嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用

1、第 18卷2005年第 6期! ! 收稿日期 :2005-06-25作者简介 :周宝林 (1976- , 男 , 内蒙古呼和浩特人 , 硕士研究生 , 研究方向为工业监控 .嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用周宝林 , 林知明 , 余瑛(华东交通大学电子与电气工程学院 , 江西 南昌330013摘要 :随着微电子技术、 计算机技术和通信技术的发展 , 变电站自动化技术正以飞快的速度向前发展。基于嵌入式以 太网的变电站综合自动化技术正在成为当前研究的热点。简要叙述了常规变电站及其微机保护的发展及其特点 , 对 嵌入式以太网运用于变电站微机保护系统以及目前流行的处理器进行了探讨和阐述 , 介绍

2、了基于 ARM +DSP 双CPU 的微机保护硬件方案和软件整体方案。关键词 :变电站自动化 ; 微机保护 ; 以太网 ; ARM ; DSP中图分类号 :TP393.11; TM77文献标识码 :A文章编号 :1006-6519(200506-0005-04The Application of Embedded Ethernet in SubstationAutomatization SystemZHOU Bao-lin, LIN Zhi-ming , YU Ying (East China Jiaotong University,Nanchang 330013,ChinaAbstract:

3、With the development of micro -electronics technology 、 computer and communication technology,the substation automatization technology also develop quickly.The technology which based on embedded Ethernet is the research hotspot at present.The development and Characteristic of the general substation

4、automatization and its microprocessor-based protection are briefly described, the embedded Ethernet which is applied in the substation microprocessor-based protection system and the popular microprocessor at present are discussed and exporuded , the hardware and software scheme based on AR M+DSP dou

5、ble CPU microprocessor-based protection are pointed out. Key words:substation automatization ; microprocessor-based protection ; ethernet ; AR M ; DSP! ! 常规的变电站二次系统存在诸多缺陷。 装置间 相互独立、 功能重复、 选用了大量的硬件设备、 且设 备类型庞杂 , 信息记录和显示方式落后、 故障率高、 组合过程中协调性差 , 很难做到标准化。另外也增 加了占地面积 , 增加了投资。变电站系统原有的继 电保护和自动装置 , 主要是由电磁型继电

6、器和感应 型继电器构成的 , 这两种继电器精度差、 动作速度 慢、 结构又比较复杂 , 所以现在已经逐渐被淘汰。 近 年来各种半导体型 (含集成电路型 和微机型的继电 保护和自动装置不断涌现 , 高智能、 高品质的微机 型保护装置已经成为现在研究开发的主流。随着微电子技术、 计算机技术和通信技术的发展 , 目前的变电站自动化技术正朝着以下几个方向发展 :(1 分层分布式结构成为潮流 (以太网技术为这一潮流提供了支持 。(2 软件、通信技术的发展 , 使得站控层功能更 加强大和完善 ; 新型微处理器 , 如 ARM(AdvancedRISC Machines 处理器的应用 , 也使间隔层设备功能

7、进一步增强 , 并相互渗透 ; 智能开关、 光电式互感 器机电一体化设备的出现 , 将使智能化的一次设备 应用于过程层。(3 从单纯的屏幕数据监视到多媒体监视。(4 嵌入式以太网应用于变电站综合自动化系统 , 以太网以其方便、 通用、 成本低廉、 实时、 不受干 扰等优点正在成为目前变电站自动化系统的主要 通讯手段。 (美国已经有公司投入了基于以太网的 变电站自动化系统 (5 GPS 技术的广泛投入将使传统的监控功能改变原有的面貌 , 成为动态监测和控制的工具 , 它 可以统一全网时钟 , 实现同步采样和动态监测。1变电站自动化系统实现微机测控保护的 意义变电站综合自动化的优越性主要是相对于常

8、华 中 电 力5-华 中 电 力2005年第 6期 第 18卷规变电站的二次系统提出的。 变电站综合自动化系 统可以采集比较齐全的数据和信息 , 利用计算机的 高速计算能力和逻辑判断功能 , 可方便地监视和控 制变电站内各种设备的运行和操作。 变电站综合自 动化系统可以利用软件实现在线自检。 考虑到电力 系统各种故障的复杂性 , 变电站自动化系统必须具 备很强的综合分析和判断能力 , 在软件程序的指挥 下 , 微机系统可以在线实时地对硬件电路中各个环 节进行自检 , 并在故障时做出及时的反应 1。变电站综合自动化系统中的微机保护子系统 与监控系统相对独立又要相互协调 , 也就是在运行 中 ,

9、继电保护的动作行为只与保护装置有关 , 不依 赖于监控系统的其他环节 , 以保证其他环节不影响 保护装置的可靠运行。 同时保护环节又要与监控系 统保持密切的通讯联系 , 向计算机监控系统提供保 护动作信息或者保护定值信息。 它是变电站自动化 系统的关键环节 , 主要包括输电线路保护、 电力变 压器保护、 母线保护、 电容器保护、 小电流接地系统 自动选线、 自动重合闸等。由于微机保护的特殊重 要性 , 综合自动化系统绝不能降低保护的可靠性。 现有的模拟式保护系统在性能上很难有重大的突 破 , 因此采用先进的微机保护技术已成为当今变电 站自动化系统的主流。 微机保护利用数字信号处理 技术 , 实

10、现了传统继电保护设备通过硬件连接完成 的复杂的逻辑判断和计算等功能 , 将硬件的复杂部 分留在了大规模集成电路芯片内 , 保护功能均由程 序软件来实现 , 使现场维护人员可维护的硬件环节 大量减少。 微机保护的智能化也使微机保护的调试 工作简单易行 , 有的制造单位已研制出与微机保护 配套的智能化调试仪器 , 利用这些智能仪器可以仿 真出现场的各种参数 , 这无疑会加快变电站微机保 护子系统的研发和投入使用时间。2工业以太网用于变电站综合自动化系统 的意义及应用模式变电站现有的通讯网络多采用现场总线方式 , 随着科技的发展 , 现场总线用于变电站的通讯网络 体现出了很多的不足 , (1 开放性

11、和灵活性不强 , 数 据传输速度慢 , 成本高。 (2 不同类型的现场总线设 备均有专用的通讯协议 , 不能相互兼容 , 无法协同 工作也无法实现信息的无缝集成。 (3 数据采集、 处 理、 控制、 转发等任务都由通讯控制器来完成 , 然而 随着变电站智能化的提高 , 需传输的信息量越来越 大 , 采用现场总线的通讯机制势必成为信息传输的 瓶颈。所以基于更高级别的微处理器 , 和传输数据速 度更快的工业以太网的变电站综合自动化技术 , 就 顺理成章地成为现在变电站建设中的热点。2.1嵌入式以太网技术顾名思义 , 嵌入式以太网技术就是在微处理器 或者微控制器上利用嵌入式技术实现以太网通讯。 一般

12、来说 , 应用于工业控制系统的网络分为三层 :信息层、 控制层和设备层。 在信息层 , 控制网络几乎 无一例外地采用以太网 , 而在控制层和设备层一般 采用不同的现场总线或其他专用网络。目前 , 以太 网已经渗透到了控制层和设备层 , 几乎所有的 PLC 和远程 I/O 供应商都能提供支持 TCP/IP 的以太网 接口产品。采用以太网架构以后 , 控制器的位置也 可以突破传统网络架构的限制 , 可以位于现场 , 也 可以位于中央控制室 , 目前控制器甚至远程 I/O 支 持以太网的功能越来越强 , 在有些控制器和远程 I/O 模块中已经集成了 WEB 服务器 , 从而允许信 息层的用户也可以和

13、控制层的用户一样直接获取 控制器和远程 I/O 模块中的当前状态值。嵌入式以 太网和传统 的以太网在 物 理 上 都 支 持 IEEE802.3标准 , 逻辑上基本都采用 TCP/IP 协议族。 然而他们 之间的区别也很大 , 传统的以太网是为办公室设计 的 , 一般都是 PC 机或者工作站 ; 而嵌入式以太网 是基于微控制器和微处理器的软硬件环境的 , 它把 TCP/IP 协议嵌入到操作系统中。反过来说 , 传统以 太网和嵌入式以太网在物理和通讯协议上互相兼 容 , 因此它们之间能够相互通讯。2.2嵌入式以太网的三种信息传输模式这三种模式分别是单播 , 广播和分组广播模式 2。 单播模式就是

14、除了目的地址外 , 其他的节点都不 接收来自源节点的信息 , 是一种点对点的传输模 式 ; 广播模式是除了源节点本身外其他节点都能 收到来自源节点的信息 , 包括和源节点并列的单 元 ; 分组广播模式是指把目的节点分成地址组 , 只 有组内的目的节点能收到源节点的信息。显而易 见 , 采用单播模式时 , 如果源节点要向 N 个目的节 点发同一个信息 , 则同一信息需要重复发送 N 遍 , 显然传输效率很低。采用广播模式发送信息时 , 一 个信息只需发一遍 , 但是无论信息是否与自己有 关 , 各节点都要收到信息 , 造成各个单元的 CPU 负 担加重 , 是对资源的一种浪费 , 这就是人们所说

15、的 “ 广播风暴” , 容易发生信息拥塞 , 其造成的后果有 时候是灾难性的。而分组广播有效地避免了广播6 -第 18卷 2005年第 6期风暴 , 目的节点分组以后 , 只有和信息有关地节点才接 收 到 信 息 , 同 时 网 络 流 量 也 没 有 增 加 , 所 以分 组 广 播 地 传 输 数 据 模 式 不 失 为 一 种 值 得 推 广地模式。通讯是变电站综合自动化的关键 , 现场总线(Fieldbus Control System FCS 从上世纪 80年代产生以来 , 以其全数字通讯、 开放性、 可互操作性、 全分散性、 高可靠性的特点 , 对自动控制系统和仪器 仪表的发展产生

16、了很大的影响 , 并一度成了自动化 领 域 研 究 的 热 点 。 然 而 , 现 场 总 线 无 法 统 一 , IEC61158现场总线国际标准就包括 8种类型地现 场总线标准 , 在这里不再一一列举 , 在介质访问控 制上 IEC61158中的 8种类型的现场总线采用完全 不同地控制协议 , 所以形成了多种现场总线并存的 局面 , 由于商业利益等因素 , 要实现不同总线产品 之间的连接非常困难。这不但使 FCS 的各种优点 难以体现 , 而且给用户带来很大的不便。而以太网 不受此限制 , 在网上增加功能模块非常方便 , 尤其 使随着现场设备和仪表智能化的提高 , 数据的传输 量越来越大

17、, 甚至是 WEB 网页 , 音频、 视频信号等。 网络传输的高速性越来越重要 , 而现在以太网的传 输速度已经达到千兆甚至万兆。 由于以太网最初是 为实时性要求不高的办公室而设计的 , 它采用基于 CSMA/CD(带冲突检测的载波监听 的传输协议 , 也 就是说只有在网络空闲的时候才发送数据 , 这样以 太网的实时性和可靠性就受到人们的怀疑。 但是正 如前文所说以太网具有很高的传输速度 , 高速性可 充分弥补这一不足 , 现场应用的经验表明 , 在网络 负荷小于最大理论负荷 36%的时候 , 实时性和准 确性是可以保障的。2.3以太网应用于变电站综合自动化的模式 以太网应用于变电站综合自动化

18、系统的有两 种模式 :一种是混合连接方式 (以太网和其他总线 混 合 连 接 , 几 个 智 能 节 点 (IED 通 过 RS485、 MODBUS 或其他的现场总线连接在一起 , 然后再 通过以太网接口连到以太网上 ; 另一种是从高层到 底层都采用统一的工业以太网通讯协议 , 这是一种 完全的以太网解决方案 , 每个测控保护单元都具备 以太网接口 , 都直接连到以太网上。前一种连接方 式只是一种过渡型的连接方式。根据 IEC61850制 定的标准 , 变电站层、 间隔层和过程层之间的通讯 方式全部采用标准以太网方式 (TCP/IP , 取代了当 前系统中使用的各种现场总线 (如 :Lonw

19、orks 、 CAN 、 Profibus 、 SMI 以及 RS485总线等 , 如图 1所示。图 1基于以太网的变电站整体框图这种模式是工业以太网在变电站综合自动化 系统中的完全的解决方案 , 系统的高层到底层都采 用统一的以太网通讯协议 , 每个 IED 都配备了以太 网接口并作为一个节点直接连到以太网上。 因为整 个网络都是统一的协议 , 所以管理者可以对整个系 统的任一个设备进行访问 , 而不用知道这种访问是 如何进行的。图示的过程层主要负责现场数据的采集 , 并提 供 I/O 接口。具体有电流互感器、 电压互感器和其 他传感器 , 以及一些断路器、 隔离开关等。 间隔层主 要是一些

20、基于微处理器的保护和测控单元。 变电站 层主要包括总控工作站当地监控系统和一些公共 设备 , 同时负责与远方调度中心交换信息。也可以 把系统连到 Internet 实现真正地控制系统网络化 , 在任何时间、 地点都能方便地监控各个节点。所以 说基于嵌入式以太网的变电站综合自动化系统乃 至其他的工业控制系统将会有广阔的发展前景。 3基于以太网的微机保护硬件和软件技术 方案3.1基于 ARM+DSP 的保护装置硬件电路设计 以前国内开发的微机保护装置很多 , 虽然在设 计上很多都使用双 CPU 结构 , 但是其 CPU 基本上 还是采用传统的 MCS-51、 96系列单片机芯片。而 这些芯片虽然控

21、制性能都比较好 , 但却不擅长数字 信号的处理 , 特别是处理电力系统中复杂的数据运 算时 , 往往耗时过长。 还有在对输入信号的采样上 , 每周波的采样点较少而且大多采用模拟滤波的方 法 , 不可避免地造成一定的误差。所以当前变电站 系统所选用的 CPU 都是高性能的 CPU, 但是其中 绝大部分都有一个 DSP(Digital Signal Processor 芯 片 , DSP 主要功能是执行与保护相关的采样、计算 和逻辑判断。另一个 CPU 主要实现人机交互和通 讯 , 比如现在比较热门的 ARM 处理器。由于人机 交互的设备如液晶显示器等速度比较慢 , 如果只用 一个高速 CPU 来

22、完成显示功能 , 势必要加入等待嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用7 -华 中 电 力2005年第 6期 第 18卷周期 , 会影响到整个系统的速度 , 所以有必要采用 高性能的双 CPU 方案。本文选用的 主 CPU 是带以太 网 接 口 的 ARM 处理器 , 主要负责系统通信、 数据记录、 人机交互控 制等 ; DSP 作为协处理器 , 负责完成开关量和模拟 量的采集、 计算 , 故障判断 , 告警、 跳闸信号的发出、 故障报告的生成等功能。两者通过双口 RAM 实现 数据交换。 外扩外围存储电路、 开关量采集电路、 交 流信号采集电路、 开关量输出电路 (跳闸和告警开 出回路 、

23、人机接口电路 (液晶显示、 触摸屏 及电源 等。其基本的系统原理如图 2。图 2基于以太网的双 CPU 微机保护硬件原理图 开关量输入 /输出接口主要是发出跳闸信号、 接收本地和后台机的报警信号 , 压板投送信号以及 闭锁信号等。人机对话接口回路主要有显示、 信号 灯、 键盘、 音响报警等。 以太网接口回路是本系统中 非常重要的环节 , 主要负责接收来自上位机的控制 命令 , 与上位机和各子系统之间交换信息。由于微机保护需要采集大量的数据并进行计 算 , 特别是 FFT 运算 , 对 CPU 的运算能力提出了很 高的要求 , 而 DSP 在计算方面有独特的优势 , 所以 采用它与通讯功能强的

24、ARM 结合使用 , 就不会造 成由于任务多而发生冲突的现象 , 采用两个 CPU 分别担任不同的任务 , 再通过一定的硬件和软件的 协调 , 可以很大幅度地提高系统的实时响应能力以 及故障判断和处理能力。3.2软件总体方案嵌入式以太网是和嵌入式技术紧密联系在一 起的 , 它是基于具体应用的微处理器和实时操作系 统 (RTOS 的 , 在 32位微处理器上实现 TCP/IP 协议 栈是很容易的 , 因为这样高性能的处理器可以方便 地 嵌 入 RTOS(如 :uC-OS 或 LINUX 等 , 这 些 操 作 系统本身就固化了 TCP/IP 协议族 , 当然也可以自 己编写协议栈 , 去除冗余 , 然后嵌入到 RTOS 中。 多 年来 , 嵌入式系统得到了广泛的应用 , 但是大部分 嵌入式应用系统是不用嵌入式操作系统的 , 原因首 先是没有必要 , 比如一些小型的家电产品 , 或者一 些小的智能仪器 , 在硬件上它们只需要简单的一块 电路板、 几个按键、 指示灯 等 , 软件上只 是一个程 序 , 并不需要多任务的操作系统的支持。再者就是 硬件条件不允许 , 一些 4位或 8位的单片机内存少 得可怜 , 又怎么能容得下操作系统呢 ?本 文 阐 述 的 软 件 方 案 分 为 三 个 部 分 :(1 uClinux 操作系统的裁