嵌入式以太网在变电站通信中的应用

2019-11-03 19:16:17

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供稿：网友

吴在军，胡敏强，杜炎森
（东南大学电气工程系，江苏省南京市 210096）

　　摘要：以太网由于其介质访问控制采用载波侦听多路访问/冲突检测的机制，对其能否应用于变电站自动化系统，究竟采用何种模式，在实践中一直有不同看法。文章在分析了嵌入式以太网技术应用于变电站内通信系统可行性的基础上，研究了其具体的应用模式，并从硬件平台和软件实现方面阐述了嵌入式以太网实现的关键技术，最后指出了实现过程中应注意的问题。

　　关键词：嵌入式以太网；变电站自动化；通信系统

1 引言

　　变电站通信网络和系统协议IEC 61850标准草案提出了变电站内信息分层的概念，无论从逻辑上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分为3个层（即变电站层、间隔层和过程层），并且定义了层和层之间的通信接口[1]，如图1所示。

　　变电站内数据流的方向，既有同一层横向数据交换，也有层和层之间纵向数据交换。不同层次不同方向的数据交换其数据流量、时间响应特性要求也各不相同。文献[2]对此作了详细分析。

　　间隔层和变电站层之间的数据交换数据量大、实时性要求高，而且要求传输安全可靠。间隔层和变电站层之间的数据交换，通常采用低速的串行总线，如RS-232/422/485等。随着现场总线（fieldbus）技术的出现与成熟，现场总线也逐渐被运用于变电站自动化系统。以太网由于其介质访问控制采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的机制，因此以太网能否适用于变电站自动化系统以及采用何种应用模式，一直有不同的看法。

　　本文首先概括介绍了嵌入式以太网的概念，并分析了嵌入式以太网应用于变电站内通信系统的可行性。在此基础上，探讨了其具体应用模式，阐述了硬件平台设计和软件实现的关键技术。

2 嵌入式以太网

　　嵌入式以太网是和嵌入式技术紧密联系在一起的。早期的微处理器（mP）/ 微控制器（MCU）受速度和资源等因素的限制，在其软件系统中是没有操作系统的。随着芯片技术的发展，mP / MCU的速度获得了极大提高，硬件资源也愈加丰富。同时，实时操作系统（RTOS）的出现并逐渐成熟，为变电站通信系统提供了高效的实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。因此，设计者可以利用RTOS提供的服务，应用类似在UNIX/Windows等高端环境中的设计方法，在μP/MCU等低端环境中实现复杂的任务。这就是所谓的“嵌入式技术”。

　　嵌入式以太网是基于mP/MCU的软硬件环境的。利用嵌入式设计技术在微控制器（MCU）或微处理器（mP）和以太网控制器上实现的以太网与传统以太网在物理上都遵循IEEE 802.3标准，逻辑上大都选用广泛使用的TCP/ip协议族。嵌入式以太网与传统以太网的最大区别在于：后者是基于PC机或工作站的软硬件环境的，与PC机、工作站的硬件直接配合，使用的网络协议（如TCP/IP等）内嵌在WindowsNT、UNIX等操作系统之中，它总脱离不了PC机或工作站的软、硬件环境，因而使其在工业控制领域的应用受到限制；而嵌入式以太网是基于微控制器／微处理器的软、硬件环境的，使用的网络协议族（如TCP/IP）内嵌在RTOS之中，因而使其应用于工业控制领域大为方便。

3 嵌入式以太网应用于变电站内通信系统的可行性

　　曾经有这样的一种观点，认为由于以太网具有载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的本质，其对“实时”信息传输造成的延迟无法预测，因而它不能满足实时系统的需要。因为2个或多个以太网节点同时访问共享的传输介质局域网（LAN）时，就会造成数据冲突。此时，所有冲突的节点会按照一定的退避算法随机延迟一定的时间间隔，然后试图重新访问介质，以获得介质的访问权。这会导致通常无法确切地估计出冲突节点需要的随机等待时间，因此有可能造成“实时”信息传输无效。

　　文献[3]对比研究了普通以太网和令牌总线网的性能。图2为普通以太网和令牌总线网随负荷变化的时间响应曲线。由图可见，在网络负荷小于25%情况下，以太网的响应时间要比令牌总线网络快得多。同时，以太网的CSMA/CD方法也优越于令牌传递的传输管理方法，使用这种方法随时可以发送某个节点想发送的数据，而不必获得令牌控制权。

　　变电站自动化系统中的数据可分为3类：正常运行时的周期数据、故障情况下的突发性数据和命令下发时的随机性数据。周期性数据稳定、连续且变化量小，而随机性数据流量很小。因此，在故障情况下只要突发性数据使以太网的负荷量小于25%，使用以太网便可得到最好的系统响应。

　　对变电站自动化系统而言，通过LAN执行控制功能的“实时”性要求通常定义为4ms。为了定性地衡量以太网是否能满足电力系统中“实时性”要求，美国电力研究院（EPRI）进行了研究。在特定的“最恶劣”情形下对比研究了以太网和12Mb/s令牌传递（token passing）Profibus网的性能。研究表明，无论是通过共享HUB（Sharing HUB）连接的100Mb/s以太网还是通过交换式HUB（Switch HUB）连接的10Mb/s以太网，都能满足4ms这一网络通信时间要求，并且二者均快于12Mb/s令牌传递（Token passing）Profibus网络[4]。

　　德国从1998年1月到2000年11月进行了旨在测试IEC 61850标准的实验性项目。在这项称之为变电站开放式通信（Open Communication in Substation，OCIS）的项目中，H. Schubert等人研究了以Ethernet/MMS作为站级总线（station bus）的中压变电站自动化通信系统的性能。试验表明，由于以太网具有足够宽的带宽，以及更宽带宽的快速以太网和G比特以太网的出现，因而在试验中未出现预先设想的可能会遇到的时间和性能上的问题[5]。

　　综上所述，无论理论分析还是从试验而言，嵌入式以太网应用于变电站内通信系统是可行的。

4 嵌入式以太网用于变电站内通信系统的应用模式

　　嵌入式以太网应用于变电站内通信系统的应用模式是非常值得研究的问题。嵌入式以太网用作变电站自动化系统内部的通信网络一般有2种应用模式：

　　1）每个智能电子设备IEDs都配置一嵌入式以太网接口，将该设备作为一以太网节点直接连到以太网上，如图3所示。

　　2）几个不具备以太网接口的IED通过RS232/485或现场总线等方式连在一起，然后通过一具有嵌入式以太网接口的通信控制器，将其作为一以太网节点连到以太网上。典型系统为GE-Harris公司的D20系统，如图4所示。

　　对比这2种应用模式，从技术实现而言，二者都必须设计嵌入式以太网接口，本质上没有多大差别。但从变电站自动化系统的电压等级、具体配置以及成本考虑，它们的适用范围是有所不同的。

　　从可靠性考虑，作为站内数据流的枢纽，变电站内通信系统最好是双以太网冗余配置。这样，即使1个网出现故障也不会影响整个变电站自动化系统的安全稳定运行。然而，目前嵌入式以太网每个节点的成本还较高，对中低压变电站自动化系统而言，若采用应用模式1，则设计成冗余的双以太网结构就不太适合；若采用应用模式2，则可以方便地设计成冗余的双以太网结构。

　　对具体的应用而言，尤其是在现阶段，变电站中其他IEDs（比如完成电度量计量和直流监视等功能的IEDs）可能由其它厂商提供，这些IED的对外通信接口可能只有RS485或现场总线接口，没有嵌入式以太网接口，因此就无法直接连到作为变电站自动化系统内部通信网络的以太网上。在这种情况下，必须设计一些既有多种通信接口又有嵌入式以太网接口的通信控制器，将站内一些无法直接连到以太网上的IEDs通过这种通信控制器连到以太网上。该通信控制器的应用模式实际上与应用模式2相同。因此可以看出，在变电站自动化系统中，要把站内所有IEDs都集成到以太网上，使用应用模式2则成为必然选择。但由于国际标准IEC 61850的即将颁布，所有厂家的IEDs都应该具有标准的通信接口，并遵循统一的协议。在此情况下选择模式1也可以实现系统的完全集成。

　　另外，2种应用模式的网络节点数是不同的，因而会对网络流量等网络特性产生不同的影响。对于同一规模的变电站，应用模式1的网络节点数比应用模式2的多。但研究表明，10Mb/s的带宽相对于变电站自动化系统的信息已经足够了，所以2种应用模式对于网络特性的影响不会有明显的区别。

　　由上分析可见，在实际应用中究竟采用何种应用模式，应从变电站的具体情况、成本和电压等级等方面进行综合考虑。

5 实现嵌入式以太网的关键技术

5.1 硬件技术

　　无论采用何种应用模式，嵌入式以太网硬件实现的关键在于变电站IEDs中负责信息处理和网络通信的模块，即通信模块的设计与实现。考虑到TCP/IP协议的复杂性，实现这种协议的通信模块在硬件上有一系列的特殊要求，因此通信模块设计时必须处理好如下问题：CPU处理速度、RAM的容量、ROM的容量、10Mb/s和100Mb/s的自适应、双网的冗余设计及其切换策略。

　　硬件技术主要涉及如何选择合适的MCU、以太网控制器和以太网收发器，以完成相应的硬件体系，实现IEEE 802.3所规定的功能以及相互之间的接口等问题。

　　以太网控制器种类很多，常见的有Realtek公司的8019，Crystal公司的CS8900，AMD公司的AM7790、AM7994，Intel公司的82596等。以太网收发器种类也很多，常见的有AMD的AM7991，Levelone公司的LXT901、LXT907，Motorola公司的68160等。随着芯片技术的发展，目前市场已有集成以太网控制器的微控制器/微处理器，如Motorola公司68K系列的MC68020、MC68030、MC68360及Power PC系列的MPC860、MPC8260， SAMSUNG公司的Net ARM等。

　　因此，嵌入式以太网的硬件实现就有2种方案： ① CPU+以太网控制器+以太网收发器的方案，如图5所示； ② CPU+以太网集成的芯片+以太网收发器，如图6所示。

　　在方案1中，以太网控制器和以太网收发器实现IEEE 802.3所规定的功能，而CPU完成TCP/IP网络协议的解释和执行。

　　由于方案2中，CPU和以太网控制器集成在同一芯片上，以太网控制器和CPU间的数据交换是通过内部的数据总线而不是如方案1要通过外部总线交换数据，所以方案2在通信效率、抗干扰性能、可靠性等方面都要优于方案1。因此，如果采用32bit的CPU，一般还是采用方案2比较合适。对于16bit的CPU，由于难以找到集成了以太网控制器的芯片，所以方案1成为必然选择，而且也不失为一种低成本的解决方案。

5.2 软件技术

　　以太网本质上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TCP/IP协议。然而，以太网技术本身和TCP/IP协议是2个独立的概念，它与TCP/IP协议之间在逻辑上是相互独立的。

　　TCP/IP协议是一种成熟的、广泛使用的高层网络协议。该协议最初制定时的一个原则就是要设计成与底层网技术相对独立的、具有广泛适应性的网络通信协议。由于以太网上目前应用最多的是TCP/IP协议，并且该协议具有良好的开放性，所以应用于变电站内通信系统的嵌入式以太网高层网络协议也大多选择TCP/IP协议。　　本文仅讨论IEDs要实现的通信协议，具体的应用程序不作阐述。讨论中采用图7所示的通信协议层次模型，其中物理层和数据链路层由驱动电路与以太网控制器实现。因此，通信协议软件设计的主要工作在网络层、传输层的TCP/IP协议的实现。

由于TCP/IP协议族很大，考虑到IED现场智能功能需求和其存储能力、处理能力的限制，在现场智能设备中的TCP/IP协议主要包括基本协议：ARP协议、IP协议、ICMP协议、UDP协议和TCP协议。

　　由于TCP/IP协议本身的复杂性，一般实现TCP/IP协议的软件大都是基于类似于UNIX的多任务、多线程的操作系统。而变电站内通信网络具有其自身的特殊性（即网络上传输的信息绝大多数具有实时性），因而具有实时系统（real-time system)的特征。它除了要满足应用的功能需求外，更重要的还要满足应用提出的实时性要求。对每一个具体的应用，要始终保证系统行为的可预测性(predictability)。所以，在TCP/IP实现时，采用了Windriver公司的嵌入式实时操作系统（RTOS）VxWorks，利用RTOS提供的多任务机制和任务之间的通信与互斥等机制来进行任务的管理及调度。

　　所以，实现嵌入式以太网的软件是由嵌入式RTOS及其之上的TCP/IP软件模块构成，如图8所示。TCP/IP软件模块充分利用了嵌入式操作系统所提供的多任务机制以及任务之间的通信及互斥等机制，使TCP/IP协议中的复杂机制得以简单、清晰地实现。

6 结束语

　　本文分析了嵌入式以太网应用于变电站内通信网络的可行性，并在此基础上研究了其应用模式、实现的关键技术问题。但对变电站自动化系统而言，实现IED的以太网接口并不是最终目标，更重要的是要实现变电站自动化通信系统的开放性、互操作性和鲁棒性等。因此，采用面向对象技术对变化站内设备、数据对象和通信协议统一建模，探索其具体的实现方法和步骤，实现互操作性和鲁棒性等，意义就更显重要，这也是后续研究工作的目标。

参考文献

[1] IEC61850-5．Communication networks and system in substations．Part　5：Communication requirements for function and device modes [S]．1999．

[2] 陶晓农．分散式变电站监控系统中的通信技术方案[J]．电力系统自动化，1998，22(4)：51-54．

[3] 黄文君，冯卫标，葛毅，等．实时控制系统网络设计[J]．机电工程，2000，17(3)：77-80．

[4] UCA 2.0 Standard Document. Part 1[S]．Electrical Power Research Institute (EPRI)，Palo Alto，CA．

[5] Haude J，Janz A，Rudolph TH et al．A pilot project for testing the standard drafts for open communication in substations?first experiences with the futu

[6] re standard IEC 61850[C]，CIGRE Confe-rence，Paris，Franc，28 August to 02 September 2000．

摘自　北极星电技术网

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