通信与网络中的浅谈通信与网络中的浅谈OPNET Modeler变电站层通信网络实时变电站层通信网络实时
性能性能
变电站自动化自20世纪90年代以来一直是我国电力行业中的热点之一。其所以成为热点，一是建设的需要，二
是市场的因素。目前全国投入电网运行的35～110kV变电站约18000座(不包括用户变)，220kV变电站约有1000
座，则500kV变电站大约有50座。而且每年变电站的数量以3～5的速度增长，也就是说每年都有千百座新建电
站投入电网运行。同时根据电网的要求，每年又有不少变电站进行技术改造，以提高自动化水平。近十年来我
国变电站自动化技术，无论是从国外引进的，还是国内自行开发研制的系统和设备，在技术和数量上都有显著
的发展。 从变电站自动化系统的设计思想角度来看，设计者对变电站测控的看法已实现从
变电站自动化自20世纪90年代以来一直是我国电力行业中的热点之一。其所以成为热点，一是建设的需要，二是市场的
因素。目前全国投入电网运行的35～110kV变电站约18000座(不包括用户变)，220kV变电站约有1000座，则500kV变电站大
约有50座。而且每年变电站的数量以3～5的速度增长，也就是说每年都有千百座新建电站投入电网运行。同时根据电网的要
求，每年又有不少变电站进行技术改造，以提高自动化水平。近十年来我国变电站自动化技术，无论是从国外引进的，还是国
内自行开发研制的系统和设备，在技术和数量上都有显著的发展。
从变电站自动化系统的设计思想角度来看，设计者对变电站测控的看法已实现从局部到整体的转化。目前的变电站自动化
系统中，面向对象技术已成为一个十分流行的趋势，即不单纯考虑某一个量，而是为某一设备配备完备的保护和监控功能装
置，以完成特定的功能，从而保证了系统的分布式开放性。从技术发展的趋势看，将来的测控设备还将和一次设备完全融合，
即实现所谓的智能一次设备，每个对象均含有保护、监控、计费、操作、闭锁等一系列功能及信息库，面向自动化的仅是一对
通信双绞线，该双绞线以网络方式和计算机相连。
设计思想的发展导致了系统结构的发展，原先的自动化系统基本只能集中配屏，由于面向对象设计思想的深入以及一次设
备的整体化设计，系统结构将由集中式向部分分散式或全分散式发展，变电站内可能将不再具有规模庞大的测控屏以及大量连
接信号源和测控屏之间的铜芯电缆，全部测控装置下放在就地，实现所有功能，而在控制室，取而代之的是一个计算机显示器
甚至仅为一台临时监视、操作使用的便携机。
完全分散式的实现依托于如今发展很快的计算机及网络技术，特别是现场总线技术。这一技术的使用已使得自动化系统的
实现简单得多，性能上也大大优于以往的系统，并可解决以往系统中RS-485链路信息传输的实时性问题，以及信号传输的容
量问题。
1 时延构成分析时延构成分析
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[2]。
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。
与发送节点相对应，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
三部分：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是以发送节点的功能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、操作系统的性能以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。
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