以太网应用于电力系统通信的实时性分析

摘 要：现代电力系统日益复杂、运行方式复杂多变，电力系统通信的实时性越来越重要。本文分析了电力系统通信的实时性要求，探讨了以太网应用于系统通信的可行性，详细分析了以太网应用于电力系统通信时实时性的解决方法。

关键词：电力系统；以太网；通信实时性

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 16-0000-01

变电站二次系统对于保障一次系统的安全、稳定和经济运行发挥着至关重要的作用。目前变电站二次系统中的设备，但大多数都是功能单一的独立设备，各个设备缺乏整体协调和功能的优化功能，而且功能交叉严重。其次，为了保障电力信息的安全和可靠性能，一般采用专用网络技术构成各自独立的子系统，如切负荷控制子系统、变电站监控子系统、动态监测子系统、故障处理子系统等，由于受当时通信技术和网络技术等具体条件的限制，过程层和间隔层之间的通信大多采用点对点的并行电缆通信，二次接线相当复杂。

现代电力系统日益复杂、运行方式复杂多变，使变电站自动化系统面临的任务更加繁重，需要解决的问题变得更多更为复杂；其次，电力市场的竞争，要求变电站自动化的各系统逐步走向集成化，使资源共享和系统性价比提高。

由于以太网具有标准化、灵活性、价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，以太网为代表的通信技术正成为变电站网络通信系统发展中的新亮点。

一、变电站自动化系统数据通信的实时性要求

变电站自动化系统的数据通信网络要能及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息，在电力工业标准中对系统的数据传送都有严格的实时性指标，因此网络必须很好地保证数据通信的实时性。要求变电站内通信网络传输信息时间：设备层和间隔层之间、间隔内各个设备之间、间隔层各间隔单元之间为1-100ms；间隔层和变电站层之间为10-1000ms；变电站层各个设备之间、变电站和控制中心之间>1000ms。各层之间的数据流峰值为：设备层和间隔层之间数据流大概250KBit/s，取决模拟量的采样速度；间隔层各单元之间数据流大概60KBit/s或130KBit/s，取决是否采用分布母线保护；间隔层和变电站层之间及其它链路之间数据流大概在1OOKBit/s及以下。

二、以太网的实时能力分析

文献[1]对比研究了普通以太网和令牌总线网的性能，并得出结论：在网络负荷小于25%情况下，以太网的响应时间要比令牌总线网络快得多。同时，以太网的CSMA/CD方法也优越于令牌传递的传输管理方法，使用这种方法随时可以发送某个节点想发送的数据，而不必获得令牌控制权。因此，在故障情况下只要突发性数据使以太网的负荷量小于25%，使用以太网便可得到最好的系统响应。

对变电站自动化系统而言，通过LAN执行控制功能的“实时”性要求通常定义为4ms。为了定性地衡量以太网是否能满足电力系统中“实时性”要求。研究表明，无论是通过共享HUB（Sharing HUB）连接的100Mb/s以太网还是通过交换式HUB（Switch HUB）连接的10Mb/s以太网，都能满足4ms这一网络通信时间要求。

三、解决以太网实时性的方法

网络化是未来电力系统二次设备发展的重要方向，但是需要解决时延不确定性等以太网通信带来的问题。

综合以太网技术的发展，以太网通信响应的实时性可以通过以下方法予以保证：

（一）采用全双工交换式以太网技术

以太网交换机在端口之间数据帧的输入和输出不受CSMA/CD机制的约束，避免了冲突；而全双工通信又使得端口间两对双绞线（或两根光纤）上可以同时接收和发送报文帧，也不再受到CSMA/CD的约束，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域己经不复存在。因此，以太网的通信实时性有了重要保障。此外，使用交换式集线器还可以扩大网络带宽。对于普通共享式以太网。

（二）降低网络负载

实际应用经验结果表明，对于共享式以太网来说，当通信负荷在25%以下的，可保证通信畅通，当通信负荷在5%左右，网络上碰撞的概率几乎为零。由于工业控制网络与商业网不同，每个节点传送的实时数据量很少，可以通过限制每个网段站点的数目，降低网络流量。

（三）提高网络传输速率

传输速率较高时，以太网传输所需时间将会很大程度的减小，网络负荷会大大降低，其通信响应的实时性得到了很大程度的提高。

（四）应用报文优先级技术

根据IEEE802.3p&q，在智能式交换机或集线器中，设计优先级处理功能。通过这个优先级进行排序，使工业现场中的紧急事务的信息能够及时成功地传送到中央控制系统去，以便得到及时汇总和处理。

（五）采用虚拟局域网技术

虚拟局域网的问世打破了传统网络的很多固有观念，使网络结构更加灵活、方便。事实上，VLAN是一个广播域，不受地理位置限制，可以根据部门职能、对象组和应用等将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。这样可以将一台控制层计算机配置成多个部门并可同时访问、也可以同时访问多个虚拟网的资源。

参考文献：

[1]黄文君.实时控制系统网络设计[J].机电工程，2000，17（3）.

[2]曾庆禹，李国龙.变电站集成技术的发展——现代紧凑型变电站[J].电网技术，2002，26（8）：60-67.

[3]冯冬芹，金建祥，王为民.基于EPA的分布式网络控制系统结构[J].自动化仪表，2003，24（9）：68-70.

[4]陈磊，冯冬芹，金建祥.以太网在工业控制中的实时性问题.自动化仪表，2003，24（7）：67-70.

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