崔权哲 蔡美

摘要：本文在基于工业以太网构建的通信网络的基础上，对供配电线路自适应保护系统的通信性能进行了分析。文章主要给出了现场总线传送延时模型，分析了其组成部分，并进一步分析了自适应保护系统内交换式工业以太网周期性通信的传送延时。通过仿真显示，工业以太网通信具有较高的可靠性与实时性，能够达到变电站自动化需求。

关键词：自适应保护系统 ;工业以太网 ;通信性能分析; 传送延时

引言：随着我国经济的快速发展，人民生活水平的提高，人们对供配电线路运行提出了更高的要求，即可靠性和安全性。为了满足人们的需要，我们需要完善相关措施和提供有效的保护。“事先整定、实时动作、定期检验”是传统继电保护的特点，它们的整定值都是根據相关参数离线计算的，并且在今后的运行中保持不变。这种方法是在最严重运行条件下确定的整定值，它虽然能够在任何情况下都能保证电力系统的运行，但与其他运行方式相比较没有达到最佳保护效果[1]。因此，一种新的保护方法应运而生，那便是自适应保护。自适应保护的最大特点是它能够在线调整整定值和改变保护性能，所以当电力系统在拓扑结构、故障类型、运行方式等发生变化时，也能达到最佳保护效果。自适应保护系统最关键的部分是通信网络，它的信息传输速度和可靠性决定了系统的可用性。

1、工业以太网简介

普通以太网技术在工业领域进行运用就形成了工业以太网。当前我国工业发展迅速，并逐渐走向自动控制的时代，工业以太网应运而生[2]。工业以太网必须和商用以太网进行兼容，在材质方面、强度方面以及应用方面必须要达到工业运行中的要求，所以说工业以太网相对于普通的以太网必须具有更强的环境适应性与安全可靠性。虽然以太网运用于工业控制中困难重重，但是以太网走进工业领域已经成为当下的趋势。

当今时代是网络的时代，以太网技术已经逐渐成熟，成为了现阶段运用十分广的局域网，当前以太网在整个局域网市场中占80%，可以说占据了广阔的市场。与其他网络相比，以太网技术有着极大的优点，其以IT技术为基础，也就是技术基础良好，其次又有着较强的开放性。在工业生产中，以太网能够实现现场总线和计算机网络同步，促使了现场总线技术和计算机网络技术的融合。以太网不论在价格上还是技术上都明显优于其他网络，这使得以太网在工业生产中有了很强的竞争力。如今网络技术已经逐渐走进了工业领域，工业以太网由此诞生。以太网走进工业领域，大大促进了工业生产的进步，为了进一步促进以太网融入工业，工业以太网协会、工业自动化开放网络联盟相继诞生，大大促进了工业以太网技术的进步，目前工业以太网已经在工业的很多领域有了较为成熟的应用。

现阶段工业以太网技术在工业中的运用还面临着一些问题，只有认识到问题的存在并解决问题，工业以太网的应用才会更顺畅。以太网刚开始创建的目的是为了满足办公自动化应用的需要，具有较大的不确定性。普通的以太网工作的环境是比较良好的，对其可靠性的要求也就没那么高。但是由于工业环境没那么友好，恶劣的环境要求工业以太网必须具有较强的实时性以及确定性。现在以太网带宽已经有了很大的提高，网络科学技术不断发展，数据传输的速度大大提升，为以太网不确定性问题的解决带来了很大的机遇，推动了以太网运用于工业的进程。最近的研究显示，设计很好的以太网响应时间非常短，基本上能够满足全部工业过程的控制要求。

2、工业以太网性能分析

近几年来，人们对电力系统安全性和稳定性的要求越来越高，工业以太网广泛应用于电力系统中，这主要是因为其可以解决共享以太网媒体访问控制（MAC）机制所导致的媒体访问冲突问题，由于工业以太网主要采用先进先出方式，因此其存在一定的弊端，即会发生缓冲器溢出的情况，进而会使部分数据丢失，使网络通信的实时性和稳定性遭到破坏[3]。有一种控制方法可以解决上述问题，那便是暂停（Pause）操作，它是一种数据链路层上的“源抑制”方法。全双工链路两端的任意一个设备都可以给对方发送暂停帧，使对方的数据帧传送在一段时间内暂停，这样便可以使网络的输入负荷减小，解决网络拥堵问题[4]。本篇文章在交换机缓冲器的转发和存储机制中引入IEEE 802.3x中的暂停操作，以此来确保工业以太网通信的实时性和可靠性，并且使网络的稳定性得以提高。

交换式工业以太网的传送延时所包含的内容涉及到了很多部分，主要包括（1）发送者和交换机的距离会直接影响传送数据的传播延时TFP，;（2）交换机接收信息的时间;（3）清除信息的时间;（4）清除输出信息的时间;（5）传播延时;（6）交换机与接收者的距离。电信号速度大约是下面我们将详细的分析由以太网组成的系统的信息传送延时，以此来检验用于自适应保护系统的以太网通信是具有实时性的。

如果我们假设全双工交换式工业以太网存在着一个控制器和十六个传感器组成;交换机与发送者之间的长度和交换机与接收者之间的长度是完全一样的，都是一百米。输出和输入端口之间的连接介质是以太网电缆，其传输速度为100Mbit/s，并且所有的传感器在一个循环中都可以发送五十帧的数据信号;每帧数据都有144bit头部信息以及1020字节数;电缆中允许的错误帧率为0.001;交换机使用cisco3000以太网交换机，它每分钟之内所处理的内容是14880帧。它的所有端口的长度都是十六帧，并且L是输入缓冲器的低位标记，其为8帧，H是高位标记，其为14帧。它的有效带宽为99.9Mbit/s;每个传感器在每个周期内向控制器发送50帧数据，所以，交换机的带宽为，输出带宽，因为，所以数据将会填满输出缓冲器。交换机输出带宽为，

我们可以得搭配输入有效带宽，则每个输入的带宽为，所以，数据也将会填满输入缓冲器。

在输出和输入都被已经被满足的情况下，我们得到交换机所接收所有信息所用的时间是：

式中：

在输入缓冲器和输出缓冲器均填满的情况下，我们得到交换机输入缓冲器清除个帧所需要的时间为：

基于上面我们的假设，我们得到了相关的数据。通过分析数据我们得到，在我们进行周期性通信时，将暂停操作用于交换机，可以实现对各传感器输入节点的数据帧传送的流量控制。这样便可以保证数据通信的确定性，每个数据帧的平均传送延时约为2ms，由此可见，网络的实时性和稳定性得到了很大的提高。

结论：综上所述，文章主要给出了现场总线传送延时模型，分析了其组成部分，并进一步分析了自适应保护系统内交换式工业以太网周期性通信的传送延时。通过仿真显示，工业以太网通信具有较高的可靠性与实时性，能够达到变电站自动化需求。文中首先利用工业以太网构建了自适应保护系统通信网络，并利用现场总线延时模型、相关的评价指标、工业以太网的基本公式以及延时组成，分析了工业以太网在自适应保护系统中所表现出的性能，以此为例来检验供配电线路自适应保护系统的通信性能。仿真显示，工业以太网通信具有较高的可靠性与实时性，能够达到变电站自动化需求。希望本文在促进现场总线和工业以太网在电力系统的应用方面有所贡献。