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数据通信网络的主要特征范文1
关键词：智能电网；概述
中图分类号：F407文献标识码： A
引言
随着电力事业的发展，智能电网建设越来越受到人们的重视，本文就针对智能电网的几个简单概念加以概述。
一、智能电网的定义
智能电网是在现有电力基础设施中嵌入计算机程序和双向通讯技术的电力传输、分配网络。智能电网使用感应、嵌入式处理器以及数字通讯技术来实现以下功能：可视化（能够精确衡量并能够通过肉眼观测）；可控化（能够实现人工操控和优化）；自动化（能够自我适应和自我修复）；集成化（与现有系统完全兼容，同时还能接入其他类型能源的电力）。智能电网将为各种先进的低碳技术提供一个应用平台。智能电网将嵌入式智能化通讯设备配置在电厂至终端用户的连接线路上。到目前为止，智能电网的大多数讨论集中在智能仪表和先进的计量设备上，这些设备被用来精确计量和传送家庭或办公用电数据。如果将智能仪表等同于智能电网，则会引发歧义。从整体角度来看，实际情况是：智能仪表只是电力传输网络中的一个节点，用来计量和传输电力流量和质量数据。
二、智能电网系统的特点
智能电网系统具有以下五大特点：
1、.坚强的特点
当电网出现大的扰动与大的故障的时候，依然可以保证对于用户的正常供电，也不会造成大面积的停电类事故；即使遭遇自然灾害或者极端的气候条件，甚至直接的外力破坏，这一系统依然可以保证整个电网的顺利运转；在电力信息的安全保障方面能力出色。
2.、自愈的特点
可以实现实时的与在线的，甚至连续性的安全评估与分析，具有很高的预警与防控的能力，还能做到故障诊断的自动化、故障隔离的自动化与系统自我恢复的自动化。
3、兼容的特点
可以允许可再生能源得以有序而合理地进行接入，并且能够很好地适应分布式电源与微电网的接入，从而实现和用户间的交互工作与高效互动的目的，最终使得用户多样化的电力需求得到满意，并提供相应的增值服务。
4、经济的特点
能够支撑电力市场的正常运营与电力交易的顺利开展，并实现合理配置资源，降低电网的损耗，提高能源的利用效率。
5、集成的特点
支持电网信息的高度集成化与共享化，使用统一化的平台与模型来实现相关的标准化工作、规范化程序与精益化的管理。
三、构成智能电网的组成部分
智能电网在结构上，由数据采集、数据传输、信息集成、分析优化、信息展现五大部分组成。
1、数据采集部分
在实时的进行数据采集工作时，智能电网可以有效地扩展监视控制和数据采集系统(SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA)的数据采集的范围与数量，并提高电网的“可视化”效果。智能电网的实时采集的数据主要涵盖三方面的内容：电网运行的数据、设备状态的数据与客户计量的数据。
2、数据传输部分
在整个智能电网系统中，总是需要传输设备状态的实时数据与客户计量的大量数据。对如此庞大数据进行传输需要采用基于开放标准的数字通信网系统，也就是基于IP的实时数据的传输方式。具体进行基于IP的实时数据传输工作时，所有的后台系统将会通过相关的订阅方式来直接地获取到所需的数据，这样就能很大程度上减少数据通道的巨大压力，防止在实时系统与管理系统间造成需要开发多个数据接口的问题，有助于实现实时数据的共享。
3、信息集成部分
需要集成的信息包括自动化系统的实时数据、电网公司内部管理应用系统产生的管理数据、外部应用系统数据。为了实现企业级的信息集成，需要建立企业信息集成总线，实现应用系统之间的数据流动，各应用系统的数据集成到统一的分析数据仓库。
4、分析优化部分
分析优化是智能电网的核心内容，是电网智能化的根本体现，有利于支持电网企业的业务改进与创新。智能电网根据信息集成程度，将分析优化分为四个层次：实时事件、阈值、通知、屏幕显示、邮件、传呼；指标计算、趋势分析；数据分析、事件的实时或事后诊断处理、数据挖掘；高级优化、业务建模和规划、决策支持。
5、信息展现部分
通过门户系统，能够从多个数据源获取数据，将经过分析优化处理后的信息，以用户定制的门户和仪表盘方式呈现给用户。
四、智能电网的关键技术发展
（一）智能电网的关键技术
智能电网关键技术主要包括：分布式能源的智能管理系统、先进监控软件和辅助决策体系、高度集成的开放式通信系统、新型的电网元件技术、高级的职能仪表体系和需求侧管理。
1、分布式能源的智能管理系统
分布式能源是比单纯的分散式电源，即单纯的联合循环电站，更高效的系统。分布式能源是智能电网天然的合作伙伴，因为它不仅能够保障大电网的安全，而且具有强大的调峰功能。分布式能源主要特征有三点：一是靠近需求，以用户自用为主，避免能源的远距离传输，通常接入低压配电网。二是节能环保，能效高（天然气冷热电三联供能效达到70%以上）。三是装机规模小，装机容量通常为千瓦级、兆瓦级。概括起来就是“高能效、低排放、小型化”，其中自用为主、就近消费是分布式能源最本质的特征。其关键技术包括：分布式能源的运行管理优化、分布式能源的接入标准和规划方案、新的保护方法和技术、分布式能源微网(MicroGrid)接入大电网技术。
2、高质量的监控软件与高质量的辅决策体系
现今实施电网监控时，通常会使用名为EMSSCADA系统的软件和它的扩展功能。这样进行数据采集时，速度会比较慢，采集的信息容量也很有限，并且在线进行分析的能力也较差、是很难正确预测出电网的运行趋势的、所以实际控制运行时依然有借助人脑的经验。因此这种落后的处理方式已经无法适应现今复杂多变的电力系统的工作实际了。
然而智能电网的研发成功，却可以全面地监控到电网内的全部节点情况、线路情况与设备情况，使用最先进的计算机的优化算法，来采集数据、组织数据与分析电网中的海量数据，并且可以在这样的基础之上建立其相应的辅助决策系统，为相关操作人员提供最佳的解决方案，进而实现整体电网的实时的动态管理工作。其中关键的技术包括有：分布式与集中式监控系统相结合、多系统MAS(Multi-AgentSystem)、高级的可视化界面和运行决策支持、电力系统运行趋势的预测。
3、高度集成的开放式通信系统
为了能够更好地保证实时监视与控制电网的正常运行，清晰地掌握电网的状态，预防事故的出现与及时地清除相关故障，智能电网还应当具有高速的、双向的数字化的通信系统。遍布在整个电网的通信设备把信息在各种测量装置、控制设备和执行元件之间进行相互的传递，来保证电网安全、可靠、经济地运行。其关键技术包括：开放式的数据通信、完备的通信标准、数据通信网络与智能设备的高度集成。
4、新型的电网元件技术
智能电网要广泛应用先进的设备技术，极大地提高输配电系统的性能。新材料、超导、储能、电力电子和微电子技术方面的最新研究成果将被允许运用到未来智能电网的设备中，从而提高功率密度、供电可靠性和电能质量以及电力生产的效率。未来智能电网将主要应用三个方面的先进技术：电力电子技术、超导技术以及大容量储能技术。通过采用新技术和在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点来提高电能质量。通过应用和改造各种各样的先进设备，来提高电网输送容量和可靠性，如基于电力电子技术和新型导体技术的设备。配电系统中要引进许多新的储能设备和电源，同时要利用新的网络结构，如微电网。
5、高级的智能仪表体系和需求侧管理
除了预付费和准确计量、数据统计等基本功能外，高智能电能表的广泛应用，能够把我们带入一个崭新的智能化生活空间，一个家庭安装智能电表后，该智能电表会自动读取这个家庭所使用的所有的电器信息，使电表和电器之间能够实现数据通信和实时信息交换。智能电表和家电实现互联之后，就会出现双向的信息交流，智能电表首先自动读取每个电器的用电信息，然后将读取的信息传给变电站，变电站再继续把信息传给电力公司的数据通信中心。电力公司与用电家庭之间的信息也是双向通信的，电力公司掌握了终端用户的电力使用情况后，根据电力供应和需求之间的情况采取行动，做出适当调节。关键技术包括：海量电网数据信息采集，优化供电可靠性和资产管理；智能仪表用电量实时计价，不同时段电价计价；系统故障快速检测；电力系统设备评估等。
（二）智能电网的关键器件
智能电网仍处于初期起步阶段，重点集中在量测技术、通信技术、电子设备和控制设备上。
结束语
综上所述，智能电网拥有着其他系统无法比拟的优点。因此，我们有理由相信智能电网将会让我们的生活变得更加便利、安全。
参考文献
[1]田世明,王蓓蓓,张晶.智能电网条件下的需求响应关键技术[J].中国电机工程学报,2014,(22).
数据通信网络的主要特征范文2
关键词：下一代网络；向量网；向量网硬件交换机；NetFPGA
中图分类号：TP393.0 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.07.033
本文著录格式：[1]及晓萌，梁满贵.一种向量网可编程交换机实现[J].软件，2013，34（7）：95-99
0 引言
传统网络体系结构[1]主要特征是开放和互连，采用层次化结构，遵循端到端原则，简化了网络协议的模型和网络的复杂性，使不同的网络系统可以方便的相互连接，在较短时间内成功构建了全球性网络。但是随着新的应用层出不穷，传统网络体系渐渐暴露出不足，例如不能保证QOS，安全性差和扩展性差等。在此背景下，提出了一种新型网络体系——向量网[2，3]，它对应着OSI七层网络模型的第三层—网络层，采用数据面与控制面分离的方式。与ATM网和IP网相比，向量网具有支持QOS，安全性好、无限扩展和交换设备简单等优点。
向量网硬件交换机是组建向量网重要的硬件设备，承担着转发向量网数据包的作用，其功能可与IP网路由器对比。不同的是，向量网路由部分[4]由控制面负责，交换部分由数据面负责，所以交换机并不承担搜集和维护路由信息的工作，交换过程也不需要查找路由表，这样大大减少了网络交换设备的复杂性，降低了交换设备的成本。在一个网络体系中，转发设备的基数最大[3]，所以有效的降低转发设备的成本对于降低组网的成本有重要的意义。
论文提出一种基于以太网端口的向量网硬件交换机设计方案，在NetFPGA平台下采用Verilog语言编程实现，并通过观察该方案所占用资源的数量，选择合适的FPGA芯片，验证向量网交换设备简单、成本低的特点。
1 向量网体系
1.1 向量地址和向量交换
向量地址[5]（Vector address，简称Va）依据数据传输路径方向上的信源设备（A）和转发设备（E、I、F）的输出端口名进行编码，每个输出端口名作为一个分量地址，这些分量地址依据路径方向次序组成一个序列。如图1所示，信源设备A向信宿设备C发送向量网数据包，序列的第一个分量地址是信源设备A及其输出端口号：A1；第二个分量地址是第一个转发设备E及其输出端口号：E2；第三个分量地址是第二个转发设备I及其输出端口号：I3；最后一个分量地址则是最后一个转发设备F及其输出端口号：F2。得到的序列{A1，E2，I3，F2}就是向量网络地址编码结果，即信源设备A向信宿设备C传输数据的向量网络地址，简化表示为{1，2，3，2}，为了更有效表示向量地址，需要进一步表示成2进制。
向量交换[2]是向量网硬件交换机最主要的功能。向量交换的过程如图3，当交换机收到一个向量网数据包时，首先要分离出分量地址，即当前转发操作输出端口号，记为To，然后修改向量地址，把To从向量地址中删除，并以0补齐（填充位的0位达到8位则删除该字节），最后将修改后的数据包从转发到To。
1.3 向量网与以太网融合
IP网是由以太网承载实现的，参考这一方式，用以太网实现向量网子网[8]，使以太网成为向量网的一部分，这样可以保留现有的以太网交换机来部署向量网，实现以太网和向量网融合。图5是一个简单的网络模型，E1、E2、E3、E4代表终端，SW1代表以太网交换机，它们共同组成局域网LAN1，同理，端系统E5、E6、E7、E8和SW2组成局域网LAN2。如果是IP网，则R代表IP网路由器，LAN1、LAN2和R共同组成IP子网；同理向量网，R则代表向量网硬件交换机，LAN1、LAN2和R共同组成向量网子网。
2 向量网硬件交换机设计
2.1 系统架构
图6给出了4端口向量网硬件交换机设计的系统架构。主要分成四个模块，向量数据包到达硬件交换机端口后，首先进入解析地址模块，从数据包中提取向量地址并解析，找到本次转发的分量地址，并修改填充位，然后整个数据包进入FIFO中缓存，等待发送。其次是调度模块，调度模块采用CPU实现，即通过硬件模拟一个CPU，功能是实现4个端口的调度，建立交换阵列。最后是输出模块，确定要发送的向量数据包后，由相应端口的输出部分进行输出。
2.2 解析向量地址模块
采用流水线的方式解析向量地址。向量网硬件交换机是基于以太网端口设计的，所以收到的数据包首先封装的是以太网包头，其次才是向量网数据部分。所以交换机收到数据包之后，首先跳过以太网包头，然后进入向量网数据部分进行解析。
如图7所示，解析模块采用寄存器流水线的方式。每当时钟到来时，数据就从当前寄存器流入到下一个寄存器，同时，Reg_0读入新的值，并输出当前Reg_4的值到FIFO。表1是解析向量地址的过程，左边代表时钟信号，右边表示该时钟内流水线上寄存器的变化。
2.4 调度CPU模块
数据包缓存到FIFO模块之后，触发CPU执行调度程序，决定当前由哪个输入端口缓存的数据输出到相应的输出端口。
CPU由Xilinx提供的工具PicoBlaze实现，Picoblaze提供49个不同指令，16个寄存器（CPLD为8个），256 个直接或间接的可设定地址的端口，1个可屏蔽的、速率为35MIPS 的中断。它的性能超过了传统独立元器件组成的微处理器，而且成本低，图9为PicoBlaze内部模块图：
CPU的主要功能是以输出端口为主体依次扫描，并建立交换阵列。例如，检查是否有发送到0端口的数据，则依次扫描4个输入端口，如果有且0端口空闲，则开始传输；否则，检查是否有发送到1端口的数据，以此类推。
CPU线程有两个状态：空闲态和扫描态。如图10所示，当CPU处于空闲态时，若此时有数据包等待发送或者某一端口的数据包输出完毕，则触发CPU进入扫描状态；反之，若CPU此时处于扫描态，当扫描到数据包可以发送到相应的输出端口或者输出端口忙此时不能发送时，CPU进入空闲态。例如，当扫描到有数据包要发送到0端口且0端口此时空闲，则CPU发出指令开始传送，数据包从该端口的FIFO经过输出模块打包输出到0端口；若0端口此时忙，则扫描1端口，4个端口均扫描完毕后，CPU进入空闲态等待输出端口输出完毕。
2.5 输出模块
输出模块主要功能是打包以太网包头，发送数据，并计算CRC（Cyclic Redundancy Check）。
因为当前设计的向量网硬件交换机是基于以太网端口的，所以输出FIFO中存储的向量网数据之前，首先要打包以太网包头。以太网包头包括：目的MAC地址—DMAC，6个字节；源MAC地址—SMAC，6个字节；类型字段—TYPE，2个字节，共14字节。为了读取方便，每个端口设计一个分布式RAM，存储以太网包头信息。
RAM采用Xilinx提供IP核Distrbiute RAM实现，每个端口建立一个16byte大小的RAM，存储该端口的以太网包头信息。向量网设计了专门的向量网ARP协议[8]，规定了以太网包头的值，在交换机接入到一个向量网子网的时候，该子网内部的组长会首先向该交换机发出一个信令，规定以太网包头部分的值。交换机收到这个信令之后，按照规定，把以太网包头部分写入RAM中。
当CPU发出信号，某一输入端口的数据向其输出端口进行发送时，输出模块首先读入当前输出端口RAM中存储的以太网包头的值发出，然后从当前输入端口的FIFO中读取向量网数据依次发出，在这个过程中同时计算CRC的值，在向量网数据发送完成后，发送4个字节的CRC字段。
3 实验说明
3.1 NetFPGA平台
NetFPGA[9]是一个低成本可重用的硬件平台，把FPGA的可配置特性带入了网络通信领域，非常方便的使研究人员或者高校学生搭建一个高速的网络系统，为更多的研究人员研究下一代网络提供一个开放的平台。NetFPGA是一个PCI插卡，可以安装在任何具有标准PCI槽的计算机上。NetFPGA开发板如图11所示：
NetFPGA是一个全世界开发人员可采用的开放式平台，有多个参考设计：IPV4路由器、以太网交换机和4端口的网卡等。这就使得开发人员可以修改这些参考设计来开发自己的网络设备，而不必从头开始编写，只需要在参考设计的基础上添加自己修改的模块即可。
向量网硬件交换机参考了IPV4路由器的设计，在原设计的基础上，仅保留了GMII接口部分，舍弃IPV4路由器数据交换的部分，替换为上述向量网交换设计，然后经仿真调试，综合成.bit文件下载到NetFPGA开发板上。
实验环境如图12，NetFPGA开发板的4个端口依次连接到一台PC机上，中间插入NetFPGA板卡的PC0充当向量网硬件交换机。
3.2 实验结果
实验结果如图13所示，在PC终端利用Wireshark抓包软件抓包进行分析，可以看到，经一侧终端发送向量网数据包，经向量网硬件交换机转发之后，可以正确的到达目的终端，并且向量网地址修改正确。
实验结果发现，该方案只占用了10%左右NetFPGA上Xilinx Virtex-II Pro 50的芯片资源，改用Xilinx Spartan-3A系列的XC3S1400A芯片仿真时，也可以满足上述功能要求。由此证明，脱离PC机的向量网硬件交换机只需要XC3S1400A芯片和其它网络接口设备等，不需要外部存储芯片，且端口速度可达1Gbps，而成本只在几十元，远低于同等性能IP网路由器，降低了组网成本。
4 结论
本文给出一种基于以太网端口的向量网硬件交换机设计方案，在NetFPGA平台实现，同时得出NetFPGA芯片资源使用情况，选取了更小型成本更低的FPGA芯片，体现出向量网交换设备简单、组网成本低的优势，也为进一步实现脱离PC机的向量网硬件交换机做准备。
参考文献
[1]WANG Ji-Lu. Review of next generation network architecture.In： Internet Technology and Applications （iTAP）， 2011 International Conference ，Wuhan， China，2011.
[2] Mangui Liang，Jinxin Zhang，Shujuan Wang. A new network based on Vector Address[A]. Wireless， Mobile and Multimedia Networks （ICWMMN 2008）， IET 2nd International Conference[C]， Beijing，2008
[3]Jinxin Zhang， Mangui Liang.The third kind of communication network.ICFCC， 2010， vol.2， no.， pp.V2-764-V2-768， 21-24 May 2010.
[4] Jinxin Zhang and Mangui Liang.A Hierarchical Networking Architecture Based on New Switching Address.in ICAIT 2008
[5]梁满贵. 一种向量网络地质编码方法[P]. 中国发明专利200610089302.6，2006.11.22.
[6]梁满贵，赵阿群.一种向量包定义及其实现方法[p].中国发明专利200910238387.3，2009.12.03
[7]赵阿群，梁满贵，廉松海，郭箫铭.向量地址平均长度研究[J].高技术通讯，2011， 21（12）
