工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在變電站自動化系統(tǒng)中的應用

　　0 引言

　　變電站自動化以計算機技術(shù)為基礎，實現(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、保護室的主體結(jié)構(gòu)和值班維護方式，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代生產(chǎn)的特點，是當代電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[1]。經(jīng)過十多年的發(fā)展，國內(nèi)變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)達到一定的水平，正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展。

　　通信網(wǎng)絡是變電站自動化系統(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，用戶對統(tǒng)一的網(wǎng)絡和通信協(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)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構(gòu)架。因此，以太網(wǎng)(Ethernet)作為應用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)異軍突起，已經(jīng)迅速走向工業(yè)自動化控制領域的前臺 [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 的強大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡。不同的是，工業(yè)以太網(wǎng)還需要從網(wǎng)絡通訊協(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、服務質(zhì)量(QoS)等方面考慮，以適應工業(yè)現(xiàn)場的需求。由于網(wǎng)絡通信具備兼容性、可擴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)將在變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展中扮演重要角色。

　　1 變電站自動化通信系統(tǒng)的發(fā)展

　　1.1 傳統(tǒng)現(xiàn)場總線通訊模式

　　根據(jù)IEC 關于廠站自動化的分層觀點考慮，變電站自動化系統(tǒng)邏輯上可以分為三層結(jié)構(gòu)（站控層，間隔層，過程層）。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）負責采集變電站內(nèi)的實時數(shù)據(jù)。通信控制器實現(xiàn)匯總IED 數(shù)據(jù)、規(guī)約轉(zhuǎn)換、信息傳遞、系統(tǒng)對時等功能。站控層與間隔層之間由各種類型物理通信網(wǎng)絡連接，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系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。一旦通信控制器發(fā)生故障，整個變電站自動化系統(tǒng)即將癱瘓。

　　1.2 新興網(wǎng)絡分布式通信模式

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

　　分布式有利于任務在整個計算機系統(tǒng)上進行分配與優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)會導致中心主機資源緊張與響應瓶頸的缺陷，是計算機系統(tǒng)技術(shù)的一大進步。目前國內(nèi)外主流廠家均采用了此類結(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雜的通信網(wǎng)絡被統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)所取代。所有設備均通過標準通信協(xié)議及統(tǒng)一的RJ45 口接入到高速工業(yè)以太網(wǎng)中。同時，為兼容部分的老設備，利用規(guī)約轉(zhuǎn)化器來完成設備非以太網(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分散到多個子設備完成，某一個子設備出現(xiàn)問題均不會影響到系統(tǒng)其他部分的正常運轉(zhuǎn)，大大降低了系統(tǒng)故障導致癱瘓的可能性。

　　2 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的應用

　　工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的應用，實質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)中信息類別決定的。本文將變電站自動化通信系統(tǒng)中的信息大致分為三類：第一類為周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)，如遙信、遙測、脈沖量等；第二類為擾動時產(chǎn)生的變位信號、SoE（Sequence of Events）及擾動記錄等，此類信息突發(fā)性強，需要快速可靠的傳輸。這兩類數(shù)據(jù)一般由間隔層的保護測控裝置產(chǎn)生，需要變電站層的設備同時接收。第三類數(shù)據(jù)為變電站層設備與裝置之間的調(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，在一對多的通信模式下需要維持多個連接，并不適合變電站內(nèi)的大量實時數(shù)據(jù)傳輸。因此在變電站自動化系統(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)絡中的影響詳細闡述：

　　單播是單一點對點的數(shù)據(jù)包傳遞，在每個發(fā)送者和接收者之間需要獨立的數(shù)據(jù)通道。對于第一、第二類數(shù)據(jù)，采用單播發(fā)送多個副本給各個變電站層設備將給裝置CPU 帶來較大的處理負擔，同時網(wǎng)絡上出現(xiàn)同一報文的多個副本，無謂消耗了網(wǎng)絡帶寬。單播只適合于第三類數(shù)據(jù)的通信。

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

　　在高壓變電站一般采用高端CPU 或獨立的通信處理芯片，應用層對無用的廣播報文可以迅速解碼并丟棄而不影響保護功能。而低壓變電站由于保護測控裝置的硬件平臺配置較低，很多保護測控裝置還采用16 位單片機（如intel 公司的80296SA）作為主處理器，通信、人機界面、保護邏輯都由同一個CPU負責。如果采用廣播通信方式，網(wǎng)絡上大量頻繁出現(xiàn)的第一、第二類數(shù)據(jù)會讓CPU 不堪重負，甚至影響到保護功能。而對于校時命令等少量需要全站設備接收的信息，廣播是很好的選擇。

　　組播是同時給同一子網(wǎng)中所有組播成員發(fā)送數(shù)據(jù)包是一種傳輸方式[6]。當有多臺主機（即一個組播組）同時成為一個數(shù)據(jù)包的接收者時,出于對帶寬和CPU 負擔的考慮, 組播會是低壓變電站自動化系統(tǒng)中傳輸?shù)谝?、第二類?shù)據(jù)的最佳選擇。

　　本系統(tǒng)中，間隔層的保護測控裝置以組播方式發(fā)送第一、第二類數(shù)據(jù)，需要接收這些數(shù)據(jù)幀的變電站層設備通過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)通信中的問題由于UDP 協(xié)議高效性和支持組播的特點，在大部分的變電站自動化通信系統(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。美國電力科學研究院定義的UCA 通信協(xié)議體系也推薦使用UPD 的分組廣播方式[8]。但同時由于UDP 協(xié)議固有的通信特點，運用在工業(yè)以太網(wǎng)通信也存在著諸多不足，需要加以彌補。

　　UDP 協(xié)議本身是一個無連接，不可靠，僅僅“盡力傳遞”的協(xié)議，它沒有使用確認來確保報文到達，沒有對收到的報文排序，也不提供反饋信息來控制機器間信息流動的速度[9]。因此，UDP 協(xié)議的傳輸將會導致以下三個嚴重問題：

　　1）報文可能出現(xiàn)丟失、重復或無序到達的現(xiàn)象。

　　2）報文發(fā)送端和接收端無法根據(jù)網(wǎng)絡吞吐量進行流量控制和擁塞避免。

　　3)變電站內(nèi)實時數(shù)據(jù)的傳輸，只靠“盡力傳遞”是不夠的，它必須有時延、時延抖動等業(yè)務質(zhì)量（QoS）保證的要求。

　　從上面分析可以看出，標準的UDP 協(xié)議顯然不能滿足工業(yè)以太網(wǎng)上應用的需求。下面筆者將依托實際的大型變電站工程，針對這些問題提出基于工業(yè)以太網(wǎng)的UDP 擴展協(xié)議。

　　4 UDP 協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)的擴展

　　為了解決標準UDP 協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中使用的缺陷，需要在應用層對其進行了擴展，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。第一，增加報文編號機制來解決UDP 報文的丟失、重復與無序的缺點。第二，增加滑動窗口機制來控制報文發(fā)送速度，避免網(wǎng)絡擁塞。第三，增加多級別的優(yōu)先級控制，保證QoS 的需求。下面，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)在變電站自動化通訊系統(tǒng)中的應用詳細闡述。

　　在變電站自動化通訊系統(tǒng)中，以太網(wǎng)上的報文可以分為兩類：不需要申請重發(fā)的報文（DNRR）和需要申請重發(fā)的報文（NRR），這兩類數(shù)據(jù)需要由系統(tǒng)分別編號。DNRR 用于普通信息或周期性發(fā)送的信息，如全遙測、全遙信等，當這類數(shù)據(jù)丟失后，因為它們在下一個周期仍將繼續(xù)發(fā)送，以前丟失的數(shù)據(jù)能得到及時更新，故系統(tǒng)不需要申請重發(fā)。

　　NRR 編號用于重要信息或主動上送信息，如SoE等，這類報文只會發(fā)送一次，如果接收到的編號不連續(xù)，則應對比已正確接收到的報文編號和當前接收的報文編號，對丟失或重復接收的報文進行處理。

　　當變電站產(chǎn)生突發(fā)事件或智能裝置發(fā)生故障時，往往會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)報文。這時為了避免由于網(wǎng)絡擁塞出現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)停滯，甚至引起網(wǎng)絡癱瘓的情況。需要使用滑動窗口機制來控制網(wǎng)絡流量。

　　如圖4 所示：假定發(fā)送序號用3 個比特來編碼，同時假定發(fā)送窗口為1。也就是說幀編號可以從0－7共8 個，而允許發(fā)送的未被確認的最大幀數(shù)目是1。

　　當發(fā)送端發(fā)完0 號幀后，如果沒有收到確認幀，就必須等待，如果收到一個確認幀，發(fā)送窗口就沿順時針方向旋轉(zhuǎn)一個號（前面設定發(fā)送窗口為1），使窗口后沿與一個未被確認的幀號相鄰。這時，5 號幀落入了發(fā)送窗口內(nèi)，就可以發(fā)送了，如果超時沒有收到任何確認幀，就將發(fā)送窗口里的幀全部重發(fā)。

　　當然，發(fā)送窗口假定為1 是一個特例，此時所有的數(shù)據(jù)報文都需要確認。在實際工程應用中，可以根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡的吞吐量和網(wǎng)絡狀況，設置發(fā)送序號的編碼位以及發(fā)送窗口的大小，以提高協(xié)議運行的效率。

　　由于變電站自動化通訊系統(tǒng)中報文類別多種多樣，在網(wǎng)絡帶寬足夠時，正常發(fā)送全部信息可能沒有問題。但一旦網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞，就應該利用有限的網(wǎng)絡資源首先傳輸重要的、實時的數(shù)據(jù)。為此，引入QoS 是必要的。通信系統(tǒng)可以參考國際通用規(guī)約IEC-60870－103 以及IEC-60870－104[10]，對各類的數(shù)據(jù)報文設定優(yōu)先級。假定設置三個優(yōu)先級別，第一級傳輸重要的主動上送信息及控制信息，第二級傳輸周期性上送的實時信息，第三級上送校時信息

　　或網(wǎng)絡管理信息。當網(wǎng)絡資源不足時，可以考慮丟棄優(yōu)先級三的數(shù)據(jù)，當網(wǎng)絡資源嚴重不足時，可以考慮丟棄優(yōu)先級二、三的數(shù)據(jù)。優(yōu)先級個數(shù)設定以及舍棄的問題需要根據(jù)工程網(wǎng)絡情況決定。

　　在現(xiàn)場工程中，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)絡拓撲、網(wǎng)絡冗余、現(xiàn)場運行環(huán)境等多方面加以考慮。這樣，工業(yè)以太網(wǎng)才能在變電站自動化通信系統(tǒng)中發(fā)揮出它強大的能力。

　　5 結(jié)語

　　本論文在分析了變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展過程、現(xiàn)狀和發(fā)展方向的基礎上，對變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和關鍵技術(shù)進行了研究，針對當前存在的問題，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)組播技術(shù)的變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡解決方案，并詳細闡述了方案的優(yōu)勢和其中的技術(shù)難點。經(jīng)過實際應用證明，這種方案完全可行，具有廣泛的應用前景。