基于IEC61850變電站過程總線的設計目標和時延分析

田 寰

（山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引 言

IEC61850標準涵蓋了變電站自動化系統（Substation Automation System，SAS）在性能、數據建模、通信及工程管理等各方面的要求。隨著IEC61850標準在SAS中的推廣，過程總線以通信網絡形式逐步取代了傳統電力系統中的“硬接線”。既節約了變電站的空間和成本，也消除了“硬接線”帶來的潛在危害。

1 SAS中過程總線的概述

在SAS中，過程總線技術依據IEC61850標準傳遞電力系統電氣量值、開關狀態和命令等重要信息，主要的通信類型有采樣值（Sample Value，SV）、通用面向對象的變電站事件（Generic object Oriented Substation Event，GOOSE）和精密時間同步協議（Precision Time Protocol，PTP）。比如，文獻 [1]研究了過程總線技術通過合并單元（Merging Unit，MU）裝置從CT/PT中采集電壓和電流信號，并以IEC61850-9-2 SVs形式進行傳遞。文獻[2]研究了過程總線技術在以太網上以IEC61850-8-1 GOOSE形式，通過高速的點對點通信進行跳閘信號的傳遞。

在SAS中，過程總線技術可以應用在監控、保護和控制多個方面。比如，文獻[3]提出了一種用于保護和控制的IEC61850-9-2過程總線設計，并在實驗室中對不同廠商MUs的性能進行評估，包括互操作性、成熟度、魯棒性和潛在收益。圖1給出了對廠商A的MU進行互操作性的測試設置。測試結果表明，某些廠家裝置組合的即時互操作性在某些應用中并不起作用。文獻[4]評估了在過程總線網絡中以太網交換機在進行SVs傳遞時的性能。在測試設置中，對來自多個相同MUs的SVs的測量，證實了多個采樣值可以在同一時間以相同的速率進行傳輸。結果表明，該過程總線網絡是可靠的，可用于基于IEC61850變電站的未來部署。

圖1 廠商A的MU的互操作性測試設置

2 SAS中過程總線的設計目標

對于SAS中的過程總線網絡而言，常見的設計目標包括跳點數量（Number of Hops）、總時延（Total Delay）、超出延遲的概率（Probability of Exceeding the Delay）、鏈路負載（Link Load）和有效性（Availability）。比如，以跳點數量為目標，為了實現PTP IEEE 1588時鐘精度，文獻[5]允許最大的網絡跳數為16。

總延時是影響故障切除時間的重要因素，這可能是由于SV通信延遲引起的延遲保護動作，或是由于GOOSE跳閘延遲引起的延遲跳閘。文獻[6]根據IEC 61850-5的規定，對于跳閘信息端到端的最大延遲為3 ms，其中只有20%（600 μs）的延遲是由通信網絡引起的，剩余80%是預留給發送和接收IEDs的處理延遲。

文獻[7]為了在通信網絡設計中考慮隨機通信，設定了超出延遲的最大概率為10-6。該概率與變電站中最可靠設備的典型故障率一致，因此將具有過大延遲的消息視為通信故障。

文獻[8]針對鏈路負載較低的情況，運用并行冗余協議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）星形拓撲提高通信網絡的有效性。

3 SAS中過程總線的時延分析

現有研究采用時延（Latency）、吞吐量（Throughput）、抖動（Jitter）和丟包（Packet loss）等指標評價SAS通信網絡的性能，其中最常用的是時延。比如，文獻[9]對用于數字保護的過程總線網絡，以SVs丟包和延時為指標進行性能評價，分析了SVs丟包對母線保護的影響。圖2給出了進行數字保護的過程。發現在某些條件下，用于保護的智能電子設備（Intelligent Electronic Devices，IED）會因SVs丟包/時延而出現故障。

圖2 過程總線進行數字保護的過程

下面對過程總線中經歷的主要時延進行分析。過程總線網絡中的總時延是指數據第一位從源IED被發出到數據最后一位到達目的IED之間所經歷的總時延，由圖3可見，主要包括發送端處理時延、傳輸時延和接收端處理時延。

3.1 發送端處理時延

發送端處理時延是指以太網交換機用于決策哪個輸出端口發送數據包時產生的時延，具體包括兩部分：源IED將數據從數據緩沖區轉移到以太網控制器的發送緩沖區的過程中產生的轉移時延Tspt；數據在以太網控制器的發送緩沖區等待發送時產生的等待時延Tspw。由于數據都是通過唯一的物理接口依據串行原則發送至網絡，因此等待時延Tspw會因隨機出現數據沖突而存在不確定性。文獻[10]指出單個交換機最少會產生7 μs的處理時延，其中包含2 μs的轉移時延。

3.2 傳輸時延

傳輸時延Ttra是指數據從源IED的物理層開始發送，經過x個中間節點和y條通信鏈路，到達目的IED的以太網控制器的接收緩沖區的過程中產生的時延，具體包括發送時延、傳播時延和交換時延γ共3部分。

發送時延α是由數據包大小（或長度）L和鏈路傳輸率R決定的，與鏈路傳輸率（單位為bit/s）呈反比，與數據包大小L（單位為bit）呈正比，表示為：

傳播時延是由數據的傳播速率V和鏈路的傳播距離D決定。它與鏈路的傳播距離總和（單位為m）呈正比，與數據的傳播速率V（單位m/s）呈反比，表示為：

3種標準化光纖鏈路的傳播時延為：從開關站到內部控制室，大約每500 m的距離會引起2.5 μs延遲；開關站內設備之間每150 m約會引起0.75 μs延遲；控制室內設備之間每5 m約會引起0.025 μs延遲。

交換時延γ由鏈路負載和交換機性能決定。在SAS中，過程總線采用的是交換式以太網，所以數據在網絡上傳輸時會經過若干級交換機。當網絡輕載時，γ可以忽略；當網絡重載時，γ可能為無窮大，如交換機緩沖區出現數據溢出而導致數據丟失時。

3.3 接收端處理時延

接收端處理時延具體包括兩部分：數據在目的IED的接收緩沖區暫存等待處理引起的等待時延Trpw；目的IED將數據從接收緩沖區轉移到以太網控制器的功能區的過程中產生的轉移時延Trpt。SAS過程總線中的數據傳輸流程，如圖3所示。

圖3 SAS過程總線中的數據傳輸流程

綜上所述，數據傳輸過程中的總時延Td可以表示為：

其中，Tspw、γ、Trpw和Trpt受多種因素影響存在不確定性，如網絡負載變化、交換機性能、CPU性能、通信流量和不同應用對接收/發送緩沖區的爭用等。

4 結 論

過程總線是SAS中重要的通信網絡，影響著SAS系統的實時性和可靠性。因此，介紹了SAS中過程總線的數據通信類型、功能應用、設計目標和數據傳輸時延，給出了部分現有國內外文獻中已用到的參數，以供參考。