摘要：為了簡化電力系統(tǒng)自動化組網(wǎng)的復雜性，文章研發(fā)出一種新型串口服務器，并提出了基于該設(shè)備的詳細組網(wǎng)方案，該設(shè)備采用全數(shù)字化設(shè)計，有效避免了采用傳統(tǒng)PCM組網(wǎng)方式存在的復雜性和端口安全問題。該方案不僅能有效簡化電力自動化系統(tǒng)組網(wǎng)的復雜性，而且還能有效提高自動化數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院唾|(zhì)量。

　　以101規(guī)約為基礎(chǔ)的電力自動化系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)的PCM設(shè)備來組網(wǎng)，并利用PCM設(shè)備的2/4線EM接口提供低速異步數(shù)據(jù)通道，RTU裝置的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過外置的調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后才能進入2/4線EM接口，相應的在數(shù)據(jù)接收端還需要調(diào)制解調(diào)器來進行解調(diào)從而還原出數(shù)據(jù)。這樣的組網(wǎng)方法存在下面三個方面的問題：

　　，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)才能進行傳輸，由于音頻通道帶寬有限，在現(xiàn)有的調(diào)制方式下僅能提供2.4kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，并且由于外部干擾的因素數(shù)據(jù)誤碼率較高。

　　第二，PCM設(shè)備和自動化設(shè)備分別由不同的部門管理，并且安裝在各自的機房，通信機房與自動化機房之間需要鋪設(shè)大量的音頻線纜，過長的線路不僅帶來不可預見的干擾，也增加了日常的線路維護及故障查詢難度。

　　第三，調(diào)制解調(diào)器輸出的多路低速數(shù)據(jù)需要采用普通的多串口服務器來轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包以供SCADA系統(tǒng)處理，不僅需要大量的調(diào)制解調(diào)器，而且在調(diào)制解調(diào)器與多串口服務器之間需要進行大量的端口連接，成本高，且存在端口連接不良的故障隱患。

　　為了解決上述問題，本文提出一種新的自動化數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案，并為該方案的實施開發(fā)了一種新型串口服務器。采用該方案，不僅可以節(jié)省PCM、調(diào)制解調(diào)器、IOLAN等設(shè)備，還由于省去了許多中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，能極大的提高通信的可靠性。

　　一、新組網(wǎng)方案的描述

　　在實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)越簡單，系統(tǒng)的可靠性也就越高，并且二值化的全數(shù)字傳輸方式也較模擬系統(tǒng)更穩(wěn)定，基于以上兩點原則，本文提出一種新的自動化數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案，框圖如下：

　　圖中以1個中心站與2個變電站的組網(wǎng)為示例，中心站主站設(shè)備與變電站終端設(shè)備之間通過SDH網(wǎng)絡(luò)的E1電路互連。假定每個變電站需要接入4路低速數(shù)據(jù)，分別占據(jù)各自E1電路的1-4時隙，2路E1信號通過SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼荆瑸榱四軐?路E1信號中已使用的1-4時隙合并到1個E1電路里去，中心站需要配置一臺時隙調(diào)度裝置（DDN設(shè)備）。經(jīng)過時隙合并的E1電路從通信機房直接連接到自動化機房的新型串口服務器。上行方向：

　　新型串口服務器把E1信號中的有效時隙提取出來后打包成標準的IP包送給前置機，IP包中包含有相應的時隙編號。下行方向：新型串口服務器接收前置機發(fā)送來的IP包，并按IP包中的時隙編號把IP包中的數(shù)據(jù)插入到相應的E1時隙中。變電站端需要增加一個低速數(shù)據(jù)插入E1信號64K時隙的轉(zhuǎn)換裝置，而且對于已有PCM安裝的變電站則可以利用原有的RS232/RS422插板即可。

　　以PCM設(shè)備為基礎(chǔ)的舊的組網(wǎng)方案如下圖所示：

　　舊方案中，變電站端RTU信息首先需要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器，接入到PCM設(shè)備的2/4線EM接口，經(jīng)過SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼镜腜CM設(shè)備后還原為2/4EM接口，通過配線架后從通信機房延伸到自動化機房，并由調(diào)制解調(diào)器還原成低速數(shù)據(jù)，若干路的低速數(shù)據(jù)接入到IOLAN設(shè)備，由IOLAN設(shè)備轉(zhuǎn)換成IP包后送給前置機。

　　通過對新舊兩種方案的示意圖分析可以看出：在完成相同功能的情況下，新方案不僅節(jié)省了大量的設(shè)備投資（包括PCM設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器、IOLAN裝置），還簡化了線路的配線管理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的端對端全程數(shù)字化，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量及可靠性。

　　二、新型串口服務器的原理框圖

　　在新的組網(wǎng)方案中，應用到一種新型串口服務器。有別于以前的IOLAN設(shè)備，該服務器能夠直接完成E1信號中各時隙承載的數(shù)據(jù)與IP包之間的轉(zhuǎn)換。在上行方向：該設(shè)備能將E1時隙中承載的有效數(shù)據(jù)提取出來并轉(zhuǎn)換成相應的IP包送給前置機；而在下行方向：該設(shè)備能接收前置機發(fā)送來的IP包并將IP包中的數(shù)據(jù)插入到對應時隙的E1電路中去。

　　下圖是新型串口服務器的原理框圖：

　　上行方向：E1接口輸入的E1信號首先由HDB3解碼模塊完成HDB3解碼，解碼后的NRZ碼送到E1解幀電路，E1解幀電路按照G.704的幀結(jié)構(gòu)將30個時隙的有效數(shù)據(jù)解出，每個時隙的有效數(shù)據(jù)被分別送到各自的IP打包電路轉(zhuǎn)換成符合IEEE802.3標準的以太網(wǎng)包，并發(fā)送給前置機。

　　下行方向：各IP收包電路接收從前置機傳送過來的符合自已時隙端口的IP包，解包后提取有效數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)插入到ST總線相應的時隙中，E1成幀電路則將包含各時隙數(shù)據(jù)的ST總線按照G.704建議轉(zhuǎn)換成標準的NRZ碼流，并經(jīng)過HDB3編碼電路形成標準的HDB3信號。

　　三、E1接口的保護

　　電力系統(tǒng)應用環(huán)境特殊、可靠性要求高，在本文提出的組網(wǎng)方案中，E1接口電纜由于要從通信機房延伸到自動化機房，傳輸距離遠，且暴露在復雜的電磁環(huán)境下，容易受到浪涌沖擊甚至雷擊，為確保該接口的安全可靠，必須加強防雷防浪涌保護設(shè)計。

　　設(shè)計采用如下電路：

　　電路中的保護可分為三級：級采用三端B3D090L放電管，器件標稱擊穿電壓為90V，可承受5kA的過電流沖擊。

　　第二級采用兩只標稱電壓250V、保護啟動電流為120毫安的自恢復保險絲R。第三級采用導通電壓為6.5V的TVS瞬態(tài)電壓抑制器。電路保護動作的順序為：雷電電壓超過6.5V時，TVS管導通，將沖擊泄放到保護地網(wǎng)絡(luò)；隨著流過保險絲的電流增加，保險絲發(fā)熱會造成阻抗迅速變大，從而抑制了電流對后級芯片接口的沖擊；隨著雷電電壓的進一步升高，一旦達到B3D090L放電管的擊穿電壓90V，此時放電管將完全導通，將雷電能量引入到保護地。

　　四、結(jié)語

　　針對傳統(tǒng)的自動化數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案存在的問題，本文從簡化設(shè)備提高通信可靠性和有效性角度出發(fā)，提出一種基于新型串口服務器的組網(wǎng)方案，該方案具有組網(wǎng)靈活、通信質(zhì)量高、經(jīng)濟性強等特點，能大幅降低自動化系統(tǒng)組網(wǎng)的成本，且具有很高的可靠性，值得在其他地區(qū)推廣應用。

參考文獻:

[1]. TVS datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TVS_1174166.html.