基于電力專網實現遠程儀表的多業(yè)務接入

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

摘要：本文針對目前電力系統(tǒng)通信專網中遠程儀表監(jiān)控多業(yè)務接入的特點和存在的問題，提出了一種同時支持10M/100Mbit/s以太網業(yè)務接入和RS-232/422/485/USB/CAN等業(yè)務接入的解決方案和具體實現方法，并給出了詳細的測試結果。
關鍵詞：電力系統(tǒng)通信專網；遠程監(jiān)控；儀表
本文2005年3月18日收到。
引言
隨著現代通信技術在儀器技術領域的不斷滲透，儀表網絡化成為現代儀器技術的重要發(fā)展方向之一，大量工業(yè)和民用儀表需要進行遠程接入和監(jiān)控。
電力系統(tǒng)調度網是電力系統(tǒng)通信專網的最主要和最重要的組成部分，該網絡構建了一個包括連接各變電站、供電所、調度中心等機構在內的通信專網，其主流組網技術采用SDH傳輸和PCM接入實現全網的業(yè)務傳輸和接入。如何基于該網絡實現數據采集、設備控制、測量、參數調節(jié)和信號報警等遠程監(jiān)控成為電力系統(tǒng)調度的重要內容之一。
基于上述組網技術的網絡終端結點一般只提供傳統(tǒng)電路型業(yè)務接入，而不提供10M/ 100Mbit/s以太網的數據業(yè)務接入。
隨著計算機技術和Internet技術的飛速發(fā)展，以太網技術成為當前數據網絡中無可爭議的標準，許多遠程儀器或儀表都配置了10M/100Mbit/s以太網數據業(yè)務接口。盡管Ethernet Over SDH（EOS）技術可以在SDH傳輸網上實現10M/100M/1000Mbit/s全速率以太網數據業(yè)務接入，但該技術目前尚存在技術太復雜和成本過高等眾多問題，無法在該傳輸接入網的終端結點大量使用。
本文針對電力系統(tǒng)調度專網終端結點的具體特點，提出了一種面向和基于該專網終端結點實現遠程儀表多業(yè)務接入的解決方案和具體實現方法，可較好地實現數據采集、設備控制、測量、參數調節(jié)和信號報警等實時監(jiān)控數據傳輸功能，同時避免了基于公共有線和無線網絡進行遠程儀表監(jiān)控數據傳輸安全性差的問題。

解決方案和實現方法
解決上述專網終端結點遠程儀表多業(yè)務接入的關鍵在終端結點提供以太網接口和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遠程儀表監(jiān)控多業(yè)務接入功能框圖

圖1中所示的系統(tǒng)由三個部分組成：
1) 以太網數據業(yè)務接入部分：該部分通過HDLC/MAC網橋轉換控制器單元實現，支持10M/100Mbit/s以太網業(yè)務接入，支持HDLC接口與協(xié)議轉換功能，支持流量控制、帶寬限制和自適應等功能。在SDH系統(tǒng)接入側，網橋轉換控制器采用標準的HDLC（Media Independent Interface）和協(xié)議，通過E1與SDH網絡連接。在以太網業(yè)務接入側，網橋轉換控制器與PHY采用標準的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：該部分作為現場總線網與以太網互聯的網關，通過以太網數據轉換終端實現以太網與RS-232/422/485/USB/CAN等其它總線接口轉換。
3) CPU子系統(tǒng)部分：該部分通過SMI（Serial Management Interface）串行管理接口實現對網橋模塊的配置和管理，通過PMI（Parallel Management Interface）并行接口完成以太網數據轉換終端的協(xié)議處理。
基于上述設計思想設計了一個評估系統(tǒng)。其中，HDLC/MAC網橋轉換控制器和PHY單元采用ATAN Technology 公司的AT8993評估板模塊實現，以太網數據轉換終端采用基于單片機子系統(tǒng)并配置SMI接口的評估板模塊實現（如海旭公司的HX系列模塊）。

測試與結果
為了驗證該解決方案面向遠程儀表監(jiān)控的以太網數據業(yè)務接入的可行性和性能，設計了一個典型的系統(tǒng)模擬測試環(huán)境。由于以太網數據轉換終端可直接接入以太網，在此不作測試，僅對系統(tǒng)和以太網部分進行測試。
其中，4個網元NE1_NE4用光纖環(huán)形組網，ETH/HDLC模塊和PCM模塊通過E1設備的端口與傳輸設備接口，各網元的ETH/HDLC I/F接口與以太網性能測試儀的4個端口PORT1_PORT4之間通過網線連接，并假設PORT1為主結點，PORT2_PORT4為從結點（見圖2所示）。

圖2  模擬測試環(huán)境拓撲結構

通過網管設備配通路由并能ping通各結點的前提下，通過網絡性能測試儀收發(fā)包模擬基于以太網的數據采集的上傳和控制命令的下發(fā)，并對與數據上傳和控制命令下發(fā)相關的功能和性能進行測試。
在功能測試方面，重點測試了自適應、流量控制和以太網幀格式支持等功能指標，具體結果如下：
* 支持端口的10M/100Mbit/s、全雙工/半雙工工作模式自動協(xié)商、配置和保存；
* 支持端口的Auto MDIX平行線和交叉線自適應；
* 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標準和以太網II規(guī)定的以太網幀收發(fā)，并對CRC錯幀、超長幀、超短幀等異常數據包能正確處理；
在性能測試方面，重點測試了吞吐量、幀轉發(fā)時延和幀丟失率3個關鍵指標，具體結果如表1所示。
表1  性能測試結果
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、帶寬限制和自適應等機制可以實現10M/100Mbit/s以太網數據業(yè)務接入，但其實際能提供的帶寬只有約2 Mbit/s，因此表1的吞吐量Average%項始終只有20％，而不是理論上的100％。

結語
測試結果表明，本解決方案通過以太網的流量控制、帶寬限制和自適應等機制能很好地支持10M/100Mbit/s以太網數據業(yè)務接入，其實際可使用的帶寬為約2 Mbit/s。只要遠程監(jiān)控儀器和設備的帶寬需求在此范圍之內，即可實現監(jiān)控儀表的接入，同時避免了基于公共有線和無線網絡進行遠程儀表監(jiān)控數據傳輸安全性差的問題。該解決方案為解決電力系統(tǒng)通信專網的終端結點的遠程儀表監(jiān)控系統(tǒng)的接入提供了一種切實可行的解決方法。

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