基于電力專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀表的多業(yè)務(wù)接入

基于電力專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀表的多業(yè)務(wù)接入

Realization of Multi-service Access of Remote Meter Supervision Based on the Electric Power Communication Network
湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院   唐求  王煉紅  李凌云

摘要：本文針對目前電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)中遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控多業(yè)務(wù)接入的特點(diǎn)和存在的問題，提出了一種同時(shí)支持10M/100Mbit/s以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接入和RS-232/422/485/USB/CAN等業(yè)務(wù)接入的解決方案和具體實(shí)現(xiàn)方法，并給出了詳細(xì)的測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；儀表
本文2005年3月18日收到。
引言
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)在儀器技術(shù)領(lǐng)域的不斷滲透，儀表網(wǎng)絡(luò)化成為現(xiàn)代儀器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，大量工業(yè)和民用儀表需要進(jìn)行遠(yuǎn)程接入和監(jiān)控。
電力系統(tǒng)調(diào)度網(wǎng)是電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)的最主要和最重要的組成部分，該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)包括連接各變電站、供電所、調(diào)度中心等機(jī)構(gòu)在內(nèi)的通信專網(wǎng)，其主流組網(wǎng)技術(shù)采用SDH傳輸和PCM接入實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的業(yè)務(wù)傳輸和接入。如何基于該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)和信號報(bào)警等遠(yuǎn)程監(jiān)控成為電力系統(tǒng)調(diào)度的重要內(nèi)容之一。
基于上述組網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)終端結(jié)點(diǎn)一般只提供傳統(tǒng)電路型業(yè)務(wù)接入，而不提供10M/ 100Mbit/s以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)前數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中無可爭議的標(biāo)準(zhǔn)，許多遠(yuǎn)程儀器或儀表都配置了10M/100Mbit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口。盡管Ethernet Over SDH（EOS）技術(shù)可以在SDH傳輸網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)10M/100M/1000Mbit/s全速率以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入，但該技術(shù)目前尚存在技術(shù)太復(fù)雜和成本過高等眾多問題，無法在該傳輸接入網(wǎng)的終端結(jié)點(diǎn)大量使用。
本文針對電力系統(tǒng)調(diào)度專網(wǎng)終端結(jié)點(diǎn)的具體特點(diǎn)，提出了一種面向和基于該專網(wǎng)終端結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀表多業(yè)務(wù)接入的解決方案和具體實(shí)現(xiàn)方法，可較好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)和信號報(bào)警等實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸功能，同時(shí)避免了基于公共有線和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸安全性差的問題。

解決方案和實(shí)現(xiàn)方法
解決上述專網(wǎng)終端結(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程儀表多業(yè)務(wù)接入的關(guān)鍵在終端結(jié)點(diǎn)提供以太網(wǎng)接口和RS-232/422/485/USB/CAN等其它總線接口，具體解決方案具體如圖1所示。

圖1遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控多業(yè)務(wù)接入功能框圖

圖1中所示的系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：
1) 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入部分：該部分通過HDLC/MAC網(wǎng)橋轉(zhuǎn)換控制器單元實(shí)現(xiàn)，支持10M/100Mbit/s以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接入，支持HDLC接口與協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，支持流量控制、帶寬限制和自適應(yīng)等功能。在SDH系統(tǒng)接入側(cè)，網(wǎng)橋轉(zhuǎn)換控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的HDLC（Media Independent Interface）和協(xié)議，通過E1與SDH網(wǎng)絡(luò)連接。在以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接入側(cè)，網(wǎng)橋轉(zhuǎn)換控制器與PHY采用標(biāo)準(zhǔn)的MII/RMII（Media Independent Interface / Reduce Media Independent Interface）接口，并通過隔離變壓器（Magnetic）組和匹配電路完成與LAN的接口；
2) 協(xié)議處理（IP Protocol Processor）部分：該部分作為現(xiàn)場總線網(wǎng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)，通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換終端實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與RS-232/422/485/USB/CAN等其它總線接口轉(zhuǎn)換。
3) CPU子系統(tǒng)部分：該部分通過SMI（Serial Management Interface）串行管理接口實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)橋模塊的配置和管理，通過PMI（Parallel Management Interface）并行接口完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換終端的協(xié)議處理。
基于上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了一個(gè)評估系統(tǒng)。其中，HDLC/MAC網(wǎng)橋轉(zhuǎn)換控制器和PHY單元采用ATAN Technology 公司的AT8993評估板模塊實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換終端采用基于單片機(jī)子系統(tǒng)并配置SMI接口的評估板模塊實(shí)現(xiàn)（如海旭公司的HX系列模塊）。

測試與結(jié)果
為了驗(yàn)證該解決方案面向遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入的可行性和性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)典型的系統(tǒng)模擬測試環(huán)境。由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換終端可直接接入以太網(wǎng)，在此不作測試，僅對系統(tǒng)和以太網(wǎng)部分進(jìn)行測試。
其中，4個(gè)網(wǎng)元NE1_NE4用光纖環(huán)形組網(wǎng)，ETH/HDLC模塊和PCM模塊通過E1設(shè)備的端口與傳輸設(shè)備接口，各網(wǎng)元的ETH/HDLC I/F接口與以太網(wǎng)性能測試儀的4個(gè)端口PORT1_PORT4之間通過網(wǎng)線連接，并假設(shè)PORT1為主結(jié)點(diǎn)，PORT2_PORT4為從結(jié)點(diǎn)（見圖2所示）。

圖2  模擬測試環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過網(wǎng)管設(shè)備配通路由并能ping通各結(jié)點(diǎn)的前提下，通過網(wǎng)絡(luò)性能測試儀收發(fā)包模擬基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集的上傳和控制命令的下發(fā)，并對與數(shù)據(jù)上傳和控制命令下發(fā)相關(guān)的功能和性能進(jìn)行測試。
在功能測試方面，重點(diǎn)測試了自適應(yīng)、流量控制和以太網(wǎng)幀格式支持等功能指標(biāo)，具體結(jié)果如下：
* 支持端口的10M/100Mbit/s、全雙工/半雙工工作模式自動(dòng)協(xié)商、配置和保存；
* 支持端口的Auto MDIX平行線和交叉線自適應(yīng)；
* 支持基于全雙工Pause幀和半雙工背壓的流量控制；
* 支持所有IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)和以太網(wǎng)II規(guī)定的以太網(wǎng)幀收發(fā)，并對CRC錯(cuò)幀、超長幀、超短幀等異常數(shù)據(jù)包能正確處理；
在性能測試方面，重點(diǎn)測試了吞吐量、幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和幀丟失率3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，具體結(jié)果如表1所示。
表1  性能測試結(jié)果
Frame Size 
64
128
256
512
1024
1280
1518
Tx Frames
29760
16890
9060
4700
2390
1920
1630
Rx Frames
29760
16890
9060
4700
2390
1920
1630
Latency (ns)
443440
699120
1205160
2230040
4269160
5291520
6237280
Total Tx Frames
59520
33780
18120
9400
4780
3840
3260
Total Rx Frames
59520
33780
18120
9400
4780
3840
3260
Throughput (Mbit/s)
2.73
2.40
2.23
2.15
2.10
2.09
2.09
Avg Latency (ns)
434260
691460
1198740
2221460
4260240
5282600
6230600
Total Loss (%)[*][**]
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
[*]：幀丟失率的測試條件為以2%線速（100Mbit/s）發(fā)包；
[**]：在2%線速（100Mbit/s）發(fā)包條件下24小時(shí)幀丟失率也為0.000；
由于該系統(tǒng)的HDLC接口的速率僅為2048kbit/s，盡管通過流量控制、帶寬限制和自適應(yīng)等機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)10M/100Mbit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入，但其實(shí)際能提供的帶寬只有約2 Mbit/s，因此表1的吞吐量Average%項(xiàng)始終只有20％，而不是理論上的100％。

結(jié)語
測試結(jié)果表明，本解決方案通過以太網(wǎng)的流量控制、帶寬限制和自適應(yīng)等機(jī)制能很好地支持10M/100Mbit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入，其實(shí)際可使用的帶寬為約2 Mbit/s。只要遠(yuǎn)程監(jiān)控儀器和設(shè)備的帶寬需求在此范圍之內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控儀表的接入，同時(shí)避免了基于公共有線和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸安全性差的問題。該解決方案為解決電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)的終端結(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程儀表監(jiān)控系統(tǒng)的接入提供了一種切實(shí)可行的解決方法。

參考文獻(xiàn)：
1.  AT8993 3 port 10/100 Mb/s Single Chip Ethernet Switch Controller and Demo Board, Preliminary Data Sheet, ATAN Technology Inc. March 2002.