（以下為本文主干內(nèi)容，原文詳見(jiàn)《電力自動(dòng)化設(shè)備》2018年第38卷第6期）

佟為明，高吉星，金顯吉，李中偉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院）

智能變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)是智能變電站的重要組成部分。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，目前，業(yè)內(nèi)人士主要研究的過(guò)程層組網(wǎng)方案是用同一網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值SV（Sampled Values）報(bào)文和面向?qū)ο笞冸娬臼录礼OOSE（Generic Object Oriented Substation Event）報(bào)文（這種方案也被稱為共網(wǎng)方案），這種方案在提高過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)效率、簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)的同時(shí)也會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。在這種方案下，因競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)會(huì)影響智能變電站保護(hù)功能的正常運(yùn)行。目前，人們主要通過(guò)用OPNET軟件建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型的方法對(duì)傳輸時(shí)間進(jìn)行分析，這種方法雖然可以用來(lái)找出影響傳輸時(shí)間的主要因素，但是卻無(wú)法明確影響因素產(chǎn)生作用的原理。為解決這些問(wèn)題，首先需要得出報(bào)文傳輸時(shí)間的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上提出一種抑制SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)的方法。

本文在分析智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間組成的基礎(chǔ)上，提出一種傳輸時(shí)間計(jì)算方法，分析影響報(bào)文傳輸時(shí)間的因素；針對(duì)共網(wǎng)方案中，因競(jìng)爭(zhēng)造成的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)問(wèn)題，根據(jù)等待時(shí)間的產(chǎn)生方式，提出一種抑制SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)的方法，并根據(jù)交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與功能提出用于傳輸時(shí)間抖動(dòng)抑制的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)思路。通過(guò)OPNET平臺(tái)對(duì)該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件分析該方法的可行性。

以某220kV智能變電站（D2-1型）為例，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device）的種類包括：合并單元MU（Merging Unit)、智能終端IT（Intelligent Terminal）、測(cè)量與控制IED （M&C IED）以及保護(hù)IED（包括主變保護(hù)IED、母線保護(hù)IED和饋線保護(hù)IED）。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)間隔交換機(jī)將各間隔內(nèi)IED互聯(lián)，通過(guò)將中央交換機(jī)連接各間隔交換機(jī)實(shí)現(xiàn)跨間隔的數(shù)據(jù)通信。

在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，GOOSE報(bào)文為突發(fā)性報(bào)文，長(zhǎng)度為163 ~ 237Byte，用于傳輸控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)；SV報(bào)文為周期性報(bào)文，長(zhǎng)度在190 ~ 339Byte，用于將合并單元的采樣數(shù)據(jù)傳輸給M&C IED和保護(hù)IED。在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文主要在間隔內(nèi)部傳輸，但母線保護(hù)IED還要與其他間隔的合并單元和智能終端進(jìn)行通信。

圖1  星形過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

設(shè)定報(bào)文從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)X個(gè)節(jié)點(diǎn)（其中，第1個(gè)節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，第2、3、…、X-1個(gè)節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，第Ｘ個(gè)節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)），所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)率相同，傳輸時(shí)間T_trans為：

其中，L為報(bào)文長(zhǎng)度（單位為Byte）；R為數(shù)據(jù)率（單位為bit/s）；D為傳播距離（單位為m）；V為傳播速率（單位為m/s）；T_{processor_r}為目的節(jié)點(diǎn)上的接收通信處理時(shí)間（單位為s，下文公式中時(shí)間量的單位均為s）；為第x個(gè)節(jié)點(diǎn)上的轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)間；為第x個(gè)節(jié)點(diǎn)上的發(fā)送等待時(shí)間。發(fā)送等待時(shí)間的產(chǎn)生方式如圖2所示。

圖2  發(fā)送等待時(shí)間模型

如果GOOSE報(bào)文在上一幀SV報(bào)文發(fā)送完畢后到達(dá)端口，且在下一幀SV報(bào)文到來(lái)之前發(fā)送完畢，則2種報(bào)文的傳輸都不會(huì)存在等待的情況。SV報(bào)文屬于周期性報(bào)文，GOOSE報(bào)文屬于突發(fā)性報(bào)文。SV報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間的增加和發(fā)送周期T_SVturn的減小都會(huì)使得T_SVgap減小。因?yàn)镚OOSE報(bào)文到達(dá)的時(shí)刻是隨機(jī)的，所以T_SVgap越小，2種報(bào)文在交換機(jī)端口上競(jìng)爭(zhēng)的概率越大，產(chǎn)生發(fā)送等待時(shí)間的概率越大，GOOSE報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間越短，在交換機(jī)端口上產(chǎn)生發(fā)送等待時(shí)間的概率越小。

根據(jù)圖1建立仿真模型。對(duì)只存在SV報(bào)文(無(wú)等待產(chǎn)生)的情況進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中各類型時(shí)間無(wú)明顯變化，凈發(fā)送時(shí)間與報(bào)文長(zhǎng)度成正比、與數(shù)據(jù)率成反比，傳播時(shí)間與傳播距離成正比，接收通信處理時(shí)間約為0.0003 m，報(bào)文在每個(gè)交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)間為0.002 ms。當(dāng)GOOSE和SV報(bào)文同時(shí)存在時(shí)：SV報(bào)文發(fā)送頻率越高，產(chǎn)生等待時(shí)間的概率越高；報(bào)文長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生等待時(shí)間的概率越高；數(shù)據(jù)率越高則產(chǎn)生等待時(shí)間的概率越小。

通過(guò)前文的分析可以看出，在傳輸過(guò)程中，報(bào)文在交換機(jī)上因競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的等待時(shí)間具有不確定性，這種不確定性會(huì)使得傳輸時(shí)間存在抖動(dòng)。本文根據(jù)等待時(shí)間的產(chǎn)生方式，在全站通信數(shù)據(jù)率為1000 Mbit/s的基礎(chǔ)上，提出一種抑制SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)的方法。

該方法通過(guò)設(shè)定SV報(bào)文以外的報(bào)文在交換機(jī)發(fā)送端口上的發(fā)送條件和控制各合并單元發(fā)送SV報(bào)文時(shí)序的方式在交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)上行報(bào)文過(guò)程中為SV報(bào)文提供專用的周期性時(shí)間段避免SV報(bào)文在發(fā)送端口上的競(jìng)爭(zhēng)。

交換機(jī)在接收到報(bào)文后通過(guò)判斷報(bào)文的以太網(wǎng)類型值確定報(bào)文的類型并將無(wú)效的報(bào)文拋棄，在計(jì)算其凈發(fā)送時(shí)間后，對(duì)報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)的處理；SV報(bào)文放入SV緩存并優(yōu)先發(fā)送，GOOSE和其他類型的報(bào)文會(huì)被放入通用先入先出（FIFO）隊(duì)列，該隊(duì)列的隊(duì)首報(bào)文會(huì)在同時(shí)滿足式（2）、（3）時(shí)被發(fā)送。

其中，T_SV為交換機(jī)為SV報(bào)文提供專用發(fā)送時(shí)間段長(zhǎng)度；為從上一個(gè)SV報(bào)文專用時(shí)間段開(kāi)始的時(shí)刻起到當(dāng)前時(shí)刻為止所經(jīng)歷的時(shí)間；T_frameFirst為通用FIFO隊(duì)列隊(duì)首報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間。SV報(bào)文的發(fā)送頻率為4000Hz，發(fā)送周期T_SVturn為0.25ms。交換機(jī)上轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3所示。

圖3 交換機(jī)上轉(zhuǎn)發(fā)流程

滿足式（2）表示通用FIFO隊(duì)列隊(duì)首報(bào)文的發(fā)送條件為上一個(gè)SV報(bào)文發(fā)送時(shí)間段已結(jié)束（條件1）；滿足式（3）表示的條件為如果報(bào)文從當(dāng)前時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送，可以在下一個(gè)SV報(bào)文發(fā)送時(shí)間段到來(lái)前發(fā)送完畢（條件２）。

采用上述方法后，饋線間隔交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)序如圖4所示。根據(jù)圖4舉例分析3種情況：設(shè)SV和GOOSE報(bào)文長(zhǎng)度都為200 Byte，報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間為0.0016 ms，T_SV為0.0026 ms，T_SVturn為0.25 ms，GOOSE報(bào)文1、2、3分別于第1幀SV報(bào)文開(kāi)始發(fā)送后的0.0015 ms、0.2493 ms、0.35 ms到達(dá)交換機(jī)發(fā)送端口處通用FIFO隊(duì)列首端。

圖4 饋線間隔交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)序

GOOSE報(bào)文在到達(dá)發(fā)送端口后會(huì)遇到下列情況。

a. 情況1：GOOSE報(bào)文1到達(dá)發(fā)送端口隊(duì)列首端，T_frameFirst與GOOSE報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間T_frameGOOSE相等，此時(shí)距離第1幀SV報(bào)文開(kāi)始發(fā)送的時(shí)刻經(jīng)過(guò)了0.0015 ms，不滿足式（2），所以GOOSE報(bào)文1無(wú)法被立刻發(fā)送。

b. 情況2：GOOSE報(bào)文2到達(dá)時(shí)刻的ΔT為0.2493 ms，ΔT T_frameGOOSE=0.2509ms>T_SVturn，不滿足式（3），所以GOOSE報(bào)文2無(wú)法立刻被發(fā)送。

c. 情況3：GOOSE報(bào)文3到達(dá)時(shí)刻的為0.1 ms，式（2）、（3）滿足，可以被立刻發(fā)送。

圖5 各合并單元發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序

為減少GOOSE報(bào)文的等待時(shí)間，T_SV的設(shè)置需要考慮交換機(jī)每周期需要轉(zhuǎn)發(fā)的SV報(bào)文數(shù)n、報(bào)文到達(dá)時(shí)間間隔和裕度。

交換機(jī)已具備用于實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間抖動(dòng)抑制方法的基本功能(如報(bào)文解析、流量監(jiān)控、地址映射和隊(duì)列控制)與硬件結(jié)構(gòu)(如緩存和交換單元等)。在此基礎(chǔ)上，用于抖動(dòng)抑制的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)思路見(jiàn)圖6。管理人員在各交換機(jī)上設(shè)置T_SV的同時(shí)使其保存SV報(bào)文的發(fā)送周期，交換機(jī)根據(jù)SV報(bào)文到達(dá)的時(shí)刻和自身保存的發(fā)送周期與T_SV建立SV報(bào)文專用時(shí)間段的時(shí)刻表。在接收模塊中，添加報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間計(jì)算模塊，通過(guò)解析媒體訪問(wèn)控制MAC（Media Access Control）幀頭中以太網(wǎng)類型字段判斷報(bào)文的類，通過(guò)提取幀頭中長(zhǎng)度字段對(duì)報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，所得信息將作為調(diào)度用控制數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊。在發(fā)送模塊中，為SV報(bào)文設(shè)置單獨(dú)的發(fā)送緩存，由于SV報(bào)文無(wú)需進(jìn)行等待，SV報(bào)文發(fā)送緩存中只存有1幀SV報(bào)文。

圖6 用于抖動(dòng)抑制的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

在發(fā)送模塊中，報(bào)文的發(fā)送狀態(tài)機(jī)如圖7所示。報(bào)文的發(fā)送狀態(tài)機(jī)由空閑狀態(tài)、發(fā)送SV報(bào)文、發(fā)送其他報(bào)文、判斷報(bào)文類型、判斷發(fā)送條件組成。當(dāng)有報(bào)文出現(xiàn)在SV報(bào)文緩存或通用FIFO隊(duì)列首部時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入報(bào)文類型判斷狀態(tài)：首先判斷是否為SV報(bào)文，如果是則直接進(jìn)入SV報(bào)文發(fā)送狀態(tài)；如果是其他類型的報(bào)文則進(jìn)入判斷發(fā)送條件狀態(tài)，根據(jù)專用時(shí)間段的時(shí)刻表和報(bào)文自身長(zhǎng)度進(jìn)行判斷，只有在滿足式（2）、（3）所示的約束條件時(shí)，才會(huì)進(jìn)入發(fā)送其他報(bào)文的狀態(tài)。

圖7 報(bào)文發(fā)送狀態(tài)機(jī)

本文通過(guò)在OPNET中修改交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型的方式對(duì)本文提出的抖動(dòng)抑制方法進(jìn)行模擬，使用抑制方法后，在報(bào)文長(zhǎng)度都為200 Byte的情況下，仿真得到的跨間隔SV報(bào)文傳輸時(shí)間的變化如圖8所示。

圖8 使用抑制方法前后，跨間隔SV報(bào)文的傳輸時(shí)間

目前交換機(jī)中嵌入式技術(shù)的廣泛運(yùn)用使得交換機(jī)調(diào)度功能的制定更具靈活性，為在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)SV報(bào)文與其他報(bào)文的發(fā)送控制提供了技術(shù)條件。同時(shí)，IEEE1588在智能變電站中的廣泛應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)各合并單元發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序控制提供了基礎(chǔ)。

本文通過(guò)對(duì)智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文傳輸時(shí)間的組成進(jìn)行分析，建立了報(bào)文傳輸模型，得到了報(bào)文傳輸時(shí)間的計(jì)算公式，確定了影響傳輸時(shí)間的主要因素，研究了數(shù)據(jù)率、報(bào)文長(zhǎng)度和報(bào)文發(fā)送頻率等因素對(duì)傳輸時(shí)間的影響。針對(duì)因競(jìng)爭(zhēng)造成的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)問(wèn)題，根據(jù)等待時(shí)間的產(chǎn)生方式，提出了一種通過(guò)控制SV報(bào)文發(fā)送時(shí)序與交換機(jī)上報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)條件來(lái)抑制傳輸時(shí)間抖動(dòng)的方法，仿真結(jié)果表明該方法可以有效地抑制因競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)。