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    作者簡介：吳道虎，男，工學博士，畢業于武漢華中科技大學，現任北京立華萊康平臺科技有限公司研發總監，主要從事嵌入式產品/工業交換機產品開發與技術管理工作。

    摘要：智能電網作為未來國家工業發展的重點，其基礎是通信系統，本文結合智能電網對其通信系統的要求，在分析了智能電網通信系統的技術特征的背景下，提出了滿足智能電網通信需求的工業嵌入式通信控制器的設計方案與實現技術。
關鍵詞：智能電網；工業嵌入式通信控制器；IPv6；IEEE1588；設計與實現

    1 智能電網以及對工業嵌入式系統的要求

    1.1 智能電網通信技術

    建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎[1]，以滿足智能電網的數據獲取、保護和控制的所需的通信要求，實現電網和通信網絡的完美統一，使智能電網成為一個動態的、實時信息和電力交換互動的大型基礎設施，極大提高電網的供電可靠性和資產的利用率，抵御電網受到的攻擊，從而提高電網價值。適用于智能電網的通信技術需具備以下特征：

    （1）具備雙向性、實時性、可靠性特征，出于安全性考慮，應是與公網隔離的電力通信專網；
    （2）具備技術先進性，能夠承載智能電網現有業務和未來擴展業務；
    （3）具備自主知識產權，具有面向電力智能電網業務的定制開發和業務升級能力。

    1.2 智能電網對信息處理平臺要求

    智能電網是將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網。從智能電網的架構，如圖1所示來看，“發電–輸電–配電–需求側”4 級產業鏈業務是互動的，互動的基礎是堅實可靠的通信網路，因此建立“高速、雙向、實時、集成”的通信系統是實現智能電網的基礎，在現場級中承擔著智能電網的電能信息采集、處理與分析、安全管理、通信、決策運算等任務的工業嵌入式平臺在智能電網架構中的作用越來越重，對其可靠性、穩定性、安全性等提出了更高的要求。大致分析如下：

    （1）依靠數字通信與其它IED進行協調配合：在智能電網中，其通信協議IEC-61850的實現，傳統導線將被光纖取代，傳統的調試維護工作將轉變為檢查網絡通信是否正常，數字化通信將成為IED之間進行協調配合的主要形式；

    （2）具有以太網的通信接口：具備IEC61850協議的產品實現中的物理層和鏈路層接口都是以太網接口，且逐步以光纖為媒體的以太網接口為主；

    （3）設備本身必須是綠色環保，以符合智能電網對接入設備的要求，因此，必須是更低功耗、具有RoHS特征、自我診斷、功能失效恢復與報警智能特性等；

    （4）工業以太網通信網路具備IPV6特性；

    （5）具備IEC-61588（2009），也即IEEE-1588特性的精確對時通信；

    （6）設備具備高可靠性、安全性，尤其是EMC符合電力系統要求，如滿足IEC-61850-3是其基本要求。
總之，應用于智能電網中的新型工業嵌入式控制器，必須具備測量、控制、事件和故障記錄等多項功能，從而降低設備空間、簡化接線、降低投運與維護成本；另外，更為重要的是必須具有較強的通信能力，且滿足IPV6特性，使電網的信息集成成為可能。因此，滿足智能電網的新型工業嵌入式控制器的關鍵特征是具備IPV6以及IEC-61588（PTP）兩大特性。本文主要從這個方面的實現進行闡述。

               

                                    圖1 智能電網架構

    2 滿足智能電網的嵌入式系統的設計

    本文所涉及的核心技術應該是如何實現IPV6以及IEC-61588精確對時兩大關鍵技術，以此滿足智能電網的通信要求。

    2.1 CPU系統

    本部分不是本文的重點，嵌入式系統一般會采用具有最低功耗的RISC技術，如ARM、MIPS、PowerPC內核的CPU，這一類主要用于現場級的智能電子設備IED中，而需要做大量信息處理、操作決策的平臺還是以ULV X86平臺為主，尤其是Intel公司近期推出的嵌入式CPU，如Atom N270、N280、Pinewell N450和雙核D510系列。 

    2.2 通信網路

    2.2.1 IPv6的實現

    隨著近年來Internet應用的急劇增加，IPv4已經露出很多弊端，智能電網會以IPV6為主。在本系統設備開發過程中，為滿足新舊設備無縫連接，需要實現IPv4與IPv6系統兼容，主要考慮如下3個問題：一是充分利用現有的IPv4資源，節約成本并保護原使用者的利益；二是在實現網絡設備互聯互通的同時實現信息高效無縫傳遞；最后，在IPv4向IPv6過渡時期，采用如下的組網原則：

    （1）在能直接建立IPv6鏈路的情況下使用純IPv6路由；
    （2）在不能使用IPv6鏈路的情況下，IPv6節點之間使用隧道技術；
    （3）雙協議棧的IPv6/IPv4節點和純IPv6節點或者純IPv4的節點通信不需要采用協議轉換，而直接“自動”選擇相應的協議進行通信；
    （4）對于純IPv6節點和純IPv4節點之間的互通，則應該使用協議轉換（NAT-PT）或者應用層網關（ALG）技術，且保證在不修改原有應用的情況。

    實現IPv4、IPv6系統兼容最關鍵的一點就是能夠正確攔截并修改與移動IPv6相關的IP包，而對于其他正常的IP包不作任何改動。Linux Netfilter[2]框架正好提供了這種能力。利用Netfilter框架，對于從本機發出去的IPv6包，可以用NF_LOCAL_OUT hook來攔截它們，并判斷是否屬于移動IPv6協議的包。如果不是，則不作任何改動，將這些包發送出去；如果是IPv6協議的包，則將它們遞交到相應的移動IPv6處理模塊。該模塊按照IPv6協議規范，或者改動包的內容將其重新放入內核協議棧后發送出去，或者是從該包中獲取需要的信息后將其丟棄。同樣，對于從網絡中接收到的IPv6包，操作基本相同，只不過包的流動方向相反。即使用Netfilter框架的NF_PRE_ROUTING hook攔截收到的IPv6包，判斷并遞交到移動IPv6處理模塊進行處理，然后重新放入協議棧，交給相應的上層應用軟件系統解決了在IPv6環境中如何收發IPv6_in_IPv6 Tunnel包。圖2表示了IPv4與IPv6協議轉換模型。

                    

                           圖2 IPv4與IPv6協議轉換模型 

    2.2.2 時延的解決

    智能電網對信息通信通道的時延要求是：變電站內部小于1 ms，其它小于500 ms；同步時間偏差小于1 ms。據IBM對帶寬需求的預測，每個先進的變電站需0.2~1.0 Mbit/s 帶寬，連續抄表每百萬先進的電表需1.85~2.0 Mbit/s 帶寬，每萬個智能傳感器需0.5~4.75 Gbit/s 帶寬。

    工業以太網在工業控制中應用的最大障礙是其時延性以及數據傳輸過程中的時間不確定性，但隨著快速以太網與交換式以太網技術的發展，通信速率從10M、100M增大到如今的千兆、甚至10G，完全可以勝任控制響應時間大于5ms的系統，但對于智能電網系統的控制傳輸抖動小于1ms的系統，則仍然顯得力不從心。解決工業以太網實時性除了進一步提升其本身的傳輸速率外，根本的解決工業以太網數據傳輸的機制，以期進一步提高數據傳輸的時間確定性。目前各大公司和標準組織紛紛提出各種提升工業以太網實時性的技術解決方案，其中包含我國EPA實時以太網標準在內的六個主要的實時工業以太網標準：EPA、EtherCAT、Ethernet Power Link、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP。

    工業以太網可以分為兩大類：用于過程控制領域的工業以太網（例如HSE）以及用于離散控制領域的工業以太網（例如EPL）。兩者的共同之處在于網絡響應時間具有統一的模型，網絡中的延遲都是其中重要組成部分。整個工業以太網系統的實時性能是由網絡響應時間反映的，影響網絡響應時間的因素主要來自三個部分：本地系統（即源節點的處理）、工業以太網網絡（即傳輸部分）、目的節點系統（即目的節點的處理）。某種報文的實時性得到滿足是指其報文響應時間小于規定的時限，某個節點的實時性合乎要求是指該節點發出的所有報文在指定的時限內都能獲得響應。整個控制網絡的實時性符合要求是指分布在網絡上每一個節點的每一種報文的實時性均得到保證。為滿足整個網絡的實時性，對報文傳輸給予下列三個時間約束條件，則可以極大程度地降低網絡的延遲：

    （1）每個節點獲得通信權的時間有上限值限制。若超過此值，無論本次通信任務是否完成，均應立即釋放通信權。這一時間約束可防止某一節點長時間占用總線而導致其它各節點實時性惡化；

    （2）應當保證在某一固定的時間周期內，網絡上的每一個節點都有機會取得通信權，以防個別節點因長時間得不到通信權而使其實時性太差甚至喪失實時性。只要有一個節點出現這種情況，整個網絡的實時性就得不到保證。這一固定時間周期的長短是控制網絡實時性好壞的一個衡量標準；

    （3）對于緊急任務，當其實時性要求臨時變得很高時，應當給以優先服務。對于實時性要求比較高的節點，也應當使它取得通信權的機會比其它節點多一些。因此采用靜態（固定）的方式賦予某些節點較高的優先權，采用動態（臨時）的方式賦予某些通信任務以比較高的優先權，則將使緊急任務及重要節點的實時性得到滿足。

    2.3 IEC-61588（2009）實現

    為滿足智能電網的實時與互動，尤其是電能采集系統，其前端的各種傳感器連接到數據采集板，板上安裝的精確時鐘通過IEEE1588協議的以太網與系統主時鐘同步，使傳感器的同步時間發生在1μs內，每秒鐘內要執行200次測量，測量間隔5ms，傳感器的輪換時間是1μs。控制系統內的多種測量儀器在時間對準后，按本地時鐘捕捉數據和分析數據，清除了觸發產生的延遲。這種利用IEEE1588協議的以太網數據采集系統，節省大量分別連接每個傳感器的線纜，達到精確定時同步，便于遠控測量，成本降低。

    當前工業自動化使用IRIGB格式時間碼，每天時間準確度小于1μs。而IEEE1588更加具有潛力，可將控制系統的每天時間準確度推進到100ns。原因IEEE1588協議可直接將每天時間信息從主控時鐘發送到客戶時鐘，更具有優勢。從智能電網發展趨勢來看，采用IEEE1588協議的以太網將會更適合智能電網。

    更為重要的是采用IEEE1588協議的以太網，解決了通用以太網延遲時間長和同步能力差的瓶頸，在電能監測應用中將發揮更大作用。確定時間偏移的典型方法是使用同步消息來確定對主機的偏差。使用平均或濾波的方式來平滑連接，并避免每次測量的過量校正。對于時間校正來說，可利用兩個不同的機制來檢測和校正時間偏差。

    第一個機制的基本想法是尋找最小延時。基本算法是在最近的延時中檢測最小的主機到從機的延時。為防止過量校正，也對時間校正進行了限制。這個方法基于它擁有的最好信息而在每個周期都進行校正。如果沒有收到真實的最小延時消息報文，這將導致不適當的校正。

    第二個時間校正機制是嘗試只使用延時來進行校正，前提是這些延時已經確定為真實最小延時包，它有助于避免對時間值的無效校正。這個機制的基本想法是使用同步和延時請求來進行時間校正。對于同步消息，如果主機到從機延時小于最小平均路徑延時，測量結果就顯示至少有一個主機到從機延時減去最小平均路徑延時的時間偏差。

    兩個方法都是通過調節一段時間內的精準時間協議的時鐘速率來進行時間校正。為了避免速率的大波動，每一個校正都限制幅值。這將有助于降低由于時間偏移的快速校正而引起的時間間隔誤差。在第二個機理中通過保持時間誤差值進行處理。當因接收到的同步或延時請求引起的新誤差被計算出來時，如果這個新誤差代表了一個更大的偏差，時間誤差就更新為新值。否則，時間誤差保持不變。基于時間誤差，只能進行有限的校正并從時間誤差中去除。因此，在完成校正之前，偏移測量可能進行多次校正。圖3為采用美國國半公司的DP83640芯片的解決方法。

                

                      圖3 在點對點網絡拓撲中同步以太網模式使能的DP83640的工作框圖

    3 結語

    只有滿足低功耗、且具有IEC-61588精確網絡通信報文對時功能，同時具備IPv6特性，能實現與IPv4平穩過度和無縫連接的嵌入式通信控制器平臺，才能真正適合未來智能電網功能強大的通信系統的要求。北京立華萊康平臺科技有限公司是一家專業從事網絡安全與通信設計的專業廠家，具備從RISC到嵌入式X86網絡安全與通信平臺設計、加工能力。為適應未來智能電網的發展需求，目前已經開發了能滿足智能電網通信要求的通信應用平臺，如表1所示。

    表1 能滿足智能電網的工業嵌入式通信應用平臺

   

    致謝：本文撰寫過程中，參考了許多專家已有的科研成果，在此深表謝意。鑒于版面限制，不一一列舉。

    參考文獻：

    [1] 常康，薛峰，楊衛東. 中國智能電網基本特征及其技術進展評述[J]. 電力系統自動化， 2009, (17).
    [2] 王浩. IPv4與IPv6相互轉換技術研究[J]. 計算機與數字工程， 2010， (01) :114-117.
    [3] 陳永標. IEEE 1588時間精確同步協議（PTP）在電力系統應用的可行性研究[D]. 上海交通大學，2009.