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实时以太网技术提升数字化变电站过程层通信性能的研究

李森林  
【摘要】:随着信息技术,计算机技术,网络技术的发展,数字化变电站的建设具备了必要的条件,根据IEC61850标准,将数字化变电站从结构和逻辑上分为站控层(变电站层),间隔层和过程层。其中,过程层作为系统一次设备和二次设备的接口,其主要功能有:实时上传一次设备采样数据;交换相关的在线检测和统计数据如断路器、隔离开关的工作状态信息等;过程层交换的数据与间隔层、站控层相比,报文种类多且数量较大。因此,在不同的运行方式下,对于这些报文的响应速度和优先级要求各不相同。为保证过程层的通信正常,过程层选择交换式的以太网代替并行电缆进行通信,这种通信方式称为过程总线技术。 为改善过程总线的通信性能,本文主要研究实时以太网技术的原理,并探讨如何在数字化变电过程层应用实时以太网技术。对于过程层数据传输的评价主要从可靠性,采样数据同步性和实时性来评判。针对前两点,目前采用的依赖于网络通信方式的解决方法比较一致:利用IEC62439标准实现网络冗余解决数据传输的可靠性问题;利用IEEE1588协议解决采样值的时钟同步问题。但是对于第三点,现前主要依靠报文的优先级,网络结构优化,交换机的数据分流技术来解决。这些技术大多成本较高,而且无法从根本上解决实时性问题。因此,本文对该问题进行研究。 使用以太网传输数据无法保证实时性的根本原因是以太网技术的物理层采用带冲突检测的载波监听多路访问技术(以下简称CSMA/CD),网络中的各节点对带宽采用竞争机制。当多个节点同时检测到总线空闲发送数据时,这样就可能造成冲突。发生冲突的节点立刻停止发送数据,在等待一段时间后再次发送数据。这种机制简单、可靠,但是也造成数据发送延迟的不确定性,在网络负荷较重情况下甚至无法发送数据,因而不能满足实时数据的传输要求。 本文从数字化变电站的结构入手,结合课题内容指出目前过程层通信存在的主要问题和研究现状。引入实时以太网技术,分析各种实时以太网的技术特点及其实现实时性的主要原理。结合部分实时以太网技术原理和过程层数据传输的特点,讨论如何将实时以太网技术应用于数字化变电站过程层通信。提出一种应用方案,针对提出的方案,搭建实验平台对该方案进行验证,并对实验结果进行简要的分析总结。


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