四類優(yōu)先級(jí)電網(wǎng)信息傳輸技術(shù)研究

田 錦，田 瀟，李廣水

(1.金陵科技學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 211169； 2.天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了報(bào)文按照優(yōu)先級(jí)的最大轉(zhuǎn)移時(shí)間值。轉(zhuǎn)移時(shí)間定義為發(fā)射端的報(bào)文協(xié)議處理時(shí)間ta、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間tb和接收端的報(bào)文協(xié)議處理時(shí)間tc。而且，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ta和tc低于總傳輸時(shí)間的40%，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施延遲時(shí)間不超過(guò)總傳輸時(shí)間的20%。經(jīng)證明總的通信時(shí)間必須低于600 ms，這是最大限制。以太網(wǎng)是IEC 61850的典型通信網(wǎng)。

IEC 61850規(guī)定的特定通信服務(wù)映射(SCSM：Specific Communication Service Mapping)實(shí)現(xiàn)了其定義的多種通信服務(wù)。在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時(shí)性、可靠性要求最高的兩種關(guān)鍵通信服務(wù)為發(fā)送通用對(duì)象變電站事件(GOOSE：Generic Object Oriented Substation Event)報(bào)文服務(wù)(Send GOOSE Message)和發(fā)送多路廣播采樣測(cè)量值(MSV：Multiple Sampled Value)報(bào)文服務(wù)(Send MSV Message)。SCSM傳輸協(xié)議棧是從傳統(tǒng)的OSI標(biāo)準(zhǔn)7層協(xié)議棧演進(jìn)而來(lái)，以提高網(wǎng)絡(luò)中過(guò)程層面向GOOSE和MSV這兩種關(guān)鍵報(bào)文的傳輸實(shí)時(shí)性。

GOOSE是一種實(shí)時(shí)應(yīng)用，主要傳送間隔閉鎖信號(hào)和實(shí)時(shí)跳閘信號(hào)。根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GOOSE信號(hào)的通信延遲應(yīng)小于4 ms，其中數(shù)據(jù)流傳送一般控制在1 ms內(nèi)完成[1]。在保證GOOSE正確可靠的前提下，應(yīng)在發(fā)送機(jī)、交換節(jié)點(diǎn)、接收機(jī)盡可能地減少時(shí)間耗費(fèi)，提高延遲性能，以全過(guò)程提高GOOSE的實(shí)時(shí)性能。

如果每個(gè)設(shè)備描述表中只有一個(gè)單級(jí)的發(fā)送隊(duì)列鏈表，這就造成實(shí)時(shí)報(bào)文和非實(shí)時(shí)報(bào)文都在一個(gè)隊(duì)列中。在協(xié)議應(yīng)用層，為了有利于目錄服務(wù)、文件傳輸?shù)龋瑢a(chǎn)生高數(shù)據(jù)速率的通信。如果設(shè)備允許，其成組的報(bào)文最大長(zhǎng)度可以定義成很大。如果一個(gè)應(yīng)用報(bào)文達(dá)到幾萬(wàn)字節(jié)，那就需要幾十個(gè)以太網(wǎng)幀傳送。全部傳輸這些以太網(wǎng)幀需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。如果這些以太網(wǎng)幀是非實(shí)時(shí)性報(bào)文，那么在實(shí)時(shí)性報(bào)文之前無(wú)法準(zhǔn)確知道有多少非實(shí)時(shí)性報(bào)文在等待傳輸。只有等待實(shí)時(shí)性報(bào)文前面的非實(shí)時(shí)性報(bào)文傳輸完畢，才能傳輸實(shí)時(shí)性報(bào)文。這樣實(shí)時(shí)報(bào)文有可能被嚴(yán)重滯后，而且這種滯后帶有不確定性，由此對(duì)GOOSE服務(wù)、MSV服務(wù)，不能完全保證其實(shí)時(shí)性要求。

電力設(shè)備通信延遲性能的提高是電網(wǎng)智能化的重要條件。國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究才剛剛開(kāi)始，尚未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。殷志良等[2]研究了保證過(guò)程總線通信服務(wù)質(zhì)量的方案。李小濱等[3]提出了GOOSE發(fā)送端發(fā)送多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的流程。陳志光等[4]基于OPNET仿真軟件對(duì)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)SCSM進(jìn)行了仿真研究。關(guān)于優(yōu)先級(jí)個(gè)數(shù)對(duì)信息傳輸性能的影響，以往的文獻(xiàn)將信息簡(jiǎn)單地分為兩類優(yōu)先級(jí)進(jìn)行研究。本文提出將IEC 61850的業(yè)務(wù)劃分成4個(gè)優(yōu)先級(jí)類別進(jìn)行傳輸，同時(shí)使用NS2軟件仿真研究在4個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)的實(shí)時(shí)性性能。此研究?jī)?nèi)容尚未見(jiàn)諸于公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中。

1 數(shù)字化變電站的通信協(xié)議棧

通信協(xié)議直接影響通信功能的完成和通信效率的提高。與通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議不同，電力行業(yè)業(yè)務(wù)的通信協(xié)議既要符合通信原理的規(guī)則，又要能面向電力行業(yè)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)用的通信用途。為了確保實(shí)時(shí)信息的及時(shí)傳輸，本文將具體研究電力業(yè)務(wù)分級(jí)的優(yōu)勢(shì)，因此首先介紹現(xiàn)行電力業(yè)務(wù)的通信協(xié)議棧模型以及各個(gè)模塊所完成的業(yè)務(wù)功能，以期更好地尋求解決問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[5]的數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)議棧分為：變電站層、間隔層、過(guò)程層，并且明確規(guī)定了各層之間接口的含義，此協(xié)議棧將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS：Substation Automation System)所有智能設(shè)備之間的通信協(xié)議族劃分為10個(gè)邏輯接口。當(dāng)進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)，根據(jù)SAS通信規(guī)模的大小以及通信數(shù)據(jù)流的多少，這10個(gè)接口可以形成單網(wǎng)結(jié)構(gòu)或雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

根據(jù) SAS 的運(yùn)行特點(diǎn)，數(shù)據(jù)流從通信方式上可以分為2大類：層間數(shù)據(jù)傳輸和層內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸。其中層間數(shù)據(jù)傳輸包括：1) 周期性雙向數(shù)據(jù)傳輸；2) 非周期性雙向數(shù)據(jù)傳輸；3) 非周期性按通知數(shù)據(jù)上傳。層內(nèi)數(shù)據(jù)是指網(wǎng)絡(luò)保護(hù)算法需要的共享數(shù)據(jù)、控制共享信息及閉鎖信息等。針對(duì)數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，可將報(bào)文分為6類，如圖 1 所示。不同的數(shù)據(jù)流所形成的通信報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上需求的QoS參數(shù)不同。這些報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列為：類型1，類型4，類型2、3、5，類型6。

圖1 IEC 61850協(xié)議棧Fig.1 The architecture of IEC 61850 protocol stack

從協(xié)議棧模塊對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)類型可以看出，電力通信的業(yè)務(wù)類型全面，同時(shí)，類型1實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的要求較為嚴(yán)格。因此研究采用多優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)傳輸模式意義重大。

2 4個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模式

基于報(bào)文類型的實(shí)時(shí)性要求，設(shè)計(jì)各層之間較為冗余的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。過(guò)程層與間隔層之間的主要通信業(yè)務(wù)負(fù)載為類型1、類型4報(bào)文；變電站層與間隔層之間傳輸 2、3、5 類型報(bào)文。類型1、類型4報(bào)文可以不進(jìn)行單獨(dú)組網(wǎng)，而是將所有的合并單元、保護(hù)測(cè)控設(shè)備和斷路器智能操作箱鏈接在一個(gè)環(huán)網(wǎng)上，使用100 Mbps以太網(wǎng)，并采用IEC 61850-9-2特定通信服務(wù)映射(SCSM)和ISOIEC 8802-3采樣值通信協(xié)議。實(shí)踐證明他們符合標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)性要求。2、3、4類型報(bào)文如用100 Mbps光纖自愈環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)傳輸，實(shí)踐證明在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)間不超過(guò) 100 ms，由此可見(jiàn)具有一定的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[6]。

IEC 61850的通信網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)，其優(yōu)先級(jí)滿足定義了8種優(yōu)先級(jí)的IEEE 802.1p標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11e標(biāo)準(zhǔn)把業(yè)務(wù)區(qū)分成4個(gè)優(yōu)先級(jí)。借鑒這些思想，為了從根本上解決電力通信實(shí)時(shí)性報(bào)文的延遲性能較差問(wèn)題，引入4個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，按照從高到低的順序，命名為：AC_3，AC_2，AC_1，A C_0。GOOSE報(bào)文、SV報(bào)文具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，應(yīng)分別放入最高優(yōu)先級(jí)、高優(yōu)先級(jí)的待發(fā)送報(bào)文隊(duì)列。因此，類型1報(bào)文優(yōu)先級(jí)定位AC_3，類型4報(bào)文優(yōu)先級(jí)定為AC_2，類型2、3、5報(bào)文的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為AC_1，類型6報(bào)文優(yōu)先級(jí)定為AC_0。這種模式下，報(bào)文隊(duì)列將按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序接受處理。系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)都要考慮多優(yōu)先級(jí)的區(qū)分度。

在發(fā)送機(jī)，將中斷區(qū)分為低級(jí)中斷和高級(jí)中斷，以保證區(qū)分優(yōu)先級(jí)的實(shí)施。低級(jí)中斷的一個(gè)重要功能是激活相應(yīng)的高級(jí)中斷服務(wù)程序。低級(jí)中斷只做很少的必要性的工作，以減少中斷服務(wù)程序運(yùn)行所占的時(shí)間。高級(jí)中斷程序運(yùn)行在任務(wù)級(jí)，用于最高優(yōu)先級(jí)和高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)處理等費(fèi)時(shí)工作。操作時(shí)，我們用設(shè)備描述表存放待發(fā)送報(bào)文的鏈表頭指針。

圖2 基于優(yōu)先級(jí)的交換節(jié)點(diǎn)報(bào)文處理方式Fig.2 The process of switch packet based on priority

在網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)，如交換機(jī)、路由器和其它交換設(shè)備，報(bào)文排成一個(gè)隊(duì)列，如圖2所示。在處理時(shí)首先按照優(yōu)先級(jí)順序?qū)?bào)文分配到各個(gè)優(yōu)先級(jí)的緩沖區(qū)隊(duì)列中等待，然后制定一個(gè)調(diào)度策略，按照調(diào)度命令從緩沖區(qū)取出等待的報(bào)文進(jìn)行傳輸。如此可以顯著提高GOOSE報(bào)文的實(shí)時(shí)性性能[7-8]。

在接收端，協(xié)議棧的映射方式也有助于提高解碼實(shí)時(shí)性。在接收機(jī)中，合理安排中斷和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)功能，可以將報(bào)文按照優(yōu)先級(jí)區(qū)別開(kāi)來(lái)，并以事件驅(qū)動(dòng)的方式將報(bào)文傳遞給各處理單元?？梢越⒁环N調(diào)度策略，按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)高低順序，優(yōu)先調(diào)度高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)來(lái)處理。在多優(yōu)先級(jí)方式下，為便于處理，GOOSE報(bào)文的優(yōu)先級(jí)可以高于其它所有報(bào)文的優(yōu)先級(jí)[9]。GOOSE等較高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文在高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中處理。低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文提交給操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議處理。

3 性能仿真

協(xié)議性能研究可以利用網(wǎng)絡(luò)仿真方法對(duì)協(xié)議進(jìn)行仿真，研究其優(yōu)劣。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件較多。本課題采用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。NS2是一種面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)仿真器。它有一個(gè)虛擬時(shí)鐘，所有的仿真都由離散事件驅(qū)動(dòng)。在局域網(wǎng)仿真中，實(shí)現(xiàn)了多播以及一些MAC子層協(xié)議。

GOOSE報(bào)文傳輸延遲時(shí)間由變壓器保護(hù)設(shè)備組幀、網(wǎng)絡(luò)傳輸和開(kāi)關(guān)控制器解包接收組成。當(dāng)保護(hù)設(shè)備重復(fù)發(fā)送GOOSE報(bào)文時(shí)，各開(kāi)關(guān)控制器都能無(wú)遺漏收到，這證明了GOOSE報(bào)文傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

SAV報(bào)文傳輸延遲時(shí)間由采樣值信號(hào)處理(模數(shù)轉(zhuǎn)換等)、合并單元組幀、網(wǎng)絡(luò)傳輸和變壓器保護(hù)設(shè)備解包接收組成。

3.1 仿真應(yīng)用層環(huán)境設(shè)置

3.1.1 用于Send GOOSE Message Send GOOSE Messages是關(guān)鍵報(bào)文，它的傳輸模式采用面向非連接的發(fā)布者/訂閱者形式。由于發(fā)布者不知道訂閱者是否接收到了報(bào)文，所以需要發(fā)布者不斷地重發(fā)報(bào)文，以保證訂閱者能接收到。實(shí)現(xiàn)對(duì)GOOSE報(bào)文的重發(fā)是對(duì)該服務(wù)應(yīng)用層建模的主要內(nèi)容。圖3詳細(xì)闡明了報(bào)文重發(fā)過(guò)程。假設(shè)在T1時(shí)刻發(fā)生事件，那么發(fā)布者就會(huì)在該時(shí)刻發(fā)出第1條最新的GOOSE報(bào)文。隨后為了保證該報(bào)文的可靠性，發(fā)布者以tN=2N-1ms,N=1, 2 …, 為間隔重復(fù)發(fā)送相同的信息。同時(shí)，對(duì)不同的GOOSE報(bào)文進(jìn)行計(jì)數(shù)，即T1=1 ms，T2=2 ms，T3=4 ms，…，當(dāng)TN=T0=500 ms時(shí)，發(fā)布者停止重發(fā)該報(bào)文。

圖3 Send GOOSE Message服務(wù)重發(fā)機(jī)制Fig.3 Retransmission services of Send GOOSE Message

GOOSE報(bào)文長(zhǎng)度會(huì)隨其傳遞信息的不同而不同，平均地，定義每條報(bào)文的長(zhǎng)度為230 byte。根據(jù)報(bào)文功能的需求配置不同的優(yōu)先級(jí)。用于跳閘的GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)性要求最高，將其優(yōu)先級(jí)設(shè)置為AC_3，其他用途的報(bào)文實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，優(yōu)先級(jí)設(shè)置為AC_2[10-11]、AC_1 、AC_0。在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)都將GOOSE報(bào)文的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為AC_3。

3.1.2 用于Send MSV Message Send MSV Message報(bào)文的作用是接收來(lái)自設(shè)備電壓/電流的采樣值，并按照規(guī)定的格式封裝成數(shù)據(jù)包。由于設(shè)備不同參數(shù)的采樣間隔時(shí)間不必全部相同，因而合并單元的采樣率也會(huì)不同。例如：用于保護(hù)設(shè)備的參數(shù)采樣值一般為80點(diǎn)/周；用于電能質(zhì)量檢測(cè)的參數(shù)采樣值一般為256點(diǎn)/周。為便于分析，本文的仿真采樣率取80點(diǎn)/周，即交流電50周/s，每點(diǎn)產(chǎn)生1條信息，所以應(yīng)用層每秒接收4 000條采樣值信息。這些采樣信息按照規(guī)定的格式將其封裝成數(shù)據(jù)包，并發(fā)送出去。

AC_3的優(yōu)先級(jí)高于AC_2的優(yōu)先級(jí)。我們知道，過(guò)程層的周期性采樣值信息傳輸也有3～10 ms的實(shí)時(shí)性要求。盡管其實(shí)時(shí)性稍弱于具有突發(fā)特性的GOOSE業(yè)務(wù)，但其實(shí)現(xiàn)的方法與之類似。因此，如果在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)都對(duì)設(shè)備參數(shù)的采樣值報(bào)文優(yōu)先級(jí)設(shè)置為AC_2，則能利用不同優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，分別實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性效果。

3.1.3 其它參數(shù) 將PC機(jī)與交換機(jī)連接，連接交換機(jī)的端口配置為低優(yōu)先級(jí)AC_1。仿真時(shí)，PC機(jī)周期性地向交換機(jī)發(fā)送大量數(shù)據(jù)包。

根據(jù)IEC 61850-9-2LE規(guī)定的報(bào)文組成方式，設(shè)備參數(shù)采樣值報(bào)文長(zhǎng)度為169～226 byte。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，本文每條報(bào)文的長(zhǎng)度取200 byte，其優(yōu)先級(jí)設(shè)置為AC_2。

數(shù)據(jù)源使用連續(xù)比特速率(CBR：Continuous bit rate)。使用兩種數(shù)據(jù)包速率：0.5 Mbps和0.01 Mbps。第1個(gè)節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，最后1個(gè)節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)，中間設(shè)置5個(gè)交換節(jié)點(diǎn)。關(guān)于鏈路設(shè)置參數(shù)與IEEE 802.11e的NS2仿真參數(shù)設(shè)置相同[13]。

3.2 仿真結(jié)果

對(duì)各種報(bào)文進(jìn)行仿真。對(duì)GOOSE報(bào)文和SAV報(bào)文，本文建議的4個(gè)優(yōu)先級(jí)模式下的仿真結(jié)果與其它文獻(xiàn)介紹的只有2個(gè)優(yōu)先級(jí)下的仿真結(jié)果比較[14-22]。

用NS2軟件仿真IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的性能尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。

經(jīng)過(guò)仿真，GOOSE報(bào)文的最大傳輸延遲抖動(dòng)4個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)為0.25 ms，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)為0.3 ms；報(bào)文的平均延遲4個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)約為1.42 ms，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)為1.5 ms。

經(jīng)過(guò)仿真，SAV報(bào)文最大傳輸延遲抖動(dòng)4個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)為0.45 ms，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)為0.5 ms；報(bào)文的平均延遲4個(gè)優(yōu)先級(jí)時(shí)約為2.73 ms，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)為2.8 ms。

無(wú)論如何發(fā)送AC_1優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，對(duì)SAV報(bào)文和GOOSE報(bào)文傳輸性能無(wú)任何影響。由此可見(jiàn)其優(yōu)先級(jí)分類的優(yōu)勢(shì)。

仿真證明，將數(shù)據(jù)報(bào)文按優(yōu)先級(jí)從高到低劃分成AC_3、AC_2、AC_1、AC_04種類型，可以確保前3類報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求，并再次提高了類型1和類型2報(bào)文的延遲抖動(dòng)和平均延遲性能指標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了4類優(yōu)先級(jí)的分類方法，GOOSE報(bào)文為最高優(yōu)先級(jí)，SAV報(bào)文為次最高優(yōu)先級(jí)，時(shí)間同步報(bào)文為最低優(yōu)先級(jí)，其余報(bào)文為低優(yōu)先級(jí)。在發(fā)射機(jī)、交換節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)的報(bào)文處理流程中均按照優(yōu)先級(jí)順序從高到低處理。通過(guò)NS2軟件仿真，GOOSE報(bào)文最大傳輸延遲抖動(dòng)為0.25 ms，平均延遲約為1.42 ms；SAV報(bào)文最大傳輸延遲抖動(dòng)為0.45 ms，平均延遲約為2.73 ms。其性能都優(yōu)于2個(gè)優(yōu)先級(jí)的分類方式。

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