基于电力专网实现远程仪表的多业务接入

基于电力专网实现远程仪表的多业务接入

Realization of Multi-service Access of Remote Meter Supervision Based on the Electric Power Communication Network
湖南大学电气与信息工程学院   唐求  王炼红  李凌云

摘要：本文针对目前电力系统通信专网中远程仪表监控多业务接入的特点和存在的问题，提出了一种同时支持10M/100Mbit/s以太网业务接入和RS-232/422/485/USB/CAN等业务接入的解决方案和具体实现方法，并给出了详细的测试结果。
关键词：电力系统通信专网；远程监控；仪表
本文2005年3月18日收到。
引言
随着现代通信技术在仪器技术领域的不断渗透，仪表网络化成为现代仪器技术的重要发展方向之一，大量工业和民用仪表需要进行远程接入和监控。
电力系统调度网是电力系统通信专网的最主要和最重要的组成部分，该网络构建了一个包括连接各变电站、供电所、调度中心等机构在内的通信专网，其主流组网技术采用SDH传输和PCM接入实现全网的业务传输和接入。如何基于该网络实现数据采集、设备控制、测量、参数调节和信号报警等远程监控成为电力系统调度的重要内容之一。
基于上述组网技术的网络终端结点一般只提供传统电路型业务接入，而不提供10M/ 100Mbit/s以太网的数据业务接入。
随着计算机技术和Internet技术的飞速发展，以太网技术成为当前数据网络中无可争议的标准，许多远程仪器或仪表都配置了10M/100Mbit/s以太网数据业务接口。尽管Ethernet Over SDH（EOS）技术可以在SDH传输网上实现10M/100M/1000Mbit/s全速率以太网数据业务接入，但该技术目前尚存在技术太复杂和成本过高等众多问题，无法在该传输接入网的终端结点大量使用。
本文针对电力系统调度专网终端结点的具体特点，提出了一种面向和基于该专网终端结点实现远程仪表多业务接入的解决方案和具体实现方法，可较好地实现数据采集、设备控制、测量、参数调节和信号报警等实时监控数据传输功能，同时避免了基于公共有线和无线网络进行远程仪表监控数据传输安全性差的问题。

解决方案和实现方法
解决上述专网终端结点远程仪表多业务接入的关键在终端结点提供以太网接口和RS-232/422/485/USB/CAN等其它总线接口，具体解决方案具体如图1所示。

图1远程仪表监控多业务接入功能框图

图1中所示的系统由三个部分组成：
1) 以太网数据业务接入部分：该部分通过HDLC/MAC网桥转换控制器单元实现，支持10M/100Mbit/s以太网业务接入，支持HDLC接口与协议转换功能，支持流量控制、带宽限制和自适应等功能。在SDH系统接入侧，网桥转换控制器采用标准的HDLC（Media Independent Interface）和协议，通过E1与SDH网络连接。在以太网业务接入侧，网桥转换控制器与PHY采用标准的MII/RMII（Media Independent Interface / Reduce Media Independent Interface）接口，并通过隔离变压器（Magnetic）组和匹配电路完成与LAN的接口；
2) 协议处理（IP Protocol Processor）部分：该部分作为现场总线网与以太网互联的网关，通过以太网数据转换终端实现以太网与RS-232/422/485/USB/CAN等其它总线接口转换。
3) CPU子系统部分：该部分通过SMI（Serial Management Interface）串行管理接口实现对网桥模块的配置和管理，通过PMI（Parallel Management Interface）并行接口完成以太网数据转换终端的协议处理。
基于上述设计思想设计了一个评估系统。其中，HDLC/MAC网桥转换控制器和PHY单元采用ATAN Technology 公司的AT8993评估板模块实现，以太网数据转换终端采用基于单片机子系统并配置SMI接口的评估板模块实现（如海旭公司的HX系列模块）。

测试与结果
为了验证该解决方案面向远程仪表监控的以太网数据业务接入的可行性和性能，设计了一个典型的系统模拟测试环境。由于以太网数据转换终端可直接接入以太网，在此不作测试，仅对系统和以太网部分进行测试。
其中，4个网元NE1_NE4用光纤环形组网，ETH/HDLC模块和PCM模块通过E1设备的端口与传输设备接口，各网元的ETH/HDLC I/F接口与以太网性能测试仪的4个端口PORT1_PORT4之间通过网线连接，并假设PORT1为主结点，PORT2_PORT4为从结点（见图2所示）。

图2  模拟测试环境拓扑结构

通过网管设备配通路由并能ping通各结点的前提下，通过网络性能测试仪收发包模拟基于以太网的数据采集的上传和控制命令的下发，并对与数据上传和控制命令下发相关的功能和性能进行测试。
在功能测试方面，重点测试了自适应、流量控制和以太网帧格式支持等功能指标，具体结果如下：
* 支持端口的10M/100Mbit/s、全双工/半双工工作模式自动协商、配置和保存；
* 支持端口的Auto MDIX平行线和交叉线自适应；
* 支持基于全双工Pause帧和半双工背压的流量控制；
* 支持所有IEEE 802.3标准和以太网II规定的以太网帧收发，并对CRC错帧、超长帧、超短帧等异常数据包能正确处理；
在性能测试方面，重点测试了吞吐量、帧转发时延和帧丢失率3个关键指标，具体结果如表1所示。
表1  性能测试结果
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
[*]：帧丢失率的测试条件为以2%线速（100Mbit/s）发包；
[**]：在2%线速（100Mbit/s）发包条件下24小时帧丢失率也为0.000；
由于该系统的HDLC接口的速率仅为2048kbit/s，尽管通过流量控制、带宽限制和自适应等机制可以实现10M/100Mbit/s以太网数据业务接入，但其实际能提供的带宽只有约2 Mbit/s，因此表1的吞吐量Average%项始终只有20％，而不是理论上的100％。

结语
测试结果表明，本解决方案通过以太网的流量控制、带宽限制和自适应等机制能很好地支持10M/100Mbit/s以太网数据业务接入，其实际可使用的带宽为约2 Mbit/s。只要远程监控仪器和设备的带宽需求在此范围之内，即可实现监控仪表的接入，同时避免了基于公共有线和无线网络进行远程仪表监控数据传输安全性差的问题。该解决方案为解决电力系统通信专网的终端结点的远程仪表监控系统的接入提供了一种切实可行的解决方法。

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