基于以太网的变电站实时通信研究

论文摘要

目前,电力系统存在整体数字化、信息化水平不高、资源不能充分共享和利用等问题。IEC 61850标准的颁布和以太网技术的成熟为变电站的发展提供了契机。IEC 61850标准规范了变电站内通信的共同特性,并规定使用以太网作为基本通信技术,构建基于以太网的变电站自动化系统。但是,原本设计用于商业办公领域的以太网用于对时延要求苛刻的变电站通信时,在系统重负载时存在实时性问题。本文针对此问题,结合变电站实际情况,面向网络研究增强基于以太网的变电站通信实时性的具体网络实现方法。主要内容包括:(1)在对变电站数据流进行分析的基础上,对广播域进行了科学划分,并使用VLAN技术和三层交换技术设计了适合变电站的组网方案。通过和现有的两种组网方案的对比,说明了此组网方案增强了通信实时性和安全性,达到了最大性能价格比。使用OPNET得出的仿真结果证实了VLAN技术的先进性。(2)在分析当前VLAN协议(IEEE 802.1Q)和优先级协议(IEEE802.1P)交换机实现机制的基础上,提出了在智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device)中实现这两种协议的方案。该方案将变电站通信中的两种优先级机制(IED内的优先级机制和交换机内的优先级机制)合二为一,减少了系统开销;使得同一IED可以根据报文实时性的不同而对数据帧设置不同的优先级别,改变了交换机实现方案中同一IED中所有报文只能设置一个固定优先级别的现状,符合数字变电站IED功能复合化发展需求。以过程层信息为例,使用OPNET将所设计方案与交换机实现方案进行了仿真对比,结果证实了所提方案尤其在重负载下更能增强实时性。(3)当前对发布/订阅通信模型(P/S)实现的研究都不适用于电力系统通信。针对IEC 61850中实时报文(GOOSE报文和SAV报文)没有网络层这一特点,在分析现有的多种组播技术基础上,基于第二层组播协议GMRP(GARP Multicast Registration Protocol)设计了适用于电力系统的P/S。描述了该模型的各模块功能,以GOOSE报文为例从系统配置、订阅和发布等方面对所设计模型的工作流程进行了详细阐述。并在对GMRP协议进行充分分析的基础上,在嵌入式系统中实现了所设计的P/S模型,分析了IED报文订阅、报文退订等典型P/S过程的程序实现流程,证实了所提方案的可行性。结合实验数据将所设计模型与P/S的另外两种网络实现方式单播和广播进行了分析比较,指出所设计的P/S通信模型不仅能满足变电站通信实时性要求,而且在系统负载流量大的情况下能增强实时性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 问题的提出、现状与研究方法
• 1.3 本论文主要工作
• 第2章 基于以太网的变电站通信机制研究
• 2.1 变电站通信体系结构研究
• 2.1.1 IEC 61850 标准概述
• 2.1.2 变电站自动化系统层次结构
• 2.1.3 变电站设备与功能建模
• 2.1.4 变电站自动化通信建模与服务映射
• 2.2 以太网通信机制研究
• 2.2.1 以太网协议层次
• 2.2.2 以太网介质访问控制方法
• 2.2.3 交换式以太网原理
• 2.3 基于以太网的变电站报文端到端时延构成分析
• 2.4 基于以太网的变电站通信实时性分析
• 第3章 基于 VLAN 技术的变电站网络拓扑设计
• 3.1 引言
• 3.2 IEC 61850 的通信协议栈结构
• 3.3 VLAN 及相关网络技术
• 3.3.1 VLAN 技术
• 3.3.2 第3 层交换技术
• 3.4 全站唯一网络拓扑结构
• 3.5 变电站网络广播域划分
• 3.5.1 划分广播域的原因
• 3.5.2 变电站数据流特点
• 3.5.3 广播域划分方案
• 3.6 使用交换机划分广播域的网络拓扑结构
• 3.7 基于 VLAN 和第3 层交换技术的网络拓扑结构
• 3.8 仿真
• 3.8.1 OPNET 网络仿真软件简介
• 3.8.2 VLAN 仿真
• 3.9 小结
• 第4章 IEEE802.1Q/P IED 实现方案研究与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 IEEE802.1Q 和 IEEE802.1P 协议
• 4.3 IEEE802.1Q/P 交换机实现方案研究
• 4.4 IEEE802.1Q/P IED 实现方案
• 4.5 仿真
• 4.5.1 过程层数据分类及其优先级别分配
• 4.5.2 仿真模型构建
• 4.5.3 仿真结果分析
• 4.6 小结
• 第5章 适用于电力系统通信的发布/订阅实时通信模型设计
• 5.1 引言
• 5.2 电力系统发布/订阅通信模型及其改进
• 5.2.1 发布/订阅通信模型
• 5.2.2 电力系统发布/订阅通信模型
• 5.2.3 对电力系统发布/订阅通信模型的改进
• 5.3 使用 GMRP 实现电力系统发布/订阅通信模型的可行性分析
• 5.3.1 以太网三种传输方式
• 5.3.2 组播技术分析
• 5.3.3 使用 GMRP 实现电力系统发布/订阅通信模型的可行性分析
• 5.4 GMRP 组播技术
• 5.5 基于 GMRP 的变电站 P/S 通信模型网络拓扑示意
• 5.6 基于 GMRP 的变电站 P/S 通信模型
• 5.7 实例流程分析
• 5.7.1 GOOSE 报文发布前配置
• 5.7.2 GOOSE 报文的订阅、退订
• 5.7.3 GOOSE 报文的发布
• 5.8 实时性分析
• 5.9 小结
• 第6章 电力系统发布/订阅实时通信模型在嵌入式系统中的实现
• 6.1 引言
• 6.2 GMRP 协议分析
• 6.2.1 GARP 组成结构
• 6.2.2 属性的声明和注册原语
• 6.2.3 GARP 报文结构
• 6.2.4 GARP 消息的类型
• 6.2.5 GARP 协议状态机
• 6.2.6 GARP 的消息计时器
• 6.2.7 GMRP 协议
• 6.3 软硬件平台设计
• 6.3.1 嵌入式Linux 特点
• 6.3.2 Linux 的移植
• 6.4 发布/订阅通信模型的实现
• 6.4.1 GARP 协议的实现
• 6.4.2 GMRP 协议的实现
• 6.4.3 发布/订阅通信模型接口函数
• 6.5 发布/订阅通信模型程序流程分析
• 6.5.1 GMRP 实体构建程序流程
• 6.5.2 IED 报文订阅程序流程
• 6.5.3 IED 收到其他IED 订阅/退订请求时程序处理流程
• 6.5.4 IED 报文退订程序流程
• 6.5.5 GMRP 实体撤销程序流程
• 6.6 小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读硕士学位期间发表的论文）
• 附录B （攻读学位期间参与科研项目）