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嵌入式以太网在高压监控中的应用
摘要：计算机通信网络是变电站自动化系统的关键。本文研究了新一代基于嵌入式以太网的
高压监控系统，给出了网络实现方案及其功能特点。
关键词：变电站自动化，现场总线，以太网，嵌入式网络管理，嵌入式PLC
0 引言
变电站自动化和无人值班变电站从20 世纪90 年代至今发展非常迅速，随着计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的发展，变电站自动化系统正向着分散式、分布式、网络化的方向发展。网络技术已成为变电站自动化发展的关键技术，它把分散的各种智能设备组成一体化的网络系统，进而构成功能完备、高可靠、高效率的自动化系统。
变电站自动化通信网络从早期的RS485/RS422 和CCITTV.24 方式的标准的异步串行通信，发展到现在大多数系统正在使用的各种现场总线（Filed Bus ），如国内常见的东方电子采用的FDK Bus 、四方公司采用的Lon Works 、南自院采用的Can Bus 、西门子公司采用的ProfiBus 等等。现场总线网络与早期的异步串行网络相比具有抗干扰性强、效率高等优点，现场总线网络的出现极大的推动了我国变电站自动化的发展。但现场总线网络也存在着自身无法克服的弊端，首先其带宽相对较低，无法适应日益增长的自动化系统对网络的需求；其次互操作性差，由于不同厂家采用的现场总线不同，导致变电站内部不同生产厂家的设备互连几乎是不可能的，即使采用同一种现场总线，如CAN BUS ，由于该现场总线没有定义完备的应用层通信标准，各生产厂家采用自己的应用层通信协议，不同厂家基于CAN BUS 的智能设备互连也同样没有可能。
由于因特网的飞速发展，以太网络通信技术得到了愈来愈广泛的应用。嵌入式以太网因
为速度快，带宽较宽（一般为10M 或100M 还有更高速的1000M ），互操作性好，可扩展性强，价格便宜等特点在嵌入式控制领域得到了广泛的应用，变电站自动化系统选用嵌入式以太网络技术代表了变电站自动化网络技术发展的最新方向。以下几点技术的发展趋势，可以看到嵌入式以太网的生命力。
a).用于智能设备的嵌入式微处理器从8 位已发展到32 位，主频速度也从几兆赫兹发展到几十兆甚至上百兆赫兹。控制软件也从汇编语言编程的单任务程序发展成为使用高级语言编程（一般为C 或C 语言，或者嵌入式JAVA ）的嵌入式实时操作系统。嵌入式操作系统都对TCP/IP 编程技术有着完备的支持，再加上INTERNET 的迅速普及，这些计算机发展的新成就都有力的推动了嵌入式以太网络技术的在控制领域中的广泛应用。
b).根据国家电力数据通信网的发展规划，到2005 年全国电力系统将实现联网，省级网作为数据网上的重要节点被要求首先建成电力宽带数据通信网，宽带网络将作为统一的数据平台纳入国家电力建设之中，统一化的网络平台无疑是变电站自动化的发展方向。
c).代表世界电力标准发展先进领域的IEC 国际标准化组织，为使不同厂商的自动化产品具有互操作性，已制定了关于变电站自动化系统的网络通信体系IEC61850 。尽管该标准还没有颁布正式版本，但已经出版的IEC61850 委员会草案中，已经明确定义了嵌入式以太网络通信技术作为唯一的变电站自动化领域的通信网络，这将是技术发展的国际大趋势。
1 高压监控的网络体系结构
基于以太网的高压监控系统组网方式可以非常灵活，在小型变电站自动化系统中可以采用简单的星型网络拓扑结构，各智能设备直接通过以太网连接到主控通信单元，该网络模型较为简单，本文不再单独描述。
《IEC61850 变电站通信网络和系统》标准推荐大中型变电站的自动化系统应该采用按间隔配置、面向对象的组网方式，如下图：网络体系大致分为三层结构。
最上层为站控层。包括双主控通信单元，双机为冗余热备用方式，主控通信单元负责管理全站范围的智能通信单元，收集各智能单元的数据送往调度主站，并把主站下发的控制命令分发到相应的采集单元；双机数据库通过网络同步刷新；其备份方式既可以为主备方式，也可并列运行。根据用户的需求可以在网络上配置高级应用管理单元，如当地功能，无功综合控制服务器，无防控制服务器，备用电源自动投切服务器等高级应用功能，这些高级应用管理单元既可以以专用软件模块的方式集中在主控通信单元实现（当地功能除外），也可以分布到网络的其它节点实现相应的管理功能。
中间层为间隔通信单元。负责管理、收集本间隔内智能设备的数据，送往站控层；接收站控层的控制命令，分发到相应的智能设备，同时可以通过相应的软件模块完成本间隔内的自动控制功能。间隔通信单元也可以根据用户的需要配置为双机热备用的方式。
智能单元包括测控模块和保护模块，分别完成测控功能和保护功能。
主控通信单元和间隔通信单元采用双网分流、故障切换的通信模式。正常通信过程中，双网分别传输不同的数据内容，一旦其中的一条网络出现故障，则另一条网络担负起传输全部数据的功能。这样不但提高了系统的实时性，也极大的提高了系统的可靠性。
间隔通信单元与各智能设备之间通过10M 以太网传输实时数据。由于本网段内设备相对较少，完全可以保证数据的实时性。
合理的网络配置可以减小网络冲突，提高系统的实时性和可靠性。
2 网络通信协议的实现
网络通信协议是设备可互操作性的基础，现阶段，在变电站自动化领域还没有可以直接遵循的国际标准。IEC61850 无疑是今后网络通信架构的发展方向，但国际标准的制定和颁布仍然需要一段时间。我们在网络通信协议的制定上，采用了IEC61850 的基本设计规范，既采用面向设备、面向对象的网络体系结构。
如图，网络通信规约建立在TCP/IP 协议栈之上，分为三层体系结构。如上图。
通信服务层建立在TCP/IP 之上，完成通信链路的建立和维护，通信服务层给上一层提供可靠的端到端的通信服务。
服务原语层把规约层的原语调用转化为网络报文结构，并通过通信服务层把数据发送出去。在异种机的网络体系结构下，完成数据报文主
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