（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式以太网的电力信息传输的开发研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ea u t o m a t i o nl e v e li np o w e rp l a n ta n ds u b s t a t i o na n d t h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h es t a t ep o w e rd a t an e t ，i no r d e rt os a t i s f yt h e d e v e l o p m e n t a lr e q u e s to ft h ep o w e rd i s p a t c ha u t o m a t i o ns y s t e m ，t h eu s u a lp o w e r t e l e c o n t r o ls y s t e mw i l lb er e p l a c e db yt h en e t w o r k b a s e dt e l e c o n t r o ls y s t e mw i mt h e i n t e g r a t i o no fc o m p u t e r , p r o t e c t i o n ，c o n t r o l ，n e t w o r k ，a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sw i l le v e n t u a l l yb r e a kt h ee x i s t i n gs p e c i a l i z e dd i v i s i o no fp r o f e s s i o na n dc a u s ea r e v o l u t i o nt ot h et e l e c o n t r o ls y s t e m t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fp o w e ri n f o r m a t i o n p l a y sv i t a l r o l ei nt h en e t w o r k b a s e dt e l e c o n t r o l s y s t e m t h e n e t w o r k - b a s e d t e l e c o n t r o ls y s t e mo fp o w e rs y s t e mm u s th a v et h ec a p a b i l i t yt os u p p o r tt h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n a st h ei m p l e m e n t a t i o no fi e c 618 5 0i nt h ef u t u r e ，a p p l y i n ge t h e m e t t e c h n o l o g ya st h ec o m m u n i c a t i o nm o d ei nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi san e w t r e n d t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so n t h e t e c h n o l o g y t o s u p p o r t n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nb a s e do ne t h e m e t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h en e t w o r kr e f e r e n c em o d e l ，t h ef r a m ef o r m a ta n dt h e p r o c e s st oe s t a b l i s hat c p l i n ko ft h ei e c 6 0 8 7 0 5 - 10 4a r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h i si s t h ef o u n d a t i o nf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fi e c 6 0 8 7 0 - 5 - 10 4i nt h ep r o g r a m m i n g s e c o n d l y , t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ee m b e d d e de t h e m e tt e c h n o l o g yi nd e p t h ，a n d a n a l y s e st h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e de t h e m e ti nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ， a n ds u m m a r i z et h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h e i m p l e m e n t a t i o nf o r e m b e d d e de t h e m e ta tp r e s e n t t h i st h e s i s p u t s f o r w a r da ne m b e d d e de t h e m e t i n t e r f a c ei m p l e m e n t a t i o nb a s e do nm c ui nl o wc o n f i g u r a t i o na n dt c p i pp r o t o c o l s t a c k w h i c hc a nb e u s e df o rt h er e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h e s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m b e s i d e s ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h eh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e d e t h e m e ti n t e r f a c e ，s e l e c t i n gt h er i g h te t h e m e tc o n t r o l l e ra n dt c p i pp r o t o c o ls t a c k ， a n dp r o g r a m m e dt h es o f t w a r ec o m m u n i c a t i o no ft h ee m b e d d e de t h e m e ti n t e r f a c e u s i n gk e i lu v i s i o n 3i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h i ss c h e m er e d u c e st h e c o s to ft h ep r o d u c tg r e a t l y , b e c a u s ei tb a s e so nm c ui nl o wc o n f i g u r a t i o n ，a n di tc a n s a v es y s t e mr e s o u r c e se f f e c t i v e l y a l s o ，i t sg o o df o r t h eu s eo ff l e x i b l ea n dt h ee a s y v e x p a n s i o no ff u n c t i o n ，a n du s e r sc a ni m p l e m e n tt h ep r o t o c o lt h e yn e e da c c o r d i n g a c t u a ln e e d s f i n a l l y , t h i st h e s i s i m p l e m e n t st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e u s i n gv i s u a lc + + i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to np c a sar e s u l t t h es c h e m e o ft h ee m b e d d e de t h e r n e ti n t e r f a c ei sp r o v e dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：e m b e d d e de t h e r n e t ；t c p i p ；r t l 8 019 a s ；t e l e c o n t r o lp r o t o c o l ； t h et r a n s m i s s i o no fp o w e ri n f o r m a t i o n ；s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ；m c ui nl o w c o n f i g u r a t i o n v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 鱼堡圭盆 e t期：星鲤2 1 生；9 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者之名盘垒塑导师基名：么塾1 日期：逊盟：生：耋墨 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 研究意义和目的 电网调度自动化是在早期的电力系统远动系统的基础上，引入计算机技术并 进行功能扩充而形成的一套辅助调度人员工作的自动化系统，是以数据采集和监 控s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统为基础，包括自动发电 控制a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 、经济调度控制e d c ( e c o n o m i cd i s p a t c h c o n t r 0 1 ) 、电网静态安全分析p s s a ( p o w e rn e t w o r ks t a t i cs a f e t ya n a l y s i s ) 、调度员 培训仿真d t s ( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t i o n ) 以及配电网自动化d a ( d i s t r i b u t i o n n e t w o r ka u t o m a t i o n ) 等几部分在内的能量管理系统e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m ) 。它收集、处理电网运行实时信息，通过人机交互系统把电网运行状况集 中而有选择地显示出来进行监控，并完成经济调度和安全分析等功能。调度自动 化系统一般由信息采集、信息传输、信息处理与人机联系几个子系统所组成。调 度自动化系统的主要设备有远动终端r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 、通信设备及调 度主机等。 我国电网调度自动化系统的发展大致经历了从上个世纪5 0 年代的萌芽期、 6 0 年代的试点期、7 0 年代的起步期、8 0 年代的大发展时期到9 0 年代的成熟期 等几个阶段。经过近半个世纪的发展，我国电网调度自动化有了长足的进步，无 论在理论上还是在实践上都取得了可喜的成就，为我国电力事业的发展尤其是电 力系统自动化的进程做出了重大贡献。电网调度自动化系统己名符其实地成为现 代电网安全稳定运行的三大支柱之一。不过，随着技术的发展和电网要求的提高， 现有的调度自动化系统也还不同程度地存在着一些问题，有待于我们进一步地研 究解决【1 1 。 远动系统是电网调度自动化系统的重要组成部分，在电网调度自动化系统的 发展过程中起着基础性的作用。远动系统是指对广阔地区的生产过程进行监视和 控制的系统，它包括对必需的过程信息的采集、处理、传输和显示、执行等全部 的功能和设备。构成远动系统的设备包括厂站端远动装置、调度端远动装置和远 一一出盅二l 堂砸一堂僮途空一一一 动信道【引。 传统意义上的远动系统能够独立完成远动信号的采集、处理、发送和接收， 包括遥测变送器、遥信转接柜、独立的远动终端装置( i 玎u ) 以及点对点的远动通 道等。随着发电厂和变电站端自动化水平的提高和国家电力数据网络 s p d n e t ( s t a t ep o w e r d a t a n e t ) 的建设和发展，为了适应电力系统调度自动化系统的 发展要求，常规的远动系统将被融合计算机、保护、控制、网络、通信等技术于 一体的网络化的远动系统所代替，并终将打破现行的专业分工，引起远动系统的 一场革命斟。电力信息传输系统在网络化的远动系统中扮演着非常重要的角色。 网络化的远动系统要求具备支持网络通信模式的功能，本文将以基于以太网的网 络通信技术为研究对象，研究其在远动系统中的应用问题。 远动系统采用网络通信的方式传输远动信息，将提高通信容量，更好地实现 电网监控系统的实时性、可靠性和准确性。例如，在进行电网安全分析时，需获 得相连的外部电网的实时信息，上下级电网调度之间需交换更多内容的信息等。 通过远动信息的网络传输，可使各相关主站同时共享厂站的实时信息，从根本上 解决困扰远动领域多年的远动信息一发多收和信息转发的问题，使电网安全分析 应用软件的运算数据基于同一时间断面，从而提高计算结果的准确性【4 】。为了保 证电网特别是巨型电网的安全，厂站r t u 和变电站自动化系统之间、变电站综 合自动化系统之间、变电站综合自动化系统与上级调度自动化系统主站之间以及 不同调度自动化系统之间的信息交换将更多、更频繁。远动系统采用网络方式通 信己成为未来的发展趋势。 电力信息传输系统的发展要适应电网调度自动化的发展要求，要适应远动系 统向网络化发展的要求，电力信息传输系统的未来的发展趋势必然是网络化。本 论文针对目前电力信息传输系统存在的问题和未来的发展趋势，并结合电力信息 传输系统的现状，在嵌入式以太网通信技术在电力信息传输中的应用方面开展工 作。首先总结了目前广泛应用在变电站自动化系统中的现场总线存在的缺陷，指 出以太网能够弥补现场总线的这些缺陷，是变电站自动化系统可以选择的一种通 信方式。然后针对以太网在变电站自动化系统中的应用问题，详细介绍了嵌入式 以太网在变电站自动化系统中的应用模式，研究了嵌入式以太网应用在电力信息 传输系统的实时性和可靠性，并设计了基于低配置m c u 和以太网控制器的嵌入 2 式以太网接口的软硬件。对该技术的应用研究既有现实意义，又有一定的前瞻性。 1 1 2 国内外研究现状 目前，国内外关于嵌入式以太网在电力系统中的应用方面进行了不少的理论 研究。文献 5 对当前变电站自动化系统存在的问题进行了详细的分析，指出变 电站综合自动化技术正在朝着网络化、综合智能化、多媒体化的方向发展。文献 6 对以太网在变电站自动化系统中的应用模式和传输模式这两个关键问题进行 了分析和研究。文献 7 采用动态仿真建模技术对变电站层嵌入式以太网的实时 性能进行了详细分析，考虑变电站通信网络数据流的分布特点和信息到达规律， 采用动态仿真方法定量分析了变电站层嵌入式以太网的平均时延、最大时延等链 路时延指标。文献 8 】对可用于变电站通信网的、集成了实时操作系统的高档m c u 的软硬件进行了详细的介绍。 关于嵌入式以太网在电力系统中的应用研究是当前的一大热点问题。但是在 低档的5 1 单片机上实现用于变电站实时数据传输的嵌入式以太网通信软件的研 究还不多。 1 2 变电站内自动化通信方式 在变电站自动化系统十多年的发展历程中，其通信技术的发展大致可分为三 个阶段：即简单的串行通信技术、现场总线技术以及以太网通信技术。 1 2 1 串行通信方式 早期的变电站自动化系统中，广泛采用简单串行通信技术来构建通信网络。 使用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线将保护设备联在一起，用主从方式通信，这种方式简 单，实际上是串行点对点通信，随着变电站电压等级的升高和规模的扩大，在实 践中暴露出以下问题： 1 ) 通信速率低，一般不超过9 6 k b s ，无法满足实时传输大量数据的要求。 2 ) 数据通信方式为命令响应式，系统构架灵活性和通信实时性差，在大型 变电站中情况更为严重。 3 ) 网络上只能有1 个主节点，无法构成多主冗余系统，系统可靠性低。 4 ) 各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信。 5 ) 节点数目较少，有瓶颈问题。r s 4 2 2 接口一般工作方式为点对点模式， 但如果需要，也可以工作于一点对多点的模式，但上位机一个通信口最多只能接 l o 个节点，而r s 4 8 5 串口可以构成一主多从模式，但最多也只能接3 2 个节点。 随着用户对变电站自动化系统的功能和性能的要求不断提高，上述问题变得 日益突出。各厂商便把目光转向在工业控制中使用的现场总线技术。 1 2 2 现场总线技术1 9 l | 1 0 l 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是8 0 年代末发展起来的数据通信技术。基于网络 技术的现场总线无论在通信速率和实时性，还是在可靠性和组网的灵活性方面， 均远远高于简单的串行通信技术，在很短时间内便成为变电站自动化系统的主流 通信技术，同时也使变电站自动化系统的整体结构发生了本质的变化。 中型枢纽1 1 0 k v 变电站节点数一般为4 0 个左右，多主冗余要求和节点数量 增加使r s 4 2 2 和r s 4 8 5 难以胜任。现场总线却能得心应手，总线网将网上所有 节点连接在一起，可以方便的增减节点，同时具有点对点、一点对多点和全网广 播传送数据的功能。常用的现场总线网有l o n w o r k s 网、c a n 网等。 l o n w o r k s 网上的所有节点是平等的，c a n 网可以方便地构成多主结构，两 个网络的节点数比r s 4 8 5 扩大多倍，c a n 网络的节点数理论上不受限制，一般 可连接1 1 0 个节点。两个网络均为中速网络，5 0 0 m 时l o n w o r k s 网传输速率可 达1 m b s ，c a n 网在小于4 0 m 时达1 m b s ，c a n 网在节点出错时可自动切除与 总线的联系。 l o n w o r k s 网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网，在媒介访问方式 方面，c a n 网采用问答式，而l o n w o r k s 网为载波监听多路访问冲撞检测 ( c s m c d ) 方式，内部通信则遵循l o n t a l k 协议。根据近年变电站运行的经 验，l o n w o r k s 网可作为目前一般中型11 0 k v 枢纽变电站的自动化通信网络。 但是，随着变电站自动化系统功能和性能要求的迅速提高，现场总线技术的 诸多局限性在超高压变电站中逐渐暴露出来，通信技术又一次成为变电站自动化 系统发展的关键问题。 现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络，过于强调专 用性而牺牲了通用性，并且长期缺乏统一的国际标准。当作为主干网时，应用于 通信节点多、通信数据量大的变电站中时，主要存在以下突出问题： 4 1 ) 当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率迅速下降，不能适应大型 变电站对通信的要求。 2 ) 由于标准不统一，许多网络设备和软件需专门设计，因而变电站自动化 的通信网络标准很难开放，目前的状况是各厂家都有自己定义的通信协议。 3 ) 通信网络的抗干扰能力受到严峻挑战，其电磁兼容性能值得关注。 4 ) 有限的带宽，使大量数据的传输延迟大到不能令人满意。 现场总线的成功和不足，让人们认识到变电站自动化通信系统需要网络技 术，更需要宽带、通用和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠性、 经济性、通用性等方面的综合评估中，以太网凭借其技术上的优势成为变电站自 动化系统通信技术发展的趋势。 1 2 3 以太网技术方案 变电站自动化系统向2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 超高压大型变电站发展，现场 总线的一些局限性也逐渐表现出来，不能满足超高压大型变电站自动化系统的要 求。随着计算机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式 软、硬件，设计者可以在单片机系统上实现以太网技术，即嵌入式以太网。嵌入 式以太网的出现为变电站自动化系统的设计者提供了实现站内通信网络的新途 径【1 1 1 。 嵌入式以太网是基于肛p q v i c u 的软硬件环境的，是利用嵌入式设计技术在 微控制器( m c u ) 或微处理器( 1 a p ) 和以太网控制器上实现的以太网。与传统 以太网相同，嵌入式以太网在物理上遵循i e e e8 0 2 3 标准，逻辑上大都选用广 泛使用的t c p i p 协议族。嵌入式以太网与传统以太网的最大区别在于：后者是 基于p c 机或工作站的软硬件环境的，与p c 机、工作站的硬件直接配合，使用 的网络协议( 如t c p i p 等) 内嵌在w i n d o w s n t 、u n i x 等操作系统之中，总脱 离不了p c 机或工作站的软、硬件环境，因而使其在工业控制领域的应用受到限 制：而嵌入式以太网是基于微控制器微处理器的软、硬件环境的，使用的网络 协议族( 如t c p i p ) 内嵌在实时操作系统r t o s 之中，因而应用于工业控制领 域大为方便。 1 3 以太网技术在电力系统中的应用及前景 1 3 1 以太网技术简介 以太网( e t h e m e t ) 是目前应用最为广泛的基带总线局域网。其核心技术是它的 随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访i h - j ( c s m a c d ) 的介质访问控制技术。在以太网中，任何联网节点的发送都是随机的，网中不存 在集中控制的节点，网中的节点平等地争用发送时间，这种介质访问控制属于随 机争用型方式。每个节点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲状态， 如果发送数据的过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，节点停止发送数据， 随机延迟后重发【1 2 1 。 1 3 2 以太网技术在电力系统中的应用及前景 随着计算机网络技术在电力系统中的应用，调度中心一般采用局域网，并较 多使用配置在以太网上的局域网。在基于局域网的s c a d a 系统中，一般需要配 置前置机工作站、调度工作站、远动工作站，另外在局域网上也可以增加一些微 机工作站，提供给如局长办公室、总工办公室使用，主要用来监视电网实时运行 情况，显示实时画面、提供告警信息等。 以太网技术在厂站端的应用主要是在变电站综合自动化系统中的应用。变电 站综合自动化系统在通信技术的推动下发展成为典型的分层分布式结构。该结构 一般分为3 层：变电站层、间隔层和过程层。其中，过程层包含变电站内的生产 过程设施，如变压器、断路器及其辅助接点、电流和电压互感器等，主要负责现 场数据采集、提供i o 接口等；间隔层包含测量和控制单元，负责该单元线路或 变压器的参数测量和监控以及断路器的控制等。变电站层包含全站性的监控主 机，通信及控制主机，实现管理等功能的工程师站。随着计算机技术和通信技术 的发展，尤其是网络技术的应用，以太网技术f 被引入变电站自动化系统过程层 的采集、测量单元和间隔层保护、控制单元中。在基于i e c 6 1 8 5 0 体系的变电站 自动化系统设计中，过程层与间隔层、间隔层与变电站层之间的通信方式全部采 用标准以太网方式( t c p i p ) ，取代了当前自动化系统中的各种现场总线( 如 l o n w o r k s 、c a n 、p r o f i b u s 、s m i 及r s 4 8 5 总线等) ，构成基于网络控制的分布 式变电站自动化系统。 6 基于以太网的变电站自动化系统相对于传统的自动化系统有诸多优点l l3 j ： 1 ) 通信速率快。以太网的数据传输速度很快，一般采用1 0 0 m b i t s 的网速， 而r s 4 8 5 r s 2 3 2 的通信速率只有几十k b 每秒，即便在现场总线网络系统中， 最高速率也只有几m b 每秒。 2 ) 全双工通信。对于各个结点之间的连接相当于点对点方式，通信管理机 可同时接收所有节点的信息，也可同时向所有的间隔设备发送信息，所有信息的 采集和装置的控制可在很短的时间内完成。采用合适的通信规约，如采用主动上 送与查询相结合的方式，就可减少网络的数据流量，减轻网络负担。 3 ) 网络结构简单。所有的设备连接在同一条数据线上，拓扑结构简单。 4 ) 网络设备通用性强。标准统一，价格便宜，备品备件少，软、硬件维护 工作量少。 5 ) 基于以太网的变电站自动化技术，使得基于w e b 技术的远程维护成为可 能。这包括两种情况：第一，可通过网络远程访问w e b 服务器，了解本站的实 时运行情况；第二，可通过网络访问每台间隔层设备，利用通用浏览器实时监视 数据、观察保护动作记录及故障录波信息等。 1 3 3 嵌入式以太网的应用 嵌入式技术是随着计算机技术的飞速发展于近几年出现在工业控制领域的 一种新技术，利用嵌入式的软硬件在单片机系统上实现以太网技术，即为嵌入式 以太网。嵌入式以太网基于微处理器的软硬件环境，与传统的基于p c 机或工作 站软硬件环境的以太网一样都遵循i e e e 8 0 2 3 标准，它使用的网络协议族( 如 t c p i p ) 内嵌在高效实时多任务调度和中断管理的实时操作系统r t o s 之中或 通过专门的芯片实现。 用于智能设备的嵌入式微处理器在主频速度、控制软件的水平方面都有了很 大的提高，再加上互联网的迅速普及，这些都有力地推动了嵌入式以太网络技术 在控制领域中的广泛应用。代表世界电力标准发展先进领域的i e c 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i e c 6 1 8 5 0 。尽管该标准还没有颁布正式版本，但已经出版的 i e c 6 1 8 5 0 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【1 4 1 1 1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】，这是变电站监控技术发展的国际大 7 趋势之一。 变电站自动化系统中的智能电子设备( i e d ) 能与以太网连接的关键是将嵌入 式以太网芯片集成在变电站间隔层l e d 的c p u 处理模板或通信处理模板上，即 在智能电子设备中加入嵌入式以太网接口电路【6 1 。因此，嵌入式以太网的应用是 变电站通信网络化的关键。 1 4 本文的主要工作及论文安排 1 4 1 本文的主要工作 本论文的主要任务是研究用于变电站自动化系统的嵌入式以太网通信技术， 并开发基于嵌入式以太网的通信软件。 在阅读大量文献和调研的基础上，本文所做的工作主要有： 1 ) 深入钻研了以太网技术和计算机网络通信的有关知识，研究了电网调度 自动化系统目前的通信方式以及以太网技术在电力系统中的应用，指出以太网凭 借其在技术上的优势成为变电站自动化系统通信技术发展的趋势。 2 ) 系统学习了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 等几种常见的远动规约，分析了 它们的使用范围、帧格式、传输机制等。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ( 以下简称1 0 4 ) 规约 采用标准传输文件集的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ( 以下简称1 0 1 ) 网络访问，将1 0 1 标准 用于t c p i p 网络，更适用于调度主站与变电站之间的以太数据网数据通信，因 此重点研究了1 0 4 的网络参考模型、帧格式结构和t c p 连接建立过程，并编程 实现了基于1 0 4 规约的数据传输软件。 3 ) 学习了单片机集成开发环境k e i lu v i s i o n 3 的使用方法，研究了嵌入式以 太网在变电站自动化系统中的应用，提出了一种基于t c p i p 软件协议栈的嵌入 式以太网接口的实现方法。设计了基于宏晶公司的8 位微处理器s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 和r e a l t e k 公司的以太网控制器芯片r t l 8 0 1 9 a s 的嵌入式以太网通信模块，在 k e i lu v i s i o n 3 编译环境下完成了嵌入式以太网通信软件的开发工作。 4 ) 使用v i s u a lc + + 6 o 集成开发环境在p c 机上开发t c p 点对点实时通信 软件，与设计的嵌入式以太网通信模块进行通信。 通过一系列的实验工作和不断的学习研究，在简单通用的硬件平台上移植了 t c p i p 协议栈，实现了通过以太网对嵌入式系统进行监测和控制。在撰写学位 8 论文的过程中，在第2 4 届全国高校电力系统及其自动化专业学术年会上发表了 一篇与学位论文相关的论文，掌握了t c p i p 协议栈移植的关键技术，深入理解 了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的实施过程。 1 4 2 论文的安排 本论文安排如下： 1 ) 第一章：绪论。简单论述课题的现状、发展情况、面临的问题和解决方 法，介绍本文完成的工作和论文的结构。 2 ) 第二章：常见远动通信规约分析。对问答式远动规约i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 进行了详细的介绍，包括它们的使用范围、帧格式、传输机制等， 分析了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的实现过程以及需要注意的问题，为在嵌入式系统 上实现i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的编程打下了基础。 3 ) 第三章：以太网技术在电力系统中的应用研究。研究了以太网技术，对 以太网络协议进行了详细的分析，介绍了网络的o s i 模型、t c p i p 参考模型以 及构成t c p i p 协议栈基础的核心协议，研究了以太网在变电站自动化通信系统 中应用的可行性及其优势，分析了以太网在变电站自动化系统中的两种应用模 式，指出其核心技术都是设计嵌入式以太网接口。 4 ) 第四章：嵌入式以太网通信模块的设计。本章研究了嵌入式以太网的特 殊性，总结了现阶段嵌入式以太网接口的实现方案，提出了一种基于低配置m c u 和t c p i p 软件协议栈应用于变电站实时数据传输的嵌入式以太网接口实现方 案，选择了合适的以太网控制器芯片和软件协议栈，分析了其硬件电路，开发了 软件程序。该方案对硬件配置要求较低，可有效节省系统资源，从而极大地降低 了产品的成本，而且使用灵活方便，便于功能扩充，用户可以根据实际需要实现 自己所需的协议。为了测试此嵌入式以太网接口的实用性，作者在v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境下，编写了p c 机上的测试程序，验证了整个方案的实用性。 5 ) 第五章：全文的总结和展望。 9 第二章常见远动通信规约分析 远动规约是站端r t u 和调度系统进行信息交互的接口，国际和国内使用的 远动规约多种多样，即使对于同一种规约，其传输格式也会因不同国家，不同生 产厂家而不同；为了统一这种混乱局面，实现远动规约的标准化，国际电工委员 会t c 5 7 技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准【1 9 】1 2 0 】【2 1 】【2 2 1 【2 3 1 ，并在此基 础上制定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 系列规约。 本章以问答式远动规约1 0 1 和1 0 4 为例，介绍其规约的数据格式、传输模式。 2 1i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约简介1 2 4 j 1 2 5 j 根据1 0 1 规约的要求，电网数据采集和监视控制系统( s c a d a ) 中主站和子站 ( 远动终端) f n j 的数据传输以问答方式进行，规约对传输数据的帧格式、链路层的 传输规则、服务原语、应用数据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式等都 有详细规定，适用于电网监控系统中调度端与厂站端之间以及调度所之间的实时 远动信息传输。网络拓扑结构可以为点对点、多个点对点、多点共线、多点环形 和多点星形等多种网络配置方式，通道可以是全双工或半双工。 规约采用f t l 2 帧格式，其中又分为可变帧长和固定帧长。在点对点和多个 点对点的全双工通道结构中采用了子站事件启动触发传输，该传输方式属于平衡 式传输。对于多点共线、多点环形和多点星形网络配置的非平衡式的远动系统， 可以采用快速一校验一过程的事件收集，以加快非平衡通信系统的事件收集。对 超过了应用服务数据单元最大长度的信息体，就需要文件传输功能，在这种情况 下，信息体按段的形式传送到目的地。文件结构在两个方向上完全相同，文件可 以分成许多节，可以分成许多段，段按顺序传送【2 4 】。 2 1 1i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的帧格式 1 0 1 规约的数据帧包括可变帧长和固定帧长两种类型，其中固定帧长帧格式 如图2 1 所示。 启动字符( 1 0 h ) 控制域( c ) 链路地址域( a ) 帧校验雨j ( c s ) 结爪字符( 1 6 h ) 图2 1 固定帧长格式 可变帧长帧格式如图2 2 所示。 启动字符( 6 8 h ) 长度( l ) 长度重复( l ) 启动字符( 6 8 h ) 控制域( c ) 链路地址域( a ) 链路用户数据 帧校验f n ( c s ) 结束字符( 1 6 h ) 图2 2 可变帧长格式 2 1 2i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的链路传输规则 本标准的第3 章至第7 章规定了窗口尺寸为l 的非平衡方式传输的链路传输 规则，适用各种网络配置( 包括点对点、多个点对点) 。对于点对点和多个点对点， 增加了第8 章的子站事件启动触发传输的内容。所谓窗口尺寸为1 ，即主站向子 站触发一次传输服务，或者成功地完成或者报告产生差错之后才能开始下一轮的 传输服务。对于发送确认( s e n d c o n f i r m ) 和请求响应( r e q u e s t r e s p o n d ) 传输服务在传输过程中受到干扰，用等待一超时一重发或等待一超时方式发送下 一帧【2 4 】。发送确认和请求响应这两种服务由一系列在请求站和响应站间不可分 割的对话要素组成，本标准内采用的链路服务级别为3 级，如图2 3 所示。 链路服务级别功能用途 s 1 发送无回答主站向子站发送厂“播报文 主站向子站设置参数利发送 s 2 发送确认 各种命令 主站向于站召唤数据，于站 s 3 请求响应 以数据或事件数据同答 图2 3l e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的链路服务级别 2 1 3i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 规约的控制域和地址域 控制域的定义如表2 1 所示。 1 2 d i rp r mf c b a c df c v ，d f c 功能码 d 7d 6 d 5 d 4 d 3 d 0 表格2 1 控制域的定义 控制域各位的说明： d i r ：传输方向位。d i r = 0 ：表示报文是主站向子站传输。d i r = 1 ：表示报 文是子站向主站传输。p r m 启动报文位。p r m = 0 ：从动站，报文为确认报文或 响应报文。p r m = 1 ：启动站，报文为发送或请求报文。f c b ：帧计数位。f c b = 0 启动站向从动站传输。启动站向从动站传输新一轮的发送确认、请求响应服务 时，将前一轮f c b 取相反值。f c v ：帧计数有效位。启动站向从动站传输f c v = 0 ： 表示f c b 变化无效。f c v = 1 ：表示f c b 变化有效。a c d - 要求访问位。主站做 从动站时a c d 位无实际意义，a c d = 0 。子站做从动站时a c d = 0 ：表示子站无1 级用户数据；a c d = i ：表示子站有1 级用户数据，希望向主站传输。d c f ：数据 流控制位。从动站向启动站传输d c f = 0 ：表示子站可以继续接收数据。d c f = l ： 表示子站数据区满，无法接收新数据。功能码( d 3 d o ) ：功能码范围为 o - 1 5 ( 0 0 h - - o f h ) ；功能码代表的意义较为烦琐，请参阅文献 2 4 】。 地址域代表子站地址。子站地址的定义方法在此不在赘述，具体可参阅 i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约文本。 2 1 4i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的应用服务数据单元 在本标准中使用的参考模型源出于开放式系统互联的i s o o s l 参考模型。由 于远动系统在有限传输带宽下要求特别短的反应时间，故本标准采用增强性能结 构( e p a ) ，这种模型仅用3 层即物理层、链路层、应用层。应用服务数据单元即 报文的数据区，其一般结构如图2 4 所示。 一一一山盔太兰亟土堂僮论一空一一一一一 a s d u a s d u 的域 数据 类型标识 数据 单元 a s d u 长度( 木) 单元 类型可变结构限定词 标识 传送原叫 公共地址 信息体类型( 幸) 信息体地址 信息体 信息体元素 信息体时标 公共时标( 木) 带牛的为任选项，本标准未采用 图2 4 应用服务数据单元 2 2i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约简介0 2 6 i 1 0 1 提供了在主站和远动r t u 之间发送基本远动报文的通信文件集，它适 用的网络拓扑结构为点对点，多个点对点，多点共线、多点环形和多点星形网 络配置的远动系统中，但它要求在主站和每个远动子站之间采用固定连接的数据 电路，这意味着必须使用固定的专用远动通道。随着欧美一些国家调度主站与变 电站r t u 的通信已逐步采用以太数据网，远动报文可能通过一些可以进行报文 存贮和转发的数据网络进行传输，这些数据网络仅仅在主站和远动子站之间提供 虚拟的数据电路，因此这种网络类型将使得报文传输出现延时，其延时可在相当 大的时间范围内变化并和网络的通信负荷有关。一般而言，可变的报文延时时间 意味着不可能采用在1 0 1 中所定义的主站和远动子站之间的链路层，为此，国际 电工委员会( i e c ) 第5 7 技术委员会( t c 5 7 ) 的第3 工作组( w g 0 3 ) 于1 9 9 8 年8 月制定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准( c d v ) ，我国也制定了相应的配套标准 d l t 6 3 4 5 1 0 4 - 2 0 0 2 。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 协议的名称为“采用标准传输协议子集的 i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 的网络访问”( n e t w o r ka c c e s sf o ri e c6 0 8 7 0 5 1 0 1u s i n gs t a n d a r d t r a n s p o r tp r o f i l e s ) 。此协议是将i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 标准用于t c p i p 网络，当调度 主站与变电站连接到以太数据网，变电站r t u 与调度主站通信时，通信规约则 应采用i e c 6 0 8 7 0 5 一l0 4 标准。 2 2 1i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的结构 1 0 4 远动规约使用的参考模型源出于开放式系统互联的i s o o s i 参考模型， 但它只采用其中的5 层，其结构如图2 5 所示，图2 6 为t c p i p 规约组( r f c 2 2 0 0 ) 1 4 选用的标准结构【2 7 1 【2 8 1 。 根据ie c6 0 8 7 0 5 10l 从i e c 6 0 8 7 0 5 5 初始化用户进程 中选取的应用功能 从i e c 6 0 8 7 0 5 10 1 平i i i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 l f j 选取a s d u 应用层 a p c i ( 应用规约控制信息) ( 第7 层) 传输接口( 用户至i j t c p 的接口) 传输层( 第4 层) t c p i p 网络层( 第3 层) 协议子集( r f c 2 2 0 0 ) 链路层( 第2 层) 物理层( 第l 层) 图2 5i e c 6 0 8 7 0 5 10 4 的网络参考模型 r f c 7 9 3 ( 传输控制协议