CN104378313B - 多组态智能网络交换机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力通信技术领域，尤其涉及一种多组态智能网络交换机。包括智能网络控制单元，千兆网络接口和第二千兆网络接口，多组态网络接口A，多组态网络接口B，多组态网络接口C，多组态网络接口D，多组态网络接口E，多组态网络接口F，多组态网络接口G，多组态网络接口H，供电单元，上述部件高度集成于印制电路板上并依次进行连接。本发明由于采用多组态技术，具有设备配置多样灵活性，实现多网互通，网络集成度高，无需人为干预，使智能变电站网络系统均衡、简单、低成本等优点。
Description
技术领域
本发明属于电力通信技术领域，尤其涉及一种多组态智能网络交换机。
背景技术
交换机(Switch)也叫交换式集线器，是一种工作在OSI第二层(数据链路层)上的、基于MAC (网卡的介质访问控制地址)识别、能完成封装转发数据包功能的网络设备。它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用。交换机不懂得IP地址，但它可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，以保证每个端口上数据的快速有效传输。由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，而不会向所有端口发送，避免了和其它端口发生冲突，因此，交换机可以同时互不影响的传送这些信息包，并防止传输冲突，提高了网络的实际吞吐量。
智能变电站的网络通信结构设计需要充分考虑到网络的实时性、可靠性、经济性与可扩展性。网络的通信结构设计应具有网络风暴抑制功能，支持变电站内设备的灵活配置，减少交换机数量，简化网络的拓扑结构，降低变电站的建造和运行成本。另外，在智能变电站的设计中，还应对网络内的信息流量进行计算和控制，设立最大节点数和最大信息流量，并必须保持系统冗余。智能变电站自动化系统通常采用的网络结构有总线型、环型或星型等，也可以将不同的网络结构进行混合，实现网络冗余，保证网络的可靠性。在智能变电站的网络系统中，站控层网络可采用总线型、星型或环型网络结构，而过程层网络可采用双星型及环型结构。随着智能变电站网络系统的发展，还可以将站控层和过程层的网络合二为一，采用单一总线结构。
但在变电站智能设备类型日益丰富，导致智能变电站站内网络系统具有网络类型多样化、网络接口数量庞大化、网络负荷重载化的多种问题。在不同的网络之间需要多种网络转换设备进行不同网络的连接互通，不仅无谓的增加了智能变电站的网络设备成本，并且大大降低了通信系统的适应性和可靠性。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种多组态智能网络交换机。其目的是解决现有智能变电站网络设备庞杂，通讯效率不高，通讯速率不可靠的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
多组态智能网络交换机，包括智能网络控制单元，千兆网络接口和第二千兆网络接口，多组态网络接口A，多组态网络接口B，多组态网络接口C，多组态网络接口D，多组态网络接口E，多组态网络接口F，多组态网络接口G，多组态网络接口H，供电单元，上述部件高度集成于印制电路板上并依次进行连接。
所述的智能网络控制单元，是通过FPGA的可编程逻辑门电路实现两个千兆网络接口和多组态网络接口A，多组态网络接口B，多组态网络接口C，多组态网络接口D，多组态网络接口E，多组态网络接口F，多组态网络接口G，多组态网络接口H的动态识别，使用实时操作系统实现高级管理功能。
所述的高级管理功能，支持即插既用的SW-Ring冗余环网协议，支持RSTP、支持静态多播过滤、IGMP侦听、IEEE802.1QVLAN和基于端口VLAN、端口优先级、端口聚合、端口镜像、Trunking、服务质量（Quality of Service）、速率控制、SNMP配置，故障报警和固件在线升级。
所述的高级管理功能，通过本地或远程方式，实现部署跨物理层的通信规约转换，并且设置定制任务，完成个性化功能。
所述的动态识别，是多组态智能网络交换机支持组态网络接口的热插拔、动态替换；在非人工参与下自动识别多组态网络接口A，多组态网络接口B，多组态网络接口C，多组态网络接口D，多组态网络接口E，多组态网络接口F，多组态网络接口G，多组态网络接口H多组态网络接口的所有类别的网络接口模块，并自动连接到相应物理网络之中。
所述的千兆网络接口和第二千兆网络接口，可通过选插不同接口电路，配置成千兆光口1000BASE-FX或是千兆电口1000BASE-T/TX。
所述的多组态网络接口，多组态网络接口B，多组态网络接口C，多组态网络接口D，多组态网络接口E，多组态网络接口F，多组态网络接口G，多组态网络接口H支持以太网、CAN、RS485等三类通信网络接口；不同接口可以任意组合，不拘泥于单一网络单一模组。
所述的供电单元，支持交流110VAC/220VAC，直流110VDC/220VDC双备份电源供电。
所述的智能网络控制单元实现接口的动态识别以及网络链接，两个千兆网络接口：千兆网络接口和第二千兆网络接口，和多组态网络接口A，多组态网络接口B，多组态网络接口C，多组态网络接口D，多组态网络接口E，多组态网络接口F，多组态网络接口G，多组态网络接口H八个多组态网络接口的三类网络数据互通。
本发明的有益效果是：由于采用多组态技术，具有设备配置多样灵活性，实现多网互通，网络集成度高，无需人为干预，使智能变电站网络系统均衡、简单、低成本等优点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：智能网络控制单元1， 千兆网络接口2，多组态网络接口A3，多组态网络接口B4，多组态网络接口C5，多组态网络接口D6 ，供电单元7，多组态网络接口E8，多组态网络接口F9，多组态网络接口G10，多组态网络接口H11，第二千兆网络接口12。
具体实施方式
本发明是一种多组态智能网络交换机，包括智能网络控制单元1，千兆网络接口2和第二千兆网络接口12两个千兆网络接口，多组态网络接口A3，多组态网络接口B4，多组态网络接口C5，多组态网络接口D6 ，多组态网络接口E8，多组态网络接口F9，多组态网络接口G10，多组态网络接口H11等八个自适应动态配置网络接口单元，供电单元7，上述部件高度集成于印制电路板上并依次进行连接。
所述的智能网络控制单元1，是通过FPGA的可编程逻辑门电路实现千兆网络接口2和第二千兆网络接口12两个千兆网络接口和多组态网络接口A3，多组态网络接口B4，多组态网络接口C5，多组态网络接口D6 ，多组态网络接口E8，多组态网络接口F9，多组态网络接口G10，多组态网络接口H11八个多组态网络接口的动态识别，使用实时操作系统实现高级管理功能。
所述的高级管理功能，支持即插既用的SW-Ring冗余环网协议，支持RSTP、支持静态多播过滤、IGMP侦听、IEEE802.1QVLAN和基于端口VLAN、端口优先级、端口聚合、端口镜像、Trunking、服务质量（Quality of Service）、速率控制、SNMP配置，故障报警和固件在线升级。所述的高级管理功能，通过本地或远程方式，实现部署跨物理层的通信规约转换，并且设置定制任务，完成个性化功能。
所述的动态识别，是多组态智能网络交换机支持组态网络接口的热插拔、动态替换；在非人工参与下自动识别多组态网络接口A3，多组态网络接口B4，多组态网络接口C5，多组态网络接口D6 ，多组态网络接口E8，多组态网络接口F9，多组态网络接口G10，多组态网络接口H11八个多组态网络接口的所有类别的网络接口模块，并自动连接到相应物理网络之中。
智能网络控制单元1选用Xilinx ZYNQ-7000作为核心控制单元，Xilinx ZYNQ-7000基于ARM双核CortexA9的应用处理器，每个CPU具有32KB的1级指令和数据缓存，512KB的2级缓存(2个CPU共享)，支持8位奇偶校验，片上boot ROM，256KB片内RAM，多协议动态内存控制器，16/32 bit DDR2、DDR3接口，16位ECC支持，1GB地址空间，8通道DMA控制器。利用基于以太网和 MPLS-TP的交换机、PWE3 数据包引擎、基于1588v2和SyncE的数据包时序和同步、硬件以太网和MPLS-TP OAM、双核 ARM® Cortex™-A9 MPCore 处理器的控制与管理层，SoC 解决方案实现数据包处理和流量管理功能。SoC 解决方案的独立组件也能作为协处理器使用。该实现方案采用Xilinx的Zynq™-7000 All Programmable SoC 器件，提供精细调整的参数设定，具备更低的功耗和成本，从而可实现单芯片回程或访问解决方案。
本发明支持两路千兆网络接口2和第二千兆网络接口12功能，可通过选插不同接口电路，配置成千兆光口1000BASE-FX或是千兆电口1000BASE-T/TX。
1000M光口采用的是SFP型的光模块，SFP封装--热插拔小封装模块，目前最高速率可达10G，多采用LC接口，VccT和VccR分别是发射和接受部分电源，要求3.3V±5%，最大供电电流300mA以上。SFP光模块的LOS有效信号是低电平，需通过一个反向器变为高电平。
八个多组态网络接口具有三类通信网络接口，包括以太网(包括百兆网络接口、千兆网络接口)、CAN总线接口、RS485总线接口；所有不同接口可以任意组合，自动适配，无需人员介入，不拘泥于单一网络单一模组，完成网络无缝对接。
本发明支持最多16路百兆电口100BASE-T/TX，和最多12路百兆光口100 BASE-FX，或者搭配使用。当配置成百兆电口时，模块和接口之间需要用网络变压器进行隔离，这里选用的网络变压器的型号是H4001CG，接口选用八口合一的RJ45接口，端口支持MDI/MDI-X 自适应，连接采用非屏蔽双绞线（UTP）或屏蔽双绞线（STP），连接距离不超过100m。1000Mbps连接采用100Ω的超5类、6类线，100Mbps连接采用100Ω的5类线，而10Mbps连接采用的是100Ω的3、4、5类线。当配置成百兆光口时，接口采用SC接口，该光模块采用的是正发射极耦合逻辑光模块SW3521I-512，四个一组，占用一个接口模块端口。
本发明支持四路CAN总线接口，总线上可以挂接128个接点。CAN总线通过CAN收发器接口芯片sn65hvd233的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态，由于其电平性质不一样，在CAN的终端需加一个终端电阻。由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具以及建筑、环境控制等众多领域。该sn65hvd233按照ISO 11898标准用于采用控制器局域网（CAN）应用串行通信的物理层。作为一个CAN收发器，信号速率高达1Mbps。总线引脚故障保护超过±36V，总线引脚的ESD保护超过16kV HBM。
本发明支持八路串行接口，可以配成RS-232，RS-485和RS-422等通信方式，RS-485和RS-422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。RS-485两线制连接方法，采用的半双工通信方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。这里采用的是SP485EE这款芯片，满足RS-485或RS-422增强的ESD性能的串行协议规格。ESD的耐受能力超过人体放电±15kV和满足IEC1000-4-2的空气放电测试。芯片的Sipex'sBiCMOS设计允许在不牺牲性能的情况下低功率运行。满足高达10Mbps的负载下运行。该芯片还配备低功耗关断模式。
供电单元7具有双路冗余设计，支持交流110VAC/220VAC，直流110VDC/220VDC电源供电。
智能网络控制单元1支持即插既用的SW-Ring冗余环网协议，支持RSTP、支持静态多播过滤、IGMP侦听、IEEE802.1QVLAN和基于端口VLAN、端口优先级、端口聚合、端口镜像、Trunking、服务质量（Quality of Service）、速率控制、SNMP配置，故障报警和固件在线升级等。
所述的智能网络控制单元1实现接口的动态识别以及网络链接，并且完成智能调度与多任务处理；两个千兆网络接口和八个多组态网络接口的三类网络数据互通。通过智能适配技术，智能网络控制单元1将两个千兆网络接口和八个多组态网络接口无缝连接入内部交换网络，并且可以根据远程配置及预设指令及规约转换功能，完成不同类接口网络互通。能够提供高效高速的网络通信能力，保证树形网络或大数据量传输稳定安全。
本发明多组态智能网络交换机满足国家标准《GB 191》、《GB 2423》、《GB 4208》、《GB 4943》、《GB/T 17626》、电力标准《DL/T 860》、企业标准《Q/GDW 534》等相关要求。
如上所述，对本发明的实施进行了详细的说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.多组态智能网络交换机，其特征是：包括智能网络控制单元（1），千兆网络接口（2）和第二千兆网络接口（12），多组态网络接口A（3），多组态网络接口B（4），多组态网络接口C（5），多组态网络接口D（6），多组态网络接口E（8），多组态网络接口F（9），多组态网络接口G（10），多组态网络接口H（11），供电单元（7），上述部件高度集成于印制电路板上并依次进行连接；
所述的智能网络控制单元（1），是通过FPGA的可编程逻辑门电路实现两个千兆网络接口和多组态网络接口A（3），多组态网络接口B（4），多组态网络接口C（5），多组态网络接口D（6），多组态网络接口E（8），多组态网络接口F（9），多组态网络接口G（10），多组态网络接口H（11）的动态识别，使用实时操作系统实现高级管理功能；
所述的千兆网络接口（2）和第二千兆网络接口（12），可通过选插不同接口电路，配置成千兆光口1000BASE-FX或是千兆电口1000BASE-T/TX；
所述的多组态网络接口A（3），多组态网络接口B（4），多组态网络接口C（5），多组态网络接口D（6），多组态网络接口E（8），多组态网络接口F（9），多组态网络接口G（10），多组态网络接口H（11）支持以太网、CAN、RS485三类通信网络接口；不同接口可以任意组合，不拘泥于单一网络单一模组；
所述的供电单元（7），支持交流110VAC/220VAC，直流110VDC/220VDC双备份电源供电。
2.根据权利要求1所述的多组态智能网络交换机，其特征是：所述的高级管理功能，支持即插即用的SW-Ring冗余环网协议，支持RSTP、支持静态多播过滤、IGMP侦听、IEEE802.1QVLAN和基于端口VLAN、端口优先级、端口聚合、端口镜像、Trunking、服务质量（Quality of Service）、速率控制、SNMP配置，故障报警和固件在线升级。
3.根据权利要求1所述的多组态智能网络交换机，其特征是：所述的高级管理功能，通过本地或远程方式，实现部署跨物理层的通信规约转换，并且设置定制任务，完成个性化功能。
4.根据权利要求1所述的多组态智能网络交换机，其特征是：所述的动态识别，是多组态智能网络交换机支持组态网络接口的热插拔、动态替换；在非人工参与下自动识别多组态网络接口A（3），多组态网络接口B（4），多组态网络接口C（5），多组态网络接口D（6），多组态网络接口E（8），多组态网络接口F（9），多组态网络接口G（10），多组态网络接口H（11）多组态网络接口的所有类别的网络接口模块，并自动连接到相应物理网络之中。
5.根据权利要求1所述的多组态智能网络交换机，其特征是：所述的智能网络控制单元（1）实现接口的动态识别以及网络链接，两个千兆网络接口：千兆网络接口（2）和第二千兆网络接口（12），和多组态网络接口A（3），多组态网络接口B（4），多组态网络接口C（5），多组态网络接口D（6），多组态网络接口E（8），多组态网络接口F（9），多组态网络接口G（10），多组态网络接口H（11）八个多组态网络接口的三类网络数据互通。
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