劉柱揆, 曹 敏, 胡凡君, 董 濤

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 云南省昆明市 650217; 2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局, 云南省麗江市 674100)

0 引言

通過(guò)十多年的發(fā)展,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為了數(shù)字化變電站和智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的基石。針對(duì)不同的應(yīng)用需求,IEC 61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)[1]定義了單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行鏈路上的采樣值傳輸協(xié)議;IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)[2]定義了映射到ISO/IEC 8802-3標(biāo)準(zhǔn)的采樣值,也就是組網(wǎng)方式的采樣值傳輸協(xié)議。當(dāng)前繼電保護(hù)裝置,特別是差動(dòng)保護(hù)裝置,多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式或組網(wǎng)但通過(guò)外部統(tǒng)一時(shí)鐘源對(duì)時(shí)方式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式的好處是通信穩(wěn)定、延時(shí)短,缺點(diǎn)是擴(kuò)展性差,為此合并單元(MU)需引出多個(gè)光口,導(dǎo)致MU發(fā)熱過(guò)高。對(duì)于組網(wǎng)方式,通常是星型或多級(jí)星型組網(wǎng),中間需通過(guò)交換機(jī)連接,由于交換時(shí)間不穩(wěn)定,對(duì)于跨間隔保護(hù)或故障錄波等需要采樣同步的應(yīng)用,各MU需要外接同步時(shí)鐘進(jìn)行采樣同步;另一種變通的方法是交換機(jī)對(duì)所有進(jìn)出的報(bào)文打時(shí)標(biāo)以確定每個(gè)報(bào)文的傳輸時(shí)延,從而由接收裝置反推采樣時(shí)刻。

以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)是由光線路終端(OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)及光分配電網(wǎng)(ODN)組成,是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù),采用點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu),無(wú)源光纖傳輸,可以在以太網(wǎng)上提供多種業(yè)務(wù)。該網(wǎng)絡(luò)在鏈路層上使用以太網(wǎng)協(xié)議,而在物理層面則采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù),利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入,具有時(shí)延穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單、管理方便、低成本、高帶寬、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

EPON上行帶寬是時(shí)分復(fù)用,ONU的上行帶寬由OLT內(nèi)部的動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)算法統(tǒng)一分配。傳統(tǒng)EPON帶寬分配算法都是應(yīng)用于電信系統(tǒng),普遍都存在網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)大的缺點(diǎn),連續(xù)兩幀離散度偏差在±5 μs之內(nèi)的采樣值(SMV)報(bào)文,經(jīng)EPON通信系統(tǒng)(由ONU、分光器、OLT組成)后,到達(dá)接收端的最大間隔為1 424 μs,最小間隔為28 μs[4],隨機(jī)性很高。上傳的SMV報(bào)文,面向?qū)ο蟮淖冸娬就ㄓ檬录?GOOSE)報(bào)文時(shí)延抖動(dòng)大,會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng),增加后端數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的運(yùn)算負(fù)荷。因此,傳統(tǒng)EPON帶寬分配算法,不適合直接應(yīng)用于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)電網(wǎng)保護(hù)控制、故障錄波、集中式廣域后備保護(hù)控制系統(tǒng)等應(yīng)用對(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下傳輸實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性的要求,如何通過(guò)靈活、合理的帶寬分配算法,對(duì)EPON的帶寬資源進(jìn)行合理分配,以保證SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文和制造報(bào)文規(guī)范(MMS)報(bào)文協(xié)同傳輸,并滿足網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性的要求,是EPON技術(shù)能否應(yīng)用于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下通信的重要研究課題。本文研究了一種專用于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下EPON的DBA算法,將帶寬劃分為SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、MMS報(bào)文這三類和三個(gè)優(yōu)先級(jí),以滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下報(bào)文對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下報(bào)文的傳輸特性

IEC61850網(wǎng)絡(luò)報(bào)文主要類型為:SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、MMS報(bào)文;還包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、1588協(xié)議等其他報(bào)文類型。

對(duì)于SMV報(bào)文,通常每20 ms采樣80個(gè)點(diǎn),即每秒等間隔發(fā)送4 000個(gè)SMV報(bào)文,此類報(bào)文占用網(wǎng)絡(luò)大部分帶寬資源,對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高。

對(duì)于GOOSE報(bào)文[5],通常實(shí)現(xiàn)保護(hù)之間信息交換和監(jiān)控間隔聯(lián)閉鎖功能,與保護(hù)系統(tǒng)統(tǒng)一建模、統(tǒng)一組網(wǎng),共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。GOOSE報(bào)文是組播信息,報(bào)文傳輸?shù)目煽啃缘?為了增加報(bào)文傳輸可靠性并兼顧網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷,IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義了一種重發(fā)和報(bào)文定時(shí)重發(fā)機(jī)制。 GOOSE報(bào)文具有一定的突發(fā)性,而且非周期性,占用帶寬資源較少,對(duì)實(shí)時(shí)性有要求。

MMS協(xié)議是ISO 9506標(biāo)準(zhǔn)所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議,目的是為了規(guī)范工業(yè)領(lǐng)域具有通信能力的智能傳感器、智能電子設(shè)備(IED)、智能控制設(shè)備的通信行為,使來(lái)自不同制造商的設(shè)備之間具有互操作性,使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)單、方便[6]。MMS通信最常見(jiàn)的應(yīng)用是基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)之間互連協(xié)議(TCP/IP)協(xié)議棧,有應(yīng)答及重傳機(jī)制,對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高,占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源具有很大的隨機(jī)性。

其他類型報(bào)文與MMS報(bào)文傳輸特性相似,占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源具有很大的隨機(jī)性。本文將簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP),FTP及1588協(xié)議等其他類型報(bào)文歸為MMS報(bào)文一類。

依據(jù)各類報(bào)文的應(yīng)用需求特性,SMV報(bào)文和GOOSE報(bào)文需優(yōu)先傳輸,并且盡可能地要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短、抖動(dòng)小,且能靈活擴(kuò)展。能靈活擴(kuò)展,且具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信延時(shí)特性的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下理想的通信方式。

2 基于EPON的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下的DBA算法

本文提出了一種基于EPON的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下DBA算法,同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸時(shí)延短且抖動(dòng)小,并能靈活擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 輪詢周期

EPON的帶寬分配算法主要分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)分配算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但帶寬利用率低、分配不靈活,對(duì)突發(fā)性業(yè)務(wù)適應(yīng)能力較差。為了提高帶寬利用率,EPON中采用DBA算法較為常見(jiàn)。經(jīng)典的DBA算法為Kramer G等人提出的IPACT算法[7](間插輪詢自適應(yīng)周期的DBA算法),該算法采用自適應(yīng)的輪詢周期,在輕負(fù)載時(shí)輪詢周期很小,網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸時(shí)延很?。坏谥刎?fù)載時(shí)輪詢周期變長(zhǎng),使得數(shù)據(jù)量少的用戶時(shí)延增加、時(shí)延抖動(dòng)變大。因此,本文DBA算法采用固定輪詢周期,避免輪詢周期的變動(dòng)影響網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸時(shí)延。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下通常使用每隔250 μs采樣傳輸一個(gè)SMV報(bào)文,因此本算法采用的輪詢周期T=250N(N=1,2,3,…,8),兼顧遠(yuǎn)距離ONU的接入。對(duì)于20 km以內(nèi)的EPON系統(tǒng)應(yīng)用,為了獲得SMV報(bào)文和GOOSE報(bào)文最小的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延,N取值為1,即每個(gè)輪詢周期T內(nèi)每個(gè)智能采集終端都可以上傳一個(gè)SMV報(bào)文至OLT。在更遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)中,N取值可相應(yīng)增加,在每個(gè)輪詢周期T內(nèi)每個(gè)智能采集終端都上傳N個(gè)SMV報(bào)文至OLT,或者采用多點(diǎn)打包數(shù)據(jù)格式上傳一個(gè)SMV報(bào)文(包含N個(gè)采樣點(diǎn)),以便滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用需求。

2.2 改進(jìn)的REPORT上傳/GATE下發(fā)機(jī)制

傳統(tǒng)的輪詢周期固定的動(dòng)態(tài)帶寬分配(CPFCT)算法是一種基于授權(quán)/請(qǐng)求的固定輪詢周期的輪詢方案，ONU在每個(gè)時(shí)隙窗口的結(jié)尾處上傳一個(gè)REPORT報(bào)文,向OLT申請(qǐng)下一個(gè)上行帶寬資源,OLT在接收到某個(gè)ONU的REPORT報(bào)文后,并不會(huì)立刻發(fā)送授權(quán)信息給該ONU,而是要等到這個(gè)輪詢周期中接收完最后一個(gè)ONU上發(fā)完數(shù)據(jù)及REPORT報(bào)文后,然后統(tǒng)計(jì)所有ONU上傳的帶寬申請(qǐng),集中統(tǒng)籌分配帶寬,最后一次性給所有ONU發(fā)送GATE授權(quán)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配帶寬。

傳統(tǒng)的CPFCT算法原理示意圖如圖1所示。

圖1 CPFCT算法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle for CPFCT algorithm

由圖1可以看出,在相鄰的兩個(gè)輪詢周期之間,存在著一個(gè)空閑時(shí)間Tidle,在這段時(shí)間內(nèi),上行帶寬資源將無(wú)法使用被浪費(fèi)掉了。Tidle可以表示為:

Tidle=Tdba+(T1+T2)=Tdba+RTT

式中:Tdba為OLT端DBA算法計(jì)算處理時(shí)間;T1為ONU REPORT報(bào)文上傳路徑時(shí)延;T2為GATE報(bào)文下發(fā)路徑時(shí)間;RTT為光纖路徑環(huán)路時(shí)延,T1+T2=RTT。

當(dāng)RTT較大時(shí),比如OLT與ONU相距20 km,RTT可達(dá)200 μs,導(dǎo)致EPON系統(tǒng)上行鏈路的帶寬利用率嚴(yán)重降低。對(duì)于輪詢周期T較小特別是T=250 μs的系統(tǒng)中,這種算法只剩下大概50 μs可用帶寬資源,這將可能導(dǎo)致整個(gè)EPON系統(tǒng)都無(wú)法正常工作。

因此,本文對(duì)傳統(tǒng)的CPFCT算法進(jìn)行改進(jìn),提出一種新的REPORT上傳/GATE下發(fā)機(jī)制,消除空閑帶寬的存在。根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)通信的要求,本文DBA算法將上行帶寬劃分為SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、MMS報(bào)文這三類,并分別對(duì)應(yīng)三個(gè)優(yōu)先級(jí),SMV優(yōu)先級(jí)最高、GOOSE報(bào)文次之、MMS報(bào)文最低,優(yōu)先保證SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)傳輸,降低兩類報(bào)文網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延抖動(dòng);采用三次帶寬分配兩個(gè)授權(quán)下發(fā)機(jī)制,依次分配高、中、低三個(gè)優(yōu)先級(jí)帶寬分配,并對(duì)每個(gè)終端下發(fā)兩次授權(quán)報(bào)文,節(jié)省下行帶寬資源;其次保證MMS報(bào)文能得到公正、合理、有效的帶寬資源分配。其算法原理示意圖如圖2所示,圖中Rx和Tx分別為接收?qǐng)?bào)文層和發(fā)送報(bào)文層。

圖2 改進(jìn)的固定輪詢周期DBA算法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of improved fixed polling period DBA algorithm

EPON上行帶寬是時(shí)分復(fù)用,不同ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)不同的上行光纖路徑傳輸延時(shí)后,到達(dá)OLT端時(shí)是處于不同的時(shí)隙窗口內(nèi)。

在每個(gè)輪詢周期內(nèi),OLT給每一個(gè)ONU下發(fā)兩次GATE授權(quán),第一次下發(fā)的GATE授權(quán)包括最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(SMV報(bào)文)帶寬授權(quán),如G1,G2,G′1,G′2;第二次下發(fā)的GATE授權(quán)包括中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(GOOSE報(bào)文)和低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(MMS報(bào)文)的帶寬授權(quán),如Gs1,Gs2,Gs′1,Gs′2。

ONU1在G1授權(quán)窗口內(nèi),首先上傳SMV報(bào)文,并在SMV報(bào)文之后緊接著上傳一個(gè)REPORT報(bào)文。ONU申請(qǐng)帶寬時(shí),按三個(gè)優(yōu)先級(jí)別分開(kāi)申請(qǐng),OLT收到ONU1上傳的REPORT時(shí),首先對(duì)SMV帶寬申請(qǐng)立即進(jìn)行分配,并下發(fā)一個(gè)授權(quán)G′1至ONU1;同理,ONU2在G2授權(quán)窗口內(nèi)做同樣處理;在OLT收到所有ONU上傳的REPORT后,統(tǒng)計(jì)所有ONU的中、低優(yōu)先級(jí)帶寬申請(qǐng),然后依次統(tǒng)籌分配所有ONU的中優(yōu)先級(jí)帶寬申請(qǐng),最后分配所有ONU的低優(yōu)先級(jí)帶寬申請(qǐng),之后將中、低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)分配的帶寬通過(guò)一個(gè)授權(quán)(Gs′1/Gs′2)下發(fā)至相應(yīng)的ONU。

本算法是根據(jù)在第N個(gè)輪詢周期內(nèi)收到的REPORT報(bào)文,對(duì)第N+1個(gè)輪詢周期內(nèi)帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。從上述原理描述及圖2示意圖可以看出,DBA算法計(jì)算處理時(shí)間短,并不占用帶寬資源,因此整個(gè)DBA周期內(nèi)不存在著任何空閑帶寬浪費(fèi)。

2.3 動(dòng)態(tài)帶寬計(jì)算

本算法為了節(jié)省帶寬開(kāi)銷(xiāo),提高帶寬利用率,采用帶寬三次分配兩次下發(fā)機(jī)制:OLT按SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、MMS報(bào)文這三種優(yōu)先級(jí)依次完成對(duì)三種類型業(yè)務(wù)的帶寬分配;高優(yōu)先級(jí)SMV業(yè)務(wù)帶寬單獨(dú)用一個(gè)GATE授權(quán)報(bào)文下發(fā);中、低優(yōu)先級(jí)GOOSE業(yè)務(wù)和MMS的業(yè)務(wù)帶寬,為了避免過(guò)頻繁地下發(fā)GATE報(bào)文導(dǎo)致占用過(guò)多下行帶寬資源,GOOSE,MMS業(yè)務(wù)帶寬合并到一個(gè)GATE授權(quán)中進(jìn)行下發(fā)。

本算法將每個(gè)動(dòng)態(tài)帶寬輪詢周期人為劃分為兩段:SMV報(bào)文上傳部分TA和GOOSE報(bào)文和MMS報(bào)文上傳部分TB,T=TA+TB,初始化時(shí)設(shè)定TA=TN/2,TA和TB示意說(shuō)明如圖2所示。在TA時(shí)間段內(nèi),當(dāng)OLT收到ONU上傳的REPORT報(bào)文時(shí),立即對(duì)REPORT中申請(qǐng)的最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(SMV報(bào)文)帶寬申請(qǐng)進(jìn)行授權(quán),并下發(fā)一個(gè)授權(quán)GATE給ONU,并更新一下輪詢周期內(nèi)的TA值;在TA窗口結(jié)束時(shí),OLT開(kāi)始統(tǒng)計(jì)所有ONU上傳的GOOSE報(bào)文和MMS報(bào)文的帶寬申請(qǐng),首先依次對(duì)所有ONU申請(qǐng)的中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(GOOSE報(bào)文)帶寬申請(qǐng)進(jìn)行帶寬分配,然后再依次對(duì)所有ONU的申請(qǐng)的低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)(MMS報(bào)文)帶寬申請(qǐng)進(jìn)行帶寬分配,最后將GOOSE報(bào)文和MMS報(bào)文帶寬授權(quán)合并到一個(gè)授權(quán)GATE中并下發(fā)給相應(yīng)的ONU。本文DBA算法流程圖見(jiàn)附錄A圖A1所示。

1)SMV業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求高,而且數(shù)據(jù)流量穩(wěn)定,每隔250 μs產(chǎn)生一個(gè)SMV報(bào)文,因此必須優(yōu)先保證其帶寬分配,并且需要盡量確保SMV報(bào)文網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延抖動(dòng)小。針對(duì)此要求,本算法將高優(yōu)先級(jí)的SMV業(yè)務(wù)安排在DBA輪詢周期的前段部分。OLT收到ONU的REPORT報(bào)文時(shí),立即分配SMV業(yè)務(wù)帶寬,對(duì)SMV業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)實(shí)行按需分配,申請(qǐng)多少分配多少。

2)GOOSE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性,數(shù)據(jù)量較小,有實(shí)時(shí)性要求,因此,也必須保證其帶寬分配。本算法對(duì)GOOSE業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)也實(shí)行按需分配,在OLT分配完SMV業(yè)務(wù)帶寬之后,統(tǒng)計(jì)所有ONU的GOOSE業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)Rgoose,i,在剩余可用帶寬中預(yù)保留GOOSE業(yè)務(wù)帶寬Ggoose,i。即Ggoose,i=min(Rgoose,i,BW,remain)。

3)MMS業(yè)務(wù)是基于TCP/IP通信的,數(shù)據(jù)具有突發(fā)性,對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高,對(duì)此類業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)要求盡力而為,并兼顧帶寬分配的公平性、合理性及帶寬利用率。本算法對(duì)此類業(yè)務(wù)帶寬的分配方法,針對(duì)帶寬資源是否充足的情況,采取不同的帶寬分配機(jī)制。步驟如下。

步驟1：首先，計(jì)算整個(gè)輪詢周期內(nèi)剩余可用的系統(tǒng)帶寬BW,remain=BW,sum-∑Gsv,i-∑Ggoose,i(BW,sum為整個(gè)輪詢周期內(nèi)初始可用帶寬)，統(tǒng)計(jì)所有ONU中還未分配帶寬的MMS業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)Rmms,i的總和Rsum=∑Rmms,i，然后依次對(duì)各個(gè)ONU的帶寬申請(qǐng)進(jìn)行計(jì)算，并比較Rsum與剩余可用帶寬BW,remain之間的關(guān)系。

步驟2：如果Rsum≤BW,remain,則ONU獲得的授權(quán)帶寬Gmms,i分為兩部分，先從剩余帶寬中預(yù)留Rsum部分，然后對(duì)余下帶寬按申請(qǐng)比例再次劃分，Gmms,i可表示為Gmms,i=Rmms,i+BW,remain(Rmms,i/Rsum)。

步驟3：如果Rsum>BW,remain,則ONU獲得的授權(quán)帶寬是直接對(duì)余下帶寬按申請(qǐng)比例進(jìn)行劃分，Gmms,i可表示為Gmms,i=BW,remain(Rmms,i/Rsum)。

步驟4：合并步驟2中預(yù)留的授權(quán)帶寬Ggoose,i，得到ONU的GOOSE業(yè)務(wù)和MMS業(yè)務(wù)最后獲得的授權(quán)帶寬Gi=Ggoose,i+Gmms,i。

步驟5：重復(fù)步驟1至步驟4，完成所有ONU的MMS業(yè)務(wù)帶寬分配。

2.4 DBA算法適用的典型應(yīng)用系統(tǒng)

隨著智能電網(wǎng)的不斷推進(jìn),基于就地信息的傳統(tǒng)后備保護(hù)通過(guò)逐級(jí)配合進(jìn)行定值整定,保護(hù)動(dòng)作延時(shí)太長(zhǎng),整定配合困難,在潮流轉(zhuǎn)移時(shí)容易誤動(dòng)作[8-10],已不能適應(yīng)大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)的發(fā)展要求[11]。廣域保護(hù)將繼電保護(hù)系統(tǒng)由目前的“點(diǎn)”保護(hù)提升為能適應(yīng)電網(wǎng)互聯(lián)要求的“面”保護(hù),并且隨著通信技術(shù)的發(fā)展,以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的完善和推廣,基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下的集中式廣域后備保護(hù)控制系統(tǒng)也得到廣泛的關(guān)注[12]。

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下的集中式廣域后備保護(hù),具有信息獲取和共享便利的優(yōu)勢(shì),有利于繼電保護(hù)的原理改進(jìn)和創(chuàng)新,提高繼電保護(hù)的安全性和可靠性保障措施,提高后備保護(hù)的選擇性、靈敏度和快速性,提高電網(wǎng)運(yùn)行方式變化的適應(yīng)能力[13-14]。

集中式廣域后備保護(hù)系統(tǒng)由一臺(tái)或兩臺(tái)(熱備份)智能保護(hù)控制主機(jī)和多臺(tái)智能采集控制終端組成。智能保護(hù)控制主機(jī)與智能采集控制終端之間通過(guò)MMS報(bào)文，TCP/IP報(bào)文等完成普通數(shù)據(jù)交互,并接收所有終端上傳的SMV報(bào)文和GOOSE報(bào)文,在主機(jī)內(nèi)部統(tǒng)一進(jìn)行實(shí)時(shí)后備保護(hù)運(yùn)算(如差動(dòng)保護(hù)),實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精確快速定位,并下發(fā)相應(yīng)GOOSE報(bào)文對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)或斷路器進(jìn)行控制[15],從而可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)母線保護(hù)、線路保護(hù)、主變壓器保護(hù)、備用電源自動(dòng)投入、主變壓器過(guò)負(fù)荷聯(lián)切等功能。

智能采集控制終端可實(shí)現(xiàn)本地保護(hù)功能,并可通過(guò)IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)下等時(shí)間同步協(xié)議完成同步[16-17],也可以使用其他專用同步對(duì)時(shí)協(xié)議,比如EPON私有時(shí)鐘同步協(xié)議[18],可不依賴于外部時(shí)鐘完成系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間的時(shí)鐘同步,從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)量的同步采樣。

對(duì)于集中式廣域后備保護(hù)系統(tǒng),信息傳遞主要大量存在于主機(jī)與終端之間,終端之間的通信量較少,而EPON網(wǎng)絡(luò)的樹(shù)形組網(wǎng)模式正適合此類系統(tǒng),EPON系統(tǒng)所有通信都是在OLT與ONU之間傳遞,因此保護(hù)控制主機(jī)可直接與OLT上聯(lián)端口相連,ONU與智能采集控制終端相連。

廣域保護(hù)系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)依賴較強(qiáng),對(duì)通信過(guò)程中的實(shí)時(shí)性和可靠性有嚴(yán)格的要求[19-20],本文的DBA算法是基于此類集中式廣域后備保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用所提出,可滿足此類應(yīng)用所要求的報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)、快速及可靠性要求。

3 測(cè)試驗(yàn)證

依據(jù)上述集中式廣域后備保護(hù)典型應(yīng)用系統(tǒng)方案,搭建了一套測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試系統(tǒng)包括EPON通信設(shè)備(OLT,ODN,ONU)、5臺(tái)智能采集終端、一臺(tái)智能保護(hù)控制主機(jī)、一臺(tái)IEEE 1588時(shí)鐘、一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析與錄波裝置,如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意框圖Fig.3 Schematic diagram of test system

系統(tǒng)通過(guò)IEEE 1588時(shí)鐘完成EPON網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備之間的時(shí)間同步,OLT運(yùn)行本文所提的DBA算法,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析與錄波裝置分析SMV業(yè)務(wù)和GOOSE業(yè)務(wù)帶寬分配,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析與錄波裝置與智能采集終端進(jìn)行普通TCP/IP報(bào)文通信,模擬MMS通信并分析MMS業(yè)務(wù)帶寬分配。

智能采集終端1至5所生成的SMV報(bào)文對(duì)應(yīng)的appID分別為0x1004,0x1006,0x1008,0x100A,0x100C;所生成的GOOSE報(bào)文對(duì)應(yīng)的appID分別為0x0003,0x0005,0x0007,0x0009,0x000B。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析與錄波裝置對(duì)上傳的SMV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、MMS報(bào)文進(jìn)行錄波,通過(guò)錄波文件分析報(bào)文的傳輸特性。測(cè)試結(jié)果部分截圖如附錄A圖A2所示,圖中右邊每個(gè)序號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)接收的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文,包含時(shí)間差(當(dāng)前報(bào)文與上一個(gè)報(bào)文到達(dá)時(shí)間之差,比如233 μs)、長(zhǎng)度(報(bào)文長(zhǎng)度,單位字節(jié))、協(xié)議(報(bào)文標(biāo)準(zhǔn),比如IEC-SMV92標(biāo)準(zhǔn))、appID(比如0x1006)、SmpCnt值(SMV報(bào)文對(duì)應(yīng)樣本計(jì)數(shù)器)等信息。

根據(jù)報(bào)文達(dá)到時(shí)間差值分析,序號(hào)6至序號(hào)10為同一個(gè)輪詢周期內(nèi)上傳的報(bào)文,appID分別對(duì)應(yīng)5個(gè)智能采集終端SMV報(bào)文的appID,SmpCnt值為1 965;序號(hào)11至序號(hào)15為下一個(gè)輪詢周期內(nèi)上傳的報(bào)文。

所有終端產(chǎn)生的SMV報(bào)文在一個(gè)輪詢周期內(nèi)依次上傳,SmpCnt相同(因?yàn)槭峭讲蓸?,并且上傳順序一致(順序?yàn)?x1004,0x100c,0x1006,0x1008,0x100a)。

智能采集終端4產(chǎn)生的所有SMV報(bào)文錄波(對(duì)應(yīng)的appID為0x100A)見(jiàn)附錄A圖A3,單個(gè)終端產(chǎn)生的SMV報(bào)文到達(dá)時(shí)間基本等間隔(250 μs),從時(shí)間均勻度分析可以看出,報(bào)文到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)100%處于0～10 μs以內(nèi)。報(bào)文傳輸穩(wěn)定,未出現(xiàn)丟包、錯(cuò)包等異常。

當(dāng)終端采集的遙信未出現(xiàn)變位時(shí),終端每隔一個(gè)固定時(shí)間發(fā)送一次GOOSE報(bào)文。GOOSE報(bào)文截圖見(jiàn)附錄A圖A4,每個(gè)終端產(chǎn)生的GOOSE報(bào)文依次輪流上傳,在正常無(wú)變位情況下單個(gè)終端GOOSE報(bào)文發(fā)送間隔大約為1 000 ms,GOOSE報(bào)文發(fā)送時(shí)延抖動(dòng)不大于2 μs。報(bào)文傳輸穩(wěn)定,未出現(xiàn)丟包、錯(cuò)包等異常。

測(cè)試結(jié)果為:在輪詢周期T=250 μs 情況下,在同一個(gè)輪詢周期T內(nèi)各個(gè)智能采集終端產(chǎn)生的SMV報(bào)文依次上傳,并在同一個(gè)輪詢周期T內(nèi)上傳的SMV報(bào)文SmpCnt值相同;同一個(gè)智能采集終端產(chǎn)生的相鄰SmpCnt值SMV報(bào)文達(dá)到網(wǎng)分裝置的時(shí)間差基本等間隔(250 μs);同一個(gè)終端的SMV報(bào)文網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延抖動(dòng)大于3 μs,GOOSE報(bào)文和MMS報(bào)文通信正常;同一個(gè)終端GOOSE報(bào)文網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延抖動(dòng)小于等于200 μs,網(wǎng)絡(luò)分析與錄波裝置與智能采集終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信正常。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)電信級(jí)EPON的DBA算法因普遍存在網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)大的問(wèn)題,并不適用于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。本文依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸特性提出一種適用于基于EPON的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)DBA案,采用改進(jìn)的REPORT上傳/GATE下發(fā)機(jī)制提高帶寬分配效率,采用特定的不同優(yōu)先級(jí)帶寬劃分方法,確保SMV報(bào)文和GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)傳輸并且網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)小,MMS類報(bào)文通信可靠。本算法完全可滿足基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的集中式廣域后備保護(hù)系統(tǒng)等應(yīng)用對(duì)報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。采用上述算法的EPON狀態(tài)監(jiān)控,傳輸距離對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和效率等的影響,仍有待進(jìn)一步研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

參 考 文 獻(xiàn)

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