摘要：本文結(jié)合電力自動化行業(yè)的實際應(yīng)用，將通信網(wǎng)絡(luò)典型的時分多址（TDMA）技術(shù)應(yīng)用于目前智能電網(wǎng)中配電自動化終端自主組網(wǎng)，從分布式自動化終端與通信主站直接的信息交互角度入手，探討了一種提高整個分布式配電自動化終端網(wǎng)絡(luò)的自主組網(wǎng)能力和信息交互速度的應(yīng)用，廣泛適用于RS232、RS485、CAN等工業(yè)電力行業(yè)通用組網(wǎng)方式，對于提高整個智能電網(wǎng)配電自動化終端網(wǎng)的智能化、提高網(wǎng)絡(luò)信息交互效率有著積極有效的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：時分多址；智能電網(wǎng)；配電自動化；自主組網(wǎng)

中圖分類號：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 22-0000-02

1 分布式智能配電終端組網(wǎng)概況

隨著信息化時代的推進(jìn)，信息化智能化的配電終端覆蓋了整個智能電網(wǎng)，大量的智能配電終端在智能電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是組網(wǎng)與通信。組網(wǎng)才能完成各終端信息交互與匯總，才能實現(xiàn)主站對各節(jié)點信息的共享，并將控制中心的命令準(zhǔn)確及時的傳送到各分布式的遠(yuǎn)方終端。配電線路是直接給最終用戶供電的線路，由此類線路組成的網(wǎng)絡(luò)通常稱作配電網(wǎng)，及配網(wǎng)。配網(wǎng)自動化終端主要完成配電網(wǎng)絡(luò)中的SCADA（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)視、控制）、故障判斷、故障定位、故障隔離、故障消除后的自動線路恢復(fù)、線路管理等功能。下圖提供了一種配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的典型架構(gòu)，我們探討的TDMA技術(shù)的應(yīng)用所選取的終端結(jié)構(gòu)處于虛線框圖1內(nèi)部分，屬于整個配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

2 分布式智能配電終端網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與信息交互現(xiàn)狀

常見的工業(yè)用組網(wǎng)方式主要有RS232、RS485、CAN等，雖然以太網(wǎng)目前已經(jīng)在整個社會中有了非常廣泛的應(yīng)用，但是目前而言，對于最遠(yuǎn)端的配電智能終端目前主流依然是是上述所說的三種組網(wǎng)方式，而且在今后很長一段時間內(nèi)都將起關(guān)鍵作用。因此我們就選擇其中一種比較典型的CAN組網(wǎng)方式做為應(yīng)用研究對象。

CAN是Controller Area Network的縮寫，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

圖2提供了一種配網(wǎng)自動化終端CAN網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)，適用于RS485，RS232。

目前組網(wǎng)采用的是全人工配置，每一個終端接入網(wǎng)絡(luò)后，需要在站端進(jìn)行終端入網(wǎng)配置，通過設(shè)置站端服務(wù)器的下掛終端來完成組網(wǎng)。

通信及信息交換采用的則是輪詢方式，部分關(guān)鍵點采用主動上報，但是上報過程采取的是判斷總線狀態(tài)，然后發(fā)送報文，失敗后重復(fù)發(fā)送，失敗次數(shù)超限則報錯。

從組網(wǎng)方式來看，其對人工操作的依賴性太強(qiáng)，占用了相對較多的人力，從信息交互角度來看，目前的報文交互能力在報文數(shù)量，報文流量，報文時效性等方面都存在比較大的上升空間。如果網(wǎng)絡(luò)中只有一個站端，一個終端，通信方式采用站端詢問式，那么總線是獨占的，總線負(fù)載反映的直接就是有效的通信負(fù)載，讀取的信息有效性也就是整個網(wǎng)絡(luò)的有效負(fù)載，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在一個站端，多個終端，仍然采用輪詢查詢方式，整個網(wǎng)絡(luò)的有效負(fù)載則會大大降低，對于智能配電終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其最大的作用是及時有效的處理關(guān)鍵信息，當(dāng)裝置正常，線路正常時，站端可以跳過常規(guī)信息，因此，異常信息主動上報機(jī)制是普遍采用的網(wǎng)絡(luò)信息交換方式，此種方式最明顯的優(yōu)點是對于異常事件的處理及時有效。

異常信息主動上報機(jī)制相對于輪詢機(jī)制而言，提高了有效信息的效率，提高了異常事件處理時效，提高了總線利用率。對于總線負(fù)載比較低的情況，例如終端數(shù)量及其報文總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)所能承受的負(fù)載總量時，主動上報機(jī)制是有效率的，但是當(dāng)終端數(shù)量接近網(wǎng)絡(luò)負(fù)載總量或者突發(fā)報文數(shù)量接近負(fù)載總量時，突發(fā)報文的沖突就凸現(xiàn)出來尤其是原有缺乏有效網(wǎng)絡(luò)報文管理機(jī)制的做法已經(jīng)是目前這種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

可靠性，實用性，有效性各種性能協(xié)同下的網(wǎng)絡(luò)特性才是工業(yè)產(chǎn)品最直接的性能展示，尤其是仍有相當(dāng)一部分場合并沒有支持到高速的通信網(wǎng)絡(luò)（例如光纖以太網(wǎng)等）?？紤]到兼容性，可實施性等多個因素，在原有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中采用更加科學(xué)的組網(wǎng)方式，采用更有效率的通信方式顯得尤為重要。

3 TDMA技術(shù)在分布式配電終端網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵點

3.1 TDMA技術(shù)特點

TDMA：Time Division Multiple Access 時分多址。時分多址是把時間分割成周期性的幀（Frame）每一個幀再分割成若干個時隙向站端發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，站端可以分別在各時隙中接收到各終端的信號而不混擾。同時，站端發(fā)向多個終端的信號都按順序安排在予定的時隙中傳輸，各終端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。

對于我們的智能配電終端網(wǎng)絡(luò)而言，總線就是整個網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一載體，我們采用TDMA技術(shù)的前提條件是各個終端有著同步的時鐘信號，而且各終端本身有相對穩(wěn)定的時鐘。原有的配電網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在同步時鐘，特別是大型的站所都有PPS優(yōu)于1us的GPS及北斗等高精度時鐘源。

按照TDMA的技術(shù)需求，我們暫且采用秒幀方式，即每秒鐘作為幀周期，從自主組網(wǎng)與信息交互兩個方面分別TDMA的實際應(yīng)用。

3.2 TDMA在自主組網(wǎng)中的應(yīng)用

自主組網(wǎng)方式在以太網(wǎng)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，各網(wǎng)絡(luò)終端只需符合組網(wǎng)要求即可自動獲取相關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置，這一點相對于目前配電網(wǎng)絡(luò)的人工錄入設(shè)備方式有極大的優(yōu)勢，既能節(jié)省人力，也能從自動化角度減少人為的失誤。

自主組網(wǎng)最關(guān)鍵的是時鐘同步，所以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中需要有統(tǒng)一的同步時鐘脈沖，保證網(wǎng)絡(luò)中所以需要組網(wǎng)的終端有同步的時鐘源，另一個就是每個終端有自己的唯一的編碼ID（后面簡稱ID），此編碼作為組網(wǎng)系統(tǒng)中唯一有效的識別碼，根據(jù)配電終端的網(wǎng)絡(luò)特點，這個唯一編碼可以從設(shè)備的出廠編碼獲得。

需要接入網(wǎng)絡(luò)的各終端首先要獲得同步時鐘，也就是幀頻，下圖提供我們采用TDMA技術(shù)的自主組網(wǎng)的幀頻時隙圖。其中T0-T10為一幀，取周期1秒，按照時間等分為10個標(biāo)準(zhǔn)時隙，分別標(biāo)示為T0～T10?？紤]到實際應(yīng)用過程中各終端的自身時鐘誤差，各標(biāo)準(zhǔn)時隙之間預(yù)留了緩沖帶如圖3T0A-T0B綠色信標(biāo)之間區(qū)域，相鄰標(biāo)準(zhǔn)時隙之間緩沖帶寬度為標(biāo)準(zhǔn)時隙的20%，此緩沖帶寬度選取主要取決于終端實時時鐘的性能指標(biāo)。

根據(jù)組網(wǎng)的最大化需求，我們初步設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時隙T1（T0-T1）為自主組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時隙，該標(biāo)準(zhǔn)時隙內(nèi)，各終端根據(jù)自身唯一ID，在該標(biāo)準(zhǔn)時隙內(nèi)主動上報請求組網(wǎng)信息。

同樣主動上報請求組網(wǎng)信息的方案依然采用TDMA方式，此時需要在原有的標(biāo)準(zhǔn)時隙T1內(nèi)繼續(xù)劃分報文時隙，詳見示意圖，圖4中每個標(biāo)準(zhǔn)時隙劃分為10個報文時隙，實際應(yīng)用中要根據(jù)自主組網(wǎng)階段的參數(shù)性能要求，選取自主組網(wǎng)占用的標(biāo)準(zhǔn)時隙區(qū)間以及自主組網(wǎng)階段報文時隙時間。

新入網(wǎng)的終端或者尚未在站端注冊的終端在自主組網(wǎng)階段，通過一個報文時隙與站端建立注冊關(guān)系。注冊流程如圖5。

時隙序號是采用ID做種子生成的隨機(jī)數(shù)，并對隨機(jī)數(shù)進(jìn)行了范圍限定通過大量試驗及更優(yōu)化的算法各終端同一階段時隙序號的重復(fù)率可以控制低于10%，二次序號重復(fù)率即可降為1%，此處采用的優(yōu)化算法可大大提高自主組網(wǎng)階段的終端注冊成功率綜合權(quán)衡整個組網(wǎng)終端數(shù)量及成功率的關(guān)系可以完全自動高效的完成自主組網(wǎng)。

TDMA技術(shù)在自主組網(wǎng)階段的效率可大大降低人工錄入的資源占用情況并且在線與掉線切換過程都可以全自動完成，基本上無需人工干預(yù)。

3.3 TDMA在信息交互中的應(yīng)用

組網(wǎng)成功后的信息交互可以采用同樣的策略，針對各個不同的終端網(wǎng)絡(luò)對信息交互的差異性，從信息的時效性上可以分為兩種：常態(tài)信息，突發(fā)信息，也就是說常態(tài)信息屬于常規(guī)的信息包，站端對其時效性要求不嚴(yán)格，而突發(fā)信息往往是關(guān)鍵的需要站端立刻做出處理的信息包；在通常的網(wǎng)絡(luò)中，兩種信息交互過程顯然不能等同處理，必須給予突發(fā)信息一個專用的通道，也就是本文所討論的專用時隙，下面就針對信息包的特點進(jìn)行時隙劃分。

上面我們介紹了組網(wǎng)過程的時隙劃分，可以看到幀周期模型中尚有T2-T10共九個時隙可以用來作為信息交互過程，可以根據(jù)實際需要將剩余的時隙按功能區(qū)分為突發(fā)信息時隙段和常規(guī)信息時隙段，根據(jù)突發(fā)信息和常規(guī)信息的負(fù)載，有效合理的劃分是整個信息交互過程中的優(yōu)化關(guān)鍵點，無論何種信息我們采用的信息交互流程如圖6：

4 結(jié)語

基于TDMA技術(shù)的智能配電終端網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從組網(wǎng)角度實現(xiàn)了自主組網(wǎng)的高效性，從信息交互的效率角度提供了一種信息交互模型，此模型在此類工業(yè)終端網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將大大提高網(wǎng)絡(luò)的效率和信息包的時效性，用普通的工業(yè)網(wǎng)實現(xiàn)信息的高速交互與處理能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭強(qiáng).GPS同步時鐘用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制的初步研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，1996.

[2]韓海艷.無人機(jī)編隊中的自主定位與動態(tài)TDMA協(xié)議應(yīng)用[J].電光與控制，2012，9.