佟為明，高吉星，金顯吉，李中偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

發(fā)展智能電網(wǎng)可以解決電力系統(tǒng)中存在的諸多問(wèn)題，而智能變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐[1-2]。智能變電站使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二次接線來(lái)傳遞開(kāi)關(guān)量和采樣值信號(hào)，采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為整個(gè)變電站的通信及建模依據(jù)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)應(yīng)用[3-4]。

智能變電站的通信系統(tǒng)包括變電站層設(shè)備、間隔層設(shè)備和過(guò)程層設(shè)備。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)主要用于在間隔層設(shè)備與過(guò)程層設(shè)備之間傳遞面向?qū)ο笞冸娬臼录礼OOSE(Generic Object Oriented Substation Event)報(bào)文和采樣值SV(Sampling Value)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)變電站一次設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)控制，如數(shù)據(jù)采集和保護(hù)跳閘等[5]。目前很多智能變電站在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)都采用“直采直跳”的方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6 -7]。雖然這種方案保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，但是也存在著裝置網(wǎng)口較多、配置復(fù)雜等問(wèn)題。目前，研究人員主要研究的過(guò)程層組網(wǎng)方案是采用同一網(wǎng)絡(luò)傳輸SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文(這種方案也被稱為共網(wǎng)方案)，這種方案在提高過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)效率、簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)的同時(shí)也會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性[8-9]。傳輸時(shí)間是評(píng)價(jià)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的主要指標(biāo)，IEC61850對(duì)SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的傳輸時(shí)間都有明確的規(guī)定[10]。目前，研究人員主要通過(guò)利用OPNET軟件建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型的方法對(duì)傳輸時(shí)間進(jìn)行分析，這種方法雖然可以找出影響傳輸時(shí)間的主要因素，但是無(wú)法明確影響因素產(chǎn)生作用的原理[11-13]。

本文在分析智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間組成的基礎(chǔ)上，提出一種傳輸時(shí)間計(jì)算方法，分析影響報(bào)文傳輸時(shí)間的因素；針對(duì)共網(wǎng)方案中因競(jìng)爭(zhēng)造成的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)問(wèn)題提出解決方法，給出實(shí)現(xiàn)思路；通過(guò)OPNET平臺(tái)對(duì)該方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并且根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件分析該方法的可行性。

1 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通信業(yè)務(wù)

以某220 kV智能變電站(D2-1型)為例，該站包含9個(gè)間隔(變壓器間隔T1、T2，饋線間隔F1—F6，母線間隔S)，每個(gè)間隔內(nèi)部都有相應(yīng)的智能電子設(shè)備IED(Intelligent Electronic Device)，IED種類包括合并單元MU(Merging Unit)、智能終端IT(Intelligent Terminal)、測(cè)量與控制 IED(M&C IED)以及保護(hù)IED(包括主變保護(hù)IED、母線保護(hù)IED和饋線保護(hù)IED)。其中，合并單元和智能終端為過(guò)程層設(shè)備，M&C IED、保護(hù)IED為間隔層設(shè)備。每個(gè)變壓器間隔內(nèi)部各有2個(gè)合并單元、2個(gè)智能終端、2個(gè)M&C IED(高壓側(cè)和低壓側(cè)各有1個(gè))以及1個(gè)主變保護(hù)IED；每個(gè)饋線間隔內(nèi)部各有1個(gè)合并單元、1個(gè)智能終端、1個(gè)M&C IED和1個(gè)饋線保護(hù) IED；母線間隔內(nèi)部有1個(gè)合并單元、1個(gè)智能終端、1個(gè) M&C IED和1個(gè)母線保護(hù) IED。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)間隔交換機(jī)將各間隔內(nèi)的IED互聯(lián)，通過(guò)中央交換機(jī)連接各間隔交換機(jī)實(shí)現(xiàn)跨間隔的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在IEC61850中，GOOSE報(bào)文屬于類型1——快速報(bào)文，SV報(bào)文屬于類型4——原始數(shù)據(jù)報(bào)文[14-15]。SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的特性如表1所示。

圖1 星形過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of star-type process level network

報(bào)文類型通信方向報(bào)文長(zhǎng)度/Byte報(bào)文性質(zhì)最大傳輸時(shí)間要求/msGOOSE智能終端?保護(hù)IED智能終端?M&C IED163～237突發(fā)性性能類P1:10性能類P2/3:3SV合并單元→保護(hù)IED合并單元→ M&C IED190～339周期性性能類P1:10性能類P2/3:3

在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，GOOSE報(bào)文用于傳輸控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)；SV報(bào)文用于將合并單元的采樣數(shù)據(jù)傳輸給M&C IED和保護(hù)IED。在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文主要在間隔內(nèi)部傳輸，但母線保護(hù)IED還要與其他間隔的合并單元和智能終端進(jìn)行通信。

SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文通過(guò)ASN.1語(yǔ)法規(guī)則定義了應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU(Application Proto-col Data Unit)(包括SV-PDU和GOOSE-PDU)。為了采用ISO/IEC8802-3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀(以下有時(shí)簡(jiǎn)稱“數(shù)據(jù)幀”)傳輸SV-PDU和GOOSE-PDU，IEC61850規(guī)定將APDU放置于數(shù)據(jù)幀的應(yīng)用數(shù)據(jù)字段中。媒體訪問(wèn)控制MAC(Media Access Control)幀頭長(zhǎng)度為26 Byte，幀校驗(yàn)序列長(zhǎng)度為4 Byte；GOOSE-PDU的長(zhǎng)度為133～207 Byte，所以GOOSE報(bào)文的長(zhǎng)度為163～237 Byte；SV-PDU的長(zhǎng)度為160～309 Byte，所以SV報(bào)文的長(zhǎng)度為190～339 Byte。

2 傳輸時(shí)間的組成及計(jì)算方法

IEC61850-5中將報(bào)文傳輸時(shí)間定義為：從發(fā)送方(源節(jié)點(diǎn))將數(shù)據(jù)放到傳輸棧頂開(kāi)始，直至接收方(目的節(jié)點(diǎn))從傳輸棧取出數(shù)據(jù)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。報(bào)文傳輸時(shí)間由凈發(fā)送時(shí)間Tframe、傳播時(shí)間Tprop、發(fā)送等待時(shí)間Twait(以下簡(jiǎn)稱等待時(shí)間)、接收通信處理時(shí)間Tprocessor_r和轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)間Tprocessor_f組成。

凈發(fā)送時(shí)間由數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)率決定，傳播時(shí)間由傳播介質(zhì)和傳播距離決定，接收通信處理時(shí)間和轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)間由節(jié)點(diǎn)性能決定，發(fā)送等待時(shí)間由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)決定。設(shè)定報(bào)文從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)X個(gè)節(jié)點(diǎn)(其中，第1個(gè)節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，第2、3、…、X-1個(gè)節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，第X個(gè)節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn))，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)率相同，傳輸時(shí)間Ttrans為：

(1)

圖2 發(fā)送等待時(shí)間模型Fig.2 Model of send waiting time

圖2以饋線間隔為例，在饋線間隔交換機(jī)與保護(hù)IED和M&C IED相連接的端口上，SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文存在相互競(jìng)爭(zhēng)的情況。如果在交換機(jī)(A)發(fā)送一個(gè)SV報(bào)文時(shí)(時(shí)間段TframeSV1)的某一時(shí)刻t2，有新的GOOSE報(bào)文需要從這個(gè)端口發(fā)送，則這個(gè)GOOSE報(bào)文將會(huì)在等待隊(duì)列中等待發(fā)送。當(dāng)SV報(bào)文的最后1位被發(fā)送到總線上時(shí)(t3時(shí)刻)，交換機(jī)開(kāi)始發(fā)送GOOSE報(bào)文(前提是等待隊(duì)列內(nèi)沒(méi)有排在這個(gè)GOOSE報(bào)文前面的報(bào)文)。SV報(bào)文屬于周期性報(bào)文，GOOSE報(bào)文屬于突發(fā)性報(bào)文，如果GOOSE報(bào)文在上一幀SV報(bào)文發(fā)送完畢后到達(dá)端口，且在下一幀SV報(bào)文到來(lái)之前發(fā)送完畢，則2種報(bào)文的傳輸都不會(huì)存在等待的情況；如果在下一幀SV報(bào)文到來(lái)前GOOSE報(bào)文尚未被發(fā)送完畢，那么這幀SV報(bào)文也需要等待。SV報(bào)文間隙TSVgap是從上一個(gè)SV報(bào)文發(fā)送完畢開(kāi)始(t3)，到下一個(gè)SV報(bào)文開(kāi)始發(fā)送為止(t7)所經(jīng)歷的時(shí)間。SV報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間的增加和發(fā)送周期TSVturn的減小都會(huì)使得TSVgap減小。因?yàn)镚OOSE報(bào)文到達(dá)的時(shí)刻是隨機(jī)的，所以TSVgap越小，2種報(bào)文在交換機(jī)端口上競(jìng)爭(zhēng)的概率越大，產(chǎn)生發(fā)送等待時(shí)間的概率越大，GOOSE報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間越短，在交換機(jī)端口上產(chǎn)生發(fā)送等待時(shí)間的概率越小。

圖3 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)仿真模型Fig.3 Simulation model of process level network

3 影響傳輸時(shí)間的因素

本文以數(shù)據(jù)率為100 Mbit/s、SV報(bào)文發(fā)送頻率為4 000 Hz、傳播距離為300 m、報(bào)文長(zhǎng)度為200 Byte作為默認(rèn)條件。根據(jù)圖1建立仿真模型見(jiàn)圖3。

對(duì)只存在SV報(bào)文(無(wú)等待產(chǎn)生)的情況進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中各類型時(shí)間無(wú)明顯變化，凈發(fā)送時(shí)間與報(bào)文長(zhǎng)度成正比、與數(shù)據(jù)率成反比，傳播時(shí)間與傳播距離成正比，接收通信處理時(shí)間約為0.000 3 ms，報(bào)文在每個(gè)交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)間為0.002 ms。

本文設(shè)定GOOSE報(bào)文的產(chǎn)生服從λ=500的泊松分布，長(zhǎng)度默認(rèn)為200 Byte,SV報(bào)文發(fā)送頻率為4 000 Hz和12 000 Hz時(shí)，仿真得到的GOOSE和SV報(bào)文傳輸時(shí)間分別見(jiàn)圖4(a)、(b)。SV報(bào)文長(zhǎng)度為300 Byte時(shí)，GOOSE報(bào)文的傳輸時(shí)間如圖5所示。

圖4 SV報(bào)文的發(fā)送頻率在4 000 Hz和12 000 Hz時(shí)SV和GOOSE報(bào)文的傳輸時(shí)間Fig.4 Transmission time of SV and GOOSE messages when frequency of SV message is 4 000 Hz and 12 000 Hz

圖5 SV報(bào)文長(zhǎng)度為300 Byte時(shí)GOOSE報(bào)文的傳輸時(shí)間Fig.5 Transmission time of GOOSE message when length of SV message is 300Byte

數(shù)據(jù)率為1 000 Mbit/s時(shí)，GOOSE報(bào)文在饋線間隔和母線間隔內(nèi)的傳輸時(shí)間如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)率為1 000 Mbit/s時(shí)GOOSE報(bào)文的傳輸時(shí)間Fig.6 Transmission time of GOOSE message in data rate of 1 000 Mbit/s

從圖4中可以看出，發(fā)送頻率越高，產(chǎn)生等待時(shí)間的概率越高；從圖4(a)和圖5中可以看出，報(bào)文長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生等待時(shí)間的概率越高；從圖4(a)和圖6中可以看出，數(shù)據(jù)率越高則產(chǎn)生等待時(shí)間的概率越小。由于母線保護(hù)IED還要與其他間隔的合并單元進(jìn)行通信，所以在母線間隔交換機(jī)上要經(jīng)過(guò)來(lái)自11個(gè)合并單元的SV報(bào)文，這使得報(bào)文間相互競(jìng)爭(zhēng)的概率加大，所以從圖6中可以看出報(bào)文在母線間隔內(nèi)部傳輸過(guò)程中產(chǎn)生等待時(shí)間的概率更高。

4 報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)的抑制方法

通過(guò)前文的分析可以看出，在傳輸過(guò)程中，報(bào)文在交換機(jī)上因競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的等待時(shí)間具有不確定性，這種不確定性會(huì)使得傳輸時(shí)間存在抖動(dòng)。SV報(bào)文在交換機(jī)上因競(jìng)爭(zhēng)造成的傳輸時(shí)間抖動(dòng)會(huì)影響智能變電站保護(hù)功能的正常運(yùn)行[3]。對(duì)這一問(wèn)題的處理是“網(wǎng)采”模式能否真正走向?qū)嵱没爸悄茏冸娬具^(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能否得到大幅度簡(jiǎn)化的關(guān)鍵。

本文根據(jù)等待時(shí)間的產(chǎn)生方式，在全站通信數(shù)據(jù)率為1 000 Mbit/s的基礎(chǔ)上，提出一種抑制SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)的方法，并根據(jù)交換機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與功能提出抑制傳輸時(shí)間抖動(dòng)的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)思路。

4.1 抖動(dòng)抑制方法的原理

該方法通過(guò)設(shè)定SV報(bào)文以外的報(bào)文在交換機(jī)發(fā)送端口上的發(fā)送條件和控制各合并單元發(fā)送SV報(bào)文時(shí)序的方式在交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)上行(由過(guò)程層設(shè)備發(fā)往間隔層設(shè)備)報(bào)文過(guò)程中為SV報(bào)文提供專用的周期性時(shí)間段避免SV報(bào)文在發(fā)送端口上的競(jìng)爭(zhēng)。

交換機(jī)在接收到報(bào)文后通過(guò)判斷報(bào)文的以太網(wǎng)類型值確定報(bào)文的類型并將無(wú)效的報(bào)文拋棄，在計(jì)算其凈發(fā)送時(shí)間后，對(duì)報(bào)文進(jìn)行相應(yīng)的處理；SV報(bào)文放入SV緩存并優(yōu)先發(fā)送，GOOSE和其他類型的報(bào)文會(huì)被放入通用先入先出(FIFO)隊(duì)列，該隊(duì)列的隊(duì)首報(bào)文會(huì)在同時(shí)滿足式(2)、(3)時(shí)被發(fā)送。

TSV<ΔT

(2)

ΔT+TframeFirst

(3)

其中，TSV為交換機(jī)為SV報(bào)文提供專用發(fā)送時(shí)間段長(zhǎng)度；ΔT為從上一個(gè)SV報(bào)文專用時(shí)間段開(kāi)始的時(shí)刻起到當(dāng)前時(shí)刻為止所經(jīng)歷的時(shí)間(ΔT

圖7 交換機(jī)上轉(zhuǎn)發(fā)流程Fig.7 Forward process of switches

滿足式(2)表示通用FIFO隊(duì)列隊(duì)首報(bào)文的發(fā)送條件為上一個(gè)SV報(bào)文發(fā)送時(shí)間段已結(jié)束(條件1)；滿足式(3)表示的條件為如果報(bào)文從當(dāng)前時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送，可以在下一個(gè)SV報(bào)文發(fā)送時(shí)間段到來(lái)前發(fā)送完畢(條件2)。若式(2)、(3)同時(shí)成立,則有：

TframeFirst

(4)

式(4)表示的條件為：在為SV報(bào)文分配完專用的發(fā)送時(shí)間段后，每周期剩余足夠時(shí)間來(lái)發(fā)送至少1幀其他類型的報(bào)文。1 000 Mbit/s的數(shù)據(jù)率下，GOOSE和SV報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間為0.001 6～0.002 4 ms，而TSVturn為0.25 ms，式(4)較為容易滿足。

采用上述方法后，饋線間隔交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)序如圖8所示。根據(jù)圖8舉例分析3種情況：設(shè)SV和GOOSE報(bào)文長(zhǎng)度都為200 Byte，報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間為0.001 6 ms，TSV為0.002 6 ms，TSVturn為0.25 ms，GOOSE報(bào)文1、2、3分別于第1幀SV報(bào)文開(kāi)始發(fā)送后的0.001 5 ms、0.249 3 ms、0.35 ms到達(dá)交換機(jī)發(fā)送端口處通用FIFO隊(duì)列首端。

圖8 饋線間隔交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)序Fig.8 Forward sequence of feeder bay switches

因?yàn)镾V報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間小于SV報(bào)文的到達(dá)周期(等于發(fā)送周期0.25 ms)，SV報(bào)文在進(jìn)入SV緩存后會(huì)被立刻發(fā)送；而GOOSE報(bào)文在到達(dá)發(fā)送端口后會(huì)遇到下列情況。

a. 情況1：GOOSE報(bào)文1到達(dá)發(fā)送端口隊(duì)列首端，TframeFirst與GOOSE報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間TframeGOOSE相等，此時(shí)距離第1幀SV報(bào)文開(kāi)始發(fā)送的時(shí)刻經(jīng)過(guò)了0.001 5 ms(ΔT=0.001 5 ms)，TSV>ΔT，不滿足式(2)，所以GOOSE報(bào)文1無(wú)法被立刻發(fā)送。

b. 情況2：GOOSE報(bào)文2到達(dá)時(shí)刻的ΔT為0.249 3 ms，ΔT+TframeGOOSE=0.250 9 ms>TSVturn，不滿足式(3)，所以GOOSE報(bào)文2無(wú)法立刻被發(fā)送。

c. 情況3：GOOSE報(bào)文3到達(dá)時(shí)刻的ΔT為0.1 ms，式(2)、(3)滿足，可以被立刻發(fā)送。

在3個(gè)GOOSE報(bào)文所代表的情況中，GOOSE報(bào)文1和GOOSE報(bào)文2的情況都需要進(jìn)行等待，GOOSE報(bào)文1經(jīng)歷的等待時(shí)間為TSV- ΔT；GOOSE報(bào)文2經(jīng)歷的等待時(shí)間為TSVturn-ΔT+TSV；因?yàn)棣

根據(jù)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和SV報(bào)文的傳輸方向，饋線間隔交換機(jī)每周期(SV報(bào)文發(fā)送周期)在1個(gè)端口上需要轉(zhuǎn)發(fā)1幀SV報(bào)文(來(lái)自本間隔合并單元，變壓器間隔交換機(jī)每周期需要轉(zhuǎn)發(fā)2幀SV報(bào)文(來(lái)自本間隔高壓和低壓兩側(cè)的合并單元)，母線間隔交換機(jī)每周期需要轉(zhuǎn)發(fā)11幀SV報(bào)文(來(lái)自本間隔的1個(gè)合并單元和10個(gè)其他間隔的合并單元)，中央交換機(jī)需要轉(zhuǎn)發(fā)10幀SV報(bào)文(來(lái)自除母線間隔合并單元以外的10個(gè)合并單元)。

為進(jìn)一步確保SV報(bào)文傳輸時(shí)間的可控，避免各間隔SV報(bào)文因在交換機(jī)上競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生等待時(shí)間，對(duì)除母線間隔合并單元外的10個(gè)合并單元發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序進(jìn)行設(shè)置，如圖9所示。圖中，MU1— MU10指代的是除母線間隔合并單元以外的10個(gè)合并單元，其中主變間隔的2個(gè)合并單元的發(fā)送順序相鄰，MU1與母線間隔合并單元在同一時(shí)刻發(fā)送SV報(bào)文。

圖9 各合并單元發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序Fig.9 SV message sending sequence of MUs

設(shè)定每個(gè)SV報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間都為TframeSV，MU2—MU10依次與上一個(gè)合并單元間隔TframeSV+0.001 ms(加0.001 ms是為了保證裕度)后發(fā)送SV報(bào)文。在這樣的設(shè)置下母線間隔交換機(jī)上SV報(bào)文的到達(dá)時(shí)序如圖10所示。

圖10 母線間隔交換機(jī)上SV報(bào)文的到達(dá)時(shí)序Fig.10 Arriving sequence of SV message on bus bay switch

跨間隔的SV報(bào)文需要經(jīng)過(guò)2個(gè)交換機(jī)和3次發(fā)送才能到達(dá)母線間隔交換機(jī)，交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)處理時(shí)間約為0.002 ms，考慮傳播距離和經(jīng)過(guò)交換機(jī)數(shù)量的差異，根據(jù)式(1)，第1個(gè)到達(dá)母線間隔交換機(jī)的跨間隔SV報(bào)文與母線間隔內(nèi)部的SV報(bào)文的到達(dá)時(shí)刻相差2TframeSV+ΔTprop+2×0.002ms，而其他跨間隔SV報(bào)文以TframeSV+0.001ms為間隔依次到達(dá)。

通過(guò)上述方式，每個(gè)SV報(bào)文到達(dá)交換機(jī)發(fā)送端口時(shí)都處于自身的專用時(shí)間段之中，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有該SV報(bào)文會(huì)被發(fā)送端口發(fā)送，避免了競(jìng)爭(zhēng)與等待時(shí)間的產(chǎn)生。

同時(shí)上述控制方法會(huì)使得GOOSE報(bào)文產(chǎn)生等待時(shí)間的概率和幅度增加。為減少GOOSE報(bào)文的等待時(shí)間，TSV的設(shè)置需要考慮交換機(jī)每周期需要轉(zhuǎn)發(fā)的SV報(bào)文數(shù)n、報(bào)文到達(dá)時(shí)間間隔和裕度。TSV設(shè)置為每周期發(fā)送全部n個(gè)SV報(bào)文預(yù)計(jì)需要經(jīng)過(guò)的時(shí)間加上0.001nms的裕度。

根據(jù)各合并單元發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序，饋線間隔交換機(jī)上，TSV為TframeSV+0.001ms；變壓器間隔交換機(jī)每周期將全部的SV報(bào)文發(fā)送完畢需要2TframeSV+0.001ms，TSV為2TframeSV+0.001+2×0.001ms；在母線間隔交換機(jī)上的轉(zhuǎn)發(fā)情況如圖10所示，對(duì)于一般規(guī)模的智能變電站，傳播距離一般小于1 km，設(shè)定ΔTprop為0.005 ms，每周期發(fā)送全部11個(gè)SV報(bào)文需要約12TframeSV+9×0.001+0.005+2×0.002ms，TSV為12TframeSV+20×0.001+0.005+2×0.002ms。SV報(bào)文和GOOSE的最大凈發(fā)送時(shí)間約為0.002 4 ms，最大的TSV為0.057 8 ms(母線間隔內(nèi))，式(4)成立。而GOOSE報(bào)文在母線間隔交換機(jī)發(fā)送端口隊(duì)首處的最大等待時(shí)間為0.060 2 ms。

4.2 抖動(dòng)抑制方法的實(shí)現(xiàn)思路

交換機(jī)已具備用于實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間抖動(dòng)抑制方法的基本功能(如報(bào)文解析、流量監(jiān)控、地址映射和隊(duì)列控制)與硬件結(jié)構(gòu)(如緩存和交換單元等)。在此基礎(chǔ)上，用于抖動(dòng)抑制的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)思路見(jiàn)圖11。

圖11 用于抖動(dòng)抑制的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)方案Fig.11 Implementation scheme of jitter restrain switch

管理人員在各交換機(jī)上設(shè)置TSV的同時(shí)使其保存SV報(bào)文的發(fā)送周期，交換機(jī)根據(jù)SV報(bào)文到達(dá)的時(shí)刻和自身保存的發(fā)送周期與TSV建立SV報(bào)文專用時(shí)間段的時(shí)刻表。在接收模塊中，添加報(bào)文凈發(fā)送時(shí)間計(jì)算模塊，通過(guò)解析MAC幀頭中以太網(wǎng)類型字段判斷報(bào)文的類，通過(guò)提取MAC幀頭中長(zhǎng)度字段對(duì)報(bào)文的凈發(fā)送時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，所得信息將作為調(diào)度用控制數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊。在發(fā)送模塊中，為SV報(bào)文設(shè)置單獨(dú)的發(fā)送緩存，由于SV報(bào)文無(wú)需進(jìn)行等待，SV報(bào)文發(fā)送緩存中只存有1幀SV報(bào)文。

在發(fā)送模塊中，報(bào)文的發(fā)送狀態(tài)機(jī)如圖12所示。報(bào)文的發(fā)送狀態(tài)機(jī)由空閑狀態(tài)、發(fā)送SV報(bào)文、發(fā)送其他報(bào)文、判斷報(bào)文類型、判斷發(fā)送條件組成。當(dāng)有報(bào)文出現(xiàn)在SV報(bào)文緩存或通用FIFO隊(duì)列首部時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入報(bào)文類型判斷狀態(tài)：首先判斷是否為SV報(bào)文，如果是則直接進(jìn)入SV報(bào)文發(fā)送狀態(tài)；如果是其他類型的報(bào)文則進(jìn)入判斷發(fā)送條件狀態(tài)，根據(jù)專用時(shí)間段的時(shí)刻表和報(bào)文自身長(zhǎng)度進(jìn)行判斷，只有在滿足式(2)、(3)所示的約束條件時(shí)，才會(huì)進(jìn)入發(fā)送其他報(bào)文的狀態(tài)。

圖12 報(bào)文發(fā)送狀態(tài)機(jī)Fig.12 Packet sending state machine

為實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)序控制，采用IEEE 1588(精確時(shí)鐘同步協(xié)議)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上各IED的時(shí)鐘進(jìn)行同步。IEEE 1588 的過(guò)程層組網(wǎng)方式如圖13所示。

圖13 IEEE 1588 過(guò)程層組網(wǎng)方式Fig.13 Networking mode of IEEE 1588 process level

在中央交換機(jī)上接入對(duì)時(shí)裝置作為時(shí)鐘源，通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)向各IED發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文，以此完成對(duì)時(shí)功能。相對(duì)于GOOSE和SV報(bào)文，對(duì)時(shí)報(bào)文長(zhǎng)度較短(約為50 Byte)、發(fā)送周期較長(zhǎng)(一般為1 s)，對(duì)其他報(bào)文傳輸影響小。轉(zhuǎn)發(fā)處理方式與GOOSE報(bào)文相同，放入通用FIFO隊(duì)列。通過(guò)指定各合并單元開(kāi)始發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)時(shí)序的控制。

4.3 仿真及可行性分析

本文通過(guò)在OPNET中修改交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型的方式對(duì)本文提出的抖動(dòng)抑制方法進(jìn)行模擬，使用抑制方法后，在報(bào)文長(zhǎng)度都為200 Byte的情況下，仿真得到的跨間隔SV報(bào)文傳輸時(shí)間的變化如圖14所示。其他報(bào)文最大傳輸時(shí)間的變化如表2所示。

圖14 使用抑制方法前后，跨間隔SV報(bào)文的傳輸時(shí)間Fig.14 Transmission time of SV message with and without restrain method

報(bào)文方向最大傳輸時(shí)間變化F1_合并單元→母線保護(hù)IED SV0.037 ms→0.017 2 msF1_智能終端→母線保護(hù)IED GOOSE0.038 5 ms→0.043 6 msF2_智能終端→F2_饋線保護(hù)IED GOOSE0.008 3 ms→0.008 5 msF2_合并單元→F2_饋線保護(hù)IED SV0.008 2 ms→0.007 msT1_智能終端→T1_主變保護(hù)IED GOOSE0.008 1 ms→0.009 2 ms

從表2中可以看出，SV報(bào)文在傳輸過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生等待時(shí)間，傳輸時(shí)間的抖動(dòng)被有效地抑制了。GOOSE報(bào)文產(chǎn)生等待時(shí)間的幅度雖有所增長(zhǎng)，但仍可以滿足要求，同時(shí)饋線和變壓器間隔交換機(jī)上針對(duì)性的TSV設(shè)置使得在2種間隔內(nèi)傳遞的GOOSE報(bào)文等待時(shí)間的增幅較小。

本文從報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)的產(chǎn)生方式出發(fā)，基于交換機(jī)的調(diào)度技術(shù)和精確時(shí)鐘同步技術(shù)提出傳輸時(shí)間抖動(dòng)的抑制方法，交換機(jī)的調(diào)度技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)控制交換機(jī)發(fā)送端口處SV報(bào)文與其他報(bào)文的發(fā)送；精確時(shí)鐘同步技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中各合并單元的發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序。

目前交換機(jī)中嵌入式技術(shù)的廣泛運(yùn)用使得交換機(jī)調(diào)度功能的制定更具靈活性，為在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)SV報(bào)文與其他報(bào)文的發(fā)送控制提供了技術(shù)條件。同時(shí)，IEEE 1588在智能變電站中的廣泛應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)各合并單元發(fā)送SV報(bào)文的時(shí)序控制提供了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文傳輸時(shí)間的組成進(jìn)行分析，建立了報(bào)文傳輸模型，得到了報(bào)文傳輸時(shí)間的計(jì)算公式，確定了影響傳輸時(shí)間的主要因素，并以某220 kV全站網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的智能變電站(D2-1型)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，研究了數(shù)據(jù)率、報(bào)文長(zhǎng)度和報(bào)文發(fā)送頻率等因素對(duì)傳輸時(shí)間的影響。針對(duì)因競(jìng)爭(zhēng)造成的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)問(wèn)題，根據(jù)等待時(shí)間的產(chǎn)生方式，提出了一種通過(guò)控制SV報(bào)文發(fā)送時(shí)序與交換機(jī)上報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)條件來(lái)抑制傳輸時(shí)間抖動(dòng)的方法，仿真結(jié)果表明該方法可以有效地抑制因競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的SV報(bào)文傳輸時(shí)間抖動(dòng)。

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