工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　0 引言

　　變電站自動(dòng)化以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)變電站現(xiàn)代化管理，改變了傳統(tǒng)變電站控制室、保護(hù)室的主體結(jié)構(gòu)和值班維護(hù)方式，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代生產(chǎn)的特點(diǎn)，是當(dāng)代電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到一定的水平，正向分布化、智能化的實(shí)時(shí)控制方面發(fā)展。

　　通信網(wǎng)絡(luò)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的命脈，其可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性[2]。一方面，用戶對(duì)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議的要求日益迫切；另一方面，Intranet/Internet 等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，要求電力系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)縫信息集成，并提供一個(gè)開(kāi)放的基礎(chǔ)構(gòu)架。因此，以太網(wǎng)(Ethernet)作為應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)異軍突起，已經(jīng)迅速走向工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的前臺(tái) [3,4] 。

　　所謂的工業(yè)以太網(wǎng)，與以太網(wǎng)相似，是基于IEEE 802.3 的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。不同的是，工業(yè)以太網(wǎng)還需要從網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議、通信速率、工業(yè)環(huán)境、安裝方式、散熱、通信管理、主干(TrunkingTM)冗余、環(huán)網(wǎng)冗余、服務(wù)質(zhì)量(QoS)等方面考慮，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。由于網(wǎng)絡(luò)通信具備兼容性、可擴(kuò)展性以及適合處理突發(fā)事件的異步工作方式，工業(yè)以太網(wǎng)將在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展中扮演重要角色。

　　1 變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)的發(fā)展

　　1.1 傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模式

　　根據(jù)IEC 關(guān)于廠站自動(dòng)化的分層觀點(diǎn)考慮，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)邏輯上可以分為三層結(jié)構(gòu)（站控層，間隔層，過(guò)程層）。本文僅討論站控層與間隔層之間的通訊。

　　由圖1 可以看出，這種結(jié)構(gòu)下,間隔層的智能裝置（IED）負(fù)責(zé)采集變電站內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通信控制器實(shí)現(xiàn)匯總IED 數(shù)據(jù)、規(guī)約轉(zhuǎn)換、信息傳遞、系統(tǒng)對(duì)時(shí)等功能。站控層與間隔層之間由各種類(lèi)型物理通信網(wǎng)絡(luò)連接，如RS485 網(wǎng)、CAN 網(wǎng)、LONWROKS 網(wǎng)等。需要注意的是，通信控制器管理著整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。一旦通信控制器發(fā)生故障，整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)即將癱瘓。

　　1.2 新興網(wǎng)絡(luò)分布式通信模式

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，形成了真正意義上的分層分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。

　　分布式有利于任務(wù)在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行分配與優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致中心主機(jī)資源緊張與響應(yīng)瓶頸的缺陷，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的一大進(jìn)步。目前國(guó)內(nèi)外主流廠家均采用了此類(lèi)結(jié)構(gòu)模式[5]。

　　從圖1 和圖2 的比較可以看出，圖1 中站控層與間隔層之間復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)被統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)所取代。所有設(shè)備均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議及統(tǒng)一的RJ45 口接入到高速工業(yè)以太網(wǎng)中。同時(shí)，為兼容部分的老設(shè)備，利用規(guī)約轉(zhuǎn)化器來(lái)完成設(shè)備非以太網(wǎng)接口到以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)化。這樣，以前通信控制器的任務(wù)分散到多個(gè)子設(shè)備完成，某一個(gè)子設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題均不會(huì)影響到系統(tǒng)其他部分的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，大大降低了系統(tǒng)故障導(dǎo)致癱瘓的可能性。

　　2 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的應(yīng)用

　　工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)中信息類(lèi)別決定的。本文將變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)中的信息大致分為三類(lèi)：第一類(lèi)為周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)，如遙信、遙測(cè)、脈沖量等；第二類(lèi)為擾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的變位信號(hào)、SoE（Sequence of Events）及擾動(dòng)記錄等，此類(lèi)信息突發(fā)性強(qiáng)，需要快速可靠的傳輸。這兩類(lèi)數(shù)據(jù)一般由間隔層的保護(hù)測(cè)控裝置產(chǎn)生，需要變電站層的設(shè)備同時(shí)接收。第三類(lèi)數(shù)據(jù)為變電站層設(shè)備與裝置之間的調(diào)節(jié)控制等命令。

　　在以太網(wǎng)OSI 結(jié)構(gòu)的傳輸層中，定義了TCP及UDP 兩種協(xié)議。TCP 具有可靠性高但速度慢的特點(diǎn)，在一對(duì)多的通信模式下需要維持多個(gè)連接，并不適合變電站內(nèi)的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。因此在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中多采用效率更高UDP 協(xié)議。而在基于UDP 的變電站通信系統(tǒng)中，有單播、組播、廣播三種通信方式可供選擇。下面就這些方式在變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的影響詳細(xì)闡述：

　　單播是單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包傳遞，在每個(gè)發(fā)送者和接收者之間需要獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道。對(duì)于第一、第二類(lèi)數(shù)據(jù)，采用單播發(fā)送多個(gè)副本給各個(gè)變電站層設(shè)備將給裝置CPU 帶來(lái)較大的處理負(fù)擔(dān)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)同一報(bào)文的多個(gè)副本，無(wú)謂消耗了網(wǎng)絡(luò)帶寬。單播只適合于第三類(lèi)數(shù)據(jù)的通信。

　　廣播能將數(shù)據(jù)包發(fā)送到同一子網(wǎng)中所有主機(jī)上，是一種易于實(shí)現(xiàn)且比較高效的一對(duì)多通信手段。

　　在高壓變電站一般采用高端CPU 或獨(dú)立的通信處理芯片，應(yīng)用層對(duì)無(wú)用的廣播報(bào)文可以迅速解碼并丟棄而不影響保護(hù)功能。而低壓變電站由于保護(hù)測(cè)控裝置的硬件平臺(tái)配置較低，很多保護(hù)測(cè)控裝置還采用16 位單片機(jī)（如intel 公司的80296SA）作為主處理器，通信、人機(jī)界面、保護(hù)邏輯都由同一個(gè)CPU負(fù)責(zé)。如果采用廣播通信方式，網(wǎng)絡(luò)上大量頻繁出現(xiàn)的第一、第二類(lèi)數(shù)據(jù)會(huì)讓CPU 不堪重負(fù)，甚至影響到保護(hù)功能。而對(duì)于校時(shí)命令等少量需要全站設(shè)備接收的信息，廣播是很好的選擇。

　　組播是同時(shí)給同一子網(wǎng)中所有組播成員發(fā)送數(shù)據(jù)包是一種傳輸方式[6]。當(dāng)有多臺(tái)主機(jī)（即一個(gè)組播組）同時(shí)成為一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收者時(shí),出于對(duì)帶寬和CPU 負(fù)擔(dān)的考慮, 組播會(huì)是低壓變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中傳輸?shù)谝弧⒌诙?lèi)數(shù)據(jù)的最佳選擇。

　　本系統(tǒng)中，間隔層的保護(hù)測(cè)控裝置以組播方式發(fā)送第一、第二類(lèi)數(shù)據(jù)，需要接收這些數(shù)據(jù)幀的變電站層設(shè)備通過(guò)配置劃分為同一組播組。而其它不需要接收這些數(shù)據(jù)的裝置由于沒(méi)有加入這一組播組，數(shù)據(jù)幀將根據(jù)IGMP 協(xié)議被交換機(jī)丟棄[7]。數(shù)據(jù)流如圖3 所示。

　　3 UDP 協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)通信中的問(wèn)題由于UDP 協(xié)議高效性和支持組播的特點(diǎn)，在大部分的變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)，特別是低壓變電站中，都采用基于組播的UDP 協(xié)議是一種高效的選擇。美國(guó)電力科學(xué)研究院定義的UCA 通信協(xié)議體系也推薦使用UPD 的分組廣播方式[8]。但同時(shí)由于UDP 協(xié)議固有的通信特點(diǎn)，運(yùn)用在工業(yè)以太網(wǎng)通信也存在著諸多不足，需要加以彌補(bǔ)。

　　UDP 協(xié)議本身是一個(gè)無(wú)連接，不可靠，僅僅“盡力傳遞”的協(xié)議，它沒(méi)有使用確認(rèn)來(lái)確保報(bào)文到達(dá)，沒(méi)有對(duì)收到的報(bào)文排序，也不提供反饋信息來(lái)控制機(jī)器間信息流動(dòng)的速度[9]。因此，UDP 協(xié)議的傳輸將會(huì)導(dǎo)致以下三個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題：

　　1）報(bào)文可能出現(xiàn)丟失、重復(fù)或無(wú)序到達(dá)的現(xiàn)象。

　　2）報(bào)文發(fā)送端和接收端無(wú)法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行流量控制和擁塞避免。

　　3)變電站內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，只靠“盡力傳遞”是不夠的，它必須有時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）保證的要求。

　　從上面分析可以看出，標(biāo)準(zhǔn)的UDP 協(xié)議顯然不能滿足工業(yè)以太網(wǎng)上應(yīng)用的需求。下面筆者將依托實(shí)際的大型變電站工程，針對(duì)這些問(wèn)題提出基于工業(yè)以太網(wǎng)的UDP 擴(kuò)展協(xié)議。

　　4 UDP 協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)的擴(kuò)展

　　為了解決標(biāo)準(zhǔn)UDP 協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中使用的缺陷，需要在應(yīng)用層對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。第一，增加報(bào)文編號(hào)機(jī)制來(lái)解決UDP 報(bào)文的丟失、重復(fù)與無(wú)序的缺點(diǎn)。第二，增加滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)控制報(bào)文發(fā)送速度，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。第三，增加多級(jí)別的優(yōu)先級(jí)控制，保證QoS 的需求。下面，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)在變電站自動(dòng)化通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用詳細(xì)闡述。

　　在變電站自動(dòng)化通訊系統(tǒng)中，以太網(wǎng)上的報(bào)文可以分為兩類(lèi)：不需要申請(qǐng)重發(fā)的報(bào)文（DNRR）和需要申請(qǐng)重發(fā)的報(bào)文（NRR），這兩類(lèi)數(shù)據(jù)需要由系統(tǒng)分別編號(hào)。DNRR 用于普通信息或周期性發(fā)送的信息，如全遙測(cè)、全遙信等，當(dāng)這類(lèi)數(shù)據(jù)丟失后，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙乱粋€(gè)周期仍將繼續(xù)發(fā)送，以前丟失的數(shù)據(jù)能得到及時(shí)更新，故系統(tǒng)不需要申請(qǐng)重發(fā)。

　　NRR 編號(hào)用于重要信息或主動(dòng)上送信息，如SoE等，這類(lèi)報(bào)文只會(huì)發(fā)送一次，如果接收到的編號(hào)不連續(xù)，則應(yīng)對(duì)比已正確接收到的報(bào)文編號(hào)和當(dāng)前接收的報(bào)文編號(hào)，對(duì)丟失或重復(fù)接收的報(bào)文進(jìn)行處理。

　　當(dāng)變電站產(chǎn)生突發(fā)事件或智能裝置發(fā)生故障時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)報(bào)文。這時(shí)為了避免由于網(wǎng)絡(luò)擁塞出現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)停滯，甚至引起網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。需要使用滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)流量。

　　如圖4 所示：假定發(fā)送序號(hào)用3 個(gè)比特來(lái)編碼，同時(shí)假定發(fā)送窗口為1。也就是說(shuō)幀編號(hào)可以從0－7共8 個(gè)，而允許發(fā)送的未被確認(rèn)的最大幀數(shù)目是1。

　　當(dāng)發(fā)送端發(fā)完0 號(hào)幀后，如果沒(méi)有收到確認(rèn)幀，就必須等待，如果收到一個(gè)確認(rèn)幀，發(fā)送窗口就沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一個(gè)號(hào)（前面設(shè)定發(fā)送窗口為1），使窗口后沿與一個(gè)未被確認(rèn)的幀號(hào)相鄰。這時(shí)，5 號(hào)幀落入了發(fā)送窗口內(nèi)，就可以發(fā)送了，如果超時(shí)沒(méi)有收到任何確認(rèn)幀，就將發(fā)送窗口里的幀全部重發(fā)。

　　當(dāng)然，發(fā)送窗口假定為1 是一個(gè)特例，此時(shí)所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都需要確認(rèn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和網(wǎng)絡(luò)狀況，設(shè)置發(fā)送序號(hào)的編碼位以及發(fā)送窗口的大小，以提高協(xié)議運(yùn)行的效率。

　　由于變電站自動(dòng)化通訊系統(tǒng)中報(bào)文類(lèi)別多種多樣，在網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠時(shí)，正常發(fā)送全部信息可能沒(méi)有問(wèn)題。但一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，就應(yīng)該利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源首先傳輸重要的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。為此，引入QoS 是必要的。通信系統(tǒng)可以參考國(guó)際通用規(guī)約IEC-60870－103 以及IEC-60870－104[10]，對(duì)各類(lèi)的數(shù)據(jù)報(bào)文設(shè)定優(yōu)先級(jí)。假定設(shè)置三個(gè)優(yōu)先級(jí)別，第一級(jí)傳輸重要的主動(dòng)上送信息及控制信息，第二級(jí)傳輸周期性上送的實(shí)時(shí)信息，第三級(jí)上送校時(shí)信息

　　或網(wǎng)絡(luò)管理信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源不足時(shí)，可以考慮丟棄優(yōu)先級(jí)三的數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源嚴(yán)重不足時(shí)，可以考慮丟棄優(yōu)先級(jí)二、三的數(shù)據(jù)。優(yōu)先級(jí)個(gè)數(shù)設(shè)定以及舍棄的問(wèn)題需要根據(jù)工程網(wǎng)絡(luò)情況決定。

　　在現(xiàn)場(chǎng)工程中，除了要在協(xié)議上保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，還需要從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)冗余、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境等多方面加以考慮。這樣，工業(yè)以太網(wǎng)才能在變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)中發(fā)揮出它強(qiáng)大的能力。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本論文在分析了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程、現(xiàn)狀和發(fā)展方向的基礎(chǔ)上，對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)組播技術(shù)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)解決方案，并詳細(xì)闡述了方案的優(yōu)勢(shì)和其中的技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，這種方案完全可行，具有廣泛的應(yīng)用前景。