工業以太網技術在變電站自動化系統中的應用

　　0 引言

　　變電站自動化以計算機技術為基礎，實現了電網變電站現代化管理，改變了傳統變電站控制室、保護室的主體結構和值班維護方式，充分體現了現代生產的特點，是當代電網發展的必然趨勢[1]。經過十多年的發展，國內變電站自動化系統已經達到一定的水平，正向分布化、智能化的實時控制方面發展。

　　通信網絡是變電站自動化系統的命脈，其可靠性與信息傳輸的快速性決定了系統的可用性[2]。一方面，用戶對統一的網絡和通信協議的要求日益迫切；另一方面，Intranet/Internet 等信息技術的飛速發展，要求電力系統從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架。因此，以太網(Ethernet)作為應用最廣泛的局域網技術異軍突起，已經迅速走向工業自動化控制領域的前臺 [3,4] 。

　　所謂的工業以太網，與以太網相似，是基于IEEE 802.3 的強大的區域和單元網絡。不同的是，工業以太網還需要從網絡通訊協議、通信速率、工業環境、安裝方式、散熱、通信管理、主干(TrunkingTM)冗余、環網冗余、服務質量(QoS)等方面考慮，以適應工業現場的需求。由于網絡通信具備兼容性、可擴展性以及適合處理突發事件的異步工作方式，工業以太網將在變電站自動化系統的發展中扮演重要角色。

　　1 變電站自動化通信系統的發展

　　1.1 傳統現場總線通訊模式

　　根據IEC 關于廠站自動化的分層觀點考慮，變電站自動化系統邏輯上可以分為三層結構（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，這種結構下,間隔層的智能裝置（IED）負責采集變電站內的實時數據。通信控制器實現匯總IED 數據、規約轉換、信息傳遞、系統對時等功能。站控層與間隔層之間由各種類型物理通信網絡連接，如RS485 網、CAN 網、LONWROKS 網等。需要注意的是，通信控制器管理著整個系統的實時數據。一旦通信控制器發生故障，整個變電站自動化系統即將癱瘓。

　　1.2 新興網絡分布式通信模式

　　隨著計算機技術、網絡及通信技術的飛速發展，形成了真正意義上的分層分布式自動化系統。

　　分布式有利于任務在整個計算機系統上進行分配與優化，克服了傳統集中式系統會導致中心主機資源緊張與響應瓶頸的缺陷，是計算機系統技術的一大進步。目前國內外主流廠家均采用了此類結構模式[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絡被統一的工業以太網所取代。所有設備均通過標準通信協議及統一的RJ45 口接入到高速工業以太網中。同時，為兼容部分的老設備，利用規約轉化器來完成設備非以太網接口到以太網接口的轉化。這樣，以前通信控制器的任務分散到多個子設備完成，某一個子設備出現問題均不會影響到系統其他部分的正常運轉，大大降低了系統故障導致癱瘓的可能性。

　　2 工業以太網通信協議的應用

　　工業以太網通信協議的應用，實質上是根據系統中信息類別決定的。本文將變電站自動化通信系統中的信息大致分為三類：第一類為周期性發送的數據，如遙信、遙測、脈沖量等；第二類為擾動時產生的變位信號、SoE（Sequence of Events）及擾動記錄等，此類信息突發性強，需要快速可靠的傳輸。這兩類數據一般由間隔層的保護測控裝置產生，需要變電站層的設備同時接收。第三類數據為變電站層設備與裝置之間的調節控制等命令。

　　在以太網OSI 結構的傳輸層中，定義了TCP及UDP 兩種協議。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，并不適合變電站內的大量實時數據傳輸。因此在變電站自動化系統中多采用效率更高UDP 協議。而在基于UDP 的變電站通信系統中，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絡中的影響詳細闡述：

　　單播是單一點對點的數據包傳遞，在每個發送者和接收者之間需要獨立的數據通道。對于第一、第二類數據，采用單播發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，同時網絡上出現同一報文的多個副本，無謂消耗了網絡帶寬。單播只適合于第三類數據的通信。

　　廣播能將數據包發送到同一子網中所有主機上，是一種易于實現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，網絡上大量頻繁出現的第一、第二類數據會讓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中所有組播成員發送數據包是一種傳輸方式[6]。當有多臺主機（即一個組播組）同時成為一個數據包的接收者時,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中傳輸第一、第二類數據的最佳選擇。

　　本系統中，間隔層的保護測控裝置以組播方式發送第一、第二類數據，需要接收這些數據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據的裝置由于沒有加入這一組播組，數據幀將根據IGMP 協議被交換機丟棄[7]。數據流如圖3 所示。

　　3 UDP 協議在工業以太網通信中的問題由于UDP 協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，特別是低壓變電站中，都采用基于組播的UDP 協議是一種高效的選擇。美國電力科學研究院定義的UCA 通信協議體系也推薦使用UPD 的分組廣播方式[8]。但同時由于UDP 協議固有的通信特點，運用在工業以太網通信也存在著諸多不足，需要加以彌補。

　　UDP 協議本身是一個無連接，不可靠，僅僅“盡力傳遞”的協議，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 協議的傳輸將會導致以下三個嚴重問題：

　　1）報文可能出現丟失、重復或無序到達的現象。

　　2）報文發送端和接收端無法根據網絡吞吐量進行流量控制和擁塞避免。

　　3)變電站內實時數據的傳輸，只靠“盡力傳遞”是不夠的，它必須有時延、時延抖動等業務質量（QoS）保證的要求。

　　從上面分析可以看出，標準的UDP 協議顯然不能滿足工業以太網上應用的需求。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以太網的UDP 擴展協議。

　　4 UDP 協議在工業以太網的擴展

　　為了解決標準UDP 協議在工業以太網中使用的缺陷，需要在應用層對其進行了擴展，以保證數據傳輸的穩定性和可靠性。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送速度，避免網絡擁塞。第三，增加多級別的優先級控制，保證QoS 的需求。下面，結合工業以太網在變電站自動化通訊系統中的應用詳細闡述。

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

　　NRR 編號用于重要信息或主動上送信息，如SoE等，這類報文只會發送一次，如果接收到的編號不連續，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。

　　當變電站產生突發事件或智能裝置發生故障時，往往會產生海量的數據報文。這時為了避免由于網絡擁塞出現數據收發停滯，甚至引起網絡癱瘓的情況。需要使用滑動窗口機制來控制網絡流量。

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

　　當發送端發完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，發送窗口就沿順時針方向旋轉一個號（前面設定發送窗口為1），使窗口后沿與一個未被確認的幀號相鄰。這時，5 號幀落入了發送窗口內，就可以發送了，如果超時沒有收到任何確認幀，就將發送窗口里的幀全部重發。

　　當然，發送窗口假定為1 是一個特例，此時所有的數據報文都需要確認。在實際工程應用中，可以根據現場網絡的吞吐量和網絡狀況，設置發送序號的編碼位以及發送窗口的大小，以提高協議運行的效率。

　　由于變電站自動化通訊系統中報文類別多種多樣，在網絡帶寬足夠時，正常發送全部信息可能沒有問題。但一旦網絡出現擁塞，就應該利用有限的網絡資源首先傳輸重要的、實時的數據。為此，引入QoS 是必要的。通信系統可以參考國際通用規約IEC-60870－103 以及IEC-60870－104[10]，對各類的數據報文設定優先級。假定設置三個優先級別，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

　　或網絡管理信息。當網絡資源不足時，可以考慮丟棄優先級三的數據，當網絡資源嚴重不足時，可以考慮丟棄優先級二、三的數據。優先級個數設定以及舍棄的問題需要根據工程網絡情況決定。

　　在現場工程中，除了要在協議上保證數據的可靠傳輸，還需要從網絡拓撲、網絡冗余、現場運行環境等多方面加以考慮。這樣，工業以太網才能在變電站自動化通信系統中發揮出它強大的能力。

　　5 結語

　　本論文在分析了變電站自動化系統的發展過程、現狀和發展方向的基礎上，對變電站自動化系統通信網絡的結構和關鍵技術進行了研究，針對當前存在的問題，提出了一種基于工業以太網組播技術的變電站自動化系統通信網絡解決方案，并詳細闡述了方案的優勢和其中的技術難點。經過實際應用證明，這種方案完全可行，具有廣泛的應用前景。