供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)通信性能分析

崔權(quán)哲 蔡美

摘要：本文在基于工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對(duì)供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)的通信性能進(jìn)行了分析。文章主要給出了現(xiàn)場(chǎng)總線傳送延時(shí)模型，分析了其組成部分，并進(jìn)一步分析了自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)交換式工業(yè)以太網(wǎng)周期性通信的傳送延時(shí)。通過(guò)仿真顯示，工業(yè)以太網(wǎng)通信具有較高的可靠性與實(shí)時(shí)性，能夠達(dá)到變電站自動(dòng)化需求。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng) ;工業(yè)以太網(wǎng) ;通信性能分析; 傳送延時(shí)

引言：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對(duì)供配電線路運(yùn)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(guān)措施和提供有效的保護(hù)。“事先整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作、定期檢驗(yàn)”是傳統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)，它們的整定值都是根據(jù)相關(guān)參數(shù)離線計(jì)算的，并且在今后的運(yùn)行中保持不變。這種方法是在最嚴(yán)重運(yùn)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(tǒng)的運(yùn)行，但與其他運(yùn)行方式相比較沒有達(dá)到最佳保護(hù)效果[1]。因此，一種新的保護(hù)方法應(yīng)運(yùn)而生，那便是自適應(yīng)保護(hù)。自適應(yīng)保護(hù)的最大特點(diǎn)是它能夠在線調(diào)整整定值和改變保護(hù)性能，所以當(dāng)電力系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障類型、運(yùn)行方式等發(fā)生變化時(shí)，也能達(dá)到最佳保護(hù)效果。自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是通信網(wǎng)絡(luò)，它的信息傳輸速度和可靠性決定了系統(tǒng)的可用性。

1、工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

普通以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)用就形成了工業(yè)以太網(wǎng)。當(dāng)前我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，并逐漸走向自動(dòng)控制的時(shí)代，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。工業(yè)以太網(wǎng)必須和商用以太網(wǎng)進(jìn)行兼容，在材質(zhì)方面、強(qiáng)度方面以及應(yīng)用方面必須要達(dá)到工業(yè)運(yùn)行中的要求，所以說(shuō)工業(yè)以太網(wǎng)相對(duì)于普通的以太網(wǎng)必須具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性與安全可靠性。雖然以太網(wǎng)運(yùn)用于工業(yè)控制中困難重重，但是以太網(wǎng)走進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成為當(dāng)下的趨勢(shì)。

當(dāng)今時(shí)代是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，成為了現(xiàn)階段運(yùn)用十分廣的局域網(wǎng)，當(dāng)前以太網(wǎng)在整個(gè)局域網(wǎng)市場(chǎng)中占80%，可以說(shuō)占據(jù)了廣闊的市場(chǎng)。與其他網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)技術(shù)有著極大的優(yōu)點(diǎn)，其以IT技術(shù)為基礎(chǔ)，也就是技術(shù)基礎(chǔ)良好，其次又有著較強(qiáng)的開放性。在工業(yè)生產(chǎn)中，以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步，促使了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合。以太網(wǎng)不論在價(jià)格上還是技術(shù)上都明顯優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)，這使得以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中有了很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。如今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐漸走進(jìn)了工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)以太網(wǎng)由此誕生。以太網(wǎng)走進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域，大大促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，為了進(jìn)一步促進(jìn)以太網(wǎng)融入工業(yè)，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)、工業(yè)自動(dòng)化開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟相繼誕生，大大促進(jìn)了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，目前工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)的很多領(lǐng)域有了較為成熟的應(yīng)用。

現(xiàn)階段工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)中的運(yùn)用還面臨著一些問(wèn)題，只有認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的存在并解決問(wèn)題，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用才會(huì)更順暢。以太網(wǎng)剛開始創(chuàng)建的目的是為了滿足辦公自動(dòng)化應(yīng)用的需要，具有較大的不確定性。普通的以太網(wǎng)工作的環(huán)境是比較良好的，對(duì)其可靠性的要求也就沒那么高。但是由于工業(yè)環(huán)境沒那么友好，惡劣的環(huán)境要求工業(yè)以太網(wǎng)必須具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性以及確定性?，F(xiàn)在以太網(wǎng)帶寬已經(jīng)有了很大的提高，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣却蟠筇嵘?，為以太網(wǎng)不確定性問(wèn)題的解決帶來(lái)了很大的機(jī)遇，推動(dòng)了以太網(wǎng)運(yùn)用于工業(yè)的進(jìn)程。最近的研究顯示，設(shè)計(jì)很好的以太網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間非常短，基本上能夠滿足全部工業(yè)過(guò)程的控制要求。

2、工業(yè)以太網(wǎng)性能分析

近幾年來(lái)，人們對(duì)電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，這主要是因?yàn)槠淇梢越鉀Q共享以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制（MAC）機(jī)制所導(dǎo)致的媒體訪問(wèn)沖突問(wèn)題，由于工業(yè)以太網(wǎng)主要采用先進(jìn)先出方式，因此其存在一定的弊端，即會(huì)發(fā)生緩沖器溢出的情況，進(jìn)而會(huì)使部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，使網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性遭到破壞[3]。有一種控制方法可以解決上述問(wèn)題，那便是暫停（Pause）操作，它是一種數(shù)據(jù)鏈路層上的“源抑制”方法。全雙工鏈路兩端的任意一個(gè)設(shè)備都可以給對(duì)方發(fā)送暫停幀，使對(duì)方的數(shù)據(jù)幀傳送在一段時(shí)間內(nèi)暫停，這樣便可以使網(wǎng)絡(luò)的輸入負(fù)荷減小，解決網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題[4]。本篇文章在交換機(jī)緩沖器的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)機(jī)制中引入IEEE 802.3x中的暫停操作，以此來(lái)確保工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性，并且使網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性得以提高。

交換式工業(yè)以太網(wǎng)的傳送延時(shí)所包含的內(nèi)容涉及到了很多部分，主要包括（1）發(fā)送者和交換機(jī)的距離會(huì)直接影響傳送數(shù)據(jù)的傳播延時(shí)TFP，;（2）交換機(jī)接收信息的時(shí)間;（3）清除信息的時(shí)間;（4）清除輸出信息的時(shí)間;（5）傳播延時(shí);（6）交換機(jī)與接收者的距離。電信號(hào)速度大約是下面我們將詳細(xì)的分析由以太網(wǎng)組成的系統(tǒng)的信息傳送延時(shí)，以此來(lái)檢驗(yàn)用于自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信是具有實(shí)時(shí)性的。

如果我們假設(shè)全雙工交換式工業(yè)以太網(wǎng)存在著一個(gè)控制器和十六個(gè)傳感器組成;交換機(jī)與發(fā)送者之間的長(zhǎng)度和交換機(jī)與接收者之間的長(zhǎng)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(zhì)是以太網(wǎng)電纜，其傳輸速度為100Mbit/s，并且所有的傳感器在一個(gè)循環(huán)中都可以發(fā)送五十幀的數(shù)據(jù)信號(hào);每幀數(shù)據(jù)都有144bit頭部信息以及1020字節(jié)數(shù);電纜中允許的錯(cuò)誤幀率為0.001;交換機(jī)使用cisco3000以太網(wǎng)交換機(jī)，它每分鐘之內(nèi)所處理的內(nèi)容是14880幀。它的所有端口的長(zhǎng)度都是十六幀，并且L是輸入緩沖器的低位標(biāo)記，其為8幀，H是高位標(biāo)記，其為14幀。它的有效帶寬為99.9Mbit/s;每個(gè)傳感器在每個(gè)周期內(nèi)向控制器發(fā)送50幀數(shù)據(jù)，所以，交換機(jī)的帶寬為，輸出帶寬，因?yàn)椋詳?shù)據(jù)將會(huì)填滿輸出緩沖器。交換機(jī)輸出帶寬為，

我們可以得搭配輸入有效帶寬，則每個(gè)輸入的帶寬為，所以，數(shù)據(jù)也將會(huì)填滿輸入緩沖器。

在輸出和輸入都被已經(jīng)被滿足的情況下，我們得到交換機(jī)所接收所有信息所用的時(shí)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(jī)輸入緩沖器清除個(gè)幀所需要的時(shí)間為：

基于上面我們的假設(shè)，我們得到了相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過(guò)分析數(shù)據(jù)我們得到，在我們進(jìn)行周期性通信時(shí)，將暫停操作用于交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀傳送的流量控制。這樣便可以保證數(shù)據(jù)通信的確定性，每個(gè)數(shù)據(jù)幀的平均傳送延時(shí)約為2ms，由此可見，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性得到了很大的提高。

結(jié)論：綜上所述，文章主要給出了現(xiàn)場(chǎng)總線傳送延時(shí)模型，分析了其組成部分，并進(jìn)一步分析了自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)交換式工業(yè)以太網(wǎng)周期性通信的傳送延時(shí)。通過(guò)仿真顯示，工業(yè)以太網(wǎng)通信具有較高的可靠性與實(shí)時(shí)性，能夠達(dá)到變電站自動(dòng)化需求。文中首先利用工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建了自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，并利用現(xiàn)場(chǎng)總線延時(shí)模型、相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)、工業(yè)以太網(wǎng)的基本公式以及延時(shí)組成，分析了工業(yè)以太網(wǎng)在自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)中所表現(xiàn)出的性能，以此為例來(lái)檢驗(yàn)供配電線路自適應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)的通信性能。仿真顯示，工業(yè)以太網(wǎng)通信具有較高的可靠性與實(shí)時(shí)性，能夠達(dá)到變電站自動(dòng)化需求。希望本文在促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用方面有所貢獻(xiàn)。