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    作者簡(jiǎn)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(tái)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(jī)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(guó)家工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，其基礎(chǔ)是通信系統(tǒng)，本文結(jié)合智能電網(wǎng)對(duì)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(jì)方案與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

    1 智能電網(wǎng)以及對(duì)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(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)是實(shí)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(hù)和控制的所需的通信要求，實(shí)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(gè)動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)信息和電力交換互動(dòng)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(jià)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(shí)時(shí)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(jìn)性，能夠承載智能電網(wǎng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)和未來擴(kuò)展業(yè)務(wù)；
    （3）具備自主知識(shí)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(jí)能力。

    1.2 智能電網(wǎng)對(duì)信息處理平臺(tái)要求

    智能電網(wǎng)是將現(xiàn)代先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jí)產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)是互動(dòng)的，互動(dòng)的基礎(chǔ)是堅(jiān)實(shí)可靠的通信網(wǎng)路，因此建立“高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成”的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(yùn)算等任務(wù)的工業(yè)嵌入式平臺(tái)在智能電網(wǎng)架構(gòu)中的作用越來越重，對(duì)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(jìn)行協(xié)調(diào)配合：在智能電網(wǎng)中，其通信協(xié)議IEC-61850的實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)導(dǎo)線將被光纖取代，傳統(tǒng)的調(diào)試維護(hù)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(jìn)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(shí)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(duì)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(bào)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(duì)時(shí)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(cè)量、控制、事件和故障記錄等多項(xiàng)功能，從而降低設(shè)備空間、簡(jiǎn)化接線、降低投運(yùn)與維護(hù)成本；另外，更為重要的是必須具有較強(qiáng)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(gè)方面的實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jì)

    本文所涉及的核心技術(shù)應(yīng)該是如何實(shí)現(xiàn)IPV6以及IEC-61588精確對(duì)時(shí)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(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)一般會(huì)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(chǎng)級(jí)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(tái)還是以ULV X86平臺(tái)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(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6系統(tǒng)兼容，主要考慮如下3個(gè)問題：一是充分利用現(xiàn)有的IPv4資源，節(jié)約成本并保護(hù)原使用者的利益；二是在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)互通的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息高效無縫傳遞；最后，在IPv4向IPv6過渡時(shí)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(diǎn)之間使用隧道技術(shù)；
    （3）雙協(xié)議棧的IPv6/IPv4節(jié)點(diǎn)和純IPv6節(jié)點(diǎn)或者純IPv4的節(jié)點(diǎn)通信不需要采用協(xié)議轉(zhuǎn)換，而直接“自動(dòng)”選擇相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行通信；
    （4）對(duì)于純IPv6節(jié)點(diǎn)和純IPv4節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)IPv4、IPv6系統(tǒng)兼容最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是能夠正確攔截并修改與移動(dòng)IPv6相關(guān)的IP包，而對(duì)于其他正常的IP包不作任何改動(dòng)。Linux Netfilter[2]框架正好提供了這種能力。利用Netfilter框架，對(duì)于從本機(jī)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(dòng)IPv6協(xié)議的包。如果不是，則不作任何改動(dòng)，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(dòng)IPv6處理模塊。該模塊按照IPv6協(xié)議規(guī)范，或者改動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)IPv6處理模塊進(jìn)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(shí)延的解決

    智能電網(wǎng)對(duì)信息通信通道的時(shí)延要求是：變電站內(nèi)部小于1 ms，其它小于500 ms；同步時(shí)間偏差小于1 ms。據(jù)IBM對(duì)帶寬需求的預(yù)測(cè)，每個(gè)先進(jìn)的變電站需0.2~1.0 Mbit/s 帶寬，連續(xù)抄表每百萬先進(jìn)的電表需1.85~2.0 Mbit/s 帶寬，每萬個(gè)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(shí)延性以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的時(shí)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(shí)間大于5ms的系統(tǒng)，但對(duì)于智能電網(wǎng)系統(tǒng)的控制傳輸抖動(dòng)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(shí)時(shí)性除了進(jìn)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(jī)制，以期進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)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(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方案，其中包含我國(guó)EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的六個(gè)主要的實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能是由網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間反映的，影響網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間的因素主要來自三個(gè)部分：本地系統(tǒng)（即源節(jié)點(diǎn)的處理）、工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（即傳輸部分）、目的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)（即目的節(jié)點(diǎn)的處理）。某種報(bào)文的實(shí)時(shí)性得到滿足是指其報(bào)文響應(yīng)時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)限，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性合乎要求是指該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的所有報(bào)文在指定的時(shí)限內(nèi)都能獲得響應(yīng)。整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性符合要求是指分布在網(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的每一種報(bào)文的實(shí)時(shí)性均得到保證。為滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，對(duì)報(bào)文傳輸給予下列三個(gè)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)獲得通信權(quán)的時(shí)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(shí)間約束可防止某一節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間占用總線而導(dǎo)致其它各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)性惡化；

    （2）應(yīng)當(dāng)保證在某一固定的時(shí)間周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)取得通信權(quán)，以防個(gè)別節(jié)點(diǎn)因長(zhǎng)時(shí)間得不到通信權(quán)而使其實(shí)時(shí)性太差甚至喪失實(shí)時(shí)性。只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)這種情況，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性就得不到保證。這一固定時(shí)間周期的長(zhǎng)短是控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性好壞的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)；

    （3）對(duì)于緊急任務(wù)，當(dāng)其實(shí)時(shí)性要求臨時(shí)變得很高時(shí)，應(yīng)當(dāng)給以優(yōu)先服務(wù)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的節(jié)點(diǎn)，也應(yīng)當(dāng)使它取得通信權(quán)的機(jī)會(huì)比其它節(jié)點(diǎn)多一些。因此采用靜態(tài)（固定）的方式賦予某些節(jié)點(diǎn)較高的優(yōu)先權(quán)，采用動(dòng)態(tài)（臨時(shí)）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(diǎn)的實(shí)時(shí)性得到滿足。

    2.3 IEC-61588（2009）實(shí)現(xiàn)

    為滿足智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)與互動(dòng)，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(shí)鐘通過IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)與系統(tǒng)主時(shí)鐘同步，使傳感器的同步時(shí)間發(fā)生在1μs內(nèi)，每秒鐘內(nèi)要執(zhí)行200次測(cè)量，測(cè)量間隔5ms，傳感器的輪換時(shí)間是1μs。控制系統(tǒng)內(nèi)的多種測(cè)量?jī)x器在時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后，按本地時(shí)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(gè)傳感器的線纜，達(dá)到精確定時(shí)同步，便于遠(yuǎn)控測(cè)量，成本降低。

    當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化使用IRIGB格式時(shí)間碼，每天時(shí)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(shí)間準(zhǔn)確度推進(jìn)到100ns。原因IEEE1588協(xié)議可直接將每天時(shí)間信息從主控時(shí)鐘發(fā)送到客戶時(shí)鐘，更具有優(yōu)勢(shì)。從智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)來看，采用IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)將會(huì)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(shí)間長(zhǎng)和同步能力差的瓶頸，在電能監(jiān)測(cè)應(yīng)用中將發(fā)揮更大作用。確定時(shí)間偏移的典型方法是使用同步消息來確定對(duì)主機(jī)的偏差。使用平均或?yàn)V波的方式來平滑連接，并避免每次測(cè)量的過量校正。對(duì)于時(shí)間校正來說，可利用兩個(gè)不同的機(jī)制來檢測(cè)和校正時(shí)間偏差。

    第一個(gè)機(jī)制的基本想法是尋找最小延時(shí)。基本算法是在最近的延時(shí)中檢測(cè)最小的主機(jī)到從機(jī)的延時(shí)。為防止過量校正，也對(duì)時(shí)間校正進(jìn)行了限制。這個(gè)方法基于它擁有的最好信息而在每個(gè)周期都進(jìn)行校正。如果沒有收到真實(shí)的最小延時(shí)消息報(bào)文，這將導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)男Ｕ?br />
    第二個(gè)時(shí)間校正機(jī)制是嘗試只使用延時(shí)來進(jìn)行校正，前提是這些延時(shí)已經(jīng)確定為真實(shí)最小延時(shí)包，它有助于避免對(duì)時(shí)間值的無效校正。這個(gè)機(jī)制的基本想法是使用同步和延時(shí)請(qǐng)求來進(jìn)行時(shí)間校正。對(duì)于同步消息，如果主機(jī)到從機(jī)延時(shí)小于最小平均路徑延時(shí)，測(cè)量結(jié)果就顯示至少有一個(gè)主機(jī)到從機(jī)延時(shí)減去最小平均路徑延時(shí)的時(shí)間偏差。

    兩個(gè)方法都是通過調(diào)節(jié)一段時(shí)間內(nèi)的精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議的時(shí)鐘速率來進(jìn)行時(shí)間校正。為了避免速率的大波動(dòng)，每一個(gè)校正都限制幅值。這將有助于降低由于時(shí)間偏移的快速校正而引起的時(shí)間間隔誤差。在第二個(gè)機(jī)理中通過保持時(shí)間誤差值進(jìn)行處理。當(dāng)因接收到的同步或延時(shí)請(qǐng)求引起的新誤差被計(jì)算出來時(shí)，如果這個(gè)新誤差代表了一個(gè)更大的偏差，時(shí)間誤差就更新為新值。否則，時(shí)間誤差保持不變。基于時(shí)間誤差，只能進(jìn)行有限的校正并從時(shí)間誤差中去除。因此，在完成校正之前，偏移測(cè)量可能進(jìn)行多次校正。圖3為采用美國(guó)國(guó)半公司的DP83640芯片的解決方法。

                

                      圖3 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(bào)文對(duì)時(shí)功能，同時(shí)具備IPv6特性，能實(shí)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(tái)，才能真正適合未來智能電網(wǎng)功能強(qiáng)大的通信系統(tǒng)的要求。北京立華萊康平臺(tái)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(jì)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(tái)設(shè)計(jì)、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(tái)，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(tái)

   

    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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