劉世明，李森林，許志成，呼文強，閆 磊

（山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

IEC 61850 國際標準將智能變電站從邏輯概念和物理概念上分為變電站層，間隔層和過程層。站內(nèi)過程總線和站級總線通信采用以太網(wǎng)技術(shù)共享數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)物理層采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測技術(shù)(CSMA/CD)的網(wǎng)絡(luò)共享訪問方案，網(wǎng)中的各個節(jié)點都能獨立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時必須隨時檢測沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生，立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待一段預(yù)定義的隨機時間之后重新發(fā)送幀。這種機制簡單、可靠，但是也造成數(shù)據(jù)發(fā)送延遲的不確定性，在網(wǎng)絡(luò)負荷較重情況下甚至無法發(fā)送數(shù)據(jù)，因而不能滿足實時數(shù)據(jù)的傳輸要求。

為了提高智能變電站中以太網(wǎng)傳輸?shù)膶崟r性，目前大多數(shù)研究和應(yīng)用[1-2]采用的是提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、分網(wǎng)結(jié)構(gòu)、采樣值采用點對點通信、以太網(wǎng)交換機數(shù)據(jù)分流、利用虛擬局域網(wǎng)和報文優(yōu)先級等技術(shù)。這些方法以增加投資、犧牲數(shù)據(jù)共享性能等為代價，雖然在一定程度上緩解以太網(wǎng)的通信壓力，改善通信的實時性，但無法從根本上解決CSMA/CD 機制帶來的通信延時不確定的弊端。

另一方面，工業(yè)自動化控制領(lǐng)域為解決工業(yè)應(yīng)用中的高實時性數(shù)據(jù)傳輸問題以及對網(wǎng)絡(luò)高可靠性、高精度同步的要求，各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案。這些方案經(jīng)過實踐檢驗后，有的被IEC 采納，成為實時以太網(wǎng)標準的一部分。由此可以看出，將實時以太網(wǎng)技術(shù)與IEC 61850 標準有機結(jié)合，用以提高智能變電站的通信性能，是一種可行性很高的方案。如文獻[3]詳細介紹了PROFINET 技術(shù)在數(shù)字化變電站過程總線通信中的應(yīng)用。目前，我國在這一領(lǐng)域的研究還比較少。

1 實時以太網(wǎng)技術(shù)選擇

實時工業(yè)以太網(wǎng)起源于現(xiàn)場總線技術(shù)，因其成本低，實時性強，安全性高等特點而廣泛于工業(yè)控制領(lǐng)域。這里比較當前幾種主流的實時以太網(wǎng)協(xié)議：EtherCAT、EtherNet/IP、EPL、SERCOS III 和PROFINET等[4-5]。這些協(xié)議大多以循環(huán)周期通信方式實現(xiàn)實時通信，相關(guān)技術(shù)要素歸納如表1所示。結(jié)合智能變電站中的應(yīng)用，比較這幾種實時以太網(wǎng)協(xié)議：PROFINET的實時性能處在毫秒級(ms)，相比之下性能略低；SERCOS III性能優(yōu)越，卻沒有相應(yīng)的同步方式；EtherCAT的通信采用主從方式通信，主節(jié)點常依賴于具有實時操作系統(tǒng)的PC機，且只能采用環(huán)形和星形的拓撲結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有一定的要求；EtherNet/IP修改OSI的會話層與表示層以達到實時的效果，而在IEC 61850標準的實時報文模型中，數(shù)據(jù)由應(yīng)用層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，不經(jīng)過傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層以減少數(shù)據(jù)在協(xié)議棧中的延時；初步對比表明，上述幾種實時以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能變電站技術(shù)上可能會存在一定的局限性。從表1可以看出，EPL自身性能優(yōu)越，相比于其他協(xié)議，是唯一的開源協(xié)議，且純軟件實現(xiàn)無需硬件支持，同時還采用了智能變電站中IEC 61850標準推薦的IEEE1588時鐘同步方式。2003年10月，Ethernet POWERLINK標準化組織正式提出申請并通過IEC國際標準批準，成為IEC體系通信標準的一部分，最有可能適合變電站的應(yīng)用。因此下文選擇EPL的應(yīng)用為例展開敘述。

表1 實時以太網(wǎng)協(xié)議技術(shù)比較Table1 Comparison of real-time Ethernet technology

EPL以標準以太網(wǎng)CSMA/CD為基礎(chǔ)，在鏈路層實現(xiàn)實時機制。數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)采用標準以太網(wǎng)幀格式[5]，如圖1所示，實際的EPL 數(shù)據(jù)位于標準的14 Bytes以太網(wǎng)幀頭之后，包括服務(wù)標識(SID)、目的地址(DA)、源地址(SA)等。

圖1 EPL 幀格式Fig.1 Format of EPL frame

為實現(xiàn)實時性，EPL協(xié)議引入時間槽(SCNM)實時管理機制。網(wǎng)絡(luò)中一個站點充當管理站(MN)管理網(wǎng)絡(luò)中的控制節(jié)點(CN)通信，CN 在MN 上登記組態(tài)。在一個時間槽內(nèi)，MN 給一個CN 分配發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限，該CN 得到發(fā)布權(quán)限之后可以發(fā)布信息。一個通信周期內(nèi)有四個階段：包括起始階段、同步階段、異步階段和空閑階段，如圖2所示。

圖2 EPL 循環(huán)周期Fig.2 Cycle of EPL

1）開始階段，在起始數(shù)據(jù)流SoC(多播)之后，信號以多播的形式發(fā)送給各個CN，收到該數(shù)據(jù)的CN 就此同步。

2）同步階段，MN 按事先定義的順序依次向每個節(jié)點發(fā)送輪詢信號PReq(單播)，CN 收到輪詢報文后發(fā)出響應(yīng)報文PRes(多播)，所有節(jié)點都可以收到這幀的信息，這段時間也就是所謂的時間槽。

3）異步階段，該階段從SoA(多播)開始進行異步通信，傳輸實時性要求不高的數(shù)據(jù)。

4）空閑階段，等待下一個周期前的等待時間。

由圖2所示，進入同步階段MN 每次使用單播PReq 幀訪問網(wǎng)絡(luò)中的一個CN，只有物理MAC 地址與該單播地址匹配的CN 才能收到該PReq 幀，該CN 收到PReq 幀后發(fā)送響應(yīng)幀PRes。這段時間內(nèi)其他CN 沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限，故在同步階段不會產(chǎn)生沖突，而異步階段不能保證這種數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性。

2 EPL在智能變電站中的應(yīng)用

變電站自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可分為三類：1）正常運行時的周期數(shù)據(jù)；2）故障情況下的突發(fā)性數(shù)據(jù)；3）命令下發(fā)時的隨機性數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)當中，周期性數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)且變化量小，而隨機性數(shù)據(jù)流量很小。這三種數(shù)據(jù)對實時性的要求也不盡相同。智能變電站過程層各間隔的合并單元MU 將各個通道的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式將數(shù)據(jù)封裝通過交換機將其傳送到間隔層保護測控裝置P&C，如圖3(a)所示。顯然，若將智能變電站系統(tǒng)中諸如采樣值，跳閘命令等實時性要求高的數(shù)據(jù)安排在EPL 同步階段傳輸，在異步階段發(fā)送開關(guān)設(shè)備狀態(tài)等實時性要求不高的異步數(shù)據(jù)是一種非常理想的通信解決方案。對于實時報文，變電站自動化系統(tǒng)對“實時性”要求通常定義為4ms[6-12]，EPL 最小通信周期能夠達到百微秒級，在滿足變電站對實時性要求的時間范圍內(nèi)，使用EPL 技術(shù)可以實現(xiàn)過程層中多個間隔間的實時通信。因此，合理安排系統(tǒng)中的通信節(jié)點數(shù)和循環(huán)周期長短理論上可滿足變電站設(shè)備發(fā)送實時數(shù)據(jù)的實時性要求。

圖3 EPL 應(yīng)用方案Fig.3 Scheme of EPL application

EPL 利用PReq、PRes 幀進行同步數(shù)據(jù)交換，要求兩種數(shù)據(jù)流均須滿足圖1所示的EPL 幀格式要求，對于異步數(shù)據(jù)的格式則無特殊要求。為滿足智能變電站對信息共享及設(shè)備互操作性的要求，IEC 61850 標準對相關(guān)通信數(shù)據(jù)格式有明確的規(guī)定。兩種數(shù)據(jù)格式的不兼容決定兩種數(shù)據(jù)幀不能套用，即EPL協(xié)議的數(shù)據(jù)不能直接用于變電站自動化系統(tǒng)的通信。由于PReq與PRes 兩數(shù)據(jù)之間的時間間隙具有絕對的實時性，按照上文所述將站內(nèi)實時性數(shù)據(jù)(如GOOSE,IEC 61850-9-1(2)映射)內(nèi)嵌入PReq與PRes之間的時間間隙發(fā)送，在異步階段直接進行實時性要求次之的數(shù)據(jù)(如IEC 61850-8-1 映射)的交換，形成圖3(b)所示的通信應(yīng)用方案也應(yīng)能實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3 EPL 應(yīng)用測試

針對上文提出了EPL 傳輸智能變電站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的方案，該方案的可行性需要得到有效的測試。目前網(wǎng)絡(luò)測試的方法分為軟件和硬件兩種。軟件測試以Wireshark 等網(wǎng)絡(luò)分析軟件為代表，但軟件測試方法能提供的最高精度為毫秒級(ms)，無法達到該方案的測試要求。另一方面，用于測試網(wǎng)絡(luò)的硬件有示波器、網(wǎng)絡(luò)測試儀、數(shù)據(jù)采集卡及實時以太網(wǎng)專用測試設(shè)備等多種工具，這些硬件的測試精度高，然而成本也很高，對于實驗室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)測試不適用。本文利用Blackfin 系列的DSP 結(jié)合μCOS 嵌入式實時操作系統(tǒng)成功移植了EPL協(xié)議，并在軟件中模擬了圖3(b)所示的過程總線通信方案。最后介紹一種結(jié)合μCOS系統(tǒng)時間和DSP 內(nèi)核時鐘記錄時間戳的方法測試上述的應(yīng)用方案。

BF536的內(nèi)核時鐘是一個T=1 ms的周期時鐘，當前周期內(nèi)的內(nèi)核時間t1(μs)，由寄存器pTCOUNT記錄，該寄存器初始化值為4000，此后每經(jīng)過250 ns后，pTCOUNT值減1。該值減小為0時，當前1 ms(4000×250 ns=1 ms)的內(nèi)核周期時間消耗完產(chǎn)生中斷，中斷處理中由操作系統(tǒng)μCOS 提供的全局變量OSTime 加1 來記錄系統(tǒng)啟動之后所經(jīng)過系統(tǒng)時間t2(ms)。中斷返回后pTCOUNT 自動從初始值開始遞減重新計時?？梢姡摲椒ǖ挠嫊r精度為250 ns，完全能夠達到測試要求。測試調(diào)試時，最終的結(jié)果通過串口輸出或printf 語句打印出來。這種測試辦法精度高，幾乎不需要消耗任何成本。

圖4(a)是本文的過程層通信測試的平臺，在PC機上DSP 仿真開發(fā)環(huán)境下運行MN 和第三方軟件Wireshark。MN 充當過程層的一個IED，通過HUB管理其他4個IED1～4(CN)通信，循環(huán)周期為2 ms。各IED 設(shè)備的內(nèi)核和系統(tǒng)頻率均為CCLK/SCLK=500/125 MHz，通信速率為100 Mbit/s。在方案實時階段IED1,2分別傳輸IEC 61850-9-1(2)格式的采樣數(shù)據(jù)，IED3,4 傳輸實時GOOSE 數(shù)據(jù)；異步階段，4個IED 均可交換異步數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)文獻[6,10]設(shè)置合理的數(shù)據(jù)長度，此處均為120 Bytes。EPL協(xié)議數(shù)據(jù)均為64 Bytes。為便于觀察，IED0 不參與變電站數(shù)據(jù)傳輸，利用上述內(nèi)核時鐘記錄時標方法和第三方軟件Wireshark 截包功能進行測試記錄通信信息：當數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)發(fā)出時記錄幀類型和時間戳，數(shù)據(jù)到來時從接收中斷中記錄接收數(shù)據(jù)的IED 編號和接收時間戳。同時用Wireshark 觀察通信是否異常。最終測試結(jié)果在仿真環(huán)境由printf函數(shù)中打印出來，如圖4(b)所示。

圖4 測試平臺和結(jié)果Fig.4 Platform and result of the test

經(jīng)過大量的測試，結(jié)合Wireshark 截包可看出，測試過程中，網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定可靠，傳輸過程中抖動極小，滿足EPL 抖動時間小于1 μs的要求。在通信的同步階段，相鄰的PReq 幀之間只有來自同一個IED的IEC 61850 數(shù)據(jù)和PRes的響應(yīng)數(shù)據(jù)，其實時性要求能夠很好地得到滿足。異步階段各個IED 交替發(fā)送數(shù)據(jù)，不具備周期性被訪問的特點，部分周期內(nèi)個別IED 甚至無法發(fā)送數(shù)據(jù)，毫無規(guī)律。如圖4(b)所示，同步階段，各個IED 均能正常通信，而在異步階段，時間長度為1 098 μs(SoA 距下個周期SoC 間的時間差)，各IED 有充足的時間傳遞至少一次異步數(shù)據(jù)，但個別IED(圖4(b)中CN37)卻沒有發(fā)出數(shù)據(jù)，可見該階段的實時性無法得到滿足。上述表明EPL 能夠?qū)⒆冸娬鞠到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)根據(jù)實時性要求分類發(fā)送。記錄數(shù)據(jù)信息和時間戳代碼消耗的時間可忽略不計，經(jīng)統(tǒng)計，一個循環(huán)周期內(nèi)同步階段IED0 訪問一個IED(1～4)的時間分布如圖5所示。

圖5 測試結(jié)果統(tǒng)計Fig.5 Statistics of test result

測試顯示：IED0 訪問另一個IED所需要時間在190～220 μs之間。所以推薦過程層以單一總線原則組網(wǎng)時，所有間隔的設(shè)備連接在該總線上，在2 ms 內(nèi)，該過程層網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足10個間隔左右的IED 實時通信，該測試結(jié)果能夠滿足EPL在智能變電站中的應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文以EPL為例介紹了實時以太網(wǎng)在智能變電站中的應(yīng)用，提出在智能變電站應(yīng)用EPL的一種方案，最后對該方案的通信性能進行了系統(tǒng)的測試。初步工作實踐表明利用EPL 實時以太網(wǎng)能夠完全滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，抖動小，可靠性高，能夠滿足智能變電站中的應(yīng)用。但距離EPL 實際應(yīng)用還需進一步的工作完善：

1）MN節(jié)點極為重要，出現(xiàn)故障會引起整個網(wǎng)絡(luò)通信的癱瘓，針對智能變電站應(yīng)用，該技術(shù)通信的可靠性還須進一步的研究。

2）2010 年貝加萊公司提出了PRC 技術(shù)，同步階段，CN 將數(shù)據(jù)在分配好的時間槽內(nèi)依次上傳，不需要MN 輪詢訪問，通信性能可提高1/3，但該技術(shù)較新尚需在實踐中檢驗。

3）智能變電站中推薦使用交換機進行組網(wǎng)，受測試條件限制，本文使用HUB 組網(wǎng)，在現(xiàn)場環(huán)境中交換機對EPL 通信性能影響需進一步的探討。

上述內(nèi)容將將成為本課題后續(xù)研究工作，若相關(guān)工作開展順利，相信EPL 將很好地解決智能變電站數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

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