摘要：智能变电站通信网络中以太网技术的发展为全站的数据共享提供了更有效的途径，如何利用现有的网络结构优化其他智能电子设备的功能值得研究。针对智能变电站中现有的过程层冗余通信网络结构，提出了一种基于并行冗余网络的母差保护数据接收延时优化方案，并给出了理论计算分析。
关键词：智能变电站; 并行冗余网络; 母差保护; 时延特性
随着非常规互感器、网络通信技术、智能断路器技术的不断发展，基于IEC61850协议的智能变电站二次系统日益完善。IEC61850 Ed2 废除了采样值点到点传输方案，基于 IEC61850－9－的过程总线技术正向 IEC61850－9－2网络化传输方式过渡，对过程层采集的电气量及状态量信息进行数字化、网络化处理。过程总线技术通常采用点对点单独运行，网络流量较低。过渡到IEC61850－9－2后，采样测量值 ( SMV) 、跳闸指令及断路器隔离开关状态量(GOOSE)传输于由交换机组成的过程总线数据网络，通信技术成为变电站自动化系统的关键，数据传输网的可靠性也显得尤为重要。
1并行冗余网络结构
IEC62439 高实用性自动网络标准的发布为工业网络的冗余提供了标准化支持。它给出了 4 种冗余协议：基于环网的媒介冗余 协 议 MＲP ( Media Ｒedundancy Protocol based on a ring topolo- gy) ; 并行冗余协议 PＲP ( Parallel Ｒedundancy Protocol)交叉冗余协议 CＲP ( Cross－network Ｒe- dundancy Protocol) 以及信号冗余协议 BＲP ( Bea- con Ｒedundancy Protocol) 。由于 PＲP 实现双网冗余的同时可以完成 GOOSE 报文的双网同时发送且经过的交换机跳数较少，经济性好，因此比较适合在现有技术条件下的智能变电站中应用。
并行冗余系统采用两个独立的局域网 A、B 实现。在网络中，可以根据连接网络的链路数划分两类节点: ①DAN ( Doubly Attached Nodes) 节点: 通过两个网络接口连接到双网的节点; ② SAN ( Single Attached Nodes) 节点: 通过一个网络接口连接到单网的节点。并行冗余网络是通过 DAN 节点实现的。DAN 节点有两个使用相同 MAC 地址和 IP 地址的网络适配器和一个链路冗余实体 ( Link Ｒedundancy Entity，LＲE) 。两个适配器与两个网络 A、B 连接。上层应用与网络接口通过 LＲE 连接。LＲE 层实现报文的双发双收，LＲE 收到上层应用传来的发送报文，将报文加上网络标识符后复制成两份， 然后从 A 网、B 网的物理层发出，这样在两个局域网中会有相同的报文被转发，在一个局域网失 效时，另一个局域网也会将报文送达。接收节点 从 A 网、B 网的物理层先后收到报文，LＲE 对标识进行判别，丢弃后到的报文而先到的报文去除 网络标识后传送给上层应用。
2母差保护数据接收优化方案
在基于 IEC61850 的智能变电站过程层采用组网方式作为报文传输方式的模式下，报文端到端 延时特性是通信网络性能的重要指标，采样值报 文网络延时的大小也将影响到间隔层保护的动作 特性。母差保护由于要汇集连接到母线的各线路 的实时电气量信息，信息量大且涉及到采样值报 文的跨间隔传输，因此报文端到端的延时大，不 利于母差保护的快速动作。基于并行冗余协议的 网络结构为智能变电站通信网络提供了可靠的热 备份，同时在空间上也拓宽了信息的传输途径， 本文在并行冗余网络结构的基础上，研究一种母 差保护接收跨间隔网络报文优化方案。
2.1智能变电站网络延时分析
基于 IEC61850 的智能变电站实时通信网络中传输着不同的数据流信息，根据不同的功能要求， 各种数据流端到端的延时特性也有差异。报文时延主要包括源节点的发送端处理延时 ta 、网络传输延时 tb 、和目的节点的接收端处理延时 tc ，即总延时 t = ta +tb +tc 。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆延时 ta 、tc 主要取决于帧的长度和以太网的通信速率; 网络传输延时 tb 主要包括交换机存储转发时延、交换机交换时延、光缆传输延时、排队时延，其中排队延时是由于交换机发生帧冲突时采用排队方式顺序传送，这也是导致报文端到端延时不确定性的主要原因，研究减少报文的网络传输延时 tb 是改善智能变电站信息实时性的关键。
2.2母差保护数据接收优化方案
基于并行冗余的智能变电站的过程层星型网 络结构如图 4 所示，采用并行冗余通信网络，工作时，合并单元 ( Merging Unit，MU) 同时向两个独立的过程层 A、B 网络发送采样值信息，A 网和 B 网中传输的数据完全相同。接收端 ( 保护及测控装置或母差保护单元) 同时从 A 网和 B 网获取采样值报文，优先利用先收到的采样值信息， 另一个则丢弃，如果收不到另一个网络的信息就 告警。当 A 网和 B 网的结构相似，且布线路径相近时，A 网和 B 网具有相同或相近的网络性能。当数据拥塞时，两个网络可能会同时发生拥塞， 此时将导致数据接收延时增大。
母差保护单元必须在接收到 A 网或 B 网中传输的所有线路间隔的电气量信息后才能进行母线保护运算，只是在其中一个网络出现故障时才会利用另一个冗余网络的数据信息，而不是充分利用两个网络中先到的电气量信息，因此在智能变电站中采用并行冗余协议的通信网络并没有提升过程层通信网络的性能尤其是母差保护的快速动作特性。
3母差保护端口延时分析
在智能变电站中各设备通过划分 VLAN 可以将数据流量较好地限制在各个间隔内，因此大多 数保护功能的流量均可较为稳定地在过程层网络 中传输。在 80 点 12 路采样模式下，一个合并单元发送的采样值数据量约为 5 Mbps，则一个 100 Mbps 的通信网络理论上可支持 19 个合并单元设备。即使考虑到合理的网络性能，仍然可以支持5 个合并单元设备。因此在线路保护等间隔内，100 Mbps 网络可以满足通信需求。每条进出线上具有断路器和合并单元，合并单元将采样值数据发送到母差保护，母差保护对 同一时刻的各条线路电流进行运算从而判断出故 障。假设中心交换机为线速交换机，即其交换总 线带宽大于等于所有端口带宽之和。同时假设光 纤线路上的延时基本忽略，各端口处理速度相同。由于所有合并单元会在同一时刻向母差保护发送 采样值，因此在采样值发送时刻，母差保护端口 会形成短时间拥塞。此时，6 个合并单元当前的采样值数据将依次排列在母差通信端口，且 PＲP 双网上的顺序相同。
以每个采样值报文长度为 159 byte 计算，6 个采样值报文在 100 Mbps 的链路上全部接收到的时间为 74. 53 us。当采用优先级分组方式发送采样值数据后， 母差保护的两个端口排列方式如下图所示。由于PＲP 协议防止重复报文原理的存在，母差保护将同时分别从两个网络端口收到 a1－a3 和 b1－b3 的采样值数据，并抛弃掉之后接收到的低优先级数 据。以每个采样值报文长度为 159 byte 计算，6 个采样值报文在 100 Mbps 的链路上全部接收到的时间为 37. 27 us，延时特性得到了很大程度的优化。
4结束语
优先级分组方法通过在基于并行冗余协议的 双网通信方式中引入以太网优先级，将设备的数 据通过优先级的方式分别分到两个通信网链路中。在经优先级分组后的 PＲP 双网冗余通信链路上， 网络延时显著降低，尤其在数据汇聚端口和发生 数据拥塞的情况下性能改善明显。同时等效增大 了交换机端口缓冲区，进一步降低了丢包率。同 时，优先级分组方法完全与以太网协议和 PＲP 协议兼容，对智能变电站通信网络的构建提供了一 种参考。
参考文献
［1］IEC61850－ 9 － 2 Communication networks and systems in sub- station 9－2: Specific communication service mapping–Sam- pled analogue values over LSO 8802－3 ［S］.
［2］殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.基于IEC 61850 标准的过程总线通信研究与实现［J］.中国电机工程学报，2008，25 ( 8) : 84－89.
论文作者:唐长林
论文发表刊物:《电力设备》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/16
标签：报文论文; 冗余论文; 网络论文; 变电站论文; 数据论文; 智能论文; 节点论文; 《电力设备》2019年第11期论文;