嵌入式以太网在变电站自动化测控保护装置中的应用

在处理实时任务时就能有效地使用高速中断程序 % 在 "%&&’( 外围扩展了 $./)*)012 串口芯片和 "3%4(35 的 6*78 .1 以太网接口芯片 ! 与测控装置的 主控单元 0!9 通过串口通信 ! 然后将信息通过以太 网接口上传 ! 从而实现了嵌入式以太网系统 ! 其系统 框图如图 ) 所示 " 源于拥有严格的代码库和强大的 处 理 能 力 ! 使 得 "%&&’( )*** 浮 点 数 处 理 性 能 十 分 卓越 " 这种设计更减轻了主控单元 0!9 的负担 ! 提 高了网络传输的性能 &:’% "%&&’( 这些特点和系统的 这种设计使得它不仅经济性上比 7- 位及 :) 位处理 器相比更为突出!而且完全满足 测 控 装 置 实 时 多 任 务的传输要求 %
本文根据测控保护装置实时多任务传输的特 点 ! 将嵌入式以太网芯片集成到测控保护装置中 ! 从 而 实 现 了 智 能 电 子 设 备 " !"# # 接 入 以 太 网 和 !"$ %&’() 对通信接口的要求 $*+%%&
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通信网络和传输模式选择
嵌入式以太网的构成 按 !"$ %&’-) 把变电站自动化系统划分为 . 层$%%! 过程层包括断路器 ’ 隔离开关及电压互感器等二次 设备 ! 它们与测控装置相连 ! 将基本的开关量和模拟 量传输至间隔层的测控装置 & 每个测控或保护装置 上都通过配置一个嵌入式以太网接口直接连入局域 网 & 以间隔为单元 ! 间隔以上的 */ 0 嵌入式以太网 构成站内通信的主干网络 ! 见图 && 从而 ! 装置之间 可以实现数据直接交换 ! 装置和变电站层之间也实 现 了 保 护 和 控 制 数 据 的 交 换 ! 满 足 了 !"$ %&’-) 对 多层通信接口的要求 &
理器 的 嵌 入 式 系 统 而 设 计 的 开 发 系 统 ! 它 可 运 行 在 ,A$ 兼容机上 % 动态 0 语言具有编译 ( 装载 ( 调试 的 功能 ! 支持汇编和嵌入式汇编 % 之所以 叫 动 态 0 语言是因为它不仅传承了 0 语言的许多特性 ! 更有 实时多任务的内核 % 动态 0 语言与普通运行于 !0 机或 9B,/ 环境 下的标准 0 语言有所不同 % 其改进是为了帮助用户 编写更为可靠的嵌入式控制软件 % 如果不对标准 0 语言做任何改动 ! 是不能够将其应 用 于 嵌 入 式 环 境 中 的 % 标 准 0 语言的 许 多 规 则 不 适 于 嵌 入 式 系 统 的 开 发 ! 动 态 0 语 言 在许多功能上都有所提高 ! 下 面列出其中的一部分 % !" 函数串 ! 这是一个动态 0 语 言 特 有 的 概 念 ! 它允许在一个或多个函数中包含特殊的代码块 % 当 程序执行到指定的函数串时 ! 将执行该串中所有的 代码块 % 函数串支持软件的初始化 ( 数据恢复以及 其他多种请求任务 % #" 协语句 ! 可以实现在一个程序中模拟多个并 发事件 % $" 公有函数 ! 允许在一个程序中模拟协作事件 % %" 部分声明支持单个程序中的抢先事件 % &" 动 态 0 语言中 的 中 断 关 键 字 允 许 程 序 员 使
第 *( 期
程
雷 ! 等 ( 嵌入式以太网在变电站自动化测控保护装置中的应用 站 自 动 化 系 统 通 信 网 络 # B $A 电 力 系 统 自 动 化 ! C++* ! CD %*E &(:$ F :&A
第 *- 卷第 @) 期 *%%- 年 @) 月
电 力 自 动 化 设 备
+,-./01. 234-0 56/378/139 +:61;7-9/
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嵌入式以太网在变电站自动化 测控保护装置中的应用
程 雷@ !郭 伟 @!刘超君 9
"@,东南大学 电气工程系 !江苏 南京 9@))Q%# 9,重庆市电力公司 江津供电局 !重庆 5)99%)$ 摘要 ! 变电站通信网络和系统系列标准 !"$ %@’-) 目标在于提高产品间的互操作性和兼容性 ! 建立 无缝的通信体系 ! 基于这一标准的嵌入式以太网技术成为变电站自动化系统发展的趋势 % 提出了 基于 ;<==>? 9))) " #RI<G>E $ 的嵌入式以太网在装置上实现方案 ! 给出了基于嵌入式以太网的变 电站通信网络结构 !;<==>? 9))) 的系统结构 ! 以及该方案的硬件系统和软件设计 % 该方案满足了 !"$ %@’-) 对通信接口的要求和装置实时多任务通信的特点 ! 同时提出了具有兼容性的嵌入式规 约转换的思想 % 实际运行表明该方案可行 % 关键词 ! 变电站自动化系统 # 通信网络 # 通信协议 中图分类号 ! #0 S% +23 T@@,@ 文献标识码 ! U 文章编号 ! $%%& ’ &%() "*%%- #@) ’ %)-Q ’ %. 冲突率上升 ! 采用了交换式集线器和合理的传输模 式 ! 使以太网的网络传输实时性得到保证 & &,1 传输模式的选择 在嵌 入 式 以 太 网 中 ! 使 用 2$3 ! !3 协 议 来 实 现 !"$ %*’(4 所定义的抽象通信服务接口到通信 网 络 的映射 & 2$3 ! !3 协议具有强大的异种机互联能力 ! 它实际上是一个协议组 ! 通常分为 5 层 ! 分别对应于 !67 ! 76! 参考模型的数据链路层 ’ 网络层 ’ 传输层和 应用层 & 2$3 ! !3 的传输层提供 8#3 和 2$3 两种类 型的服务 ! 其中 8#3 是 一 种 无 连 接 的 协 议 ! 即 通 信 双方传送时不需事先 ( 握手 ) 确认 ! 而是直接传输 ! 具 有快速 高 效 的 特 点 & 故 8#3 适 合 于 传 输 实 时 性 要 求 较高的少量数据 ! 如 开 关 量 和 一 些 模 拟 量 & 8#3 采用分组广播方式 ! 实现一对多的传送 ! 更可以减少 网络流量 !避免广播风暴 $*%& 2$3 协议是面向连接的 协议 ! 需要实现建立 ( 握手 ) 连接 ! 故可靠性较高 ! 适 合传送实时性要求不高的信息 ! 如文件 ’ 报告 ’ 记录 之类的大块数据 & 故 本 文 选 用 以 8#3 " 2$3 相 结 合 的 传 输 方 式 ! 以 8#3 的分组广播为主 ! 以 2$3 面向连接的传输方 式为辅 &
变电站层 局域网 间隔层 测控装置 @ 站控层设备 @
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站控层设备 !
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测控装置 !
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9:*
嵌入式以太网的实现方案
图 @ 基于嵌入式以太网的变电站通信网络
பைடு நூலகம்
A>B:@ 2CD EFGGHI>E<?>FI ID?JFKL FM 6N6 =<ODP FI DG=DPPDP "?CDKID?
间隔层与变电站层之间的通信用以太网方式直 接相连 ! 取代了当前的现场总线方式 ! 减少了通信管 理单元 ! 提高了系统的可靠性 $-%& 以太网的带宽达到 &) 0!可承受较大的网络负荷 ! 为防止网络节点过多
收稿日期 ! *%%- ’ ). ’.) # 修回日期 !9))- V )- V 95
硬件系统 嵌入式系统中核心的 $38 采用 ;<==>? 9444 微 处理器 ! 专门为嵌入式应用而设计 & 它有 ’ 位数据 线 !@% 位地址线 ! 采用分段寻址技术 ! 寻址空间可达 到 @ 0& 它的指令集非常简洁 ! 而且存储器的接口设 计 允 许 最 大 限 度 地 使 用 内 存 带 宽 !其 运 行 速 度 在 ’ 位总线微处理器中处于领先地位 & ;<==>? 处理器简 单 的 串 行 @4 针 编 程 接 口 替 代 了 在 线 仿 真 器 和
用 标 准 0 语言编写中断服务程序 % ’" 动态 0 语言的特征之一就是允许程序员最大 限度地使用扩展内存 % 它支持微处理器内的 7 $ 地 址空间!由内存管理 单 元 对 这 些 地 址 空 间 进 行 分 段 % 一般 由动态 0 语言实现内存管理 ! 但有时也由 程序员自己控制 % 动态 0 语言的 优势体现在它带有许多函数库 ! 并且全 部 为 源 代 码 形 式 % 这 些 库 支 持 实 时 程 序 编 制 (芯 片 级 , ! #!并 提 供 标 准 串 和 数 学 函 数 % 动 态 0 语 言 还 支 持 各 种 网 络 协 议 # 如 CDD! ! ED! ! !!! ! ,F$! 等 $! 提供 1#0G2D 级 的 D0! ! ,! 编 程 ! 有 关 D0! 和 9<! 等 服 务 函 数 封 装 在 H@I(@J;4’& 函 数 库 内 !用 户 无 需 与 底 层 的 硬 件 打 交 道!简 化 了 网 络 程 序的开发 % 动态 0 语言的一大特点是协作多任务的支持 ! 有效满足了可控装置对信息传输实时性的特点 % 协 语句 #@KL(%(3?3>(L $ 允许采 用 时 间 片 轮 转 的 方 法 ! 允 许在单一程序中模拟并行进程 ! 每一进程等待执行 时让出 0!9 控制权以实现协作多任务的实现% 当 某 任 务 处 于 等 待 执 行 时 !"%&&’( 可 执 行 其 他 满足条件的相关任务 % 协函数 #@KMN>@(’K> $ 允许单一 程序 模 拟 多 任 务 进 程 ! 与 协 语 句 不 同 的 是 ! 协 函 数 可 实 现 参 数 的 传 递 !并 能 返 回 计 算 值 !使 编 程 更 灵 活 % 使用协语句和协函数组合的结构 !结合相关 D0! 和 9<! 函数 ! 可实现以太 网 内 并 行 多 任 务 的 传 输 % 对测控装置中实时性要求较高的信息#如保护跳 闸 $要 求 优 先 传 送 的 !在 测 控 的 主 控 单 元 代 码 中 算 法加以保障 ! 然后以太网使用 9<! 无连接服务对其 高速传输 ! 仍可保证相关信息实时优先传输的要求 % ););) 嵌入式 ,20 -76O* 规约转换 ,20 -76O* 目标是建立一个具有互操 作 性 的 无 缝通信体系 ! 但它是一个并未定义具体实现方式的 宽 泛 的 标 准 ! 国 内 并 未 有 成 熟 的 基 于 ,20 -76O* 标 准的变电站自动化产品 % 由于基于 7*: !7*+ 规约产 品应用比较广泛 ! 现在全部从底层重新设计显得既 不经济又不现实 % 故在嵌入式以太网通信系统上实 现这一规约转换的功能 ! 而不对主控单元及下层设 备相关信息进行改动 ! 相比之下更为可行 % ,20 -76O* 定义的逻辑节点有 6* 个 ! 基于公共 数据类和兼容数据类的定义更加复杂 % 不过对于单 个装置而言 ! 它所需传送的数据量或节点类型必定 是有限的 ! 对于 "%&&’( 可扩展至 7 $ 的存储空间而 言还是绰绰有余的 % 当然 ! 现场一些节点的信息量 可 能 ,20 -76O* 并 未 定 义 ! 但 按 照 ,20 -76O* 的 命 名规则 ! 可自定义扩展的兼容数据类 % 对未来可能 需要增加的输入量 ! 只需添加相应代码 ! 增加相应的 逻辑节点或数据类即可 ! 其可扩展性十分灵活 % 规约转换单元可内嵌于程序代码段 !直接在 M4%LP 内调用 ! 处理和传输的实时性都有所保证 ! 其处理过 程如图 : 所示 %