智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文與流量分布計算方法
2016-06-23 12:46:15陳橋平陳志光蘇忠陽
電力系統(tǒng)保護與控制 2016年9期
陳橋平，陳志光，黃 勇，蘇忠陽，陸 偉
(1.廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510665；2.武漢中元華電科技股份有限公司，湖北 武漢 430000)
智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文與流量分布計算方法
陳橋平1，陳志光1，黃 勇2，蘇忠陽2，陸 偉2
(1.廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510665；2.武漢中元華電科技股份有限公司，湖北 武漢 430000)
報文與流量分布的定量計算不僅能夠?qū)^程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案進行評價，為設(shè)備選型提供量化依據(jù)，也能為網(wǎng)絡(luò)異常保護提供判據(jù)和閾值整定。提出了過程層網(wǎng)絡(luò)報文的描述與計算模型，包括過程層網(wǎng)絡(luò)報文傳輸路徑模型，設(shè)備輸入流量計算模型，鏈路流量計算模型等。模型描述了過程層網(wǎng)絡(luò)報文的整個傳輸行為，利用該模型能夠在提取SCD文件中必要的計算要素的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)報文與流量分布的自動計算。并以典型110 kV變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)為例，并結(jié)合OPNET仿真對比，驗證了該模型和方法的有效性。最后基于報文與流量計算方法，給出了網(wǎng)絡(luò)異常保護的實現(xiàn)思路。
智能變電站；過程層網(wǎng)絡(luò)；報文；計算模型；SCD文件
0 引言
過程層網(wǎng)絡(luò)是智能變電站的核心，其報文的定量分析不僅能夠反映過程層網(wǎng)絡(luò)在各種狀態(tài)下的流量分布，為組網(wǎng)方案評價與設(shè)備選型提供量化依據(jù)；針對各類網(wǎng)絡(luò)異常情況下的報文計算，還可為網(wǎng)絡(luò)異常保護提供判據(jù)和閾值整定[1-2]。
智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文既具有周期性也具有突發(fā)性和隨機性，這使得過程層網(wǎng)絡(luò)報文的建模與定量分析存在困難，尚沒有有效的解決方案[3-4]。由于無法定量計算過程層網(wǎng)絡(luò)在不同運行方式下的報文水平，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選型存在著一定的盲目性，給過程層網(wǎng)絡(luò)的性能乃至繼電保護等應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性帶來隱患。而采用簡單估算選擇更大性能裕量的設(shè)備(如設(shè)計更大的帶寬)，則可能損失工程實施的經(jīng)濟性[5]。
本文提出了一種變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文的描述模型，給出了過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備流量和鏈路流量的計算方法。針對不同的應(yīng)用場景，對報文計算進行了分類，分析了報文計算的可能應(yīng)用領(lǐng)域。基于變電站配置文件SCD(System Configuration Description)的解析，提取報文計算的構(gòu)成要素，提出了變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文計算的實現(xiàn)方法。最后，以一個110 kV變電站過程層網(wǎng)絡(luò)為例，并通過OPNET的仿真對比，說明了本文模型與方法的有效性。
1 報文描述與計算模型
1.1 過程層網(wǎng)絡(luò)報文傳輸路徑模型
智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)中任一信息源產(chǎn)生的報文的傳輸過程可以通過如圖 1所示的樹狀網(wǎng)絡(luò)(簡稱樹)來描述。信息源作為樹的根節(jié)點s，只有輸出支路，沒有輸入支路；除根節(jié)點外，樹中的節(jié)點可分為葉節(jié)點和杈節(jié)點，葉節(jié)點只同一條輸入支路聯(lián)接 (如b，f等)，為報文的接收節(jié)點；杈節(jié)點有兩條或兩條以上的支路聯(lián)接 (如a，e等)。
圖1 報文傳輸?shù)臉錉罹W(wǎng)絡(luò)Fig. 1 Tree network of information flow transmission
一般情況下，合并單元(MU)只作為根節(jié)點，智能電子設(shè)備(IED)能作為葉節(jié)點也能作為根節(jié)點，而交換機則作為杈節(jié)點。橢圓虛線代表利用報文隔離策略(如靜態(tài)組播)劃分的兩個廣播域。
根據(jù)信息源產(chǎn)生報文的周期與種類的不同可將根節(jié)點劃分周期上送根節(jié)點和突發(fā)根節(jié)點兩大類，對于MU和無故障發(fā)生時周期發(fā)送GOOSE的IED而言，屬于前者，對于發(fā)生故障時突發(fā)GOOSE 的IED而言屬于后者。
在網(wǎng)絡(luò)性能處于理想狀態(tài)時，各信息源產(chǎn)生的流量之間相互獨立，網(wǎng)絡(luò)的流量分布符合疊加原理：網(wǎng)絡(luò)中某處的流量等于網(wǎng)絡(luò)中每個信息源分別獨立作為根節(jié)點時在該處所產(chǎn)生流量的疊加。
依據(jù)疊加原理，能夠建立過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備流量與鏈路流量的計算模型，設(shè)備流量分為輸入和輸出流量，鏈路流量分為上行和下行流量，考慮到計算設(shè)備的輸出流量意義不大，所以只考慮設(shè)備的輸入流量。
1.2 設(shè)備輸入流量計算模型
設(shè)備輸入流量計算模型如式(1)所示。
式(1)中：Di為設(shè)備i的輸入流量；Mini為設(shè)備i的輸入報文集矩陣(n×m階)，如式(2)、式(3)，其中n為過程層網(wǎng)絡(luò)中信息源的數(shù)目，m表示過程層網(wǎng)絡(luò)中共有m路報文(包括GOOSE和SV)，Msi為設(shè)備s作為根節(jié)點，設(shè)備i作為杈節(jié)點或葉節(jié)點時的輸入報文集。Lp為報文p的長度，若Msi不包含報文p，則Lp=0。
U為單位時間內(nèi)輸入設(shè)備i的各路報文數(shù)量的集合，如式(4)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)理想情況下，單位時間內(nèi)輸入設(shè)備i的報文數(shù)量即是報文發(fā)送時間間隔的倒數(shù)，與設(shè)備i無關(guān)，由各信息源作為周期上送根節(jié)點還是突發(fā)根節(jié)點決定。其中Up為單位時間內(nèi)輸入設(shè)備i的報文p的數(shù)量。
(1) 鏈路流量計算模型
鏈路流量計算模型如式(5)所示。
式中：Rik為鏈路ik的流量；i→k代表鏈路流量方向由設(shè)備i流向設(shè)備k；E代表過程層網(wǎng)絡(luò)中全部信息源的集合。
(2) 設(shè)備輸入報文集的確定
輸入報文集的確定方式根據(jù)所采用的報文隔離策略不同而有所不同，現(xiàn)今比較常用的隔離策略有兩種——端口VLAN劃分和靜態(tài)組播。如圖1，若采用端口 VLAN劃分，則任一信息源作為根節(jié)點時，根據(jù)其所在VLAN劃分的廣播域即可形成一棵樹，樹中所有節(jié)點均會收到其發(fā)布的所有報文，Msi即為該信息源s發(fā)布所有報文組成的集合Ms；而采用靜態(tài)組播時，則根據(jù)報文的訂閱關(guān)系與組播域的劃分形成樹，樹會因為報文組播的配置而形成如橢圓虛線所劃分的兩個或更多組播域，導(dǎo)致葉節(jié)點和杈節(jié)點不會收到根節(jié)點發(fā)布的所有報文，Msi需要綜合分析Ms，訂閱關(guān)系和組播信息獲得。
(3) 報文計算的步驟
1) 確定過程層網(wǎng)絡(luò)的各信息源設(shè)備發(fā)布報文集合Ms以及報文的訂閱關(guān)系；
2) 以各信息源分別作為根節(jié)點，根據(jù)VLAN劃分或靜態(tài)組播信息確定該信息源作為根節(jié)點時報文傳輸?shù)臉錉罹W(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)中的杈節(jié)點與葉節(jié)點，并確定各節(jié)點的輸入報文集Msi；
3) 根據(jù)信息源作為根節(jié)點時的節(jié)點類型和各路報文發(fā)送間隔確定U；
4) 利用式(1)、式(5)計算網(wǎng)絡(luò)的流量分布。
2 基于SCD解析的報文計算實現(xiàn)方法
報文計算模型中涉及的關(guān)鍵要素為各信息源設(shè)備所發(fā)布的報文集合Ms、報文訂閱關(guān)系、VLAN劃分信息、報文長度Lp以及信息源發(fā)送報文的時間間隔(形成U)。通過SCD文件的解析能夠獲得關(guān)鍵要素的相關(guān)信息，為報文計算提供實現(xiàn)的條件[6]。
2.1 報文長度計算及發(fā)送間隔的提取
2.1.1 報文長度計算
GOOSE報文和SV報文均由3部分組成：以太網(wǎng)頭、PDU標(biāo)識以及APUD，所以報文長度=以太網(wǎng)頭長度+PDU標(biāo)識長度+APUD長度。以太網(wǎng)頭和PDU標(biāo)識均對報文起說明作用，不包含報文傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)內(nèi)容，在兩類報文中長度也是固定的，分別為18 Byte和8 Byte，APDU的長度可通過解析各報文所引用的數(shù)據(jù)集來獲得[7]。
2.1.2 報文發(fā)送間隔的解析
SV報文每秒鐘發(fā)送的幀數(shù)可通過解析SCD文件中
對于GOOSE報文，最小發(fā)送間隔可通過解析SCD文件的MinTime獲得，即在發(fā)生一次設(shè)備故障等變電站事件時第一幀突發(fā)報文與第二幀突發(fā)報文之間的時間間隔，通常取值為1 ms或2 ms，本文以 1 ms為例。心跳周期 T0為 SCD文件中的MaxTime，通常設(shè)為1 s或0.5 s，本文以1 s為例[8-9]。
2.2 設(shè)備間信息訂閱關(guān)系的形成
設(shè)備間報文訂閱關(guān)系的形成依賴于IED發(fā)送報文配置信息和IED接收報文配置信息的解析。
2.2.1 IED發(fā)送報文配置信息的解析
SCD文件的
SCD文件中的
表1中第一行的數(shù)據(jù)表示 IED“MM2206AB”的“M1”端口發(fā)送APPID為4001的SV報文，由控制塊“smvcb1”負(fù)責(zé)控制發(fā)送過程。
表1 IED發(fā)送報文配置表Table 1 Configuration of IED sending messages
2.2.2 IED接收報文配置信息的解析
IED接受報文配置信息的解析主要針對各IED的
表2 IED接收報文配置表Table 2 Configuration of IED receiving messages
表2中的iedName，apName和ldInst與表1中的不同，分別為
表2中第一行數(shù)據(jù)表示IED“PM2201”的端口“S1”接收APPID為4001的SV報文。
綜合IED發(fā)送和接收報文配置表的信息即可得到整座變電站所有IED設(shè)備之間的虛擬連線，即不同IED設(shè)備不同端口之間的對應(yīng)關(guān)系，虛擬連線是IED設(shè)備之間訂閱關(guān)系的表示形式。
2.2.3 VLAN信息的提取
通過解析
中APPID和VLAN-ID的值能夠獲知某一路報文所屬的VLAN-ID，實際運行中常按照將發(fā)布和訂閱同一路報文的設(shè)備劃分到同一個VLAN中去的原則進行端口VLAN的劃分，因此結(jié)合表1和表2的信息能夠得到過程層網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備所被劃分的VLAN信息。3 算例分析
采用典型110 kV變電站110 kV側(cè)過程層網(wǎng)絡(luò)為對象進行算例分析，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D如圖2所示。
圖中共有5個間隔[11]。其中菱形代表交換機，圓形代表IED，正方形代表MU，除交換機外，其他各設(shè)備名稱如表3所示。
圖2 算例的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig. 2 Network topology of the example
表3 設(shè)備名稱Table 3 Device name
通過解析該變電站的SCD文件，可獲得如表4所示的報文訂閱關(guān)系，并涵蓋了各信息源設(shè)備發(fā)布報文集合Ms。
表4 報文的訂閱關(guān)系Table 4 Subscriptions relationship of packets
由于線路和主變的兩個間隔配置相同，這里只列出其中一個間隔的，容易看出網(wǎng)絡(luò)中GOOSE和SV共有33路報文。進一步解析VLAN信息得到圖2中的各設(shè)備所屬的VLAN，如表5所示。
根據(jù) VLAN的劃分表可確定各信息源設(shè)備作為根節(jié)點時的報文傳輸樹，共21棵。圖3所示為以設(shè)備1，2和3分別作為根節(jié)點時形成的樹。
以計算交換機的輸入流量為例，首先確定各臺交換機的輸入報文集，若采用GOOSE和SV共網(wǎng)的傳輸方案，則各輸入報文集可用21×33階的矩陣表示，矩陣的每一行為設(shè)備1到21分別作為根節(jié)點，交換機26作為杈節(jié)點時的節(jié)點輸入報文集，如第一行由GOOSE1、2、3和4構(gòu)成，長度均為174 Byte，最后一行由SV17構(gòu)成，長度為149 Byte。
表5 VLAN劃分表Table 5 VLAN table
圖3 樹狀網(wǎng)絡(luò)示例Fig. 3 Example of tree network
穩(wěn)態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)中所有信息源均以周期性發(fā)送報文，各IED和MU均作為根節(jié)點時為周期上送根節(jié)點。設(shè)心跳周期T0=1 s，MU每秒鐘發(fā)送SV報文數(shù)為4 000幀。計算極限流量時與各臺交換機相關(guān)的IED 均作為突發(fā)根節(jié)點，并設(shè)其持續(xù)以 1 ms的間隔突發(fā)報文，每秒鐘發(fā)送報文數(shù)為1 000。根據(jù)穩(wěn)態(tài)和極限時的流量計算的條件確定矩陣U，利用公式(1)可得出各交換機的穩(wěn)態(tài)和極限輸入流量，并利用OPNET軟件進行仿真對比，結(jié)果如表6所示。
可見中心交換機26的流量最大，設(shè)備選型時，對其吞吐量的要求最高，中心交換機至少要能夠滿足34 Mbps的吞吐量要求才可能在極端情況下不丟包。通過OPNET仿真對比可知，利用本文模型進行的流量計算與仿真結(jié)果基本一致，驗證了模型的準(zhǔn)確性。
表6 各交換機的輸入流量Table 6 Input flow of every switch
4 基于流量分布的網(wǎng)絡(luò)異常保護實現(xiàn)思路
電力系統(tǒng)繼電保護中有過流保護的概念，當(dāng)某條線路電流超過了整定值之后線路會被自動切除，以防止電流過大損壞線路。
通信網(wǎng)絡(luò)中也有這樣的情況。當(dāng)某一個IED設(shè)備發(fā)生某種異常，它持續(xù)不斷的極高流量的向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息，如果這種情況再繼續(xù)下去很有可能會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)崩潰和癱瘓，導(dǎo)致其他設(shè)備的很多重要信息無法正確發(fā)送，這時候就需要一個機制，將發(fā)送異常流量(過流量)的設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中暫時切除掉，這里的切除有兩種含義，一種可以不是像斷路器那樣物理地將設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)隔離，而是邏輯上利用生成樹協(xié)議斷開該條路徑或者通過模仿 ARP攻擊的方式使得設(shè)備的報文無法發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去；另一種是啟動繼電器切斷設(shè)備電源，從而起到自動、迅速、有選擇性的將故障元件從網(wǎng)絡(luò)中切除，保證其他無故障部分迅速恢復(fù)正常工作。
而過流量保護的整定即可利用本文提出的報文和流量分布的計算方法實現(xiàn)。對全網(wǎng)進行極限時的流量計算，若某處監(jiān)測的流量超過了該處的極限時的流量計算結(jié)果，即可啟動過流量保護。
同理，對于通信網(wǎng)絡(luò)中的另一種情況，某個IED設(shè)備或者連接這個IED設(shè)備的鏈路出了某種故障，它的心跳報文停止了，或者心跳慢于既定的數(shù)值，抑或超過生存時間而未收到報文，這個時候就應(yīng)該啟動低流量保護。低流量保護的整定可以根據(jù)本文提出的報文和流量分布的計算方法實現(xiàn)。對全網(wǎng)進行穩(wěn)態(tài)時的流量計算，若某處監(jiān)測的流量低于該處的極限時的流量計算結(jié)果，即可啟動低流量保護。低流量保護啟動后將會上傳低流量具體在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)生位置，流量的具體數(shù)值以及流量與整定值的差值等動作信息，以便運行人員對故障原因進行分析并修復(fù)和處理。
5 結(jié)語
本文提出了過程層網(wǎng)絡(luò)報文的描述模型，包括節(jié)點模型和流量計算模型，該模型可通過SCD文件中部分內(nèi)容的解析提取必要信息，實現(xiàn)報文準(zhǔn)確計算?；诘湫?10 kV變電站的算例分析和OPNET的仿真驗證表明，依據(jù)該模型的報文計算結(jié)果具有準(zhǔn)確性和實用性，能夠滿足不同場景、不同應(yīng)用的報文計算要求，為智能變電站設(shè)備選型、方案評價、性能評估等提供了有效的定量研究手段。
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(編輯 姜新麗)
Calculation of distribution of message and traffic load for process bus network in smart substation
CHEN Qiaoping1, CHEN Zhiguang1, HUANG Yong2, SU Zhongyang2, LU Wei2
(1. Electric Power Dispatch and Control Center of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510665, China; 2. Zhongyuan Huadian Science & Technology Co., Ltd., Wuhan 430000, China)
Quantitatively accurate calculation of the distribution of message and traffic load can not only evaluate the network scheme and provide a quantitative basis for equipment selection, but also for network anomaly monitoring protection criterion and threshold tuning. This paper presents a process bus network message model, including the message transmission path model, equipment input flow calculation model and the traffic load of links calculation model. These models describe the transmission behavior of the messages, and based on the SCD file analysis, the information flow calculation method can be achieved automatically. Finally, it takes the process bus of a typical 110 kV substation network as an example combined with OPNET simulation comparison to verify the validity of the models and methods in this paper.
smart substation; process bus network; message; calculation model; SCD file
10.7667/PSPC151092
：2016-01-25
陳橋平(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)保護、控制與自動化；E-mail: bastdgu@126.com
陳志光(1965-)，男，通信作者，碩士，高級工程師，從事繼電保護專業(yè)研究和管理工作；E-mail: 2283856zjc@ 163.com
黃 勇(1969-)，男，學(xué)士，高級工程師，從事電力信息管理工作。
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