汪 東，鐘熙微，陳澤恒

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

●電力電子及電力系統(tǒng)自動化●

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延計算方法研究

汪 東1，鐘熙微1，陳澤恒2

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

針對智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延計算問題，闡述了過程層網(wǎng)絡(luò)報文傳輸時延組成部分和網(wǎng)絡(luò)演算理論，分析了報文的排隊處理過程，推導(dǎo)出準(zhǔn)確而簡化的信息端到端傳輸時延計算公式，明確了交換機(jī)處理數(shù)據(jù)幀的過程，提出了智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延的計算方法，并通過實例對智能變電站進(jìn)行了算例分析。分析結(jié)果表明，智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延計算方法的計算結(jié)果，與通過OPNET搭建該模型的仿真結(jié)果極其接近，驗證了所提出計算方法的準(zhǔn)確性。

過程層網(wǎng)絡(luò)；端到端時延；網(wǎng)絡(luò)演算；篩選矩陣

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)是連接過程層和間隔層各種智能電子設(shè)備(IED)的紐帶，起著類似于“神經(jīng)系統(tǒng)”的作用，其實時性至關(guān)重要，直接影響著變電站自動化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。判斷信息端到端傳輸時延上界是否滿足時限要求是衡量通信網(wǎng)絡(luò)實時性能的主要方法[1-2]。信息端到端傳輸時延的計算問題主要涉及到端口報文分布情況的確定和信息排隊處理過程的表征。文獻(xiàn)[3-5]應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)演算理論，引入微流和級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的概念，通過卷積獲得整個級聯(lián)系統(tǒng)的服務(wù)曲線，推導(dǎo)出了信息傳輸時延上界的計算方法，而采用節(jié)點中的最小服務(wù)速率作為整個系統(tǒng)的服務(wù)速率會使得計算結(jié)果比仿真結(jié)果大很多。文獻(xiàn)[6-8]借助樹狀網(wǎng)絡(luò)、矩陣分析等工具，構(gòu)建相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)模型，用以描述信息傳輸過程，進(jìn)而確定端口流量分布情況，但缺乏對虛擬局域網(wǎng)作用機(jī)理的深入分析，使構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通信模型適用范圍不廣。本文通過分析過程層網(wǎng)絡(luò)報文的排隊處理過程，推導(dǎo)出簡化的傳輸時延計算公式，避免了因服務(wù)曲線卷積和考慮多次突發(fā)而造成計算結(jié)果偏大的問題。同時，明確了虛擬局域網(wǎng)技術(shù)作用機(jī)理及其配置規(guī)則，構(gòu)建篩選矩陣來模擬交換機(jī)對報文的過濾作用，獲取了端口報文分布情況。在確定端口報文分布情況的前提下，結(jié)合報文基本信息，運(yùn)用推導(dǎo)出的時延計算公式，實現(xiàn)智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延的計算。最后，以220kV D2-1型智能變電站的部分間隔為例，對比OPNET仿真結(jié)果來驗證所提計算方法的準(zhǔn)確性。

1 報文的端到端傳輸時延

1.1 報文傳輸時延組成部分

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動化系統(tǒng)中報文的傳輸時間定義為從發(fā)送方將數(shù)據(jù)放到傳輸棧頂開始，直至接收方從傳輸棧取出數(shù)據(jù)的整個時間。報文傳輸時延組成部分如圖1所示。

圖1 報文傳輸時延組成部分Fig.1 Components of message transmission delay

1)設(shè)備固有時延d1。包括發(fā)送節(jié)點中通信處理機(jī)對數(shù)據(jù)打包造成的時延t1，接收節(jié)點中通信處理機(jī)對數(shù)據(jù)解包產(chǎn)生的時延t2和交換機(jī)內(nèi)部因交換機(jī)制產(chǎn)生的固有時延t3[9]。t1、t2、t3數(shù)值固定可測，通常不超過10μs，因而設(shè)備固有時延可表示為

d1=t1+t2+∑t3

(1)

2)報文傳播時延d2。d2的大小與傳播信息的數(shù)據(jù)量無關(guān)，取決于鏈路物理特性和傳播距離，光纖中數(shù)據(jù)傳輸速率為光速的2/3，因而報文傳輸時延公式為

d2=1/[(2/3)×3×108]=0.005 μs/m

(2)

3) 報文排隊時延d3。排隊時延的大小與隊列前面的信息數(shù)據(jù)量和交換機(jī)的信息處理速率λ有關(guān)，而隊列前面數(shù)據(jù)量的不確定性導(dǎo)致了報文排隊時延的不確定性，通常采用網(wǎng)絡(luò)演算理論來表征報文的排隊過程。

4)存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延d4。交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)報文產(chǎn)生的時延d4與報文長度L、交換機(jī)的信息處理速率λ有關(guān)：

d4=L/λ

(3)

因而，報文的端到端傳輸時延計算公式可表示為

D=d1+d2·δ+∑d3+∑d4

(4)

式中：∑表示報文傳輸過程中經(jīng)過多臺交換機(jī)；δ表示傳播距離。

1.2 網(wǎng)絡(luò)演算理論

到達(dá)曲線α(t)和服務(wù)曲線β(t)是網(wǎng)絡(luò)演算理論中常用的兩種工具，分別描述報文進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的行為特征和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點服務(wù)策略對報文所提供的性能保證[10]?，F(xiàn)有應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)演算理論來計算傳輸時延的方案主要有兩種：一種是通過報文的到達(dá)曲線和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的服務(wù)速率求取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對報文產(chǎn)生的時延，然后以該節(jié)點的離開曲線作為下一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的到達(dá)曲線，進(jìn)而求取下一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對報文產(chǎn)生的時延，這種方案每計算一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就考慮一次突發(fā)流量，導(dǎo)致獲取的時延上界過大；另一種是將每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的服務(wù)曲線卷積運(yùn)算，作為整個系統(tǒng)的服務(wù)曲線，這種方案雖然只考慮一次突發(fā)的情況，但是卷積運(yùn)算時，將節(jié)點中的最小服務(wù)速率作為系統(tǒng)服務(wù)速率，仍然會使獲取的時延上界過大。

雖然不同種類的報文發(fā)送機(jī)制不同，但在計算時延上界時，關(guān)注的是達(dá)到最大時延的那一時刻，報文的到達(dá)速率和長度，因而可用簡單的漏桶模型來描述各種報文的到達(dá)曲線。對于報文i，其到達(dá)曲線可表示為

αi(t)=ρit+σi

(5)

式中：ρi=σi/Ti，表示報文i的最大持續(xù)到達(dá)速率；Ti為報文的發(fā)送間隔；σi為最大突發(fā)長度。

不再以突發(fā)的角度看待報文傳輸過程，取σi=Li，表示報文i的長度，結(jié)合排隊經(jīng)驗，推導(dǎo)報文排隊時延計算公式。

在報文排隊過程中，排在前面的可能是正在被處理的、優(yōu)先級較高的和優(yōu)先級相同的報文，只有優(yōu)先級較高的報文才能在等待處理的報文中進(jìn)行插隊行為?？紤]FIFO(First In First Out)和非搶占式PQ(Priority Queuing)兩種重要的隊列調(diào)度策略，以實現(xiàn)阻塞控制和提高服務(wù)質(zhì)量QOS(Quality Of Service)，可得報文i經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時滿足：

λd3=∑αj(d3)+Lmax+∑σr

(6)

λd4=σi

(7)

式中：報文j的優(yōu)先級高于報文i，報文r的優(yōu)先級等于報文i，但r≠i；Lmax表示優(yōu)先級低于報文i的報文最大數(shù)據(jù)長度。

綜合式(5) —(7)，可得報文i的排隊時延為

(8)

2 端口報文分布情況

2.1 交換機(jī)處理數(shù)據(jù)幀過程

不同廠商生產(chǎn)的交換機(jī)，如華為、思科、西門子、羅杰康、赫斯曼交換機(jī)等，在VLAN的設(shè)置方式上存在一定的差別，對于數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送控制規(guī)則相似，可歸結(jié)為如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)幀收發(fā)控制規(guī)則Fig.2 Data frame transceiver control rule

在圖2中， “Tag”為數(shù)據(jù)幀中的VLAN識別信息，其中包含了VLAN編號，“unTag”為數(shù)據(jù)幀不攜帶VLAN標(biāo)識字段或VLAN編號為0。交換機(jī)端口的VID值說明了該端口允許哪些VLAN域內(nèi)的數(shù)據(jù)幀通過，交換機(jī)端口的PVID值只有一個，說明了當(dāng)交換機(jī)接收到“unTag”數(shù)據(jù)幀時，應(yīng)將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至的VLAN域，因而，“VLAN-Map”是指數(shù)據(jù)幀中的VLAN編號包含于交換機(jī)端口的VID值。對于早期無法識別數(shù)據(jù)幀中VLAN識別信息的終端設(shè)備，其所接收到的數(shù)據(jù)幀需去除VLAN識別信息，否則將被視為錯誤的數(shù)據(jù)而丟棄。

2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

以智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的端口作為基本單元，構(gòu)建以下數(shù)學(xué)模型。

定義1：硬連接矩陣Hn×n。H表征設(shè)備之間的端口連接關(guān)系，hij=1表示端口i和端口j之間通過硬接線相連，如光纖連接，否則，值為0。n為設(shè)備端口的總數(shù)，H為對稱矩陣。

定義2：軟連接矩陣Sn×n。S表征同一臺交換機(jī)端口之間可能存在的虛擬連接關(guān)系，sij=1表示端口i和端口j屬于同一臺交換機(jī)，否則，值為0。S為對稱矩陣。

定義3：VID矩陣Cm×n。cij=1表示交換機(jī)端口j的VID值包含VLANi，否則，值為0。m為VLAN數(shù)量。

定義4：PVID矩陣Vm×n。vij=1表示交換機(jī)端口j的PVID值為i，否則，值為0。

借鑒馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法中通過矩陣相乘來描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的思想，將H和S迭代相乘以表示報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過程。

定義6：篩選矩陣Zl×n。Z用于模擬交換機(jī)輸出端口對報文的過濾行為，zij=1表示端口j允許報文i通過，否則，值為0。

定義7：報文VLAN屬性矩陣Bl×m。bij=1表示報文i的VLAN標(biāo)識字段中的編號為j。

2.3 端口報文分布計算

對于終端設(shè)備發(fā)出的報文不攜帶VLAN識別信息的情況，篩選矩陣表達(dá)式為

(9)

對于終端設(shè)備發(fā)出的報文已攜帶VLAN識別信息的情況，篩選矩陣表達(dá)式為

Zl×n=Bl×m×Cm×n

(10)

實際上，矩陣Z的列向量已經(jīng)表示各個端口有哪些報文通過，但是沒有說明報文是從該端口輸入還是輸出，而矩陣H和S的迭代相乘過程正是用于區(qū)分端口輸入和輸出報文，計算報文的傳輸時延關(guān)注的是端口輸出報文的分布情況，則

W(2k)=W(2k-1)×H

(11)

W(2k+1)=(W(2k)×S)&Z

(12)

迭代結(jié)束的條件為k=N+1，N表示網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)的臺數(shù)。因而，端口輸出報文分布情況為

(13)

矩陣W的列向量表示各個端口有哪些報文輸出，結(jié)合式(8)可計算各報文在各端口的排隊時延d3。在迭代過程中，結(jié)合矩陣H和S，記錄報文傳輸過程中經(jīng)過的端口，形成路徑。應(yīng)用公式(4)可得報文端到端傳輸時延。

3 算例分析

3.1 算例模型

以220kV D2-1型智能變電站的部分間隔為研究對象[11]，驗證本文所提出的過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延計算方法的準(zhǔn)確性。簡化的變電站算例模型及其配置如圖3所示，該算例模型包含一個變壓器間隔(T)、一個母線間隔(S)、一個饋線間隔(F)以及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)配置。HV和LV分別表示高壓側(cè)和低壓側(cè)。

圖3 簡化的變電站算例模型及其配置Fig.3 Simplified substation example model and its configuration

假定交換機(jī)的信息處理速率為100 Mbps，光纖長度為200 m，這里不計及設(shè)備固有時延。各IED發(fā)送的報文的詳細(xì)信息如表1所示，各交換機(jī)端口的VLAN配置結(jié)果如表2所示。

表1各報文的詳細(xì)信息

Table1Detailedinformationofeachmessage

終端設(shè)備報文優(yōu)先級發(fā)送間隔/s報文長度/ByteP&CIED1～3GOOSE1～370.002～1204MUIED1～4SV1～460.00025219BreakerIED1～4GOOSE4～750.002～1204

表2VLAN配置結(jié)果

Table2ConfigurationresultofVLAN

PortPVIDVIDPortPVIDVID1223、4、5、6208—1332、92113、4、5、6、9、10、11144—2293、4、5、6、7、8、10、111552、92319、10、11166—2410—1713、4、5、6、9、10、1125119、121819、10、11261210、111979

3.2 計算過程

通過MATLAB編程將式(11)和式(12)不斷迭代計算，每迭代1次，都要記錄各報文傳輸路徑，當(dāng)k=4時，迭代結(jié)束，由式(13)獲得端口輸出報文分布情況。

由矩陣W11×26的列向量，結(jié)合表1中報文的詳細(xì)信息，可由式(8)和式(3)計算，求得各報文在各交換機(jī)端口的排隊時延d3和存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延d4。再結(jié)合報文傳輸路徑，通過式(4)求得報文端到端傳輸時延。

3.3 計算結(jié)果分析

通過改變計算公式中報文的發(fā)送間隔，可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、局部故障和全局故障場景中信息端到端傳輸時延的計算，進(jìn)而判斷是否滿足系統(tǒng)的時限要求。同時，在OPNET中搭建相應(yīng)的仿真模型，運(yùn)行仿真獲取時延參數(shù)。仿真和計算的部分結(jié)果如表3所示。

表3仿真和計算的部分結(jié)果

Table3Partialresultsofsimulationandcalculation

報文發(fā)/收端口計算結(jié)果/μs仿真結(jié)果/μs誤差/μsSV11→352.36050.5431.817SV11→8156.280153.9642.316SV49→1134.84033.7741.066SV49→8190.120188.3461.774GOOSE28→449.96047.0492.911GOOSE28→1066.28065.0531.227GOOSE42→377.05275.8211.231GOOSE42→8306.928302.4544.474GOOSE710→1136.16034.1901.970GOOSE710→8342.088338.9823.106

由表3可知，同一信息在間隔內(nèi)的傳輸時延較小，跨間隔傳輸時延較大，主要是因為跨間隔傳輸涉及到多次排隊過程，特別是P&C IED2 匯集了其他間隔的采樣值報文和開關(guān)狀態(tài)信息，因而跨間隔傳輸至端口8的信息的時延較大，對于優(yōu)先級較低的報文更是如此，如GOOSE7。同時，計算結(jié)果和仿真結(jié)果誤差范圍在5 μs以內(nèi)，說明了本文所提出的計算方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1) 在分析報文排隊處理過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)演算理論，推導(dǎo)出了信息端到端傳輸時延的計算公式，相比已有的計算公式，既簡化又準(zhǔn)確。

2) 構(gòu)建篩選矩陣來模擬交換機(jī)對報文的過濾作用，借鑒馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法，提出了端口報文分布情況的計算方法，這種方法的計算效率比人工繪制信息傳輸路徑以獲取端口報文分布情況的方式高。

3) 所提出的智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)端到端時延計算方法具有較大的實用性，對智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)性能的評估具有一定的指導(dǎo)作用。

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End-to-end delay calculation method in process-layer network of smart substation

WANG Dong1, ZHONG Xiwei1, CHEN Zeheng2

(1. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Guangzhou Research Institute of Mechanical Design, Guangzhou 510000, China)

Aiming at the problem of end-to-end delay calculation in the process-layer network of smart substation, the component of process-layer network message transmission delay and the network calculus theory are expounded, the queuing process of the message is analyzed, the accurate and simplified information end-to-end transmission delay calculation formula is deduced. In this way, the process of exchange dealing with the data frame is clarified, end-to-end delay calculation method in process-layer network of the smart substation, and a case study is analyzed on the smart substation through examples. The analysis results show that the calculation results of end-to-end delay calculation method in process-layer network of the smart substation are very close to the simulation results of the model built by OPNET, and the accuracy of the proposed method is verified.

process-layer network; end-to-end delay; network calculus; screening matrix

2017-07-24;

2017-08-12。

廣東省省級科技計劃項目(2017A070701038)。

汪 東(1993—)，男，在讀研究生，研究方向為智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)建模。

TM769

A

2095-6843(2017)06-0471-05

(編輯侯世春)