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电网自动化系统网络端对端延时问题分析
摘要: 电力系统继电保护对通讯数据传输的实时性要求较高，倘若端对端通讯的延时时间较长，一旦电网中有故障发生，继电保护装置不能及时响应，及时切除故障点，则很容易导致事故的扩大化，甚至造成设备的损坏和人员的伤害。本文对继电保护设备和变电站本地监控之间通讯进行了研究，对影响系统中继电保护数据端对端延时时间的因素进行了分析，并针对这些问题提出了相应的解决方案。 关键词：自动化系统；网络；端对端延时
一 概述。
电力系统通讯网络如同人体的神经，是整个电网安全稳定运行的支撑。电力通讯在促进电网智能化发展的同时，也为电力系统的运行带来了新的问题。网络通讯性能的优劣对电力系统造成很大的影响，不同的电网功能业务对网络通讯的性能要求不同，不同业务的通信交流形式也不尽相同。其中，电网继电保护对网络通讯实时性的要求最高，一旦通讯系统中有故障发生，很容易对电力系统的安全运行构成威胁，保护动作的延时动作所造成的危害是难以估量的。[1]本地监控设备之间的通讯为例，对电网通讯的延时问题进行了分析，通过仿真实验得出影响通讯延时的重要因素，并对通讯网络的改善提出了建议，对提高电网自动化通讯网络传输的实时性的改善具有一定的参考意义。本文以变电站继电保护与
二 通讯网络端对端延时的探析。
网络端对端延时主要是从数据传输的通讯栈顶堆栈的起点开始，直至数据从传输栈取走所需的时间，总起来讲端对端通信的整个通讯过程的延时时间主要包括数据发送处理延时时间、数据接收处理时间、其他设备延时时间以及链路延时时间。本文所研究的通讯网络为以太网，通讯协议为TCP/IP。
1.数据发送处理延时时间。主要包括通讯程序执行报文分段所耗费的时间，添加通讯报文首部所耗费的时间以及添加MAC报文首部耗费的时间。
2.数据通讯处理延时时间。主要包括去除MAC报文首部耗费的时间，去除TCP/IP报文首部所需要的时间，以及报文重生成所需要的时间。
3.其他设备延时时间。主要指switch报文从接收到转发所需要的时间，其主要受交换机的交换速率和转发策略影响。
4.链路传输延时。主要包括数据排队延时时间、传输延时时间以及传播延时时间。排队延时时间指报文从排队到传输所需的时间，其主要与网络介质访问方式有关；传输延时时间指从第一个报文发送开始到最后一个发送完成所需要的时间，其主要受报文数据长度和通讯速率影响；传播延时时间指数据发出点到接收点的时间，其主要受信号传输距离和传输速度的影响。
三继电保护通讯数据分析。
变电站继电保护通讯数据可分为周期性数据、随机性数据以及突发性数据三种。
1.周期性数据是指系统在正常运行过程中，继电保护设备向本地监控设备定时发送的数据信息，周期性数据是继电保护数据的主要数据，占据了继电保护数据的绝大部分，其可以通过定时触发，报文长度是预先设定的，其可以用定长的周期性报文模拟。
2.随机性数据主要为本地监控设备向继电保护设备下发的动作命令，保护定制调整，变压器分接头跳档等命令，该类数据较少，在继电保护的数据构成中所占比重很小。随机性数据在一定时间内按某个概率值出现一组报文，且出现时机没有规律可言，可以用定长的服从泊松分布的报文模拟。
3.突发性数据。突发性数据主要是系统有故障发生时，继电保护装置向本地监控设备上传的保护动作及事件记录信息等，通常只有在系统发生故障时才会有此类数据产生，该类数据的数量取决于系统的故障情况和故障率，对于一般故障，只会对系统一部分造成短时影响，保护动作和事件记录数据较少，产生的数据流量有限，占整体数据传输量的比重较小；对于较严重故障，若发生多个断路器跳闸，多个保护装置动作，保护动作和事件记录的数据量较多，数据流量增多，占整体数据传输量的比重增大，该累报文可用长度为正态分布，到达为泊松分布的报文模拟。[2]
四数据通讯延时的影响因素分析。
1.通讯仿真实验模型的建立。
我们利用仿真软件对220kV变电站的本地监控设备和继电保护装置的通讯情况进行仿真，其中不对继电保护系统中的测控设备进行研究，只针对继电保护设备通讯数据的端对端延时进行研究。继电保护设备和变电站本地监控通过网络交换机，形成物理拓扑结构为星型，逻辑拓扑结构为总线型的网络结构。系统中共有16个继电保护装置和2个本地监控设备，网络系统的各个设备通过网络交换机连接。继电保护设备定期向本地监控设备发送继电保护状态信息，本地监控设备随机向继电保护设备发送操作命令，整定值调整命令等数据。仿真中，周期性数据通讯报文满足均值为0.02s的常数分布，随机性数据通讯报文满足λ为10的泊松分布，报文长度满足平均值为64B的常数分布，突发性数据通讯报文满足λ为5的泊松分布，报文长度满足平均值为64B，方差为0.01的正态分布。图4.1为不同数据帧导线的情况下，端对端通讯延时的曲线图，图4.2是数据帧发送间隔不同时，端对端通讯延时的曲线图。
图4.1 不同数据帧大小和端对端延时的对应曲线图
图4.2 不同数据发送间隔和端对端延时对应曲线
2影响数据端对端通讯实时性的主要因素。
通过仿真实验，可知对端对端通讯实时性造成影响的因素主要有：数据帧的大小以及数据发送间隔，链路背景利用率以及通讯协议等。
（1）通过仿真发现，通讯报文的长度越大，网络通讯的端对端延时越长，报文长度在2k以下时，端对端的延时时间在4ms以下，满足通讯的实时性要求，当报文超过4k后，通讯延时超过4ms，已经不能满足系统要求，所以，在网络通讯配置过程中，应对报文长度进行控制，当报文过长时应将报文拆分从而减小单个报文的长度。
（2）当周期性数据的发送间隔发生变化时也会对端对端的通讯延时时间造成影响。当报文的发送间隔为0.01s时，单位时间内的数据总量比较大，通讯延时较为严重，但随着通讯的报文间隔增不断增加，端对端的通讯延时不是一直缩短的，这和突发性数据和随机性数据的产生时机相关，当多种类型的数据在同一时段集中产生时，在同一时刻的数据流量会非常大，数据传输的实时性会受到影响，因此在网络配置中，应尽量想方设法避免多种数据在同意时刻产生，从而尽量满足通讯时效性的要求。
（3）当链路背景利用率增加时，继电保护数据通讯的端对端延时和其他链路延时也会随之增加。随着背景链路的增加，站级总线的流量也会增加，当数据流量超过网络37%的流畅负载限制时，则可能会有数据冲突产生导致传输数据的实时性受到影响。这种问题可以通过增加宽带带宽或者降低链路北京利用率来解决。端对端的通讯延时岛屿网络链路延时的原因在于，高层协议封装和拆封导致的，数据在链路传输钱需要经过协议分段和封装处理，而数据在目的节点使用前需要经过解封和重组处理，这些过程都是需要耗费一定时间的，与协议的编码算法相关，可见，协议规则对端对端实时性也有一定的影响。
（4）影响端对端通讯延时的因素除以上几点外，数据传输距离以及继电保护通讯设备的数量也会影响通讯延时。网络布线的距离越长，数据传输的距离则越长，信号的通讯延时也越严重。网络中继电保护通讯设备的数量越多，网络负担越重，当通讯单元的数量达到一定程度后，整个网络通讯就会出现拥堵，对数据传输的实时性造成严重影响。由于网络中设备的总数量是基本确定的，因此在网络建立过程中可以将设备分为不同的子网，子网再和上层设备进行通讯，可以有效降低网络的拥堵程度，提高网络的实时性。[3]
五通讯配置优化的几点建议。
通过对电力网络继电保护端对端延时影响的研究和分析，我们提出了几点优化网络配置，提高网络端对端通讯实时性的几点建议。
（1）优化继电保护设备通讯报文的大小和数据发送间隔。在确保发送数据信息完整的情况下，尽可能减小报文的大小，尽量杜绝大报文的产生；运行过程中的随机性数据的传输时机应尽量不要和周期性数据的防重叠，确保网络总线链路的利用率在37%以下，从而确保数据通讯安全可靠传送。
（2）对于通讯协议的选择，对于实时性要求较高的数据可选用UDP/IP协议，数据传送的可靠性要求高的数据选择TCP/IP协议。
（3）根据网络的数据流量选择合适的网络带宽，大力发展千兆以太网的研究应用，确保数据传输的带宽需要，。
（4）合理布线，尽量缩短线路的传输距离，减少保护数据通讯传输消耗的时间；当通讯网络设备数量较多时，进行子网划分，降低单个的网络流量，避免网络拥堵的现象发生。
五结论。
电网通讯网络的实时性严重影响着电力系统运行的可靠性。要减小端对端通讯的延时时间，就要从影响网络传输延时时间的关键因素出发，选择事宜的通讯协议，尽量缩短网线路径，合理规划网络结构，选择合理的网络带宽，从根本上解决网络通讯延时的问题，提高通讯的实时性，确保整个电网的可靠运行。
参考文献：
[1] 吴在军，胡敏强，杜炎森.变电站通信网络实时性能仿真分析[J].电力系统自动化，2005，29(8):45-49.
[2] 欧阳利剑,许庆强,徐青山,王轩.差动判据受通道收发不一致延时影响的试验分析研究[J].电力系统保护与控制,2011,08:80-85.
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