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    作者簡介：吳道虎，男，工學(xué)博士，畢業(yè)于武漢華中科技大學(xué)，現(xiàn)任北京立華萊康平臺科技有限公司研發(fā)總監(jiān)，主要從事嵌入式產(chǎn)品/工業(yè)交換機產(chǎn)品開發(fā)與技術(shù)管理工作。

    摘要：智能電網(wǎng)作為未來國家工業(yè)發(fā)展的重點，其基礎(chǔ)是通信系統(tǒng)，本文結(jié)合智能電網(wǎng)對其通信系統(tǒng)的要求，在分析了智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)的技術(shù)特征的背景下，提出了滿足智能電網(wǎng)通信需求的工業(yè)嵌入式通信控制器的設(shè)計方案與實現(xiàn)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；工業(yè)嵌入式通信控制器；IPv6；IEEE1588；設(shè)計與實現(xiàn)

    1 智能電網(wǎng)以及對工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的要求

    1.1 智能電網(wǎng)通信技術(shù)

    建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)[1]，以滿足智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制的所需的通信要求，實現(xiàn)電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)的完美統(tǒng)一，使智能電網(wǎng)成為一個動態(tài)的、實時信息和電力交換互動的大型基礎(chǔ)設(shè)施，極大提高電網(wǎng)的供電可靠性和資產(chǎn)的利用率，抵御電網(wǎng)受到的攻擊，從而提高電網(wǎng)價值。適用于智能電網(wǎng)的通信技術(shù)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(yīng)是與公網(wǎng)隔離的電力通信專網(wǎng)；
    （2）具備技術(shù)先進性，能夠承載智能電網(wǎng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)和未來擴展業(yè)務(wù)；
    （3）具備自主知識產(chǎn)權(quán)，具有面向電力智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的定制開發(fā)和業(yè)務(wù)升級能力。

    1.2 智能電網(wǎng)對信息處理平臺要求

    智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。從智能電網(wǎng)的架構(gòu)，如圖1所示來看，“發(fā)電–輸電–配電–需求側(cè)”4 級產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)是互動的，互動的基礎(chǔ)是堅實可靠的通信網(wǎng)路，因此建立“高速、雙向、實時、集成”的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，在現(xiàn)場級中承擔(dān)著智能電網(wǎng)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(wù)的工業(yè)嵌入式平臺在智能電網(wǎng)架構(gòu)中的作用越來越重，對其可靠性、穩(wěn)定性、安全性等提出了更高的要求。大致分析如下：

    （1）依靠數(shù)字通信與其它IED進行協(xié)調(diào)配合：在智能電網(wǎng)中，其通信協(xié)議IEC-61850的實現(xiàn)，傳統(tǒng)導(dǎo)線將被光纖取代，傳統(tǒng)的調(diào)試維護工作將轉(zhuǎn)變?yōu)闄z查網(wǎng)絡(luò)通信是否正常，數(shù)字化通信將成為IED之間進行協(xié)調(diào)配合的主要形式；

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

    （3）設(shè)備本身必須是綠色環(huán)保，以符合智能電網(wǎng)對接入設(shè)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(fù)與報警智能特性等；

    （4）工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)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(shè)備具備高可靠性、安全性，尤其是EMC符合電力系統(tǒng)要求，如滿足IEC-61850-3是其基本要求。
總之，應(yīng)用于智能電網(wǎng)中的新型工業(yè)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(shè)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(wǎng)的信息集成成為可能。因此，滿足智能電網(wǎng)的新型工業(yè)嵌入式控制器的關(guān)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(xiàn)進行闡述。

               

                                    圖1 智能電網(wǎng)架構(gòu)

    2 滿足智能電網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計

    本文所涉及的核心技術(shù)應(yīng)該是如何實現(xiàn)IPV6以及IEC-61588精確對時兩大關(guān)鍵技術(shù)，以此滿足智能電網(wǎng)的通信要求。

    2.1 CPU系統(tǒng)

    本部分不是本文的重點，嵌入式系統(tǒng)一般會采用具有最低功耗的RISC技術(shù)，如ARM、MIPS、PowerPC內(nèi)核的CPU，這一類主要用于現(xiàn)場級的智能電子設(shè)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(wǎng)路

    2.2.1 IPv6的實現(xiàn)

    隨著近年來Internet應(yīng)用的急劇增加，IPv4已經(jīng)露出很多弊端，智能電網(wǎng)會以IPV6為主。在本系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)過程中，為滿足新舊設(shè)備無縫連接，需要實現(xiàn)IPv4與IPv6系統(tǒng)兼容，主要考慮如下3個問題：一是充分利用現(xiàn)有的IPv4資源，節(jié)約成本并保護原使用者的利益；二是在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)互通的同時實現(xiàn)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(wǎng)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(jié)點之間使用隧道技術(shù)；
    （3）雙協(xié)議棧的IPv6/IPv4節(jié)點和純IPv6節(jié)點或者純IPv4的節(jié)點通信不需要采用協(xié)議轉(zhuǎn)換，而直接“自動”選擇相應(yīng)的協(xié)議進行通信；
    （4）對于純IPv6節(jié)點和純IPv4節(jié)點之間的互通，則應(yīng)該使用協(xié)議轉(zhuǎn)換（NAT-PT）或者應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)（ALG）技術(shù)，且保證在不修改原有應(yīng)用的情況。

    實現(xiàn)IPv4、IPv6系統(tǒng)兼容最關(guān)鍵的一點就是能夠正確攔截并修改與移動IPv6相關(guān)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(fā)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(xié)議的包。如果不是，則不作任何改動，將這些包發(fā)送出去；如果是IPv6協(xié)議的包，則將它們遞交到相應(yīng)的移動IPv6處理模塊。該模塊按照IPv6協(xié)議規(guī)范，或者改動包的內(nèi)容將其重新放入內(nèi)核協(xié)議棧后發(fā)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(wǎng)絡(luò)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?yún)f(xié)議棧，交給相應(yīng)的上層應(yīng)用軟件系統(tǒng)解決了在IPv6環(huán)境中如何收發(fā)IPv6_in_IPv6 Tunnel包。圖2表示了IPv4與IPv6協(xié)議轉(zhuǎn)換模型。

                    

                           圖2 IPv4與IPv6協(xié)議轉(zhuǎn)換模型 

    2.2.2 時延的解決

    智能電網(wǎng)對信息通信通道的時延要求是：變電站內(nèi)部小于1 ms，其它小于500 ms；同步時間偏差小于1 ms。據(jù)IBM對帶寬需求的預(yù)測，每個先進的變電站需0.2~1.0 Mbit/s 帶寬，連續(xù)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(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制中應(yīng)用的最大障礙是其時延性以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的時間不確定性，但隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)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(yīng)時間大于5ms的系統(tǒng)，但對于智能電網(wǎng)系統(tǒng)的控制傳輸抖動小于1ms的系統(tǒng)，則仍然顯得力不從心。解決工業(yè)以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C制，以期進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。目前各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實時性的技術(shù)解決方案，其中包含我國EPA實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的六個主要的實時工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：EPA、EtherCAT、Ethernet Power Link、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP。

    工業(yè)以太網(wǎng)可以分為兩大類：用于過程控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)（例如HSE）以及用于離散控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)（例如EPL）。兩者的共同之處在于網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間具有統(tǒng)一的模型，網(wǎng)絡(luò)中的延遲都是其中重要組成部分。整個工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的實時性能是由網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間反映的，影響網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間的因素主要來自三個部分：本地系統(tǒng)（即源節(jié)點的處理）、工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（即傳輸部分）、目的節(jié)點系統(tǒng)（即目的節(jié)點的處理）。某種報文的實時性得到滿足是指其報文響應(yīng)時間小于規(guī)定的時限，某個節(jié)點的實時性合乎要求是指該節(jié)點發(fā)出的所有報文在指定的時限內(nèi)都能獲得響應(yīng)。整個控制網(wǎng)絡(luò)的實時性符合要求是指分布在網(wǎng)絡(luò)上每一個節(jié)點的每一種報文的實時性均得到保證。為滿足整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的延遲：

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

    （2）應(yīng)當(dāng)保證在某一固定的時間周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上的每一個節(jié)點都有機會取得通信權(quán)，以防個別節(jié)點因長時間得不到通信權(quán)而使其實時性太差甚至喪失實時性。只要有一個節(jié)點出現(xiàn)這種情況，整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)實時性好壞的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)；

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

    2.3 IEC-61588（2009）實現(xiàn)

    為滿足智能電網(wǎng)的實時與互動，尤其是電能采集系統(tǒng)，其前端的各種傳感器連接到數(shù)據(jù)采集板，板上安裝的精確時鐘通過IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)與系統(tǒng)主時鐘同步，使傳感器的同步時間發(fā)生在1μs內(nèi)，每秒鐘內(nèi)要執(zhí)行200次測量，測量間隔5ms，傳感器的輪換時間是1μs。控制系統(tǒng)內(nèi)的多種測量儀器在時間對準(zhǔn)后，按本地時鐘捕捉數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，清除了觸發(fā)產(chǎn)生的延遲。這種利用IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，節(jié)省大量分別連接每個傳感器的線纜，達(dá)到精確定時同步，便于遠(yuǎn)控測量，成本降低。

    當(dāng)前工業(yè)自動化使用IRIGB格式時間碼，每天時間準(zhǔn)確度小于1μs。而IEEE1588更加具有潛力，可將控制系統(tǒng)的每天時間準(zhǔn)確度推進到100ns。原因IEEE1588協(xié)議可直接將每天時間信息從主控時鐘發(fā)送到客戶時鐘，更具有優(yōu)勢。從智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢來看，采用IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)將會更適合智能電網(wǎng)。

    更為重要的是采用IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)，解決了通用以太網(wǎng)延遲時間長和同步能力差的瓶頸，在電能監(jiān)測應(yīng)用中將發(fā)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(dǎo)致不適當(dāng)?shù)男Ｕ?br />
    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(jīng)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(jié)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(diào)節(jié)一段時間內(nèi)的精準(zhǔn)時間協(xié)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(dāng)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲型揭蕴W(wǎng)模式使能的DP83640的工作框圖

    3 結(jié)語

    只有滿足低功耗、且具有IEC-61588精確網(wǎng)絡(luò)通信報文對時功能，同時具備IPv6特性，能實現(xiàn)與IPv4平穩(wěn)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(wǎng)功能強大的通信系統(tǒng)的要求。北京立華萊康平臺科技有限公司是一家專業(yè)從事網(wǎng)絡(luò)安全與通信設(shè)計的專業(yè)廠家，具備從RISC到嵌入式X86網(wǎng)絡(luò)安全與通信平臺設(shè)計、加工能力。為適應(yīng)未來智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，目前已經(jīng)開發(fā)了能滿足智能電網(wǎng)通信要求的通信應(yīng)用平臺，如表1所示。

    表1 能滿足智能電網(wǎng)的工業(yè)嵌入式通信應(yīng)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。

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