論文-工業(yè)以太網(wǎng).doc

基于IEC61850工業(yè)以太網(wǎng)交換機的設(shè)計與應(yīng)用Application and design of Industrial Ethernet switch based on IEC61850摘要 IEC61850作為新一代變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)，在功能、電磁兼容、環(huán)境溫度和機械結(jié)構(gòu)等方面對工業(yè)以太網(wǎng)交換機提出了更高的要求，從而使得數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備工業(yè)以太網(wǎng)交換機為數(shù)字化變電站的通信提供可靠的保障。基于IEC61850的光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機的設(shè)計及在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用研究將積極地推動變電站自動化水平的提高。關(guān)鍵詞 IEC61850 數(shù)字化變電站 光纖 工業(yè)以太網(wǎng)交換機 應(yīng)用設(shè)計Abstract As a new generation of international substation automation communication network standard, IEC61850 has put forward higher requirement in terms of electromagnetic compatibility,environmental temperature and mechanical structures in functions, making Industrial Ethernet switch ,which is the key equipment to digital substation communication network,provide reliable communication protection.The study and design about Fiber Industrial Ethernet switch as well as how to use it in digital substation will actively promote the level of the substation automation.Key words: IEC61850 ，digital substation ，fiber ，Industrial Ethernet switch Design and application 1 引言 據(jù)統(tǒng)計數(shù)字表明，目前全球85的網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)技術(shù)。尤其是上世紀九十年代初，隨著計算機性能的不斷提高以及通信量的急劇增加，傳統(tǒng)局域網(wǎng)逐漸超出了自身負荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，大大提高了局域網(wǎng)性能。為了順應(yīng)技術(shù)發(fā)展的潮流，各個芯片公司也推出了適用于工業(yè)要求的產(chǎn)品.當(dāng)前電力系統(tǒng)中，對變電站自動化的要求越來越高，為方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，就需要一種通用的通信方式來實現(xiàn)。IEC61850通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化,使其形成一個規(guī)范的輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，主要目的是使不同廠家的智能電子設(shè)備(IED)通過相同標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)互操作和信息共享。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站通信體系分為變電站層、間隔層和過程層。各層內(nèi)部和各層之間通過高速以太網(wǎng)實現(xiàn)信息共享。2以太網(wǎng)交換機功能原理 2.1交換機主要功能： 學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。 轉(zhuǎn)發(fā)/過濾：當(dāng)一個數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口而不是所有端口（如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。 消除回路：當(dāng)交換機包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。 2.2交換機的工作特性： （1）交換機的每一個端口所連接的網(wǎng)段都是一個獨立的沖突域。 （2）交換機所連接的設(shè)備仍然在同一個廣播域內(nèi)。（3）交換機依據(jù)幀頭的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)。 另外，目前交換機在傳送源和目的端口的數(shù)據(jù)包時通常采用直通式交換、存儲轉(zhuǎn)發(fā)式和碎片隔離方式三種數(shù)據(jù)包交換方式。目前的存儲轉(zhuǎn)發(fā)式是交換機的主流交換方式。3數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng) 配電自動化系統(tǒng)主要由配電主站、配電終端、配電子站和通信通道等部分組成, 配電主站是配電自動化系統(tǒng)的核心部分。數(shù)字化變電站是指遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站，其主要特征是：“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”。 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點：(1)智能化的一次設(shè)備。一次設(shè)備大量采用微處理器、可編程控制器、光電技術(shù)、光纖技術(shù)等技術(shù)手段。(2)網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備。站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備以及新興裝置全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機設(shè)計制造，設(shè)備間通過高速的網(wǎng)絡(luò)通信，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、資源共享。 (3)自動化的運行管理系統(tǒng)。包括電力生產(chǎn)自動化；故障時的智能化；設(shè)備檢修自動化。 3.1數(shù)字化變電站對工業(yè)以太網(wǎng)交換機的要求 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是連接站內(nèi)各種智能電子設(shè)備(IED)的紐帶，是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的命脈。工業(yè)以太網(wǎng)交換機作為數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的重要設(shè)備，IEC 618503對其提出了更嚴格的要求。在功能方面：(1)支持QoS服務(wù)質(zhì)量和快速存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，以保證網(wǎng)絡(luò)中重要的GOOSEGSSE報文得到實時傳輸：(2)支持VLAN實現(xiàn)網(wǎng)段隔離，保證重要數(shù)據(jù)實時、可靠傳輸并抑制網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴；(3)支持冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性：(4)支持RSTP快速生成樹協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)故障時的收斂速度，避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)回和抑制網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴等。在電磁兼容方面：要求能在強電磁干擾、電擊、雷擊等環(huán)境下正常工作。在環(huán)境溫度方面：滿足寬溫范圍。在機械結(jié)構(gòu)方面：滿足特定的防塵、防潮、防水要求；具備良好的散熱條件：能承受強振動、大沖擊的外力等。伴隨國內(nèi)數(shù)字化變電站的建設(shè)，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機得到了國內(nèi)外通信設(shè)備供應(yīng)商的高度重視。深圳市金宏威實業(yè)發(fā)展有限公司嚴格按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，自主研發(fā)了IETH9000系列智能型光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機,圖3.1是9000系列結(jié)構(gòu)框圖。圖3.1 IETH9000系列結(jié)構(gòu)框圖3.2方案設(shè)計3.2.1 硬件部分 IETH9000系列交換機均采用工業(yè)級、高性能的元器件，硬件部分主要由CPU模塊和交換模塊組成，如圖3.2.1(a)所示。CPU芯片是基于ARM9的32位嵌入式處理器，實現(xiàn)交換機的高級管理功能配置、遠程管理以及對故障的診斷監(jiān)測。SDRAM和FLASH實現(xiàn)交換機中程序和數(shù)據(jù)的存儲管理。硬件整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖見圖3.2.1(b)。圖3.2.1(a)工業(yè)以太網(wǎng)交換機方案圖3.2.1(b) 交換機硬件整體結(jié)構(gòu)圖 交換模塊選用工業(yè)級、高速芯片，支持VLAN、QoS，Trunk，IGMP Snooping，STPRSTP，Mirroring，SNMP等功能：提供4個千兆的光電接口，24個10100 M光電接口和一個RS232管理口；采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)、無阻塞全線速交換；具有-40-85寬溫范圍；等。為了提高硬件電路的質(zhì)量采取了許多技術(shù)措施：如印制電路板使用CAD技術(shù)；元器件的焊接大規(guī)模采用表面貼裝生產(chǎn)工藝等。3.2.2 軟件部分 在軟件設(shè)計中系統(tǒng)分為：初始化、系統(tǒng)移植、芯片驅(qū)動、通信模塊和應(yīng)用程序等幾部分來實現(xiàn)。為了完成復(fù)雜的算法計算、任務(wù)調(diào)度及管理功能，并保證交換機的實時性、可靠性，采用了基于Vxworks操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)技術(shù)。 軟件設(shè)計的主要任務(wù)是對交換芯片的寄存器進行設(shè)置，使之實現(xiàn)豐富的網(wǎng)絡(luò)管理功能，如環(huán)網(wǎng)自愈、Vlan、QoS等技術(shù)。 交換機的動態(tài)環(huán)技術(shù)，采用專有快速算法確保網(wǎng)絡(luò)自愈時間最小。環(huán)網(wǎng)中的交換機通過循環(huán)的發(fā)送一幀監(jiān)測報文來保持彼此聯(lián)系，一旦發(fā)生故障，環(huán)網(wǎng)中的交換機就能知曉，并立即啟動備用通道。交換機實現(xiàn)了基于802.1QPortMac等VLAN，可以根據(jù)任務(wù)的輕重緩急劃分不同的網(wǎng)段，既規(guī)避了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險，又改善了帶寬的利用。交換機采用IP Head優(yōu)先級和802.1p用戶優(yōu)先級兩種策略來提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。圖3.2.2是軟件結(jié)構(gòu)框圖，其中涉及驅(qū)動程式和驅(qū)動程式封裝的是SAL層、Driver層和BCM層。SAL層可對操作系統(tǒng)和驅(qū)動層進行隔離，可提供PCI中斷連同PCI設(shè)備的查找、線程、中斷、同步和內(nèi)存管理。Driver層包括BCM5690寄存器的訪問方式實現(xiàn)、表的初始化、內(nèi)存初始化、芯片堆疊模式的配置、L2和L3地址的操作和查找、數(shù)據(jù)包的發(fā)送接收連同端口的管理等。圖3.2.2 軟件結(jié)構(gòu)框圖 交換機采用冗余雙電源輸入，當(dāng)工作電源發(fā)生故障，立即通過繼電器接通備用電源，并給出告警信息。電源的設(shè)計采用了軍品級防雷擊、防浪涌保護電路。交換機具有專有的自然風(fēng)道散熱方式。在特制的厚鋁金屬機箱中間，通過一個中空的管道將電源和交換芯片兩大熱源分割開，兩熱源通過散熱器與管道和機箱上面板緊貼，實現(xiàn)散熱。4 IETH9000系列交換機在數(shù)字化變電站的應(yīng)用考慮到數(shù)字化變電站的實際應(yīng)用情況，遵照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，提出如圖4所示的數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)方案。方案采用抗電磁干擾強的光纖網(wǎng)絡(luò)，在變電站層和間隔層之間采用冗余環(huán)網(wǎng)，在每層的內(nèi)部采用星型網(wǎng)絡(luò)。方案使用IETH9000交換機來搭建快速的光纖通信平臺。圖4 數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)對通信的實時性要求很高，方案采取了許多措施來保障。光纖冗余環(huán)網(wǎng)采用動態(tài)環(huán)技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)通道的暢通。通過VLAN將不同的業(yè)務(wù)劃分在不同的網(wǎng)段內(nèi)，不但能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和帶寬利用率，還能有效地防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和數(shù)據(jù)的沖突，從而保障了網(wǎng)絡(luò)的實時、可靠傳輸。 通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的紐帶，而網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系到通信網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運行。在這個方案中采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)和星型網(wǎng)相結(jié)合的方式，可以避免交換機的單環(huán)節(jié)點過多和多級級聯(lián)而引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)缺陷，有利于提高網(wǎng)絡(luò)的實時性、可靠性和擴展性，有助于保障變電站的正常工作。該方案基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了保護、測量以及監(jiān)控等功能，具有可靠性高、互操作性強和擴展靈活等優(yōu)點。參考文獻1 葉敏.程控數(shù)字交換與交換網(wǎng)，北京郵電大學(xué)出版社，2003年出版。2 卞佳麗 .現(xiàn)代交換原理與通信網(wǎng)技術(shù)，北京郵電大學(xué)出版社，2005年出版。 3 (德)布蘭德、羅曼、維莫爾譯者： 景雷，范建忠，蘇斌譯.變電站自動化，中國電力出版社，2009年出版。4 IEC 61850 communication networks and 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