自适应保护系统demaene通信性能评估

自适应保护系统demaene通信性能评估

0供配电线路自适应保护系统通信网络的构建由于电力线路的可靠性和安全性，它直接影响到大多数电力用户。因此，有必要对其进行维护和有效的保护。传统继电保护以“事先整定、实时动作、定期检验”为特征,其整定值均通过离线计算得到,并且在运行中保持不变。这种按最严重运行条件确定保护整定值的方法,虽然可保证在电力系统各种运行方式下发生故障时保护都能正确动作,但对于其他运行方式却无法使保护达到最佳保护效果。自适应保护的出现为解决这一问题提供了一条途径。它通过在线调整保护整定值和改变保护性能,从而适应电力系统拓扑结构、运行方式和故障类型的变化,在各种运行方式下均能获得最佳保护性能。通信网络是自适应保护系统的命脉,其可靠性和信息传输的快速性决定了系统的可用性。为此,本文在文献构建适用于110kV及以下电压等级供配电线路自适应保护系统的基础上,综合DeviceNet现场总线与工业以太网各自的优势,构建了供配电线路自适应保护系统通信网络。DeviceNet现场总线采用短帧传输和非破坏性逐位仲裁技术,具有良好的故障诊断和抗干扰能力,可有效支持分布式控制和实时控制,已在电力系统自动化领域得到较多应用。但是,其通信性能分析在所见文献中却未见报道,其信息传输的实时性和可靠性能否满足变电站自动化的要求尚需验证。作为一种极具潜力的新型现场总线,工业以太网由于具有技术开放、通信速率高、组网简单灵活和设备易于实现互操作等优点,已在变电站自动化中得到初步应用。然而,它能否满足变电站通信网络数据传输的实时性要求一直存在争议。本文运用现场总线传送延时模型和性能评价指标对DeviceNet的通信性能进行分析,并对工业以太网周期性通信的传送延时进行分析,从而验证自适应保护系统DeviceNet通信与工业以太网通信的实时性和可靠性能否满足变电站自动化的要求。1供配电线路监控系统构成电力系统是典型的全分散型系统,针对此特点,确定本文构建的供配电线路自适应保护系统通信网络采用全分散型结构,其网络结构如图1所示。该通信网络主要由供配电线路层(生产设备层)、供配电线路自适应保护装置层(间隔层)、变电站控制中心层(变电站层)和集控中心层组成。各供配电线路自适应保护装置和所在变电站控制中心工控机(上位机)连同DeviceNet现场总线共同组成主/从结构的局域网络,实现各保护装置之间以及各保护装置与变电站控制中心上位机之间的实时和高效数据传输。为保证信息交换的安全性和实时性,以光纤为传输媒体,各变电站控制中心工控机和集控中心服务器通过工业以太网网卡、工业以太网交换机组成高速工业以太网网络,在各变电站控制中心之间以及各变电站控制中心与集控中心之间进行实时信息交换。2满足一定时限分布为满足变电站自动化功能对信息传输提出的实时性要求,信息在系统内的传输延时必须满足一定的时限。为此,本文提出采用现场总线传送延时模型与性能评价指标对DeviceNet的通信性能(吞吐量、传送延时、网络效率、网络利用率)进行分析,从而验证自适应保护系统DeviceNet通信的实时性和可靠性是否满足要求。2.1tdrv的数学模型现场总线的报文传送延时Tdelay定义为源节点欲开始发送报文的时刻A至目的节点完成报文接收的时刻B为止所需的时间,主要包括源节点的发送总延时Tsst、通道传播延时Tprop和目的节点的接收延时Tdrv,其中,Tsst包括等待时间Twait和报文发送净延时Tframe。报文传送延时模型如图2所示。现场总线传送延时的数学模型为:Tdelay=Tsst+Tprop+Tdrv=Twait+Tframe+Tprop+Tdrv(1)实际应用中,由于现场总线一般传输距离较短,而且报文在通道中的传输速度约为2×108m/s,因此,Tprop和Tdrv可忽略。于是,现场总线传送延时数学模型可简化为:Tdelay≈Twait+Tframe(2)在一次完整性通信中,报文总传送延时TdelayΣ为:ΤdelayΣ=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τdelayi,j(3)TdelayΣ=∑i∈Nnode∑j=1M(i)Tdelayi,j(3)式中:Nnode为节点集合;M(i)为节点i的报文数量。由式(2)可知,等待延时Twait是总传送延时TdelayΣ的主要组成部分,若Twait为有限值,对下式从k=1处开始迭代,可得:Τwaitk=Τresid+Τbreak+∑j∈ΝΗΡΤwaitk-1+ΤbitΤperij⋅(Τframej+Τbreak)(4)Twaitk=Tresid+Tbreak+∑j∈NHPTwaitk−1+TbitTperij⋅(Tframej+Tbreak)(4)式中:Tresid为当前节点完成发送所需的剩余时间;Tbreak为通信通道的间隙时间;NHP为比等待节点具有较高优先级的节点集合;Tperij为节点j的周期;Tbit为位时间。2.2tdela网络效率现场总线性能评价指标由包信息率、吞吐量、传送延时、网络效率、网络利用率和数据包丢失率6个参数组成。每个数据帧中有效数据位数Neff与数据帧数据总位数Nsum之比定义为包信息率Pinf,即Ρinf=ΝeffΝsum(5)Pinf=NeffNsum(5)包信息率主要反映网络的协议效率。一次完整性通信中,节点之间互相传送的有效数据量Nd与传送该有效数据量所需的TdelayΣ之比定义为现场总线的吞吐量Qthr,即Qthr=ΝdΤdelayΣ(6)Qthr=NdTdelayΣ(6)吞吐量由波特率、网络模型和数据触发方式等因素决定,主要反映网络有效数据的通信能力。一次完整性通信中总的Tframe与TdelayΣ之比定义为网络效率Peff,即Ρeff=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τframei,jΤdelayΣ(7)Peff=∑i∈Nnode∑j=1M(i)Tframei,jTdelayΣ(7)网络效率主要反映网络的实时性。一次完整性通信中,总运行时间内的TdelayΣ与总运行时间之比定义为网络利用率Putil,即Ρutil=ΤdelayΣΤsum(8)Putil=TdelayΣTsum(8)网络利用率主要反映带宽的利用程度。一次完整性通信中,丢失的数据包数量Nloss与包括重发在内的总数据包位数NΣ之比定义为数据包丢失率Ploss,即Ρloss=ΝlossΝΣ(9)数据包丢失率主要反映通信的稳定性。2.3自适应保护装置网络状态自适应保护系统各自适应保护装置与变电站控制中心生产和/或消费、通过DeviceNet现场总线传递的数据类型及其内容和通信量如下。类型1:自适应保护装置初始上电时生产的数据(各保护整定值、互感器变比以及装置节点地址和通信波特率等),通信量为42字节。类型2:自适应保护装置周期性生产的数据(供配电线路电流、电压值以及遥信输入通道开关状态和控制继电器状态等),通信量为14字节。类型3:供配电线路发生故障时自适应保护装置生产的数据(故障类型、故障发生时间以及故障发生时线路的电压、电流值等),通信量为19字节。类型4:自适应保护装置保护整定值发生变化时生产的数据(各保护电流、电压以及时间整定值等),通信量为12字节。类型5:变电站控制中心上位机生产的数据(设置或控制信息,包括跳闸命令、合闸命令、各自适应保护装置节点地址及其保护整定值发生变化时新的整定值),通信量为44字节。考虑自适应保护装置生产和/或消费的不同数据类型对实时性的要求不同,确定类型1和类型2中的数据使用轮询方式传送,类型3、类型4和类型5中的数据使用状态改变方式传送。下面利用上述现场总线传送延时模型和性能评价指标对自适应保护系统使用的DeviceNet现场总线在状态改变、轮询这2种数据触发方式下的网络性能进行评估。评估条件如下:设定DeviceNet选用的波特率为500kbit/s,网络采用主/从结构,由1个主站(变电站控制中心工控机)和10个从站(供配电线路自适应保护装置)组成。主站的媒体访问控制识别符(MACID)为1,从站节点地址依次为MACID2,MACID3,…,MACID11。1网络性能及网络模型轮询方式为点对点通信,此方式下的数据传送通过轮询命令/响应报文实现,轮询命令报文可向目的从站输出数据或请求数据。下面以传送42字节数据为例,分析轮询方式下DeviceNet网络的通信性能。在本评估实例中,从节点收到主节点的命令报文后均发送响应报文。每次完整性通信由10个来自主节点的命令报文和10个来自从节点的响应报文组成。其中:命令报文的数据区为空,则命令报文帧长度为44位,包信息率Pinf为0;响应报文传送42字节的实时数据,因此,在DeviceNet上需通过分段进行传送,由于DeviceNet分段报文数据区实时数据最大为7字节,因此,通过发送6帧方可完成,各帧的数据区实时数据为7字节,其帧长度为108位,包信息率Pinf为51.9%。设定帧间空间为3位。此外,设定总运行时间Tsum为50ms,不存在数据包的丢失。主节点的轮询顺序依据MACID,则从节点被访问的顺序依次为MACID2,MACID3,…,MACID11。由式(2)～式(4)得主节点和各从节点的传送等待延时以及总传送延时分别为:Twait1=0ms,Twait2=0.094ms,Twait3=1.520ms,Twait4=2.946ms,Twait5=4.372ms,Twait6=5.798ms,Twait7=7.224ms,Twait8=8.650ms,Twait9=10.076ms,Twait10=11.502ms,Twait11=12.928ms,TdelayΣ=14.254ms。由式(6)～式(8)得吞吐量、网络效率和网络利用率分别为:Qthr=ΝdΤdelayΣ=10×42×8×100014.254=235.7(kbit/s)Ρeff=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τframei,jΤdelayΣ=13.83414.254=97.1(％)Ρutil=ΤdelayΣΤsum=14.25450=28.51(％)同等条件下传送14个字节数据的传送等待延时和总传送延时分别为:Twait1=0ms,Twait2=0.094ms,Twait3=0.632ms,Twait4=1.170ms,Twait5=1.708ms,Twait6=2.246ms,Twait7=2.784ms,Twait8=3.322ms,Twait9=3.860ms,Twait10=4.398ms,Twait11=4.936ms,TdelayΣ=5.374ms;吞吐量、网络效率和网络利用率分别为:Qthr=208.4kbit/s,Peff=96.8%,Putil=10.75%。2网络效率和网络利用率现以传送44字节数据为例分析状态改变方式下DeviceNet网络的通信性能。状态改变方式下共有4种报文:主节点的状态改变报文;从节点的状态改变应答报文;从节点的状态改变报文;主节点的状态改变应答报文。本评估实例选择从节点的状态改变报文,主节点不对此报文进行响应,且不考虑状态改变之间的时间差。每次完整性通信仅由10个从节点的状态改变报文组成,此报文需传送44字节的实时数据,因此,在DeviceNet上需通过分段进行传送;由于DeviceNet分段报文数据区实时数据最大为7字节,因此,通过发送7帧方可完成。第1帧到第6帧的数据区实时数据为7字节,其帧长度为108位,包信息率Pinf为51.9%;第7帧的数据区为2字节,其帧长度为68位,包信息率Pinf为23.5%。设定帧间空间为3位。此外,设定总运行时间Tsum为50ms,不存在数据包的丢失。根据具有消息优先级仲裁的载波侦听多路访问(CSMA/AMP)机制,从节点发送响应报文的顺序依次为MACID2,MACID3,…,MACID11。由式(2)～式(4)得主节点和各从节点的传送等待延时以及总传送延时分别为:Twait2=0ms,Twait3=1.474ms,Twait4=2.948ms,Twait5=4.422ms,Twait6=5.896ms,Twait7=7.370ms,Twait8=8.844ms,Twait9=10.318ms,Twait10=11.792ms,Twait11=13.266ms,TdelayΣ=14.734ms。由式(6)～式(8)得吞吐量、网络效率和网络利用率分别为:Qthr=ΝdΤdelayΣ=10×44×8×100014.734=238.9(kbit/s)Ρeff=∑i∈ΝnodeΜ(i)∑j=1Τframei,jΤdelayΣ=14.32014.734=97.2(％)Ρutil=ΤdelayΣΤsum=14.73450=29.47(％)同等条件下传送19字节数据的传送等待延时和总的传送延时分别为:Twait2=0ms,Twait3=0.634ms,Twait4=1.268ms,Twait5=1.902ms,Twait6=2.536ms,Twait7=3.170ms,Twait8=3.804ms,Twait9=4.438ms,Twait10=5.072ms,Twait11=5.706ms,TdelayΣ=6.334ms;吞吐量、网络效率和网络利用率分别为:Qthr=240.0kbit/s,Peff=97.3%,Putil=12.67%。同等条件下传送12字节数据的传送等待延时和总的传送延时分别为:Twait2=0ms,Twait3=0.412ms,Twait4=0.824ms,Twait5=1.236ms,Twait6=1.648ms,Twait7=2.060ms,Twait8=2.472ms,Twait9=2.884ms,Twait10=3.296ms,Twait11=3.708ms,TdelayΣ=4.114ms;吞吐量、网络效率和网络利用率分别为:Qthr=233.3kbit/s,Peff=97.2%,Putil=8.23%。自适应保护系统变电站层DeviceNet网络在状态改变和轮询这2种数据触发方式下的通信性能如表1所示。由以上分析结果可知,DeviceNet现场总线在小数据量通信(实时数据小于100字节)的条件下具有良好的实时性、优异的吞吐量、较高的网络效率和较低的网络利用率。3自适应保护系统内以太网传输工业以太网由于可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,已在电力系统中得到一定程度应用。但它所采用的先进先出(FIFO)方式不可避免地会出现缓冲器溢出现象,从而导致数据包丢失,降低网络通信的稳定性和实时性。暂停(Pause)操作是一种数据链路层上的“源抑制”控制方法。全双工链路两端的任何一个设备均可向对方发送Pause帧,使对方在一段时间内“暂停”数据帧的发送,从而减小网络输入负荷,解除网络拥塞。本文将IEEE802.3x中的Pause操作引入交换机缓冲器的存储和转发机制中,从而保证工业以太网实时和可靠通信,提高网络的稳定性。自适应保护系统内由各变电站控制中心与集控中心生产和/或消费、通过以太网传递的数据类型及其内容如下。类型1:变电站内各供配电线路自适应保护装置初始上电时变电站控制中心生产的数据(各供配电线路编号、各保护整定值以及互感器变比等)。类型2:各变电站控制中心周期性生产的数据(线路编号及其电流、电压值以及各断路器、隔离开关的位置状态等)。类型3:变电站内供配电线路发生故障时变电站控制中心生产的数据(故障线路编号、故障类型、故障发生时间以及故障发生时对应线路的电压、电流值等)。类型4:变电站内供配电线路自适应保护装置保护整定值发生变化时变电站控制中心生产的数据(线路编号及其各保护整定值)。类型5:集控中心生产的数据(设置信息、控制信息或报警信息)。交换式工业以太网传送延时由以下5部分组成:①由发送者到交换机传送数据第1位所需的传播延时TFP,通常取决于发送者与交换机之间的物理距离;②交换机接收所有帧所需的时间TRV;③清除输入缓冲器内所有帧所需的时间TCI;④清除输出缓冲器内所有帧所需的时间TCO;⑤由交换机至接收者的最后一位数据传送所需的传播延时TLP,通常取决于交换机与接收者之间的物理距离。电信号在导线中的传输速度约为2×108m/s。TRV,TCI,TCO受输入和输出缓冲器行为的影响。为验证该自适应保护系统内以太网通信的实时性,下面对自适应保护系统内以太网的传送延时进行分析。设定全双工交换式工业以太网络由16个传感器(变电站控制中心工控机)和1个控制器(集控中心工控机)构成;发送者与交换机之间的物理距离以及交换机与接收者之间的物理距离均为100m;输入与输出端口通过100Mbit/s全双工以太网电缆连接,而且要求每个传感器周期地发送50帧数据;每帧数据含有1020字节数据和144bit头部信息;电缆的错误帧比率为0.001;交换机选用每秒可处理14880帧的Cisco3000以太网交换机,其每个端口的缓冲器长度为16帧,并将输入缓冲器的高标记位H、低标记位L分别设为14帧和8帧;有效带宽为99.9Mbit/s;一个周期内,16个传感器分别向控制器发送50帧数据。因此,交换机带宽λp=123.5Mbit/s,输出带宽λout=100Mbit/s,λout≤λp,输出缓冲器将被填满。交换机输入带宽λin=100Mbit/s,由1λep=1λout+1λp(10)可得输入缓冲器有效带宽λep=55.3Mbit/s,则每个输入缓冲器的带宽为λep/16≤λin,因此,输入缓冲器也将被填满。在输入缓冲器和输出缓冲器均填满的情况下,交换机接收来自n个发送者q帧所需时间为:ΤRV={ΤΗ+k-1∑i=0(