基于以太网的变电站自动化网络通信系统设计

冯 豆，张春龙，李 君，杨光辉

（国网安徽省电力公司亳州供电公司，亳州 236800）

0 引言

Ethernet中文翻译为以太网，创始公司为Xerox公司，由Xerox、Intel和DEC公司联合开发通信协议标准。通过载波监听多路访问及冲突检测（CSMA/CD）技术在不同类型的电缆上运行，运行速度为10M/S。以太网的运行标准与IEEE802.3系列标准相似，可以详细分为标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网四个类型。以太网的产生时间很早，尤其是随着技术的成熟，应用范围变得越来越广。在最初阶段以太网只有10Mbps的吞吐量，利用CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）技术的访问控制，这种早期的以太网为标准以太网，它是所有其他以太网类型的基础。以太网的传输介质有两种，分别为双绞线和同轴电缆，通过显示的不同数字表示传输速度。近年来以太网得以飞速发展，其中认为最有发展前景的就是千兆以太网。目前互联网中应用的以太网都具有极好的兼容性，在价格上也相对较为便宜，2016年《环球时报》指出以太网是占据全球主导地位的局域网技术[1]。

网络通信顾名思义就是通过网络进行通信，网络利用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。人与人进行通信时必须要借助某个媒介去交流传递信息，而网络通信正是人们在互联网上沟通交流的媒介，它可以将人与人之间的交流信息转化成各种代码，然后传递给用户。从专业角度来看，网络通信就是一种通信协议，这与人类之间的语言交流一样。随着互联网越来越深入地融进人们生活，网络通信也成为人们必备的通信方式之一，设置优秀的网络通信系统对人们生活有重要的意义。综上所述，本文基于以太网对变电站自动化网络通信系统进行设计，分别设计了系统硬件和系统软件，最后通过实验验证了系统的实际操作性[2]。实验证明，本文所设计的系统无论是在工作效率，还是在工作状态上都要明显优于其它的系统，在应用前景上非常好，拥有广阔的使用空间，值得大力推荐使用。

1 变电站自动化网络通信系统硬件设计

基于以太网变电站的自动化网络通信系统硬件部分由四部分组成：数据收集器、数据处理器、数据传输器、数据转换器[3]。硬件工作要在物联网中进行，由数据收集器将发出者的通信信号采集到一起，并进行简单的筛选，剔除无用信息；然后传递给下一单元，即数据处理器，在数据处理器中，通信信号要完成一系列复杂的转变，变成一个个数字代码，方便计算机的识别；数据传输器将数据代码传输到数据转换器中；最后由数据转换器将代码转换成语言，显示到屏幕上。上述过程为系统硬件工作的全过程。基于以太网变电站的自动化网络通信系统系统硬件总体设计框架图如图1所示[4]。

图1 以太网变电站的自动化网络通信系统系统硬件

1.1 数据收集器设计

本文设计的基于以太网变电站的自动化网络通信系统的数据收集器是由美国Intel公司研发的TCWAR94芯片，此款芯片在研发时投入了大量的人力物力财力，更是花费了近两年的时间才完成整个芯片的设计，所以无论是在性能，还是在工作效率上都达到了前所未有的高度。TCWAR94芯片共有12个核心逻辑，建立在RIM结构周边，工作时核心逻辑同时工作，分别负责不同类型的信息采集。TCWAR94芯片采集入口高达42个，30个内存接口，12个外接口，消耗功率很低，芯片缓存速度很快。数据收集器必须在220V的供电电压下才能工作，同时段的电流频率在70MHz～120MHz[5]。TCWAR94芯片的编程能力非常强，从4bit到68bit的范围都可以编程，RIM将内外接口共同连接，统一放入扫描版中扫描，扫描模式为嵌入式扫描。

数据收集器通过双电源供电，有效保证稳定工作，双电源电路分为供电和复位电路两种，输送不同的供电信号，电源电路输送的信号为TDCF256信号，复位电路输送的信号为3CEMA信号。复位电路比供电电路更复杂，在不同的电压下，工作状态不同。当电压为低于10V时，系统处于待机工作模式；当电压为10V～20V时，数据收集器处于低速工作模式；当电压在20V～50V时，数据收集器处于正常工作模式；当电压在50V～220V时，数据收集器处于高速工作模式。输入的电流为直流电流，增强信息对比度，调节电压偏置。

1.2 数据处理器设计

数据处理器为网络通信硬件系统的核心部分，共有12个数据处理点，通过Wemafad程序运行。数据处理器英国ARM公司生产的第十代ARM数据处理器，ARM10有12个流水线结构，是在前两代的基础上研发而成的，充分发扬了前面两代处理器的优点，改善了缺点[6]。处理器分为三大模块，分别为：CPU模块、DSP模块和I/O模块。数据处理器模块组成如图2所示。

图2 数据处理器模块组成

分析图2可知，处理器中DSP模块为核心模块，起主要作用，CPU模块与I/O模块为附属模块，起到辅助作用。CPU模块能够将网络通信系统中的数据挖掘出来，而且对于以太网大部分类型的光纤接口都适用，同时也能将CM接口与以太网光纤接口连接在一起，完成信息扩展工作。DSP模块作为核心模块既能处理常规模式，也能处理数字化模式，同时具备数据采集功能和逻辑保护功能。DSP模块的另一个优势就是内部装有电子和光学互感器。DSP模块对数据的处理能力极强，甚至可以处理16位的数字信号，工作时信噪比为35dB，串行光纤接口互相连接为工作的可靠性和安全性提供有效保障，符合IEEE802.3系列标准。I/O模块最大的优点就是灵敏度高，即使十分微弱的信号，I/O模块也能感受到，这是因为内部采用了光耦技术，不仅如此I/O模块的工作时间也很短，数据处理工作不会超过10ms，处理的数据不仅是小容量数据，也有大容量数据。数据处理模块的所有工作状态都会被监控系统记录，一旦发现故障就会立刻采取有效措施解决，提高工作效率[7]。

1.3 数据转换器设计

完成了数据处理工作后，数据转换器会将所有的数字信号转化成文字代码，转换器使用的是丹麦Fafel公司研发的78AEV芯片，此款芯片最大的优势在于延时短，仅有2～5μ s，工作时内部数据连接点共同连接，工作效率很高，工作时间很短。除此之外，78AEV芯片体积小，重量轻，消耗功率很低，工作过程不会产生噪声污染，是一款绿色芯片[8]。

2 变电站自动化网络通信系统软件设计

在完成上述硬件设计的基础上，对系统软件部分进行设计，通过NETBEUINETBEUI程序完成设计。设计时，要分析出采集到的数据信号类型，然后将信号放入处理器中转码，最后由通信电路传递给接受者。软件部分计算过程如下：

式(1)中，ψ表示主机频率，o表示运行区域，T代表通信时间，A代表不同类型的通信数据信号，N表示数据信息转码范围。通过上述算法能够将语言信息转化成数据信息，回执传递给数据转码器中，最后由计算机系统做出整体处理，在屏幕上显示出反应结果[9]。

3 实验研究

为了测试本文设计的基于以太网变电站的自动化网络通信系统是否能够有效的完成通信，将其与传统的通信系统放在一起进行对比实验通过软件调试和硬件测试设计实验，实验参数如下：设置工作环境为以太网环境，通信电压为220V，输入直流电为50A，输入交流电为15A，工作标准为IEEE802.3标准，工作程序组态为NETBEUINETBEUI，设定的工作时间为70min，工作频率为80 MHz。具体参数如表1所示[10]。

表1 实验参数设定

根据上述设定的环境和参数进行对比实验，得出的结果如图4所示。

分析图3可知，本文设定的系统和传统系统都能在以太网环境下完成数据信息的通信，但是就实验结果来看，本文研究的系统的通信能力要始终高于传统系统，而且随着时间的增加，传统系统已经基本上不能进行数据通信工作，但是本文研究的系统依旧能够高效工作。除此之外，本文给出的系统工作时间更短，所消耗成本更低，使人们聊天通信变得更加方便快捷。

图3 实验对比图

4 结束语

本文在以太网环境下设计了变电站的自动化网络通信系统，系统硬件部分由数据收集器、数据处理器、数据转换器和数据通信器四部分组成，数据收集器内部采用美国Intel公司研发的TCWAR94芯片，双电源的供电方式为运行提供保障；数据处理器内部有CPU模块、DSP模块和I/O模块3个模块共同工作，DSP模块为核心模块，CPU模块和I/O模块起到辅助作用；数据转换器使用的是丹麦Fafel公司研发的78AEV芯片，工作延时短；利用NETBEUINETBEUI程序实现软件部分的设计。通过本文的研究证明所给的系统工作效率明显高于传统系统，能够准确高效地完成数据的传递，具有很好的发展前景。

参考文献：

[1]任雁铭,操丰梅,秦立军,等.基于嵌入式以太网的变电站自动化系统通信网络[J].电力系统自动化,2001,25(17):36-38.

[2]赵金荣,王海峰.基于嵌入式以太网的变电站自动化系统的实现[J].电力系统自动化,2004,28(11):79-82.

[3]陈文.基于以太网的变电站自动化网络通信系统[J].电子世界, 2014(12):525-525.

[4]张旭.基于以太网与CAN总线互联网关的变电站自动化系统通信网络设计[J].电工技术,2012(7):51-52.

[5]黎绪杰.基于以太网的变电站自动化网络通信系统研究[J].中国科技博览,2012(16):101-101.

[6]沈宏涛,娄奇鹤,王牣,等.基于RTPS的变电站自动化网络通信系统研究[J].电力自动化设备,2005,25(2):25-29.

[7]沈立胜,潘盛贵,王文华.现场总线和以太网通信技术在电网自动化系统中的应用及对比分析[J].科技广场,2015(1):122-125.

[8]陈代金,赵建峰.基于以太网技术的电力监控系统分析[J].电气技术,2015(3):115-117.

[9]陈伟凡,陈晓亮,高伟.变电站10kV开关柜运行环境监控系统设计[J].电气技术,2016,17(9):83-87.

[10]周浩.基于以太网的变电站远程维护系统开发与设计[J].电子科技,2016,29(12):145-147.