鐘熙微，陳澤恒,汪 東，彭 浩

(1.廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣州510006； 2.廣州機械設計研究所，廣州510000)

變電站通信網(wǎng)絡的信息流隊列調(diào)度策略研究

鐘熙微1，陳澤恒2,汪 東1，彭 浩1

(1.廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣州510006； 2.廣州機械設計研究所，廣州510000)

在分析智能變電站通信網(wǎng)絡過載產(chǎn)生原因的基礎上，根據(jù)傳輸機制及實時性要求對幾種典型的信息流進行分類，并針對智能變電站現(xiàn)有信息流隊列調(diào)度策略存在的不足，結合加權公平隊列調(diào)度策略(WFQ)，提出一種適用于變電站通信網(wǎng)絡信息流的綜合調(diào)度策略(Integrated Scheduling Strategy,ISS)。以典型D2-1型變電站通信網(wǎng)絡拓撲為研究對象，借助OPNET仿真平臺對所提出的綜合調(diào)度策略與嚴格優(yōu)先級策略(SPQ)進行仿真對比分析，結果表明綜合調(diào)度策略在一定程度上具有可行性。

智能變電站；信息流；網(wǎng)絡過載；加權公平隊列；綜合調(diào)度策略。

智能變電站通信網(wǎng)絡信息流包括原始電壓電流數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)信息、控制信息、文件傳輸?shù)?，其信息流的傳輸、采集、處理、?zhí)行等使電力系統(tǒng)動態(tài)過程被大大加快，同時也使變電站極度依賴于信息反饋和信息決策[1-2]。由于一二次設備的網(wǎng)絡化及智能化，信息過載問題可能引發(fā)信息網(wǎng)絡和物理網(wǎng)絡之間的聯(lián)鎖故障，甚至導致整個電力系統(tǒng)的崩潰，給電力系統(tǒng)帶來新的安全挑戰(zhàn)。

IEEE802.1Q標準引入了報文優(yōu)先級的概念，在報文標志控制信息(TCI)部分定義了用戶優(yōu)先級標簽字段，可以標注8種不同的優(yōu)先級。當交換機端口需要進行隊列調(diào)度時，常用的隊列調(diào)度策略有先進先出(FIFO)、嚴格優(yōu)先級(SPQ)、加權公平隊列(WFQ)等。

近年來，對智能變電站通信系統(tǒng)的研究主要集中在網(wǎng)絡拓撲、變電站二次系統(tǒng)集成等方面，其網(wǎng)絡架構及靜態(tài)協(xié)議配置都有了比較深入的研究，但是對變電站信息流隊列調(diào)度策略研究相對較少。文獻[3]歸納了變電站幾種典型的信息流，對智能變電站的通信網(wǎng)絡進行靜態(tài)VLAN配置，以限制廣播流對網(wǎng)絡資源的競爭；文獻[4]研究了基于優(yōu)先級標簽的變電站信息調(diào)度方法，但是該方法容易導致優(yōu)先級較低的信息流出現(xiàn)“饑餓”狀態(tài)，對部分信息流的實時性傳輸產(chǎn)生嚴重影響；文獻[5]提出在三網(wǎng)合一的智能變電站中考慮網(wǎng)絡擁塞的檢測及過載處理方法，但未對具體處理方法進行研究。因此本文通過分析智能變電站通信網(wǎng)絡過載產(chǎn)生的原因，對比幾種信息流調(diào)度策略，探討能兼顧變電站各類信息流服務質(zhì)量的綜合調(diào)度策略。

1 網(wǎng)絡過載及其產(chǎn)生的原因

在變電站通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的鏈路容量、交換機的緩存和處理機等，都是網(wǎng)絡中的資源。在某一時刻，若信息流產(chǎn)生速率超過了網(wǎng)絡資源的限值，網(wǎng)絡性能將會變差，這種情況就叫做擁塞。過載是擁塞的一種，是鏈路容量小于信息產(chǎn)生速率引起的。

網(wǎng)絡中常采用二層動態(tài)協(xié)議(可靠無縫冗余協(xié)議、私有環(huán)網(wǎng))、靜態(tài)配置(VLAN、靜態(tài)組播、三層路由等)、過載監(jiān)聽、過載處理結合提高網(wǎng)絡可靠性[5]，然而動態(tài)協(xié)議及靜態(tài)配置存在以下問題，如表1所示。

表1 變電站網(wǎng)絡配置存在的一些問題Tab.1 Some problems of substation network configuration

智能變電站中，與信息流相關的設備主要有智能電子裝置、監(jiān)控主機和服務器等。通信設備故障、通信網(wǎng)絡拓撲設計不合理、通信網(wǎng)絡故障、對信息流的隔離不當?shù)榷伎赡墚a(chǎn)生過載。

智能變電站的正常運行除了需要考慮物理設備的正常運行，還需要考慮站控系統(tǒng)、管理服務功能系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)及信息設備軟件的影響，其網(wǎng)口硬件損壞、服務器異常等也會引起過載。文獻[6]提出軟件失效模型，對變電站安全風險進行量化分析，指出軟件失效對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性帶來的挑戰(zhàn)。

因此，變電站通信網(wǎng)絡過載的形成可分為以下幾點：1)網(wǎng)絡拓撲設計不合理或者故障；2)設備損壞或設計不合理；3)系統(tǒng)或服務器異常；4)網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件失效；5)網(wǎng)絡攻擊[7]等。

綜上所述，通信網(wǎng)絡過載的原因很多，而通信網(wǎng)絡一旦過載則會對智能變電站的正常安全運行產(chǎn)生重大的負面影響，因此，對網(wǎng)絡信息流調(diào)度策略的研究就顯得非常重要。

2 信息流分類

由信息流的傳輸機制與傳輸時間精度要求可以對變電站內(nèi)的信息流進行劃分：事件觸發(fā)信息流T1、原始采樣值信息流T2、時間觸發(fā)信息流T3、訪問類信息流T4，如表2所示。

表2 信息流模型Table 2 Information flow model

2.1 GOOSE信息流

GOOSE信息流包含事件驅(qū)動及時間驅(qū)動報文[8]，主要用于過程層和間隔層以及間隔層內(nèi)部傳輸。

當變電站發(fā)生電氣類故障時，事件驅(qū)動GOOSE報文由間隔保護控制單元向本間隔過程層或母線間隔下送保護功能聯(lián)鎖、開關操作命令、時間順序記錄信號等快速報文。這類信息流在短時間內(nèi)集中傳輸，實時性要求比較高，IEC 61850標準規(guī)定其在1～3 ms內(nèi)完成傳輸，本文將該類信息流劃分為T1流。

時間驅(qū)動GOOSE報文按時間預定觸發(fā)，過程層設備上傳模擬量數(shù)據(jù)及設備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，該類信息流實時性要求不高，一般小于100 ms，本文將該類信息流劃分為T3流。典型GOOSE信息流如圖1所示。

2.2 采樣值信息流

采樣值信息流T2主要是將過程層合并單元所采集到的數(shù)據(jù)，傳送給間隔層智能電子設備(IED)。這類信息流端到端傳輸時間要求比較高，數(shù)據(jù)量較大，是影響整個網(wǎng)絡時延的最重要因素，屬于時間驅(qū)動的周期性數(shù)據(jù)。該類信息流一般要求3～10 ms內(nèi)完成傳輸，實時性要求較高。

圖1 典型線路間隔信息流Fig.1 Information flow on typical line bay

2.3 訪問類信息流

訪問類信息流T4主要用于站控層、間隔層、過程層之間的診斷維護信息，例如下送設備配置文件，上傳絕緣氣體歷史值、開關溫度等數(shù)據(jù)。訪問類信息流是由變電站事件觸發(fā)的報文，發(fā)送不定時且沒有規(guī)律可循的數(shù)據(jù)，一般該類信息流為實時性要求比較低的數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)時間要求一般大于1000 ms，同時該類數(shù)據(jù)的尺寸相對較長。

3 信息流調(diào)度策略

3.1 SPQ排隊策略

嚴格優(yōu)先級(SPQ)調(diào)度策略優(yōu)先處理較高優(yōu)先級的隊列，如圖2所示。分類器根據(jù)信息流的優(yōu)先級別將信息流劃分為3個隊列，其中時間敏感信息流放入較高優(yōu)先級隊列，將非關鍵信息流放入較低優(yōu)先級隊列，以保證關鍵信息流被優(yōu)先傳送。

圖2 SPQ調(diào)度策略Fig.2 SPQ scheduling strategy

只有敏感信息流隊列的數(shù)據(jù)包被處理完時，才逐級處理非關鍵信息流隊列的數(shù)據(jù)包。然而，當高優(yōu)先級隊列的信息流以固定速率到達時，低優(yōu)先級隊列往往分配到的通信資源比較匱乏，容易導致其處于饑餓狀態(tài)，因此公平性能很差。

3.2 WFQ排隊策略

加權公平隊列(WFQ)調(diào)度策略作為一種數(shù)據(jù)包公平隊列(PFQ)，是根據(jù)理想調(diào)度算法(GPS)的工作原理來實現(xiàn)的。根據(jù)GPS算法的原理，在任一時刻t，第i個隊列分配的帶寬為gi(t)，表示為

在WFQ中根據(jù)第j個數(shù)據(jù)包到達或者離開處理器實際時間tj，并用虛時間V(tj)來實現(xiàn)GPS算法，初始狀態(tài)虛時間為V(0)=0，V(tj)表示為

式中，τ≤tj-tj-1,j=2,3，…,Bj表示處于忙碌狀態(tài)的信息流，τ為一個較短的時間間隔。

WFQ調(diào)度策略如圖3所示，根據(jù)隊列的分類方法將數(shù)據(jù)包劃分為3個隊列Q1～Q3。這3個隊列的所有數(shù)據(jù)包通過WFQ調(diào)度策略計算虛時間，最短虛服務時間的數(shù)據(jù)包優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)到交換機端口并得到服務，圖中數(shù)據(jù)包虛時間tP1

圖3 WFQ調(diào)度策略Fig.3 WFQ scheduling strategy

3.3 綜合調(diào)度策略

根據(jù)智能變電站的信息流特性，在保證高優(yōu)先級流量實時性服務質(zhì)量的同時，兼顧其他流量的帶寬，本文提出一種SPQ算法及WFQ算法融合的綜合調(diào)度策略(ISS)。根據(jù)事件驅(qū)動信息流T1具有突發(fā)流量高及數(shù)據(jù)包格式較小的特點，仍采用嚴格優(yōu)先級調(diào)度，在發(fā)生故障時該類報文優(yōu)先處理。為了避免周期性T2類信息流采用嚴格優(yōu)先級調(diào)度策略時占據(jù)過大的帶寬，T2、T3、T4采用WFQ調(diào)度策略，在緊急情況下，既能保證T2的優(yōu)先調(diào)度，T3、T4隊列也不會因為T2隊列占用過多帶寬資源而造成其隊列時延過高，整個信息系統(tǒng)服務質(zhì)量均可以得到保證。具體綜合調(diào)度策略如圖4所示。

圖4 綜合調(diào)度策略Fig.4 Integrated scheduling strategy (ISS)

4 仿真案例

4.1 拓撲模型

以簡化的D2-1型變電站為仿真研究對象，該模型包含一個母線間隔，5個饋線回路間隔和2個變壓器間隔。單個間隔的IED與過程層交換機連接共享數(shù)據(jù)，各間隔層設備通過中心交換機與站控層設備相連接并通信。每個間隔簡化為一個保護控制單元(P&C)、一個合并單元(MU)和一個智能斷路器(ISG)。變電站整體框架及信息流如圖5所示。

圖5 D2-1型號變電站信息流圖Fig.5 Information flow of D2-1 style substation

考慮故障發(fā)生，線路間隔中存在大量廣播流量。此時合并單元周期性將T2信息流傳輸給保護控制單元，智能斷路器將一次設備狀態(tài)信息流T3傳輸給保護控制單元。保護控制單元下送保護動作信息到智能斷路器，且發(fā)生啟動失靈，母線間隔啟動單跳失靈保護，將故障線路間隔所在母線開關全部切斷，IED設備間信息流如圖1所示。

根據(jù)信息流的特點采用不同的流量配置模型。T1屬于突發(fā)性報文，具有自相似性，文獻[9]說明了重尾分布可以很好解釋突發(fā)信息流的自相似性。根據(jù)IEC 61580標準規(guī)定，該類報文第一次發(fā)送時間間隔為2 ms，4 ms，8 ms，…，仿真配置重發(fā)時間間隔為 2 ms,這里考慮故障發(fā)生時發(fā)包的極限狀態(tài)。報文T2跟T3為時間驅(qū)動信息流，可以利用常數(shù)分布對數(shù)據(jù)包的長度、周期、發(fā)包個數(shù)進行配置，產(chǎn)生周期性數(shù)據(jù)。T4屬于隨機性數(shù)據(jù)，由隨機過程中服從泊松分布的變量具有隨機性可知，若信息流到達率為λ的泊松分布，其到達時間間隔為1/λ。

仿真借助OPNET 17.5仿真平臺，通過搭建變電站簡化拓撲，配置信息流模型，仿真場景分別為嚴格優(yōu)先級(SPQ)調(diào)度策略、具有WFQ的綜合調(diào)度策略(ISS)。其中交換機采用三層交換機，其端口要求處于active狀態(tài)，鏈路帶寬采用 100 Mbps，各個IED節(jié)點模型為ethernet_wkstn節(jié)點模型，信息流傳輸協(xié)議配置為UDP不可靠傳輸以減少端到端時延，統(tǒng)計各類信息流的隊列延時情況。

4.2 算例分析

仿真結果如圖6所示，T1及T4信息模型配置為50 s后開始仿真，T2及T3信息模型配置為10 s開始仿真，并持續(xù)到仿真結束。其中圖6(a)為T3、T4類信息流延時特性，圖6(b)為T1、T2類信息流延時特性。由結果可以看到，采用具有WFQ的綜合流量調(diào)度策略(ISS)，各類信息流的總體延時都有所降低，網(wǎng)絡性能大大提高。

圖6 故障下兩種排隊策略的延時曲線Fig.6 Delay curves of two kinds of queuing strategies under faults

當故障發(fā)生時使用嚴格優(yōu)先級調(diào)度策略，T4類信息流呈現(xiàn)“饑餓”狀態(tài)，T3類信息流也因為T2類信息流占據(jù)過多帶寬資源導致其部分數(shù)據(jù)包傳輸延時超過100 ms，甚至接近200 ms。此時若采取SPQ調(diào)度策略，將對整個變電站的實時可靠運行帶來嚴重影響。

在故障情況下使用綜合調(diào)度策略，T1類信息流雖然有小幅增加，但仍在規(guī)定時間范圍內(nèi)；T2類信息流小幅下降，T3跟T4類信息流的延時都大大降低。通過將原始數(shù)據(jù)導出到EXCEL表格之后，計算故障發(fā)生時延時的平均值可知，T2類信息流從3.3 ms下降為1.5 ms，T3類信息流從110 ms下降到3 ms；T4信息流降幅最為明顯從480 ms下降為330 ms，下降幅度達150 ms，且在故障發(fā)生時，該類信息流不會出現(xiàn)信息中斷傳輸現(xiàn)象。

通過對簡化變電站模型進行仿真，結果驗證使用ISS調(diào)度策略的合理性。在故障發(fā)生時，相比較于SPQ調(diào)度策略，融合了SPQ以及WFQ的ISS調(diào)度策略更能為不同的信息流提供更好的服務質(zhì)量，同時降低了因網(wǎng)絡延時或信息中斷傳輸可能引發(fā)的電力系統(tǒng)聯(lián)鎖故障的風險。

5 結 論

本文在對典型信息流進行分類和分析現(xiàn)有信息流隊列調(diào)度策略不足之處的基礎上，提出事件觸發(fā)信息流采用嚴格優(yōu)先級調(diào)度，原始采樣值信息流、時間觸發(fā)信息流以及訪問類信息流采用WFQ調(diào)度的綜合調(diào)度策略。以簡化的D2-1變電站為算例，將本文的綜合調(diào)度策略與現(xiàn)有的SPQ調(diào)度策略進行仿真對比分析，結果表明本文提出的綜合調(diào)度策略能大大提高網(wǎng)絡性能，從而驗證了該策略的合理性和可行性，具有一定的工程意義。

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(編輯 陳銀娥)

Research on scheduling strategy of information flow queue of substation communication network

ZHONG Xiwei1，CHEN Zeheng2,WANG Dong1,PENG Hao1

(1.Shool of automation，Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.Guangzhou Machinery Research Institute,Guangzhou 510000,China)

The cause of the communication network overload in the intelligent substation is analyzed.Based on the analysis,several typical information flows are classified according to the transmission mechanism and with the real-time requirement.In view of the shortcomings of the existing information flow queue scheduling strategy in the intelligent substation,combined with the scheduling strategy of weighted fair queuing (WFQ),an integrated scheduling strategy (ISS) is proposed for information flow of substation communication network.Taking the communication network topology of typical D2-1 type substation as the research object,simulation and comparative analyses are made on the integrated scheduling strategy (ISS) and the strict priority strategy (SPQ) proposed by using the OPNET simulation platform.The simulation results show that the integrated scheduling strategy is feasible to a certain extent.

intelligent substation; information flow; network overload; weighted fair queuing (WFQ); integrated scheduling strategy (ISS)

2017-05-09。

鐘熙微(1992—)，女，在讀研究生，研究方向為智能變電站通信網(wǎng)絡信息流建模。

TM63+TN926

A

2095-6843(2017)04-0307-06