新一代变电站自动化网络通信系统研究

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第3期 孙军平等： 新一代变电站自动化网络通信系统研究 17

也是决定报文能否及时传输的重要因素，所以笔者认为不能一概而论的认为采用了交换式以太网就一定保证了报文传输的实时性，并且交换式以太网也存在网络流量问题，如果多个节点同时向某节点端口连续发送的数据流超过接收端口的接受能力，会存在缓存溢出或拥塞的情况。另外不能用普通办公室局域以太网的观点来分析变电站网络通信，因为二者的网络结构存在本质的不同，而且要求也不同，前者属于单服务器多客户模式，要求不高，后者属于多服务器单客户模式，要求苛刻。所以如何设计满足系统要求的变电站网络通信结构，是摆在研究学者面前的课题。

本文结合变电站自动化系统的通信特点，从Ethernet通信机理和报文传输的本质概念入手，提出基于 Ethernet的变电站自动化系统中报文实时传输的充要条件及影响因素，并给出了相关的定义、公式、数学模型和分析结果，该研究对于变电站网络通信的设计具有参考意义。

定义了7种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。通过分析和研究，笔者从时域的角度，把上述变电站自动化系统中7种类型的报文分为3种类型通信：周期性通信、随机性通信、突发性通信。

（1）周期性通信 原始数据报文属于周期性通信，主要是过程层通过接口④，周期性地向间隔层传递过程采样数据。根据设定采样频率的不同，传输一般要求在3ms或10ms内完成。

（2）随机性通信 低速报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文属于随机性通信，这类通信一般符合负指数分布，传送报文的数据量大，，但时间稍宽松。

（3）突发性通信 快速报文、中速报文属于突发性通信，报文数量少，但时限要求高。

3　　网络通信延迟　

3.1　　报文延迟　

变电站实时网络通信中，报文的成功发送不仅取决于收到报文的完整性，更取决于收到报文的时间。以太网实时通信要提供时限（Deadline）保证，就必须知道最坏情况下的端到端延迟报文Td。

定义：报文延迟Td——发送节点的应用程序发出报文到接收节点的应用程序接收到报文的时间间隔。

Td的大小，取决于系统的实现。在基于以太网的系统中，MAC层以上的协议由主处理器完成，MAC协议由以太网卡实现，所以报文经历的端到端延迟Td包括以下几部分（如图2所示）：

2　　网络通信体系和报文分类　

IEC TC57按照变电站自动化系统所要完成的

测量、控制和保护三大功能从逻辑上将系统分为3层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了9种逻辑接口[5]。如下图1所示：④⑤用于过程层和间隔层之间通信，①③⑥⑨用于间隔层内部及与变电站层的通信，⑧是间隔层之间通信。对于该网络结构，决不是短期内就可以实现的，它需要电力一次、二次设备生产商共同努力才能实现。针对目前的情况，一次设备的智能化虽然已有学者开展研究[6]，但还没有带网络接口的产品出现，所以建议采用两种渐进的方式，首先过程层仍采用硬线连接，而间隔和厂站采用以太网通信，另外可在一次设备和二次设备之间加入智能I/O单元，来实现接口④⑤。

图2　　报文延迟时间　Fig.2 Delay time of message

图1　　基于以太网的变电站自动化系统结构　

Fig.1 Frame of substation automation based on Ethernet

正在制订的变电站通信网络和系统国际标准[5]

（1）发送节点通信处理机协议打包延迟t1； （2）报文等待延迟ta； （3）报文发送延迟T； （4）报文传播延迟 ；

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