基于IEC61850变电站过程总线的设计目标和时延分析

田 寰

（山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

0 引 言

IEC61850标准涵盖了变电站自动化系统（Substation Automation System，SAS）在性能、数据建模、通信及工程管理等各方面的要求。随着IEC61850标准在SAS中的推广，过程总线以通信网络形式逐步取代了传统电力系统中的“硬接线”。既节约了变电站的空间和成本，也消除了“硬接线”带来的潜在危害。

1 SAS中过程总线的概述

在SAS中，过程总线技术依据IEC61850标准传递电力系统电气量值、开关状态和命令等重要信息，主要的通信类型有采样值（Sample Value，SV）、通用面向对象的变电站事件（Generic object Oriented Substation Event，GOOSE）和精密时间同步协议（Precision Time Protocol，PTP）。比如，文献 [1]研究了过程总线技术通过合并单元（Merging Unit，MU）装置从CT/PT中采集电压和电流信号，并以IEC61850-9-2 SVs形式进行传递。文献[2]研究了过程总线技术在以太网上以IEC61850-8-1 GOOSE形式，通过高速的点对点通信进行跳闸信号的传递。

在SAS中，过程总线技术可以应用在监控、保护和控制多个方面。比如，文献[3]提出了一种用于保护和控制的IEC61850-9-2过程总线设计，并在实验室中对不同厂商MUs的性能进行评估，包括互操作性、成熟度、鲁棒性和潜在收益。图1给出了对厂商A的MU进行互操作性的测试设置。测试结果表明，某些厂家装置组合的即时互操作性在某些应用中并不起作用。文献[4]评估了在过程总线网络中以太网交换机在进行SVs传递时的性能。在测试设置中，对来自多个相同MUs的SVs的测量，证实了多个采样值可以在同一时间以相同的速率进行传输。结果表明，该过程总线网络是可靠的，可用于基于IEC61850变电站的未来部署。

图1 厂商A的MU的互操作性测试设置

2 SAS中过程总线的设计目标

对于SAS中的过程总线网络而言，常见的设计目标包括跳点数量（Number of Hops）、总时延（Total Delay）、超出延迟的概率（Probability of Exceeding the Delay）、链路负载（Link Load）和有效性（Availability）。比如，以跳点数量为目标，为了实现PTP IEEE 1588时钟精度，文献[5]允许最大的网络跳数为16。

总延时是影响故障切除时间的重要因素，这可能是由于SV通信延迟引起的延迟保护动作，或是由于GOOSE跳闸延迟引起的延迟跳闸。文献[6]根据IEC 61850-5的规定，对于跳闸信息端到端的最大延迟为3 ms，其中只有20%（600 μs）的延迟是由通信网络引起的，剩余80%是预留给发送和接收IEDs的处理延迟。

文献[7]为了在通信网络设计中考虑随机通信，设定了超出延迟的最大概率为10-6。该概率与变电站中最可靠设备的典型故障率一致，因此将具有过大延迟的消息视为通信故障。

文献[8]针对链路负载较低的情况，运用并行冗余协议（Parallel Redundancy Protocol，PRP）星形拓扑提高通信网络的有效性。

3 SAS中过程总线的时延分析

现有研究采用时延（Latency）、吞吐量（Throughput）、抖动（Jitter）和丢包（Packet loss）等指标评价SAS通信网络的性能，其中最常用的是时延。比如，文献[9]对用于数字保护的过程总线网络，以SVs丢包和延时为指标进行性能评价，分析了SVs丢包对母线保护的影响。图2给出了进行数字保护的过程。发现在某些条件下，用于保护的智能电子设备（Intelligent Electronic Devices，IED）会因SVs丢包/时延而出现故障。

图2 过程总线进行数字保护的过程

下面对过程总线中经历的主要时延进行分析。过程总线网络中的总时延是指数据第一位从源IED被发出到数据最后一位到达目的IED之间所经历的总时延，由图3可见，主要包括发送端处理时延、传输时延和接收端处理时延。

3.1 发送端处理时延

发送端处理时延是指以太网交换机用于决策哪个输出端口发送数据包时产生的时延，具体包括两部分：源IED将数据从数据缓冲区转移到以太网控制器的发送缓冲区的过程中产生的转移时延Tspt；数据在以太网控制器的发送缓冲区等待发送时产生的等待时延Tspw。由于数据都是通过唯一的物理接口依据串行原则发送至网络，因此等待时延Tspw会因随机出现数据冲突而存在不确定性。文献[10]指出单个交换机最少会产生7 μs的处理时延，其中包含2 μs的转移时延。

3.2 传输时延

传输时延Ttra是指数据从源IED的物理层开始发送，经过x个中间节点和y条通信链路，到达目的IED的以太网控制器的接收缓冲区的过程中产生的时延，具体包括发送时延、传播时延和交换时延γ共3部分。

发送时延α是由数据包大小（或长度）L和链路传输率R决定的，与链路传输率（单位为bit/s）呈反比，与数据包大小L（单位为bit）呈正比，表示为：

传播时延是由数据的传播速率V和链路的传播距离D决定。它与链路的传播距离总和（单位为m）呈正比，与数据的传播速率V（单位m/s）呈反比，表示为：

3种标准化光纤链路的传播时延为：从开关站到内部控制室，大约每500 m的距离会引起2.5 μs延迟；开关站内设备之间每150 m约会引起0.75 μs延迟；控制室内设备之间每5 m约会引起0.025 μs延迟。

交换时延γ由链路负载和交换机性能决定。在SAS中，过程总线采用的是交换式以太网，所以数据在网络上传输时会经过若干级交换机。当网络轻载时，γ可以忽略；当网络重载时，γ可能为无穷大，如交换机缓冲区出现数据溢出而导致数据丢失时。

3.3 接收端处理时延

接收端处理时延具体包括两部分：数据在目的IED的接收缓冲区暂存等待处理引起的等待时延Trpw；目的IED将数据从接收缓冲区转移到以太网控制器的功能区的过程中产生的转移时延Trpt。SAS过程总线中的数据传输流程，如图3所示。

图3 SAS过程总线中的数据传输流程

综上所述，数据传输过程中的总时延Td可以表示为：

其中，Tspw、γ、Trpw和Trpt受多种因素影响存在不确定性，如网络负载变化、交换机性能、CPU性能、通信流量和不同应用对接收/发送缓冲区的争用等。

4 结 论

过程总线是SAS中重要的通信网络，影响着SAS系统的实时性和可靠性。因此，介绍了SAS中过程总线的数据通信类型、功能应用、设计目标和数据传输时延，给出了部分现有国内外文献中已用到的参数，以供参考。