变电站过程层嵌入式以太网实时性能的仿真

　　0　引　　言

　　近年来随着数字式继电保护等智能化电子设备IED(Intelligent Electronic Device)在变电站的大量使用,这些设备需要通过内部通信网络传输大量的遥测、故障录波等信息,特别是在发生故障时需要传输的信息量会更大[1]。而且这些变电站自动化系统的功能变得越来越强大,所有功能的实现都需要依靠通信网络,都需要快速通信和数据共享,这就对站内通信提出了新的更高的要求。变电站自动化系统的几种网络通信模式各有特点,但各种协议统一到以太网上是网络通信发展的一大趋势[2-5]。变电站自动化设备大多建立在嵌入式系统平台上,为了实现网络化的通信,变电站自动设备都需要具备以太网接口。目前以太网应用于变电站自动化系统中的最大问题是网络传输实时性的问题。目前对于由基于嵌入式系统的变电站自动化设备组建的变电站通信网络的实时性研究较少,而且缺乏具体的、量化的网络实时性分析。因此,本文基于嵌入式以太网,对变电站自动化网络通信的特点和实时性进行了分析研究。

　　1　时延构成分析

　　变电站自动化系统的功能大多由分布于不同物理设备的两个或多个逻辑节点通过网络传输报文协调完成,例如,物理设备IED1的功能A把报文发送到位于物理设备IED2中的功能B,报文传输过程如图1所示[6]。

　　在报文传输时,发送节点的功能A将待发送报文按帧格式封装,通过系统调用功能将报文发送至操作系统。报文首先要经过高层协议进行分层处理,然后调用MAC层的以太网控制器(NIC)驱动程序的发送模块。在NIC的发送模块中,将要发送的报文传送到NIC的发送缓冲区。最后,报文按照串行次序通过物理层的通信接口发送出去。

　　与发送节点相对,接收节点也需要类似的过程。报文到达时,首先由NIC产生中断信号触发CPU中断。CPU响应中断后进入中断服务程序。在中断服务程序中,将报文从MAC层NIC的接收缓冲区复制到内核空间,并同时产生高层协议处理任务。然后,操作系统调用高层协议处理任务,由该任务将报文从内核空间复制到用户空间,最后,功能B从用户空间提取报文。

　　从上述过程中可以看到,报文传输过程的实质是由发送节点的某功能产生发送报文,经过各层协议的封装解析并通过网络到达接收节点的某功能,网络时延就是在这个过程中产生的。根据时延的产生过程和影响因素的特征,将报文的端到端时延分成3部分:发送处理延迟τ1、网络链路延迟τ2及接收处理延迟τ3。

　　发送处理延迟τ1是发送节点的功能A将应用数据交给协议栈进行协议封装开始,到通信控制器实际开始报文发送之间所经历的延迟。接收处理延迟τ3是从接收节点的通信控制器开始报文接收,到协议栈进行协议拆封并最终将应用数据提交给端系统的功能B之间的延迟。可以看出,τ1、τ3与通信控制器的性能、操作系统的性能、及所采用的通信协议的性能有关。因此,设计中应采用合适的微处理器、实时操作系统以及高效的通信协议。链路延迟τ2是报文从发送节点的网络接口,到达最终的接收节点的网络接口期间所经历的全部延迟。主要包括传输时延、排队时延和传播时延。τ2的大小主要取决于通信网络的介质访问控制方法、数据传输的波特率、报文的长度以及传输的距离等因素。其中,排队时延是造成网络时延不确定的主要因素。