朱龍正，高宇航，楊志軍，陶則恩

(1．云南大學 信息學院，云南 昆明 650091; 2．電子科技大學，四川 成都 611731)

優(yōu)先級控制輪詢在變電站通信網(wǎng)絡中的應用

朱龍正1，高宇航2，楊志軍1，陶則恩1

(1．云南大學 信息學院，云南 昆明 650091; 2．電子科技大學，四川 成都 611731)

變電站通信網(wǎng)絡是變電站實現(xiàn)綜合自動化的前提，變電站內(nèi)部設備可劃分成3個層次，其中第二層的數(shù)據(jù)和控制信息傳送到與遠方調(diào)度中心通信的站級PC機，該過程屬于計算機通信網(wǎng)絡的范疇，針對變電站通信網(wǎng)絡的這個特點，將兩級優(yōu)先級控制輪詢系統(tǒng)用在變電站通信網(wǎng)絡中。提出了在站級PC通信接口(主節(jié)點)采用完全服務的輪詢方式，第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)采用門限服務的輪詢方式的新模型。完全服務的優(yōu)先級比門限服務的高，對新模型進行了仿真和理論計算，得出新系統(tǒng)的平均時延和平均排隊隊長與負載之間的關系、平均時延和平均排隊隊長與子節(jié)點數(shù)之間的關系，這些參數(shù)對于提高變電站通信網(wǎng)絡的性能至關重要。

變電站通信網(wǎng)絡；輪詢系統(tǒng)；門限服務；完全服務；平均時延；平均排隊隊長

0 引言

變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用先進的計算機技術、現(xiàn)代電子技術、通信技術和信息處理技術等實現(xiàn)對變電站二次設備的功能進行重新組合和優(yōu)化設計，對變電站全部設備的運行情況執(zhí)行監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。通過變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)各設備間相互交換信息、數(shù)據(jù)共享，完成變電站運行監(jiān)視和控制任務。

按照IEC-57國際電工委員會電力系統(tǒng)控制欲通信技術委員會的劃分，變電站內(nèi)設備可以劃分成3個層次，但是，一層與二層之間大多還沒有真正意義上的數(shù)據(jù)通信，通信網(wǎng)絡主要是將第二層的數(shù)據(jù)和控制信息傳送到與遠方調(diào)度中心通信的站級PC機。對于變電站綜合系統(tǒng)自動化而言，采用的是總線型拓撲結構，總線型拓撲結構的網(wǎng)絡在MAC(媒體訪問控制)層又分為隨機接入和受控接入兩大類，本文主要討論屬于受控接入類型的輪詢方式網(wǎng)絡的性能［1］。

輪詢是一類重要的理論研究模型，其研究起源可追溯到20世界50年代后期，輪詢系統(tǒng)具有獨到的接入控制盒高效的調(diào)度、查詢功能，可對相應的控制模型進行有效分析，對其控制機制進行改進，在具體實踐中得到了廣泛應用和發(fā)展［2］。

基于不同優(yōu)先級輪詢系統(tǒng)，設計了一個新的變電站通信模型，該模型的應用對于合理配置變電站通信網(wǎng)絡的參數(shù)，使變電站發(fā)揮最大性能提供了重要的依據(jù)［3］。

1 新的變電站通信模型

由一個NET、一個主節(jié)點h和N個子節(jié)點組成新的變電站通信模型，在這個新模型中，NET輪詢地為數(shù)據(jù)包提供服務，根據(jù)通信的特點，數(shù)據(jù)包的到達過程、NET的服務時間和轉換時間都是一個隨機的過程。

基于不同優(yōu)先級輪詢策略的系統(tǒng)由一個站級PC通信接口(主節(jié)點)擁有高優(yōu)先級h和N個第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)擁有低的優(yōu)先級組成。站級PC通信接口(主節(jié)點)接受服務是以完全服務的策略，第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)接受服務以門限服務的策略，NET首先對站級PC通信接口(主節(jié)點)服務，當站級PC通信接口(主節(jié)點)空閑，而第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)不空閑，NET對第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)服務，當?shù)诙釉O備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)i被完全服務之后，轉而服務站級PC通信接口(主節(jié)點)h。下一步又將服務第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)i+1［4］。

變電站中涉及到通信領域中的數(shù)據(jù)流結構如圖1所示，其中，1～N表示第二層設備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點)，λ1～λN代表各第二層設備上傳的信息的到達率。h表示站級PC通信接口(主節(jié)點)，λh代表進入主節(jié)點的信息到達率［5］。

通過對此系統(tǒng)的仿真和理論研究，分別得到平均時延和平均排隊隊長與子節(jié)點數(shù)和負載的關系，這對研究變電站中的通信網(wǎng)絡的優(yōu)化配置等有著特殊的意義。

圖1 站內(nèi)通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流結構圖

1.1 工作條件

①每個子節(jié)點信息分組的達到過程服從相互獨立的同分布Poisson過程，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為A( z )，λ=A′(1)和A″(1)+λ-λ2，主節(jié)點h到達過程的概率母函數(shù)、均值和方差分別為Ah(z )，λh=A′h(1)和

②任意子節(jié)點隊列中一個信息分組的傳輸服務時間服從一個相互獨立、同分布的概率分布，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為B( z)，β= B′(1)和，主節(jié)點h的傳輸服務時間的概率母函數(shù)、均值和方差分別為Bh(z)，βh=

③NET(站點)完成相應的信息分組傳輸服務后，轉向查詢主節(jié)點的查詢轉換時間服從一個相互獨立、同分布的概率分布，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為R( z)、γ=R＇(1)和

④所有設備的FIFO存儲空間無限大，不會產(chǎn)生信息分組的丟失［6－7］。

1.2 概率母函數(shù)

馬爾可夫鏈在(λhβh+Nλβ)＜1的條件下達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)的概率母函數(shù)定義為［8］:

隊列i在tn時刻以門限服務的形式接受服務，站級PC通信接口(主節(jié)點)h在tn*時刻以完全服務的形式接受服務，隊列i+1在tn+1時刻服務［9］。

tn*時刻系統(tǒng)的母函數(shù)是:

tn+1時刻系統(tǒng)母函數(shù)是:

子節(jié)點的平均排隊隊長為:

主節(jié)點的平均排隊隊長為:

子節(jié)點的平均延時為:

主節(jié)點的平均延時為:

2 仿真結果和分析

圖2和圖3清晰地反映了平均延時和平均排隊隊長隨著負載的增加而不斷增加，且到達某段可承載負載之后速度呈現(xiàn)急劇加快的現(xiàn)象，到達某個值時(針對N=3的情況，在負載等于0．25，到達率等于0．02時)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。還可以運用該系統(tǒng)的穩(wěn)定條件(λhβh+Nλβ)＜1，來對變電站的子節(jié)點、主節(jié)點、到達率和服務時間之間的關系進行研究，通過研究可以得到較為合理的配置。

圖4和圖5是子節(jié)點數(shù)N=6，到達率等于0．02時，平均時延和平均排隊隊長與負載之間的關系。由于在新模型中主節(jié)點使用了高優(yōu)先級的完全服務，所以主節(jié)點的平均時延和平均排隊隊長遠遠低于子節(jié)點。

圖6和圖7是子節(jié)點數(shù)N=12，到達率等于0．02時，平均時延和平均排隊隊長與負載之間的關系。由于在新模型中主節(jié)點使用了高優(yōu)先級的完全服務，所以主節(jié)點的平均時延和平均排隊隊長遠遠低于子節(jié)點。

從圖2、圖4和圖6中可以看到，在相同到達率的情況下，子節(jié)點數(shù)不同，平均時延不同并隨著子節(jié)點數(shù)目的增加而增大，子節(jié)點數(shù)越多平均時延越大。從圖3、圖5和圖7中可以看到，在相同到達率的情況下，子節(jié)點數(shù)不同時，平均排隊隊長不同并隨著子節(jié)點數(shù)目的增加而增大，子節(jié)點數(shù)越多平均時延越大。新模型中把兩級優(yōu)先級輪詢系統(tǒng)應用在變電站通信系統(tǒng)中，主節(jié)點使用優(yōu)先級高的完全服務，子節(jié)點使用優(yōu)先級低的門限服務，大大降低了系統(tǒng)的時延和排隊隊長，這對于提高變電站的網(wǎng)絡性能有很大的意義。

3 結束語

通過實驗和和理論分析，可以得出平均延時和平均排隊隊長隨著負載的增加而不斷增加，且到達某段可承載負載之后速度呈現(xiàn)急劇加快的現(xiàn)象，到達某個值時出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。由于網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)的不同，它的平均時延和平均排隊隊長是有差異的，并隨著子節(jié)點數(shù)目的不斷增加，平均時延和平均排隊隊長也隨之增大。此外，由于變電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡對實時性要求很高，所以對平均時延特性的分析可以很好地解決實時性的問題。對網(wǎng)絡優(yōu)化問題的分析和研究，可以得出變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡的最優(yōu)網(wǎng)絡配置等問題，當然，使用優(yōu)先級服務的輪詢系統(tǒng)，在網(wǎng)絡的利用率和吞吐量的研究中也會有很大的優(yōu)勢。

［1］王崢，胡敏強，鄭建勇，等．變電站輪詢式通信網(wǎng)絡的MATLAB仿真研究[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學報，2001，13(5):15－18．

［2］趙東風，丁洪偉，趙一凡，等．多級門限服務輪詢系統(tǒng)MAC離散控制協(xié)議模型分析[J]．電子學報，2010，38 (7):1495－1500．

［3］楊志軍．兩級優(yōu)先級控制輪詢系統(tǒng)理論及應用研究[M]．昆明:云南大學出版社，2010．

［4］Yang Z J，Zhao D F．Polling Strategy for Wireless Multimedia LANs[J]．Tsinghua Science and Technology，2006，11(5):606－610．

［5］王崢．變電站內(nèi)部通信系統(tǒng)的研究[D]．南京:東南大學，2002:25－31．

［6］Zhao D F，Zheng S M．Waiting Time Analysis for Polling and Token Passing Scheme for Computer and Communication Systems［C］∥Proc．Of Int．Conf．on Communication Technology．Beijing，1992:155－159．

［7］Zhao D F，Ding H W，Zhao Y F，et al．An Analytical Model of a Discrete-time Polling MAC Protocol for Wireless LANs Using M-Gated Services[J]．Acta．Electronica Sinica，2010，38(7):1495－1499．

［8］Ding H W，Zhao D F，Zhao Y F．Packet Delay Analysis of Continuous-time Polling System with M-gated Services［C］∥CCTAE 2010 Chengdu，2010:408－411．

［9］Yang Z J，Zhao D F．QoS Support Polling Scheme for Multimedia Traffic in Wireless LAN MAC Protocol[J]．Tsinghua Science and Technology，2008，13(6):754－758．

Application of Priority Differentiated Polling Strategy in Substation Communication Network

ZHU Long-zheng1，GAO Yu-hang2，YANG Zhi-jun1，TAO Ze-en1
(1．School of Informatics，Yunnan University，Kunming Yunnan 650091，China; 2．University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China)

The network is very important to substation automation system．Typically the internal equipment of substation can be divided into three levels．Data and control information at the second level are transmitted to the station-level PC of remote control center．This process belongs to the category of computer communication networks．Aiming at the characteristic of substation communication network，this paper uses the gated and exhaustive services mixed polling system in substation．The station level PC communication interface has higher priority than those on communication interface internal data buffer in the second level．The exhaustive service strategy is used for the station level PC communication interface and gated service for communication interface internal data buffer in the second level．Based on experiments and theoretical calculations，this paper obtains the relationship that the mean time delay and mean queue length increase as the load increases．In addition，it also achieves the relationship that the mean time delay and mean queue length increase as the number of communication interface internal data buffer in the second layer increases．These results are crucial to the improvement of network performance in substation．

substation network;polling system;gated service;exhaustive service;mean time delay;mean queue length

TN97

A

1003－3114(2015)05－93－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.25

朱龍正，高宇航，楊志軍，等．優(yōu)先級控制輪詢在變電站通信網(wǎng)絡中的應用［J］．無線電通信技術，2015，41(5):93－96．

2015－05－28

朱龍正(1989―)，男，碩士研究生，主要研究方向:計算機通信與網(wǎng)絡、無線通信和輪詢系統(tǒng)。楊志軍(1968—)，男，高級工程師/副院長，主要研究方向:計算機通信與網(wǎng)絡、無線通信和輪詢系統(tǒng)。