嵌入式以太网在变电站自动化通信中的应用探讨

安徽省电力公司马鞍山供电公司 常舜禹

前言

变电站通信系统中，不同层次间数据交换极为频繁，不仅要求数据交换具有较高的实时性，且保证通信中数据传输更为可靠。现代变电站系统建设中为满足自动化、智能化等需求，开始将现场总线技术引入其中，同时以太网自身CSMA/CD机制以及对多路访问的控制也为变电站通信系统整体性能提高提供技术保障。因此，对变电站通信系统中嵌入式以太网的应用研究具有十分重要的意义。

1 嵌入式以太网的相关概述

关于嵌入式以太网，其可应用变电站系统建设中主要得益于自身嵌入式技术。事实上，传统大多软件系统中，因存在较多限制性因素如资源、速度等使微控制器、处理器等很难发挥实质性作用，而在芯片技术不断引入系统建设后，无论在操作系统、硬件资源或运行速度等方面都得到很大程度的改善，这样变电站通信系统能够进行实时通信、中断管理以及任务调度等。因此，在通信系统中将实时操作系统引入其中，确保低端环境下控制器或处理器仍可执行较为复杂的任务，对这种设计方式便可理解为嵌入式技术。从嵌入式以太网应用的原理看，其主要以TCP/IP协议作为系统逻辑，而且以IEEE802.3作为以太网物理标准。但相比传统以太网，嵌入式以太网无需依托于PC机运行，进行在实时操作系统中将TCP/IP等网络协议族引入其中，便可在许多行业领域中运用[1]。

2 变电站通信系统中嵌入式以太网应用的可行性分析

变电站通信系统中是否可将嵌入式以太网引入其中在过去几年一直为电力企业以及许多学者争论的焦点。很多学者在分析中认为由于以太网在监测多路访问中所选择的介质主要以载波为主，其很难预测通信过程中存在的延迟传输，无法适应实时系统运行需求。若在传输介质LAN中有较多以太网节点进行访问，也可能存在数据传输冲突问题，这样节点会会采取退避措施，再次对介质访问过程中便可能延长整个传输时间。然而在嵌入式以太网在后期实践应用中，利用其与令牌总线网比较，可发现，当网络负荷不足25%时，相比令牌总线网络，以太网具有极快的响应时间，而且在传输管理中以太网的冲突检测也可做到有效的传输管理，能够对节点数据的传输进行控制，解决因节点数据传输冲突而延长传输时间的问题[2]。

另外，从以太网系统响应看，由于变电站系统主要以随机性数据、异常运行中突发性数据、周期数据为主，随机性数据不具有较大的流量，周期性数据主要产生于正常运行下，数据连续性以及稳定性较高。所以系统运行中仅需考虑异常情况下的突发性数据，保证以太网负荷量控制在25%以内，便可使系统响应速度得到提高。为验证以太网实时性特征，许多发达国家也开展许多相关研究，如美国EPRI其将12Mb/s令牌传递与以太网置于较差的系统环境下，分析得出以太网在网络通信时间上比令牌传递网络速度超出许多。再如德国在变电站通信系统研究中对于站级总线直接选取Ethernet/MMS，实践中发现以太网应用下无论在性能或传输时间等各方面出现异常情况的几率都较小。因此，在变电站通信系统建设中引入嵌入式以太网具有极大的可行性[3]。

3 变电站通信系统中嵌入式以太网的具体运用研究

3.1 嵌入式以太网的具体运用

现代变电站通信系统建设中更侧重于智能化、自动规划目标的实现，将嵌入式以太网引入其中也需围绕这两方面进行。常见的应用模式主要体现在：第一，将以太网接口设置于设备IEDs中，并使IEDs设备充当节点，使其与以太网进行连接。第二，若IED无法的进行以太网接口设计，可考虑引入现场总线使设备进行连接，并选取通信控制器作为节点使其与以太网连接。两种模式相比之下，在技术上都以嵌入式以太网接口为主，但其他如配置、电压等级等存在一定差异。若从应用可靠性角度出发，变电站通信系统在设计过程中应考虑配置双以太网，其可使系统运行更为稳定。但需注意的是假定变电站系统为中低压，在第一种嵌入式以太网应用下，配置双以太网将表现出明显的冗余特征，适用性较差。若将第二种应用模式引入其中，配置双以太网结构则比较适用。

实际应用中变电站系统存在较多问题，如IEDs设备主要来源于设备厂商，在接口设计中可能忽略以太网接口的设计，而单纯以现场总线接口为主，这种情况下IED设备将无法与通信系统以太网进行连接。因此，应用中需考虑进行通信控制器的设计，其既将以太网接口以及其他通信接口设计其中，解决IEDs无法连接以太网的问题。变电站通信系统中选取通信控制器，其类似于嵌入式以太网应用的第二种模式，可考虑实际建设中选择第二种模式，使以太网中IEDs都可集成。需注意的是若厂商提供的IEDs直接提供标准通信接口，在系统集成中可选用第一种模式。另外，许多变电站通信系统建设中对于第二种模式的应用，往往会发现因网络节点数不同，直接影响网络流量特性，但需注意变电站通信系统信息，采用10Mb/s带宽可满足通信要求，网络特性受第二种应用模式影响与第一种模式存在的差别较小。因此，实际应用中应结合变电站实际情况进行不同模式的选择[4]。

3.2 嵌入式以太网应用的相关技术分析

嵌入式以太网在变电站通信系统中作用的发挥主要得益于其涉及的硬件技术与软件技术。其中在硬件技术方面，主要将以太网收发器、控制器以及MCU等作为以太网硬件体系。当前在芯片技术不断成熟的背景下，常见的以太网控制器如Net ARM、MPC8260等都得到广泛应用。但为使以太网更好地服务于变电站通信系统，要求做好以太网硬件设计工作，主要可从两方面着手，其一为以太网收发器、控制器与CPU的组合，另一种则以收发器、芯片与CPU为主。其中第一种硬件设计方式，可满足收发器、控制器功能实现的基本要求，其他网络协议TCP/IP也可通过CPU执行。而第二种设计的方式要求利用芯片集成控制器，通信效率较高而且具有明显的抗干扰能力，但这种方式应用下需保证芯片性能符合系统设计要求。

另外，在软件方面，为使IED处理、存储以及其他智能功能得以满足，可选择IP、ARP、TCP等作为设备TCP/IP协议。但该协议具有一定的复杂性特征，许多软件设计中多与UNIX操作系统较为相似，可能存在无法满足实时系统要求的情况。对此，在TCP/IP协议下，应做好实时操作系统的选择，确保相关的调度或管理都可在RTOS多任务机制下实现。通过大多变电站通信系统建设实践可发现，由TCP/IP软件模块以及嵌入式RTOS共同构成的以太网软件，通信中许多复杂机制都能够实现[5]。

4 结论

变电站通信系统中嵌入式以太网的引入是保证系统安全可靠运行的重要技术保障。实际应用中应正视嵌入式以太网的基本原理，根据变电站通信系统实际建设情况合理选择嵌入式以太网的不同模式。同时，为使嵌入式以太网作用得以充分发挥，在应用过程中还需从其硬件技术与软件技术等方面着手，确保嵌入式以太网应用下通信系统存在的管理或调度问题得以解决，实现变电站系统自动化、智能化建设目标。

[1]李文军,杨德伟.嵌入式以太网在变电站中的应用研究与设计[J].微计算机信息,2011,03:77-79.

[2]汪哲民,张帆.变电站过程层嵌入式以太网实时性能的仿真[J].电子测量技术,2010,04:75-77+122.

[3]陈伟,郝晓弘,张帆.变电站嵌入式以太网通信平台的设计与实现[J].电气自动化,2010,03:60-63.

[4]汪哲民,张帆.变电站层嵌入式以太网实时性能分析与仿真[J].微计算机信息,2010,32:49-50+85.

[5]冯小峰.嵌入式以太网在轮毂跳动量测量仪中的应用研究[D].长春理工大学,2010.