基于以太網(wǎng)的變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮 豆，張春龍，李 君，楊光輝

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司亳州供電公司，亳州 236800）

0 引言

Ethernet中文翻譯為以太網(wǎng)，創(chuàng)始公司為Xerox公司，由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)（CSMA/CD）技術(shù)在不同類(lèi)型的電纜上運(yùn)行，運(yùn)行速度為10M/S。以太網(wǎng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)與IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)相似，可以詳細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)四個(gè)類(lèi)型。以太網(wǎng)的產(chǎn)生時(shí)間很早，尤其是隨著技術(shù)的成熟，應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣。在最初階段以太網(wǎng)只有10Mbps的吞吐量，利用CSMA/CD（帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）技術(shù)的訪問(wèn)控制，這種早期的以太網(wǎng)為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，它是所有其他以太網(wǎng)類(lèi)型的基礎(chǔ)。以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)有兩種，分別為雙絞線和同軸電纜，通過(guò)顯示的不同數(shù)字表示傳輸速度。近年來(lái)以太網(wǎng)得以飛速發(fā)展，其中認(rèn)為最有發(fā)展前景的就是千兆以太網(wǎng)。目前互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的以太網(wǎng)都具有極好的兼容性，在價(jià)格上也相對(duì)較為便宜，2016年《環(huán)球時(shí)報(bào)》指出以太網(wǎng)是占據(jù)全球主導(dǎo)地位的局域網(wǎng)技術(shù)[1]。

網(wǎng)絡(luò)通信顧名思義就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)利用物理鏈路將各個(gè)孤立的工作站或主機(jī)相連在一起，組成數(shù)據(jù)鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的。人與人進(jìn)行通信時(shí)必須要借助某個(gè)媒介去交流傳遞信息，而網(wǎng)絡(luò)通信正是人們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上溝通交流的媒介，它可以將人與人之間的交流信息轉(zhuǎn)化成各種代碼，然后傳遞給用戶。從專業(yè)角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)通信就是一種通信協(xié)議，這與人類(lèi)之間的語(yǔ)言交流一樣。隨著互聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越深入地融進(jìn)人們生活，網(wǎng)絡(luò)通信也成為人們必備的通信方式之一，設(shè)置優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對(duì)人們生活有重要的意義。綜上所述，本文基于以太網(wǎng)對(duì)變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)際操作性[2]。實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)無(wú)論是在工作效率，還是在工作狀態(tài)上都要明顯優(yōu)于其它的系統(tǒng)，在應(yīng)用前景上非常好，擁有廣闊的使用空間，值得大力推薦使用。

1 變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)變電站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)硬件部分由四部分組成：數(shù)據(jù)收集器、數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)傳輸器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器[3]。硬件工作要在物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行，由數(shù)據(jù)收集器將發(fā)出者的通信信號(hào)采集到一起，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩選，剔除無(wú)用信息；然后傳遞給下一單元，即數(shù)據(jù)處理器，在數(shù)據(jù)處理器中，通信信號(hào)要完成一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)變，變成一個(gè)個(gè)數(shù)字代碼，方便計(jì)算機(jī)的識(shí)別；數(shù)據(jù)傳輸器將數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中；最后由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將代碼轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言，顯示到屏幕上。上述過(guò)程為系統(tǒng)硬件工作的全過(guò)程。基于以太網(wǎng)變電站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示[4]。

圖1 以太網(wǎng)變電站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)系統(tǒng)硬件

1.1 數(shù)據(jù)收集器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)變電站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集器是由美國(guó)Intel公司研發(fā)的TCWAR94芯片，此款芯片在研發(fā)時(shí)投入了大量的人力物力財(cái)力，更是花費(fèi)了近兩年的時(shí)間才完成整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)，所以無(wú)論是在性能，還是在工作效率上都達(dá)到了前所未有的高度。TCWAR94芯片共有12個(gè)核心邏輯，建立在RIM結(jié)構(gòu)周邊，工作時(shí)核心邏輯同時(shí)工作，分別負(fù)責(zé)不同類(lèi)型的信息采集。TCWAR94芯片采集入口高達(dá)42個(gè)，30個(gè)內(nèi)存接口，12個(gè)外接口，消耗功率很低，芯片緩存速度很快。數(shù)據(jù)收集器必須在220V的供電電壓下才能工作，同時(shí)段的電流頻率在70MHz～120MHz[5]。TCWAR94芯片的編程能力非常強(qiáng)，從4bit到68bit的范圍都可以編程，RIM將內(nèi)外接口共同連接，統(tǒng)一放入掃描版中掃描，掃描模式為嵌入式掃描。

數(shù)據(jù)收集器通過(guò)雙電源供電，有效保證穩(wěn)定工作，雙電源電路分為供電和復(fù)位電路兩種，輸送不同的供電信號(hào)，電源電路輸送的信號(hào)為T(mén)DCF256信號(hào)，復(fù)位電路輸送的信號(hào)為3CEMA信號(hào)。復(fù)位電路比供電電路更復(fù)雜，在不同的電壓下，工作狀態(tài)不同。當(dāng)電壓為低于10V時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)工作模式；當(dāng)電壓為10V～20V時(shí)，數(shù)據(jù)收集器處于低速工作模式；當(dāng)電壓在20V～50V時(shí)，數(shù)據(jù)收集器處于正常工作模式；當(dāng)電壓在50V～220V時(shí)，數(shù)據(jù)收集器處于高速工作模式。輸入的電流為直流電流，增強(qiáng)信息對(duì)比度，調(diào)節(jié)電壓偏置。

1.2 數(shù)據(jù)處理器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理器為網(wǎng)絡(luò)通信硬件系統(tǒng)的核心部分，共有12個(gè)數(shù)據(jù)處理點(diǎn)，通過(guò)Wemafad程序運(yùn)行。數(shù)據(jù)處理器英國(guó)ARM公司生產(chǎn)的第十代ARM數(shù)據(jù)處理器，ARM10有12個(gè)流水線結(jié)構(gòu)，是在前兩代的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，充分發(fā)揚(yáng)了前面兩代處理器的優(yōu)點(diǎn)，改善了缺點(diǎn)[6]。處理器分為三大模塊，分別為：CPU模塊、DSP模塊和I/O模塊。數(shù)據(jù)處理器模塊組成如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理器模塊組成

分析圖2可知，處理器中DSP模塊為核心模塊，起主要作用，CPU模塊與I/O模塊為附屬模塊，起到輔助作用。CPU模塊能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)挖掘出來(lái)，而且對(duì)于以太網(wǎng)大部分類(lèi)型的光纖接口都適用，同時(shí)也能將CM接口與以太網(wǎng)光纖接口連接在一起，完成信息擴(kuò)展工作。DSP模塊作為核心模塊既能處理常規(guī)模式，也能處理數(shù)字化模式，同時(shí)具備數(shù)據(jù)采集功能和邏輯保護(hù)功能。DSP模塊的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是內(nèi)部裝有電子和光學(xué)互感器。DSP模塊對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力極強(qiáng)，甚至可以處理16位的數(shù)字信號(hào)，工作時(shí)信噪比為35dB，串行光纖接口互相連接為工作的可靠性和安全性提供有效保障，符合IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)。I/O模塊最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈敏度高，即使十分微弱的信號(hào)，I/O模塊也能感受到，這是因?yàn)閮?nèi)部采用了光耦技術(shù)，不僅如此I/O模塊的工作時(shí)間也很短，數(shù)據(jù)處理工作不會(huì)超過(guò)10ms，處理的數(shù)據(jù)不僅是小容量數(shù)據(jù)，也有大容量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊的所有工作狀態(tài)都會(huì)被監(jiān)控系統(tǒng)記錄，一旦發(fā)現(xiàn)故障就會(huì)立刻采取有效措施解決，提高工作效率[7]。

1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

完成了數(shù)據(jù)處理工作后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會(huì)將所有的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成文字代碼，轉(zhuǎn)換器使用的是丹麥Fafel公司研發(fā)的78AEV芯片，此款芯片最大的優(yōu)勢(shì)在于延時(shí)短，僅有2～5μ s，工作時(shí)內(nèi)部數(shù)據(jù)連接點(diǎn)共同連接，工作效率很高，工作時(shí)間很短。除此之外，78AEV芯片體積小，重量輕，消耗功率很低，工作過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，是一款綠色芯片[8]。

2 變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在完成上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)NETBEUINETBEUI程序完成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，要分析出采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)類(lèi)型，然后將信號(hào)放入處理器中轉(zhuǎn)碼，最后由通信電路傳遞給接受者。軟件部分計(jì)算過(guò)程如下：

式(1)中，ψ表示主機(jī)頻率，o表示運(yùn)行區(qū)域，T代表通信時(shí)間，A代表不同類(lèi)型的通信數(shù)據(jù)信號(hào)，N表示數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)碼范圍。通過(guò)上述算法能夠?qū)⒄Z(yǔ)言信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信息，回執(zhí)傳遞給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼器中，最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做出整體處理，在屏幕上顯示出反應(yīng)結(jié)果[9]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于以太網(wǎng)變電站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是否能夠有效的完成通信，將其與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)放在一起進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)通過(guò)軟件調(diào)試和硬件測(cè)試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：設(shè)置工作環(huán)境為以太網(wǎng)環(huán)境，通信電壓為220V，輸入直流電為50A，輸入交流電為15A，工作標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，工作程序組態(tài)為NETBEUINETBEUI，設(shè)定的工作時(shí)間為70min，工作頻率為80 MHz。具體參數(shù)如表1所示[10]。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)上述設(shè)定的環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果如圖4所示。

分析圖3可知，本文設(shè)定的系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)都能在以太網(wǎng)環(huán)境下完成數(shù)據(jù)信息的通信，但是就實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本文研究的系統(tǒng)的通信能力要始終高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，而且隨著時(shí)間的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)基本上不能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信工作，但是本文研究的系統(tǒng)依舊能夠高效工作。除此之外，本文給出的系統(tǒng)工作時(shí)間更短，所消耗成本更低，使人們聊天通信變得更加方便快捷。

圖3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在以太網(wǎng)環(huán)境下設(shè)計(jì)了變電站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件部分由數(shù)據(jù)收集器、數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)通信器四部分組成，數(shù)據(jù)收集器內(nèi)部采用美國(guó)Intel公司研發(fā)的TCWAR94芯片，雙電源的供電方式為運(yùn)行提供保障；數(shù)據(jù)處理器內(nèi)部有CPU模塊、DSP模塊和I/O模塊3個(gè)模塊共同工作，DSP模塊為核心模塊，CPU模塊和I/O模塊起到輔助作用；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用的是丹麥Fafel公司研發(fā)的78AEV芯片，工作延時(shí)短；利用NETBEUINETBEUI程序?qū)崿F(xiàn)軟件部分的設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的研究證明所給的系統(tǒng)工作效率明顯高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確高效地完成數(shù)據(jù)的傳遞，具有很好的發(fā)展前景。

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