以太网电力监控系统的实时性能仿真.pdf

第 3 o卷第 4期 2 0 O 7 年 0 8 月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c P o we rT e c h n o l o g y Vo 1 3 0， N o 4 Au g 。 2 0 0 7 以太网电力监控系统的实时性能仿真 唐惠玲 ( 广东工业大学物理与光电工程学院， 广东 广州5 1 0 o 9 0 ) 摘要： 用 M A T L A B软件对以太网电力监控 系统的通信延迟进行仿真分析 ， 结果表明在少站点的情况下， 基于以太网 的电力监控系统满足系统的实时性要求， 同时尝试性地提出了几种改善以太网电力监控 系统通信延迟的可行方法。 关键词： 仿真； 实时性； 控制系统； 以太网 Ab s t r a c t ：T h e s i mu l a t i o n a n d ana l y s i s o f c o mmu n i c a t i o n s d e l a y o f t h e Ethe me t b a s e d p o w e r S C AD A a r e d o n e w i th MA T L A B，the r e s u l t s p rov e t h a t the E the me t C an s a ti s f y the r e a l ti me n e s s o fthe con t r o l s y s t e m，and s o me me tho d s o f i mp r o v i n g t h e r e a l t i me n e s s of t h e P o w e r S C AD A a r e p r o m s o J Ke y wo r d s ：s i mu la t i o n ；r e a l t i me ；con t r o l s y s t e m ；E t h e me t 中图分类号： T M7 1 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 3 6 9 5 4 ( 2 0 0 7 ) 0 4 0 0 4 9 0 2 由于以太网具有开放性 、 稳定性 、 低成本和共享 资源丰富等优点， 目前 ， 它被广泛地应用于电力监控 系统 。但是 ， 以太 网在媒体访问控制中采用带冲突 检测的载波侦听多路访问机制 ， 各个站点采用 “ 1 一坚 持二进制指数后退算法 ” 来处理 冲突 ， 导致每次信号 重发的等待时间不一致， 即通信延迟时间不确定。鉴 于以太网的通信延迟会严 重影 响监控 系统 的实 时性 能 ， 因此对以太网的应用于电力监控系统 的实时性能 进行分析是非常有必要的 2 】 。 1 以太网的通信延迟分析 以太网的通信延迟包括： 等待延迟( ) 、 发送 延迟( 。 ) 和传输延迟 ( 删) 。当总线有两个 以上 站点同时发送数据时会引发冲突 ， 根据退避算法 ， 各 站点等待一段时间 ， 即产生等待延迟 ， 但要精 确地分 析以太网的等待延迟 时间十分 复杂 ， 式( 1 ) 提供 的是 一 个近似的等待延迟模型： k E( T q ) = N 4 E( T i ) ( 1 ) 式中 ： k为站点个数 ； i 为发生 冲突 的次数 ； T i 为第 i 次发生冲突的等待 时间。 据 I E E E 8 0 2 3中规定 ， 如果设 F为帧长( 单位为 b i t ) ， 为以太网通信速率( 单位 为 b i t s ) ， 式( 2 ) 为发 送延迟时间的算式。 F sen d -f ( 2 ) 同时据 I E E E 8 0 2 3的规格说明， 传输延迟相对等 待延迟和发送延迟几乎可以忽略， 故以太网通信延迟 时间的算式可描述成式( 3 ) ， 式中 为通信延迟时 间： = k ( ) + 2 以太网实时性分析 ( 3 ) 2 1 基于以太网的监控 系统的实时性 自施耐德 电气公 司率先打破 自动化 网络与信息 网络的疆界 ， 将符合 I E E E 8 0 2 3 规定的以太网应用于 工业控制系统 以来 ， 以太网在工业监控系统中的应用 越来越广泛。但是对基于 以太网的监控系统 的实时 性 问题 的怀疑也越来越多。 在传统 的电力监控系统 中， 令牌总线的控制方式 应用较多， 令牌总线上各站点对总线的控制权由令牌 来控制， 收到令牌的站点在一段时间内拥有网络传输 的控制访问权 ， 当该站点的传输已经完成或它占用 网 络的时间达到协议规定时间， 该站点就将令牌传递到 下一逻辑站点。因此 ， 传输过程就是由交替进行的数 据传输阶段和令牌传送阶段组成。由于令牌传递时 间和拥有令牌的站点占用网络控制权的时间是预先 规定好的， 在网络站点数量一定 的情况下 ， 每个 网络 站点的信息发送时间是可以预先估计出来。因此， 令 牌网又称为“ 确定性” 网络。很显然 ， 这种确定性 比较 基金项 目： 国家自 然科学基金资助项 目( 6 0 4 7 4 0 6 1 ) ； 广东省自然科学基金资助项目( 0 4 0 0 9 4 5 4 ) ； 校青年科学基金资助项目( 0 5 2 0 1 2) 4 9 维普资讯 第 3 0卷第 4期 2 0 O 7年 0 8月 四 川 电 力 技 术 S ic h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o t o Vl0 1 3 0 No 4 A u g - 2 0 0 7 适合通信确定性和响应实时性要求较高的电力监控 系统中应用。其中， A r c n e t 网络和 P r o fi b u s 就是比较 著名的令牌总线。 图 1 描述 的是 A r c n e t ， P r o fi b u s 和 E t h e me t 在不 同 负荷下的网络通信的响应性能。对图 1 作进一步的 分析， 结果如表 1 ， 在负荷低于 2 5 时， 以太网的响应 速度明显好于 A r c n e t 和 P r o fi b u s ， 但随着负荷的增加， 以太网的响应时间急剧加大， A r c n e t 和 P r o fi b u s 却增 加很缓慢。 l 0 0 t $ $ m s 1 0 0 1 图 1 A r c n e t 、 P r o fi b u s 和 E t h e r n e t 的响应 速度 曲线 表 1 不 同负荷下网络响应时间 以太网 Ar c h e r P r 0 6 b u s O O 0 6 O 1 O 05 O O 8 O 2 O 1 无 穷大 O 5 O 3 然而， 工业监控网络中的传输数据多为周期性测 量量和控制数据， 报文小， 信息量少， 信息流具有明显 的方向性。在拥有6 0 0 0 个 I O的典型工业监控系统 中， 通信峰值负荷 占 l 0 M以太 网的 5 ， 占 1 0 0 M 以 太网的负荷为 0 5 。因此 只要通 过适当的系统设 计， 对系统中的网络站点数量和通信流量进行控制， 使网络负荷低于 2 5 ， E t h e me t 是完全可以满足工业 控制的实时性要求的。 2 2 仿真及其结果 影响以太 网通信延迟的主要原因是站点数 和 通信速率 【 ， 下面通过 M A T L A B软件来对此结论进 行仿真， 分析这两个参数对以太网实时能力的影响。 2 2 1 站 点数 与 通信 延 迟 时 间的 关 系 假设电力监控 系统 中远方终端和监控主站问的 以太网通信速率分别为 1 0 0 M b i t s 和 1 0 M b i t s ； 传输 5 0 介质长度为 1 0 0 m， 数据帧的长度为2 5 6 字节， 对站点 数与通信延迟时间的关系进行仿真， 结果如图2 。 延 迟 时 间 m s 图 2 1 O M以太网的站点数与延迟时间的关系曲线 由图 2可以发现当站点数 目少于 1 5个时， 监控 系统 的通信延 迟时间小于 4 r I l s ， 当站点数 目超过 1 5 个以后， 系统延迟时间呈指数增长。相关国际标准对 电力监控系统的响应时间的要求小于 4 m s 3 ， 因此在 站点数少于 1 5个时 ， 以太网完全能够满足监控系统 的实时性要求 。因此 ， 在电力监控系统 的设计时 ， 只 要把站点数 目限制在 1 5个之内 ， 就完全能够满足监 控系统的实时性要求。 2 2 2网络通信速率与通信延迟 时间的关系 当电力监控系统中 R T U和监控主站问的以太网 的通 信 速率 分 别 为 1 0 Mb i t s 、 1 0 0 Mb i t s和 1 0 0 0 Mb i t s ， 系统 的传 输介质 长 为 1 0 0 m， 数据 帧长度 为 2 5 6字节 ， 在不同网速下对站点数 和延迟时间的关系 曲线进行仿真， 结果如图 3 。 延 迟 时 间 加 s 图 3三种通信速率下的通信延迟时间变化曲线( 下转第8 3 页) 维普资讯 第 3 0 卷第 4 期 2 O 0 7年 0 8 月 四 川 电 力 技 术 S i e h u a n E l e c t r i c P o we rT e c h n o l o g y Vo 1 3 0， N o 4 Au g - 2 O 0 7 的困难和问题， 预计主要集中于如下三个方面： ( 1 ) 可靠性。由于这个“ 六遥” 中心的建设属于电 力系统首创 ， 系统还在试验和试运行中， 没有商业化 的东西在实际运行中会在可靠性中暴露出很多问题， 这一方面的改善是需要时间的； ( 2 ) 安全性。由于系统通道来 自于调度中心提 供的通道， 与调度自动化系统怎样才能绝对独立?怎 样绝对保证调度 自动化的运行安全?这个问题会在 建设过程中引发一定争执 ； ( 3 ) 技术瓶颈。虽然资阳电力已具备一定的技 术储备， 但是对于一个综合性大系统的建设和开发还 会遇到很多困难和技术瓶颈， 应早做准备， 多方法多 手段解决问题。对于电力遥测遥防系统建设的思路 和想法已经有一段时间， 期间与资阳电力的领导和同 事多次讨论 ， 初步形成并制定了一套较为完整的建设 计戈 。并向上级领导和专家做了汇报， 得到了大力支 持， 目前正在做前期准备， 计划 2 0 0 7年进行试点建 设 ， 早 日实现资阳电力的“ 六遥” 。 作者简介： 陈火 亘 ( 1 9 7 3 一) ， 男， 本科。主要从事电力科技 项 目研 发、 管理和信息化建设等工作。 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 5 1 7 ) ( 上接第 5 0页) 由图 3 可知， 当以太网的通信延迟为 4 m s 时， 1 O M网对应 的站点数为 1 5 ， 1 0 0 M 网对应 的站点 数为 2 0 ， 1 0 0 0 M网对应 的站点数为 3 5 ， 如表 2所示 。即随 着站点的增加可以通过提高以太网的通信速率来保 证电力监控系统的实时性要求。 表 2 不同速率的网络对应的站点数 2 2 3 改善以太网实时性能的方法 为了满足电力监控系统的实时性要求， 可采用以 下两种方法减少以太网的冲突延迟。 ( 1 ) 提高以太网通信速率， 如图3 所示， 随通信速 率的增加， 通信延迟时间随之降低。即 1 0 G以太网 可进一步满足电力监控系统的实时性要求。 ( 2 ) 采用交换式 以太网来取代传统的共享式以太 网， 即在系统中增加交换式集线器， 设计时使集线器 每个端口的工作站不超过 1 5 个， 这样每个端口的工 作站都能独占 1 0 M b s 的带宽， 减少冲突， 降低通信 延迟， 满足监控系统的实时性要求。 ( 3 ) 利用报文优先级技术， 当交换式以太网负载 较重的时候， 据 I E E E 8 0 2 1 p 标准， 给不同的信息分配 简 讯 不同的优先权 ， 能够使 电力监控系统中的紧急事件得 到及时传输， 从而改善以太网的实时性能。 3 结论 在对以太网在电力监控系统中通信延迟的理论 分析的基础上 ， 用 M A T L A B软件对不同网速的以太网 监控系统的通信延迟进行了仿真和分析， 仿真结果表 明基于以太网的监控系统足 以满足 目前 电力监控 系 统的实时性要求 ， 同时提出了几种改善以太网电力监 控系统的实时性能的可行方法。 参考文献 1 冯冬芹， 金建祥 ， 诸健 浅谈以太网应用于工业现场的关 键技术 J 世界仪表与自动化， 2 0 O 2 ， 4 ： 8 1 3 2 陈磊， 诸健 以太网在工业应用中的实时能力分析 J 化工自动化及仪表， 2 0 0 3 ， 1 ： 4 4 4 7 3 王威 ， 缪学勤 试论工业 以太网实时通信技术 J 自动 化仪表， 2 0 0 3 ， 2 ： 1 4 作者简介： 唐惠玲( 1 9 7 5 5 一 ) ， 女， 广东工业大学物理与光电工程学 院， 毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业， 主要研究 系统故障诊 断与缺 陷检测 。 ( 收稿日期： 2 0