供配電線路自適應保護系統通信性能分析

崔權哲 蔡美

摘要：本文在基于工業以太網構建的通信網絡的基礎上，對供配電線路自適應保護系統的通信性能進行了分析。文章主要給出了現場總線傳送延時模型，分析了其組成部分，并進一步分析了自適應保護系統內交換式工業以太網周期性通信的傳送延時。通過仿真顯示，工業以太網通信具有較高的可靠性與實時性，能夠達到變電站自動化需求。

關鍵詞：自適應保護系統 ;工業以太網 ;通信性能分析; 傳送延時

引言：隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的提高，人們對供配電線路運行提出了更高的要求，即可靠性和安全性。為了滿足人們的需要，我們需要完善相關措施和提供有效的保護?！笆孪日ā崟r動作、定期檢驗”是傳統繼電保護的特點，它們的整定值都是根據相關參數離線計算的，并且在今后的運行中保持不變。這種方法是在最嚴重運行條件下確定的整定值，它雖然能夠在任何情況下都能保證電力系統的運行，但與其他運行方式相比較沒有達到最佳保護效果[1]。因此，一種新的保護方法應運而生，那便是自適應保護。自適應保護的最大特點是它能夠在線調整整定值和改變保護性能，所以當電力系統在拓撲結構、故障類型、運行方式等發生變化時，也能達到最佳保護效果。自適應保護系統最關鍵的部分是通信網絡，它的信息傳輸速度和可靠性決定了系統的可用性。

1、工業以太網簡介

普通以太網技術在工業領域進行運用就形成了工業以太網。當前我國工業發展迅速，并逐漸走向自動控制的時代，工業以太網應運而生[2]。工業以太網必須和商用以太網進行兼容，在材質方面、強度方面以及應用方面必須要達到工業運行中的要求，所以說工業以太網相對于普通的以太網必須具有更強的環境適應性與安全可靠性。雖然以太網運用于工業控制中困難重重，但是以太網走進工業領域已經成為當下的趨勢。

當今時代是網絡的時代，以太網技術已經逐漸成熟，成為了現階段運用十分廣的局域網，當前以太網在整個局域網市場中占80%，可以說占據了廣闊的市場。與其他網絡相比，以太網技術有著極大的優點，其以IT技術為基礎，也就是技術基礎良好，其次又有著較強的開放性。在工業生產中，以太網能夠實現現場總線和計算機網絡同步，促使了現場總線技術和計算機網絡技術的融合。以太網不論在價格上還是技術上都明顯優于其他網絡，這使得以太網在工業生產中有了很強的競爭力。如今網絡技術已經逐漸走進了工業領域，工業以太網由此誕生。以太網走進工業領域，大大促進了工業生產的進步，為了進一步促進以太網融入工業，工業以太網協會、工業自動化開放網絡聯盟相繼誕生，大大促進了工業以太網技術的進步，目前工業以太網已經在工業的很多領域有了較為成熟的應用。

現階段工業以太網技術在工業中的運用還面臨著一些問題，只有認識到問題的存在并解決問題，工業以太網的應用才會更順暢。以太網剛開始創建的目的是為了滿足辦公自動化應用的需要，具有較大的不確定性。普通的以太網工作的環境是比較良好的，對其可靠性的要求也就沒那么高。但是由于工業環境沒那么友好，惡劣的環境要求工業以太網必須具有較強的實時性以及確定性?，F在以太網帶寬已經有了很大的提高，網絡科學技術不斷發展，數據傳輸的速度大大提升，為以太網不確定性問題的解決帶來了很大的機遇，推動了以太網運用于工業的進程。最近的研究顯示，設計很好的以太網響應時間非常短，基本上能夠滿足全部工業過程的控制要求。

2、工業以太網性能分析

近幾年來，人們對電力系統安全性和穩定性的要求越來越高，工業以太網廣泛應用于電力系統中，這主要是因為其可以解決共享以太網媒體訪問控制（MAC）機制所導致的媒體訪問沖突問題，由于工業以太網主要采用先進先出方式，因此其存在一定的弊端，即會發生緩沖器溢出的情況，進而會使部分數據丟失，使網絡通信的實時性和穩定性遭到破壞[3]。有一種控制方法可以解決上述問題，那便是暫停（Pause）操作，它是一種數據鏈路層上的“源抑制”方法。全雙工鏈路兩端的任意一個設備都可以給對方發送暫停幀，使對方的數據幀傳送在一段時間內暫停，這樣便可以使網絡的輸入負荷減小，解決網絡擁堵問題[4]。本篇文章在交換機緩沖器的轉發和存儲機制中引入IEEE 802.3x中的暫停操作，以此來確保工業以太網通信的實時性和可靠性，并且使網絡的穩定性得以提高。

交換式工業以太網的傳送延時所包含的內容涉及到了很多部分，主要包括（1）發送者和交換機的距離會直接影響傳送數據的傳播延時TFP，;（2）交換機接收信息的時間;（3）清除信息的時間;（4）清除輸出信息的時間;（5）傳播延時;（6）交換機與接收者的距離。電信號速度大約是下面我們將詳細的分析由以太網組成的系統的信息傳送延時，以此來檢驗用于自適應保護系統的以太網通信是具有實時性的。

如果我們假設全雙工交換式工業以太網存在著一個控制器和十六個傳感器組成;交換機與發送者之間的長度和交換機與接收者之間的長度是完全一樣的，都是一百米。輸出和輸入端口之間的連接介質是以太網電纜，其傳輸速度為100Mbit/s，并且所有的傳感器在一個循環中都可以發送五十幀的數據信號;每幀數據都有144bit頭部信息以及1020字節數;電纜中允許的錯誤幀率為0.001;交換機使用cisco3000以太網交換機，它每分鐘之內所處理的內容是14880幀。它的所有端口的長度都是十六幀，并且L是輸入緩沖器的低位標記，其為8幀，H是高位標記，其為14幀。它的有效帶寬為99.9Mbit/s;每個傳感器在每個周期內向控制器發送50幀數據，所以，交換機的帶寬為，輸出帶寬，因為，所以數據將會填滿輸出緩沖器。交換機輸出帶寬為，

我們可以得搭配輸入有效帶寬，則每個輸入的帶寬為，所以，數據也將會填滿輸入緩沖器。

在輸出和輸入都被已經被滿足的情況下，我們得到交換機所接收所有信息所用的時間是：

式中：

在輸入緩沖器和輸出緩沖器均填滿的情況下，我們得到交換機輸入緩沖器清除個幀所需要的時間為：

基于上面我們的假設，我們得到了相關的數據。通過分析數據我們得到，在我們進行周期性通信時，將暫停操作用于交換機，可以實現對各傳感器輸入節點的數據幀傳送的流量控制。這樣便可以保證數據通信的確定性，每個數據幀的平均傳送延時約為2ms，由此可見，網絡的實時性和穩定性得到了很大的提高。

結論：綜上所述，文章主要給出了現場總線傳送延時模型，分析了其組成部分，并進一步分析了自適應保護系統內交換式工業以太網周期性通信的傳送延時。通過仿真顯示，工業以太網通信具有較高的可靠性與實時性，能夠達到變電站自動化需求。文中首先利用工業以太網構建了自適應保護系統通信網絡，并利用現場總線延時模型、相關的評價指標、工業以太網的基本公式以及延時組成，分析了工業以太網在自適應保護系統中所表現出的性能，以此為例來檢驗供配電線路自適應保護系統的通信性能。仿真顯示，工業以太網通信具有較高的可靠性與實時性，能夠達到變電站自動化需求。希望本文在促進現場總線和工業以太網在電力系統的應用方面有所貢獻。