCP/ IP 提供了应用编程接口Socket,其中流式套接字使用TCP 协议, 数据报套接字使用UDP 协议。TCP 协议是面向连接的, 在不可靠的网络服务上提供端到端的可靠字节流。UDP 协议是用来提供不面向连接的, 它只是简单地把数据报从一台主机发送到另一台主机, 但并不保证该数据报能到达另一端, 可靠性必须由应用层来提供。为了保证可靠的传输远动数据, 104 规定传输层使用的是TCP 协议。分接收中断服务进程和发送服务进程。接收中断通信服务进程平时处于监听状态, 当收到客户端的连接请求后与客户端建立连接, 接收命令、发送报文。当有SOE( 顺序事故记录)、遥信变位等事件产生时, 发送服务进程请求与服务器建立连接, 主动上传报文。

　　3　结语

　　在分析现有中低压变电站自动化系统通信网络的基础上, 根据网络技术发展的最新成果, 提出了嵌入式以太网的面向超高压变电站自动化系统的通信网络。文中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, 选择分组广播模式作为传输模式, UDP 作为嵌入式以太网的传输层协议。所提出的方案已在工程实际中应用, 取得了良好效果。

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