摘  要： 針對嵌入式以太網" title="嵌入式以太網">嵌入式以太網在變電站自動化" title="變電站自動化">變電站自動化通信網絡應用的實時性" title="實時性">實時性問題，分析了變電站網絡通信" title="網絡通信">網絡通信時延的構成，采用OPNET Modeler建立了變電站層通信網絡的仿真模型，對變電站嵌入式以太網的實時性能進行了詳細分析。仿真結果證明，嵌入式以太網在變電站網絡通信中具有可行性。
關鍵詞： 變電站自動化；嵌入式以太網；實時性；網絡通信

    變電站自動化通信系統是變電站自動化系統的關鍵組成部分，它直接影響著整個系統的性能。近年來隨著變電站自動化的功能變得越來越強大，所有功能的實現都需要依靠通信網絡，都需要快速通信和數據共享，這對站內通信提出了更高的技術要求。變電站自動化系統的幾種網絡通信模式各有特點，但各種協議統一到以太網上是網絡通信發展的一大趨勢[1]。
    變電站自動化設備大多建立在嵌入式系統平臺上，為了實現網絡化的通信，變電站自動化設備都需要具備直接的以太網接口。目前以太網應用于變電站自動化系統中的最大問題是網絡傳輸實時性的問題，且對變電站以太網通信實時性的研究大多建立在計算機平臺上，對于由基于嵌入式系統的變電站自動化設備組建的變電站通信網絡的實時性研究較少，而且缺乏具體的、量化的網絡實時性分析。因此，針對嵌入式以太網在變電站自動化通信網絡應用的實時性研究具有現實性和必要性。本文基于嵌入式以太網，對變電站自動化網絡通信的特點和實時性進行了研究。
1 時延構成分析
    變電站自動化系統的功能大多由分布于不同物理設備的兩個或多個邏輯節點通過網絡傳輸報文協調完成。例如，物理設備IED1的功能A把報文發送到位于物理設備IED2中的功能B，報文傳輸過程如圖1所示[2]。

    在報文傳輸時，發送節點的功能A將待發送報文按幀格式封裝，通過系統調用功能將報文發送至操作系統。報文首先要經過高層協議進行分層處理，然后調用MAC層的以太網控制器(NIC)驅動程序的發送模塊。在NIC的發送模塊中，將要發送的報文傳送到NIC的發送緩沖區。最后，報文按照串行次序通過物理層的通信接口發送出去。
    與發送節點相對應，接收節點也需要類似的過程。報文到達時，首先由NIC產生中斷信號觸發CPU中斷，CPU響應中斷后進入中斷服務程序。在中斷服務程序中，將報文從MAC層NIC的接收緩沖區復制到內核空間，并同時產生高層協議處理任務。然后，操作系統調用高層協議處理任務，由該任務將報文從內核空間復制到用戶空間。最后，功能B從用戶空間提取報文。
    從上述過程可以看到，報文傳輸過程的實質是由發送節點的某功能產生發送報文，經過各層協議的封裝解析并通過網絡到達接收節點的某功能，網絡時延就是在這個過程中產生的。根據時延的產生過程和影響因素的特征，將報文的端到端時延分成三部分：發送處理延遲τ1、網絡鏈路延遲τ2及接收處理延遲τ3。
    發送處理延遲τ1是以發送節點的功能A將應用數據交給協議棧進行協議封裝開始，到通信控制器實際開始報文發送之間所經歷的延遲。接收處理延遲τ3是從接收節點的通信控制器開始報文接收，到協議棧進行協議拆封并最終將應用數據提交給端系統的功能B之間的延遲。可以看出，τ1、τ3與通信控制器的性能、操作系統的性能以及所采用的通信協議的性能有關。因此，設計中應采用合適的微處理器、實時操作系統以及高效的通信協議。
    鏈路延遲τ2是報文從發送節點的網絡接口，到達最終的接收節點的網絡接口期間所經歷的全部延遲，主要包括傳輸時延、排隊時延和傳播時延。τ2的大小主要取決于通信網絡的介質訪問控制方法、數據傳輸的波特率、報文的長度以及傳輸的距離等因素。其中，排隊時延是造成網絡時延不確定的主要因素。
2 OPNET Modeler的應用
    OPNET公司起源于麻省理工學院(MIT)，1986年成立，1987年OPNET公司發布了其第一個商業化的網絡性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網絡性能優化工具，使得具有可預測性的網絡性能管理和仿真成為可能。OPNET公司1998年進入中國，并快速發展。由于OPNET公司其出眾的技術而成為了當前業界領先的智能化網絡仿真、分析、管理解決方案的提供商。本文使用OPNET公司的第一個商業化產品——OPNET Modeler，它是當前業界領先的網絡技術開發環境，以其無與倫比的靈活性應用于設計和研究通信網絡、協議、設備中。OPNET Modeler為開發人員提供了建模、仿真以及分析的集成環境，大大減輕了編程和數據分析的工作量[3]。
OPNET Modeler為通信網絡和分布式系統的建模及性能評估提供了一個綜合的開發環境和分析平臺。OPNET Modeler由許多工具組成，每一個工具關注建模任務的一個具體方面，對應于項目建模和仿真流程的三個階段：規范說明階段、數據收集階段、仿真分析階段。這些工具也可劃分為三個主要類別：規范說明工具、數據收集工具和仿真分析工具。項目建模和仿真流程的三個階段按序執行，通常形成一個環，在這個環中規范說明實際上被分為兩部分：初始化定義和重定義。初始化定義執行后進入環中循環，經過數據收集、仿真及分析，最后回到規范說明的重定義部分繼續循環。其項目仿真流程如圖2所示。

3 站級網絡模型的建立
    站級網絡在多數時間里只有報告報文，網絡負荷低，但保護動作、控制等隨機事件和突發事件發生后會產生事件報告、控制命令、變位信息及文件傳輸等報文，網絡負荷短時增大[4]。站級網絡傳輸的報文除了具有周期性和隨機性的特點外，還具有突發性數據流的特點。
    考慮到站級網絡設備可以與遠程監控中心通信，因此，站級網絡上的報文應該能在Internet上傳輸，這樣就要求各設備節點的高層協議采用TCP/IP協議。本文的各種仿真節點模型均基于OPNET Modeler的TCP/IP模板來建立，站級網絡節點的基本模型如圖3所示。

    站級網絡模型的建立以IEC 61850標準中的D2型配電變電站為例[5]。大多數D2變電站內的總元件數多于5個，少于20個。一個典型的D2型變電站一般有兩路為輸電電壓等級的進線，兩臺主變電站，低壓側有兩段及以上的母線，若干條最高電壓等級不超過35 kV的饋出線路。本文選擇20個IED構成間隔層設備和一個監控主機(圖4中的SCADA)。又因站級網絡包含突發性數據流，因此本文采用一個文件傳輸協議FTP(File Transfer Protocol)服務器節點來模擬產生故障錄波、文件、定值等大量突發性數據業務[6]，并通過應用配置和配置描述兩個模塊來設置應用層業務。
    根據變電站的實際情況，本文選擇網絡的基本參數有：網絡的拓撲結構為星型結構，網絡半徑為500 m，網絡帶寬為10 Mb/s，中間節點選擇交換機，構成的站級網絡仿真模型如圖4所示。

    圖4中的各節點具體通信行為如下：
    (1)間隔層設備節點，即圖中的IED_1～IED_20。這些設備主要向監控主機傳輸一些報告類型的報文，且傳輸的數據為周期性數據流。考慮到報文增加了上層協議的封裝，報文的長度取512 B，報文到達的時間間隔取20 ms。
    (2)監控主機節點，即圖中的SCADA。監控主機向IED_1～IED_10隨機發送控制報文，應用層數據長度固定為256 B，報文到達為泊松到達，到達時間間隔服從λ=0.01 s的指數分布。
    (3)FTP服務器節點向網絡傳送的FTP業務數據，用來模擬間隔層設備向變電站層設備上傳的突發性數據流。本文模擬10個IED的突發性數據流，報文長度服從1 024 B的常數分布。根據ON/OFF數據模型的特點，取ON狀態持續時間服從Pareto分布，其參數為k=1 ms， α=1.2。OFF狀態持續時間服從參數λ=0.01 s的指數分布。
4 仿真結果
    建立的仿真節點模型采用完整的TCP/IP協議棧，考慮到TCP/IP協議棧較為復雜，網絡時延包含報文在發送和接收端處理時間的端到端延時。經過仿真得到的站級網絡的端到端信息傳遞時延的仿真結果如圖5所示。

    從圖5可以看到，隨著大量突發性和隨機性數據流的加入，網絡時延在1.6 ms～1.7 ms之間，網絡時延產生一定的波動，同時站級網絡的端到端時延比過程網絡的鏈路時延要高出很多。也可以看出，除了網絡本身，端節點對協議棧的處理能力也是影響通信性能的重要因素。考慮到間隔層設備大多采用嵌入式系統，對協議封裝和拆封的開銷不能忽略，在滿足系統開放性的基礎上，采用精簡的TCP/IP協議棧是必要的選擇。
    依據變電站站級網絡的實際要求，在對各間隔層設備模型協議棧進行裁剪的基礎上，對端對端傳遞時延進行了仿真，仿真結果如圖6所示。比較圖5和圖6可以看出，經過裁剪的TCP/IP協議的嵌入式以太網節點的端對端傳遞時延要比裁剪前時延要減少0.3 ms左右。

    本文對變電站自動化網絡通信的時延構成進行了分析，采用動態仿真軟件OPNET Modeler對電站嵌入式以太網的實時性能進行了詳細研究，建立了變電站通信網絡的仿真模型，具體研究了變電站層嵌入式以太網的網絡時延，研究結果證明了嵌入式以太網在變電站網絡通信中的可行性。
參考文獻
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[2] 辛建波.基于以太網的變電站自動化系統時延不確定性研究[D].武漢：華中科技大學，2005.
[3] 李馨，葉明.OPNET Modeler網絡建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.
[4] 竇曉波，胡敏強，吳在軍，等.數字化變電站通信網絡性能仿真分析[J].電網技術，2008，32(17)：98-104.
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[6] 韓小濤，聶一雄，尹項根．基于OPNET的變電站二次回路通信系統仿真研究[J]．電網技術，2005，29(6)：67-71．