基于IEC61850變電站過(guò)程總線的設(shè)計(jì)目標(biāo)和時(shí)延分析

田 寰

（山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001）

0 引 言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（Substation Automation System，SAS）在性能、數(shù)據(jù)建模、通信及工程管理等各方面的要求。隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在SAS中的推廣，過(guò)程總線以通信網(wǎng)絡(luò)形式逐步取代了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的“硬接線”。既節(jié)約了變電站的空間和成本，也消除了“硬接線”帶來(lái)的潛在危害。

1 SAS中過(guò)程總線的概述

在SAS中，過(guò)程總線技術(shù)依據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)傳遞電力系統(tǒng)電氣量值、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和命令等重要信息，主要的通信類型有采樣值（Sample Value，SV）、通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅eneric object Oriented Substation Event，GOOSE）和精密時(shí)間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）。比如，文獻(xiàn) [1]研究了過(guò)程總線技術(shù)通過(guò)合并單元（Merging Unit，MU）裝置從CT/PT中采集電壓和電流信號(hào)，并以IEC61850-9-2 SVs形式進(jìn)行傳遞。文獻(xiàn)[2]研究了過(guò)程總線技術(shù)在以太網(wǎng)上以IEC61850-8-1 GOOSE形式，通過(guò)高速的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信進(jìn)行跳閘信號(hào)的傳遞。

在SAS中，過(guò)程總線技術(shù)可以應(yīng)用在監(jiān)控、保護(hù)和控制多個(gè)方面。比如，文獻(xiàn)[3]提出了一種用于保護(hù)和控制的IEC61850-9-2過(guò)程總線設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)不同廠商MUs的性能進(jìn)行評(píng)估，包括互操作性、成熟度、魯棒性和潛在收益。圖1給出了對(duì)廠商A的MU進(jìn)行互操作性的測(cè)試設(shè)置。測(cè)試結(jié)果表明，某些廠家裝置組合的即時(shí)互操作性在某些應(yīng)用中并不起作用。文獻(xiàn)[4]評(píng)估了在過(guò)程總線網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)交換機(jī)在進(jìn)行SVs傳遞時(shí)的性能。在測(cè)試設(shè)置中，對(duì)來(lái)自多個(gè)相同MUs的SVs的測(cè)量，證實(shí)了多個(gè)采樣值可以在同一時(shí)間以相同的速率進(jìn)行傳輸。結(jié)果表明，該過(guò)程總線網(wǎng)絡(luò)是可靠的，可用于基于IEC61850變電站的未來(lái)部署。

圖1 廠商A的MU的互操作性測(cè)試設(shè)置

2 SAS中過(guò)程總線的設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)于SAS中的過(guò)程總線網(wǎng)絡(luò)而言，常見(jiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括跳點(diǎn)數(shù)量（Number of Hops）、總時(shí)延（Total Delay）、超出延遲的概率（Probability of Exceeding the Delay）、鏈路負(fù)載（Link Load）和有效性（Availability）。比如，以跳點(diǎn)數(shù)量為目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)PTP IEEE 1588時(shí)鐘精度，文獻(xiàn)[5]允許最大的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為16。

總延時(shí)是影響故障切除時(shí)間的重要因素，這可能是由于SV通信延遲引起的延遲保護(hù)動(dòng)作，或是由于GOOSE跳閘延遲引起的延遲跳閘。文獻(xiàn)[6]根據(jù)IEC 61850-5的規(guī)定，對(duì)于跳閘信息端到端的最大延遲為3 ms，其中只有20%（600 μs）的延遲是由通信網(wǎng)絡(luò)引起的，剩余80%是預(yù)留給發(fā)送和接收IEDs的處理延遲。

文獻(xiàn)[7]為了在通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中考慮隨機(jī)通信，設(shè)定了超出延遲的最大概率為10-6。該概率與變電站中最可靠設(shè)備的典型故障率一致，因此將具有過(guò)大延遲的消息視為通信故障。

文獻(xiàn)[8]針對(duì)鏈路負(fù)載較低的情況，運(yùn)用并行冗余協(xié)議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）星形拓?fù)涮岣咄ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的有效性。

3 SAS中過(guò)程總線的時(shí)延分析

現(xiàn)有研究采用時(shí)延（Latency）、吞吐量（Throughput）、抖動(dòng)（Jitter）和丟包（Packet loss）等指標(biāo)評(píng)價(jià)SAS通信網(wǎng)絡(luò)的性能，其中最常用的是時(shí)延。比如，文獻(xiàn)[9]對(duì)用于數(shù)字保護(hù)的過(guò)程總線網(wǎng)絡(luò)，以SVs丟包和延時(shí)為指標(biāo)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，分析了SVs丟包對(duì)母線保護(hù)的影響。圖2給出了進(jìn)行數(shù)字保護(hù)的過(guò)程。發(fā)現(xiàn)在某些條件下，用于保護(hù)的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Devices，IED）會(huì)因SVs丟包/時(shí)延而出現(xiàn)故障。

圖2 過(guò)程總線進(jìn)行數(shù)字保護(hù)的過(guò)程

下面對(duì)過(guò)程總線中經(jīng)歷的主要時(shí)延進(jìn)行分析。過(guò)程總線網(wǎng)絡(luò)中的總時(shí)延是指數(shù)據(jù)第一位從源IED被發(fā)出到數(shù)據(jù)最后一位到達(dá)目的IED之間所經(jīng)歷的總時(shí)延，由圖3可見(jiàn)，主要包括發(fā)送端處理時(shí)延、傳輸時(shí)延和接收端處理時(shí)延。

3.1 發(fā)送端處理時(shí)延

發(fā)送端處理時(shí)延是指以太網(wǎng)交換機(jī)用于決策哪個(gè)輸出端口發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，具體包括兩部分：源IED將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)的過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移時(shí)延Tspt；數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)等待發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的等待時(shí)延Tspw。由于數(shù)據(jù)都是通過(guò)唯一的物理接口依據(jù)串行原則發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)，因此等待時(shí)延Tspw會(huì)因隨機(jī)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突而存在不確定性。文獻(xiàn)[10]指出單個(gè)交換機(jī)最少會(huì)產(chǎn)生7 μs的處理時(shí)延，其中包含2 μs的轉(zhuǎn)移時(shí)延。

3.2 傳輸時(shí)延

傳輸時(shí)延Ttra是指數(shù)據(jù)從源IED的物理層開(kāi)始發(fā)送，經(jīng)過(guò)x個(gè)中間節(jié)點(diǎn)和y條通信鏈路，到達(dá)目的IED的以太網(wǎng)控制器的接收緩沖區(qū)的過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)延，具體包括發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延和交換時(shí)延γ共3部分。

發(fā)送時(shí)延α是由數(shù)據(jù)包大?。ɑ蜷L(zhǎng)度）L和鏈路傳輸率R決定的，與鏈路傳輸率（單位為bit/s）呈反比，與數(shù)據(jù)包大小L（單位為bit）呈正比，表示為：

傳播時(shí)延是由數(shù)據(jù)的傳播速率V和鏈路的傳播距離D決定。它與鏈路的傳播距離總和（單位為m）呈正比，與數(shù)據(jù)的傳播速率V（單位m/s）呈反比，表示為：

3種標(biāo)準(zhǔn)化光纖鏈路的傳播時(shí)延為：從開(kāi)關(guān)站到內(nèi)部控制室，大約每500 m的距離會(huì)引起2.5 μs延遲；開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)備之間每150 m約會(huì)引起0.75 μs延遲；控制室內(nèi)設(shè)備之間每5 m約會(huì)引起0.025 μs延遲。

交換時(shí)延γ由鏈路負(fù)載和交換機(jī)性能決定。在SAS中，過(guò)程總線采用的是交換式以太網(wǎng)，所以數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)若干級(jí)交換機(jī)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)，γ可以忽略；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重載時(shí)，γ可能為無(wú)窮大，如交換機(jī)緩沖區(qū)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失時(shí)。

3.3 接收端處理時(shí)延

接收端處理時(shí)延具體包括兩部分：數(shù)據(jù)在目的IED的接收緩沖區(qū)暫存等待處理引起的等待時(shí)延Trpw；目的IED將數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到以太網(wǎng)控制器的功能區(qū)的過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移時(shí)延Trpt。SAS過(guò)程總線中的數(shù)據(jù)傳輸流程，如圖3所示。

圖3 SAS過(guò)程總線中的數(shù)據(jù)傳輸流程

綜上所述，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的總時(shí)延Td可以表示為：

其中，Tspw、γ、Trpw和Trpt受多種因素影響存在不確定性，如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化、交換機(jī)性能、CPU性能、通信流量和不同應(yīng)用對(duì)接收/發(fā)送緩沖區(qū)的爭(zhēng)用等。

4 結(jié) 論

過(guò)程總線是SAS中重要的通信網(wǎng)絡(luò)，影響著SAS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。因此，介紹了SAS中過(guò)程總線的數(shù)據(jù)通信類型、功能應(yīng)用、設(shè)計(jì)目標(biāo)和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，給出了部分現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中已用到的參數(shù)，以供參考。