鐘熙微，陳澤恒,汪 東，彭 浩

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,廣州510006； 2.廣州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，廣州510000)

變電站通信網(wǎng)絡(luò)的信息流隊(duì)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(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,廣州510006； 2.廣州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，廣州510000)

在分析智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)過載產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳輸機(jī)制及實(shí)時(shí)性要求對(duì)幾種典型的信息流進(jìn)行分類，并針對(duì)智能變電站現(xiàn)有信息流隊(duì)列調(diào)度策略存在的不足，結(jié)合加權(quán)公平隊(duì)列調(diào)度策略(WFQ)，提出一種適用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，借助OPNET仿真平臺(tái)對(duì)所提出的綜合調(diào)度策略與嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)策略(SPQ)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，結(jié)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(luò)過載；加權(quán)公平隊(duì)列；綜合調(diào)度策略。

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)信息流包括原始電壓電流數(shù)據(jù)、設(shè)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(dòng)態(tài)過程被大大加快，同時(shí)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(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化及智能化，信息過載問題可能引發(fā)信息網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)鎖故障，甚至導(dǎo)致整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)引入了報(bào)文優(yōu)先級(jí)的概念，在報(bào)文標(biāo)志控制信息(TCI)部分定義了用戶優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽字段，可以標(biāo)注8種不同的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)交換機(jī)端口需要進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度時(shí)，常用的隊(duì)列調(diào)度策略有先進(jìn)先出(FIFO)、嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)(SPQ)、加權(quán)公平隊(duì)列(WFQ)等。

近年來，對(duì)智能變電站通信系統(tǒng)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、變電站二次系統(tǒng)集成等方面，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及靜態(tài)協(xié)議配置都有了比較深入的研究，但是對(duì)變電站信息流隊(duì)列調(diào)度策略研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[3]歸納了變電站幾種典型的信息流，對(duì)智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靜態(tài)VLAN配置，以限制廣播流對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競爭；文獻(xiàn)[4]研究了基于優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽的變電站信息調(diào)度方法，但是該方法容易導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)較低的信息流出現(xiàn)“饑餓”狀態(tài)，對(duì)部分信息流的實(shí)時(shí)性傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響；文獻(xiàn)[5]提出在三網(wǎng)合一的智能變電站中考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞的檢測及過載處理方法，但未對(duì)具體處理方法進(jìn)行研究。因此本文通過分析智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)過載產(chǎn)生的原因，對(duì)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(wù)質(zhì)量的綜合調(diào)度策略。

1 網(wǎng)絡(luò)過載及其產(chǎn)生的原因

在變電站通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量、交換機(jī)的緩存和處理機(jī)等，都是網(wǎng)絡(luò)中的資源。在某一時(shí)刻，若信息流產(chǎn)生速率超過了網(wǎng)絡(luò)資源的限值，網(wǎng)絡(luò)性能將會(huì)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(luò)中常采用二層動(dòng)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(jié)合提高網(wǎng)絡(luò)可靠性[5]，然而動(dòng)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(luò)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(guān)的設(shè)備主要有智能電子裝置、監(jiān)控主機(jī)和服務(wù)器等。通信設(shè)備故障、通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)不合理、通信網(wǎng)絡(luò)故障、對(duì)信息流的隔離不當(dāng)?shù)榷伎赡墚a(chǎn)生過載。

智能變電站的正常運(yùn)行除了需要考慮物理設(shè)備的正常運(yùn)行，還需要考慮站控系統(tǒng)、管理服務(wù)功能系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)及信息設(shè)備軟件的影響，其網(wǎng)口硬件損壞、服務(wù)器異常等也會(huì)引起過載。文獻(xiàn)[6]提出軟件失效模型，對(duì)變電站安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析，指出軟件失效對(duì)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(luò)過載的形成可分為以下幾點(diǎn)：1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)不合理或者故障；2)設(shè)備損壞或設(shè)計(jì)不合理；3)系統(tǒng)或服務(wù)器異常；4)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件失效；5)網(wǎng)絡(luò)攻擊[7]等。

綜上所述，通信網(wǎng)絡(luò)過載的原因很多，而通信網(wǎng)絡(luò)一旦過載則會(huì)對(duì)智能變電站的正常安全運(yùn)行產(chǎn)生重大的負(fù)面影響，因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(jī)制與傳輸時(shí)間精度要求可以對(duì)變電站內(nèi)的信息流進(jìn)行劃分：事件觸發(fā)信息流T1、原始采樣值信息流T2、時(shí)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(dòng)及時(shí)間驅(qū)動(dòng)報(bào)文[8]，主要用于過程層和間隔層以及間隔層內(nèi)部傳輸。

當(dāng)變電站發(fā)生電氣類故障時(shí)，事件驅(qū)動(dòng)GOOSE報(bào)文由間隔保護(hù)控制單元向本間隔過程層或母線間隔下送保護(hù)功能聯(lián)鎖、開關(guān)操作命令、時(shí)間順序記錄信號(hào)等快速報(bào)文。這類信息流在短時(shí)間內(nèi)集中傳輸，實(shí)時(shí)性要求比較高，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間驅(qū)動(dòng)GOOSE報(bào)文按時(shí)間預(yù)定觸發(fā)，過程層設(shè)備上傳模擬量數(shù)據(jù)及設(shè)備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，該類信息流實(shí)時(shí)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(shè)備(IED)。這類信息流端到端傳輸時(shí)間要求比較高，數(shù)據(jù)量較大，是影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的最重要因素，屬于時(shí)間驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)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(hù)信息，例如下送設(shè)備配置文件，上傳絕緣氣體歷史值、開關(guān)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(bào)文，發(fā)送不定時(shí)且沒有規(guī)律可循的數(shù)據(jù)，一般該類信息流為實(shí)時(shí)性要求比較低的數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間要求一般大于1000 ms，同時(shí)該類數(shù)據(jù)的尺寸相對(duì)較長。

3 信息流調(diào)度策略

3.1 SPQ排隊(duì)策略

嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)(SPQ)調(diào)度策略優(yōu)先處理較高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，如圖2所示。分類器根據(jù)信息流的優(yōu)先級(jí)別將信息流劃分為3個(gè)隊(duì)列，其中時(shí)間敏感信息流放入較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，將非關(guān)鍵信息流放入較低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，以保證關(guān)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(duì)列的數(shù)據(jù)包被處理完時(shí)，才逐級(jí)處理非關(guān)鍵信息流隊(duì)列的數(shù)據(jù)包。然而，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的信息流以固定速率到達(dá)時(shí)，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列往往分配到的通信資源比較匱乏，容易導(dǎo)致其處于饑餓狀態(tài)，因此公平性能很差。

3.2 WFQ排隊(duì)策略

加權(quán)公平隊(duì)列(WFQ)調(diào)度策略作為一種數(shù)據(jù)包公平隊(duì)列(PFQ)，是根據(jù)理想調(diào)度算法(GPS)的工作原理來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)GPS算法的原理，在任一時(shí)刻t，第i個(gè)隊(duì)列分配的帶寬為gi(t)，表示為

在WFQ中根據(jù)第j個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)或者離開處理器實(shí)際時(shí)間tj，并用虛時(shí)間V(tj)來實(shí)現(xiàn)GPS算法，初始狀態(tài)虛時(shí)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(gè)較短的時(shí)間間隔。

WFQ調(diào)度策略如圖3所示，根據(jù)隊(duì)列的分類方法將數(shù)據(jù)包劃分為3個(gè)隊(duì)列Q1～Q3。這3個(gè)隊(duì)列的所有數(shù)據(jù)包通過WFQ調(diào)度策略計(jì)算虛時(shí)間，最短虛服務(wù)時(shí)間的數(shù)據(jù)包優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)到交換機(jī)端口并得到服務(wù)，圖中數(shù)據(jù)包虛時(shí)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(jí)流量實(shí)時(shí)性服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，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(dòng)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(diǎn)，仍采用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度，在發(fā)生故障時(shí)該類報(bào)文優(yōu)先處理。為了避免周期性T2類信息流采用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略時(shí)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(duì)列也不會(huì)因?yàn)門2隊(duì)列占用過多帶寬資源而造成其隊(duì)列時(shí)延過高，整個(gè)信息系統(tǒng)服務(wù)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?fù)淠Ｐ?/p>

以簡化的D2-1型變電站為仿真研究對(duì)象，該模型包含一個(gè)母線間隔，5個(gè)饋線回路間隔和2個(gè)變壓器間隔。單個(gè)間隔的IED與過程層交換機(jī)連接共享數(shù)據(jù)，各間隔層設(shè)備通過中心交換機(jī)與站控層設(shè)備相連接并通信。每個(gè)間隔簡化為一個(gè)保護(hù)控制單元(P&C)、一個(gè)合并單元(MU)和一個(gè)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(hào)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(shí)合并單元周期性將T2信息流傳輸給保護(hù)控制單元，智能斷路器將一次設(shè)備狀態(tài)信息流T3傳輸給保護(hù)控制單元。保護(hù)控制單元下送保護(hù)動(dòng)作信息到智能斷路器，且發(fā)生啟動(dòng)失靈，母線間隔啟動(dòng)單跳失靈保護(hù)，將故障線路間隔所在母線開關(guān)全部切斷，IED設(shè)備間信息流如圖1所示。

根據(jù)信息流的特點(diǎn)采用不同的流量配置模型。T1屬于突發(fā)性報(bào)文，具有自相似性，文獻(xiàn)[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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該類報(bào)文第一次發(fā)送時(shí)間間隔為2 ms，4 ms，8 ms，…，仿真配置重發(fā)時(shí)間間隔為 2 ms,這里考慮故障發(fā)生時(shí)發(fā)包的極限狀態(tài)。報(bào)文T2跟T3為時(shí)間驅(qū)動(dòng)信息流，可以利用常數(shù)分布對(duì)數(shù)據(jù)包的長度、周期、發(fā)包個(gè)數(shù)進(jìn)行配置，產(chǎn)生周期性數(shù)據(jù)。T4屬于隨機(jī)性數(shù)據(jù)，由隨機(jī)過程中服從泊松分布的變量具有隨機(jī)性可知，若信息流到達(dá)率為λ的泊松分布，其到達(dá)時(shí)間間隔為1/λ。

仿真借助OPNET 17.5仿真平臺(tái)，通過搭建變電站簡化拓?fù)?，配置信息流模型，仿真場景分別為嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)(SPQ)調(diào)度策略、具有WFQ的綜合調(diào)度策略(ISS)。其中交換機(jī)采用三層交換機(jī)，其端口要求處于active狀態(tài)，鏈路帶寬采用 100 Mbps，各個(gè)IED節(jié)點(diǎn)模型為ethernet_wkstn節(jié)點(diǎn)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(shí)延，統(tǒng)計(jì)各類信息流的隊(duì)列延時(shí)情況。

4.2 算例分析

仿真結(jié)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(jié)束。其中圖6(a)為T3、T4類信息流延時(shí)特性，圖6(b)為T1、T2類信息流延時(shí)特性。由結(jié)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(shí)都有所降低，網(wǎng)絡(luò)性能大大提高。

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

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)使用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)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?yàn)門2類信息流占據(jù)過多帶寬資源導(dǎo)致其部分?jǐn)?shù)據(jù)包傳輸延時(shí)超過100 ms，甚至接近200 ms。此時(shí)若采取SPQ調(diào)度策略，將對(duì)整個(gè)變電站的實(shí)時(shí)可靠運(yùn)行帶來嚴(yán)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(shí)間范圍內(nèi)；T2類信息流小幅下降，T3跟T4類信息流的延時(shí)都大大降低。通過將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表格之后，計(jì)算故障發(fā)生時(shí)延時(shí)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(dá)150 ms，且在故障發(fā)生時(shí)，該類信息流不會(huì)出現(xiàn)信息中斷傳輸現(xiàn)象。

通過對(duì)簡化變電站模型進(jìn)行仿真，結(jié)果驗(yàn)證使用ISS調(diào)度策略的合理性。在故障發(fā)生時(shí)，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(wù)質(zhì)量，同時(shí)降低了因網(wǎng)絡(luò)延時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

本文在對(duì)典型信息流進(jìn)行分類和分析現(xiàn)有信息流隊(duì)列調(diào)度策略不足之處的基礎(chǔ)上，提出事件觸發(fā)信息流采用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度，原始采樣值信息流、時(shí)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(jìn)行仿真對(duì)比分析，結(jié)果表明本文提出的綜合調(diào)度策略能大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，從而驗(yàn)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?yàn)橹悄茏冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)信息流建模。

TM63+TN926

A

2095-6843(2017)04-0307-06