提升智能變電站信息流實(shí)時(shí)性和可靠性的定質(zhì)交換技術(shù)

王海柱，蔡澤祥，張延旭，邵向潮，李一泉，竹之涵

（1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東省電力調(diào)度中心，廣東 廣州 510600；3.廣州思唯奇計(jì)算機(jī)科技有限公司，廣東 廣州 510665）

0 引言

智能變電站將數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和應(yīng)用分離，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化傳輸與信息共享，構(gòu)建了智能電網(wǎng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息平臺(tái)。信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸使得網(wǎng)絡(luò)信息流成為了繼電保護(hù)、監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的載體，其實(shí)時(shí)性、可靠性[1-2]直接決定了電力系統(tǒng)保護(hù)控制決策的有效性。由于對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的可依賴性存在不確定因素，目前智能變電站保護(hù)控制系統(tǒng)在很大程度上仍沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，如繼電保護(hù)仍采用“直采直跳”模式，以保證電網(wǎng)第一道防線的安全可靠。因此，通信網(wǎng)絡(luò)信息流的實(shí)時(shí)性、可靠性已成為智能變電站提升保護(hù)控制系統(tǒng)性能的瓶頸。

交換機(jī)作為通信網(wǎng)絡(luò)的核心是信息流處理與轉(zhuǎn)發(fā)的樞紐，是影響信息流實(shí)時(shí)性與可靠性的關(guān)鍵因素[3]。目前，智能變電站中采用的是從通信領(lǐng)域中引入的通用交換技術(shù)，采用優(yōu)先級(jí)排隊(duì)機(jī)制、VLAN以及最短路徑消耗的生成樹協(xié)議等分配傳輸路徑，其基本原理是各類業(yè)務(wù)信息流的“公平競(jìng)爭(zhēng)”、交換過程的“盡力而為”[4-6]。然而，智能變電站各類業(yè)務(wù)的信息流具有其明顯的特征，其實(shí)時(shí)性、可靠性的要求也有很大差異，在這種“盡力而為”的通用交換技術(shù)原理下，對(duì)于繼電保護(hù)等業(yè)務(wù)信息流的實(shí)時(shí)性和可靠性的較高要求是否能得到充分響應(yīng)是個(gè)值得關(guān)注的問題。

本文結(jié)合智能變電站各類業(yè)務(wù)信息流的特點(diǎn)，提出了面向其信息流實(shí)時(shí)性與可靠性特定要求的定質(zhì)交換（Custom Switching）[7-9]概念。 所謂定質(zhì)交換，是指通過多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS（Multiple Protocol Label Switching）[10]技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息流的類型識(shí)別，通過確定隊(duì)列調(diào)度和動(dòng)態(tài)緩存分配實(shí)現(xiàn)信息流的傳輸資源配置，通過多路選擇的傳輸路徑實(shí)現(xiàn)信息流最優(yōu)路徑選擇，從而保證智能變電站各類業(yè)務(wù)信息流實(shí)時(shí)性、可靠性的差異化需求，提升智能變電站保護(hù)控制系統(tǒng)的性能與可靠性。

本文分析了智能變電站不同類型信息流的實(shí)時(shí)性、可靠性要求，揭示了當(dāng)前通用交換技術(shù)存在的問題，并從智能變電站信息流的實(shí)時(shí)性和可靠性出發(fā)，從基于多級(jí)子隊(duì)列的確定性隊(duì)列調(diào)度、動(dòng)態(tài)緩存分配以及多路報(bào)文傳輸路徑[11-13]3個(gè)方面給出了定質(zhì)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，并通過在OPNET中構(gòu)建定質(zhì)交換模型，結(jié)合實(shí)際智能變電站算例，定量分析了定質(zhì)交換的可行性及其對(duì)提升智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性的作用。

1 智能變電站信息流性能要求分析

在信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸環(huán)境下，智能變電站各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)以信息流為載體，電壓、電流采樣值（SV）體現(xiàn)為SV信息流，開關(guān)位置信息、跳閘信號(hào)、閉鎖信號(hào)等體現(xiàn)為GOOSE信息流，繼電保護(hù)定值召喚、修改等體現(xiàn)為MMS信息流等。因此，信息流的實(shí)時(shí)性、可靠性直接影響著各業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)信息流實(shí)現(xiàn)的功能不同、性能要求不同，可以將其分為7類，如表1所示。表中，P1指應(yīng)用于配電線間隔或其他要求較低間隔的信息流；P2指應(yīng)用于輸電線間隔或用戶未另外規(guī)定地方的信息流；P3指用于輸電線間隔，應(yīng)具備滿足同步和斷路器分合時(shí)間差最好性能的信息流。

表1 信息流分類Tab.1 Classification of information flow

可見，不同類型的信息流在性能要求方面有著很大的區(qū)別，但是目前應(yīng)用于智能變電站的通用交換技術(shù)并沒有充分地將不同類型的信息流進(jìn)行區(qū)分，可能因網(wǎng)絡(luò)擁塞而造成關(guān)鍵信息流超時(shí)或丟失。

2 智能變電站通用交換技術(shù)存在的問題

信息流的實(shí)時(shí)性和可靠性體現(xiàn)為傳輸延時(shí)應(yīng)保證在所要求的時(shí)間范圍內(nèi)，且不發(fā)生丟包或發(fā)生丟包時(shí)重傳。目前，智能變電站普遍采用的通用交換技術(shù)對(duì)不同類型信息流提供的服務(wù)差異性不強(qiáng)，難以在網(wǎng)絡(luò)擁塞、廣播風(fēng)暴等惡劣情況下保證關(guān)鍵信息流的實(shí)時(shí)性和可靠性，造成傳輸延時(shí)抖動(dòng)和丟包等問題[14-15]，這也是繼電保護(hù)等應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸缺乏信賴的根本原因。

本文基于OPNET仿真平臺(tái)，建立了智能變電站信息流網(wǎng)絡(luò)傳輸全過程的仿真模型，包括信息流通信規(guī)約IEC61850、交換設(shè)備及其調(diào)度策略、保護(hù)監(jiān)控設(shè)備IED等，并以實(shí)際智能變電站為背景，分析了通用交換技術(shù)及其對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、可靠性的影響。

2.1 隊(duì)列資源競(jìng)爭(zhēng)引發(fā)時(shí)延抖動(dòng)

其中，ηj為光纖鏈路j的傳輸時(shí)延，信息流在光纖中的傳輸速度為光速的2/3，因此光纖傳輸時(shí)延由光纖長度決定；γi為交換機(jī)i的交換時(shí)延，即協(xié)議解析、地址表查找等消耗的時(shí)間，與交換芯片處理能力相關(guān)，一般不超過10 μs；βi為交換機(jī)i的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，數(shù)值上等于幀長與交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)速率的比值；αi為交換機(jī)i的排隊(duì)時(shí)延，指報(bào)文在交換機(jī)隊(duì)列內(nèi)排隊(duì)等候處理的時(shí)間。對(duì)于αi，有：

其中，lk為隊(duì)列中位于報(bào)文k前等候處理的報(bào)文長度；v為報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速率。

若報(bào)文k的傳輸路徑由m個(gè)交換機(jī)和n條鏈路構(gòu)成，則傳輸時(shí)延t為：

其中，l′k和 l″k分別為交換機(jī) i前、后 2 次傳輸報(bào)文 k時(shí)在隊(duì)列中優(yōu)先于報(bào)文k等待處理的其他報(bào)文長度。

通用交換技術(shù)采用基于優(yōu)先級(jí)的端口服務(wù)單隊(duì)列調(diào)度策略，即通過識(shí)別報(bào)文優(yōu)先級(jí)并為高優(yōu)先級(jí)報(bào)文提供優(yōu)先服務(wù)的方式，盡可能保證其服務(wù)質(zhì)量。由式（3）可知，若某時(shí)刻某端口中優(yōu)先級(jí)與關(guān)鍵報(bào)文k相同或更高的擾動(dòng)報(bào)文h由于某種原因流量增加，占用了更多的隊(duì)列資源，則關(guān)鍵報(bào)文k的時(shí)延也會(huì)相應(yīng)增加，從而產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)。

下面根據(jù)擾動(dòng)報(bào)文h流量增加的方式不同，設(shè)置了3種排隊(duì)時(shí)延抖動(dòng)仿真場(chǎng)景?；贠PNET的仿真拓?fù)淙鐖D1所示。圖1中，設(shè)備D1發(fā)送報(bào)文k，D2發(fā)送報(bào)文h，D3為報(bào)文接收裝置，仿真結(jié)果如圖2所示，圖中只顯示了排隊(duì)時(shí)延抖動(dòng)情況。

可見，對(duì)于一個(gè)確定的網(wǎng)絡(luò)，除了交換機(jī)排隊(duì)時(shí)延受網(wǎng)絡(luò)信息流實(shí)時(shí)流量影響之外，其他3類時(shí)延均相對(duì)固定。則報(bào)文k的傳輸時(shí)延抖動(dòng)Δt為：

圖1 OPNET仿真拓?fù)銯ig.1 Simulation topology of OPNET

圖2 報(bào)文排隊(duì)的時(shí)延抖動(dòng)Fig.2 Delay jitter of packet queuing

場(chǎng)景1：由于某種原因端口中增加了一路優(yōu)先級(jí)與關(guān)鍵報(bào)文 k（長度為 200 Byte，發(fā)送頻率為4 000 p/s，即每秒4000個(gè)數(shù)據(jù)包）相同的擾動(dòng)報(bào)文h（長度為 200 Byte，發(fā)送頻率為 8 000 p /s），呈周期性且幅度不大。由圖2（b）可見，報(bào)文k的排隊(duì)時(shí)延從 16 μs增加到最高為 32 μs，增加幅度較小，對(duì)報(bào)文的實(shí)時(shí)性影響不大。

場(chǎng)景2：通信網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)間歇性擾動(dòng)源（如錯(cuò)誤報(bào)文、網(wǎng)絡(luò)攻擊的偽裝報(bào)文等）突發(fā)與關(guān)鍵報(bào)文k優(yōu)先級(jí)相同的報(bào)文h，長度為2 000 Byte，短時(shí)間內(nèi)突發(fā)100幀。如圖2（c）所示，關(guān)鍵報(bào)文k的排隊(duì)時(shí)延由原來的0.016 ms劇增至2.016 ms。若以時(shí)延小于3 ms作為實(shí)時(shí)性要求，則僅排隊(duì)時(shí)延就占用了時(shí)延裕度的70%左右，對(duì)實(shí)時(shí)性的影響較大。

場(chǎng)景3：網(wǎng)絡(luò)故障（如廣播風(fēng)暴等）引發(fā)大量無用報(bào)文在端口隊(duì)列中不斷積壓。如圖2（d）所示，報(bào)文k的時(shí)延線性增長，約在8 ms時(shí)，僅排隊(duì)時(shí)延就已超過3 ms的實(shí)時(shí)性要求。

通過以上3個(gè)場(chǎng)景的仿真可知，通用交換技術(shù)無法在報(bào)文h流量突然劇增的情況下仍能保證報(bào)文k的實(shí)時(shí)性，原因主要有以下3點(diǎn)：

a.端口識(shí)別報(bào)文優(yōu)先級(jí)，卻無法區(qū)分報(bào)文的類型（SV、GOOSE或MMS）和業(yè)務(wù)內(nèi)涵（保護(hù)或測(cè)控）；

b.由于報(bào)文分類（SV/GOOSE/MMS）粒度過粗和缺乏對(duì)報(bào)文的識(shí)別能力，只能根據(jù)優(yōu)先級(jí)高低調(diào)度報(bào)文，無法根據(jù)實(shí)時(shí)性能要求對(duì)各類報(bào)文精細(xì)調(diào)配傳輸資源，對(duì)報(bào)文進(jìn)行分層調(diào)度；

c.對(duì)流經(jīng)端口的報(bào)文欠缺解析能力，無法識(shí)別、排除和控制錯(cuò)誤報(bào)文、突發(fā)報(bào)文等擾動(dòng)報(bào)文。

因此，關(guān)鍵報(bào)文k的傳輸時(shí)延難以確保。

2.2 緩存不足引發(fā)丟包

設(shè)交換機(jī)的緩存大小為L，被端口隊(duì)列報(bào)文占用的緩存大小為Lused，則可用的緩存大小為：

其中，lg為端口g的隊(duì)列緩存區(qū)中的報(bào)文長度；N為端口數(shù)量。

采用通用交換技術(shù)情況下，關(guān)鍵報(bào)文k進(jìn)入端口隊(duì)列和其他端口隊(duì)列報(bào)文共享交換機(jī)緩存。在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞、故障或者擾動(dòng)源時(shí)，緩存區(qū)被其他報(bào)文占用，報(bào)文k將因緩存不足而被丟棄。

智能變電站交換機(jī)緩存區(qū)被占用而發(fā)生丟包的典型場(chǎng)景如圖3所示。IED通過間隔交換機(jī)switch1的級(jí)聯(lián)端口與本間隔IED交互信息，經(jīng)中心交換機(jī)switch0的匯聚端口與跨間隔IED互通。若switch1某一級(jí)聯(lián)端口出現(xiàn)擾動(dòng)報(bào)文d，則報(bào)文d通過占用公共緩存區(qū)造成級(jí)聯(lián)端口和匯聚端口報(bào)文的丟失。

圖3 擾動(dòng)報(bào)文占用緩存區(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of buffer occupation by disturbing messages

利用OPNET仿真由于交換機(jī)緩存不足引發(fā)的丟包場(chǎng)景。設(shè)交換機(jī)處理速率為10 Mbit/s，內(nèi)存大小為 2 Mbit；報(bào)文 k長度為 300 Byte，發(fā)送頻率為4 000 p/s。如圖4所示，在50 s時(shí)刻，所設(shè)擾動(dòng)源開始發(fā)送長度為1 000 Byte、發(fā)送頻率為330 p/s的高優(yōu)先級(jí)報(bào)文h，可見，報(bào)文k丟包數(shù)為100 p/s；在150 s時(shí)刻，報(bào)文h的發(fā)送頻率增加為1 500 p/s，導(dǎo)致報(bào)文k全部丟失。

圖4 緩存不足引起的丟包Fig.4 Packet loss caused by cache insufficiency

報(bào)文k丟失的原因如下：

a.共享緩存區(qū)的劃分方式存在“一榮俱榮，一損俱損”的弊端，級(jí)聯(lián)端口的擾動(dòng)報(bào)文將影響范圍擴(kuò)大到匯聚端口；

b.由于缺乏報(bào)文識(shí)別能力，端口無法控制和排除擾動(dòng)報(bào)文，擾動(dòng)報(bào)文會(huì)造成緩存占用，導(dǎo)致繼電保護(hù)等重要應(yīng)用的報(bào)文因?yàn)榫彺姹粩D占而丟失。

2.3 單一路徑引發(fā)的時(shí)延與丟包

在通用交換技術(shù)下，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)一般采用星形結(jié)構(gòu)配合簡單生成樹協(xié)議（STP），選擇最短路徑消耗的路徑為唯一傳輸路徑，如圖5所示。

圖5 星形結(jié)構(gòu)的單一傳輸路徑Fig.5 Mono transfer path of star topology

但是，單一傳輸路徑的可靠性存在不足：若中心交換機(jī)A故障或者交換機(jī)A和B間鏈路斷開，線路保護(hù)發(fā)出的跳閘報(bào)文將無法順利傳輸?shù)讲僮飨?，造成斷路器的拒?dòng)；若交換機(jī)A、B間因流量突增出現(xiàn)擾動(dòng)，造成時(shí)延增加或丟包，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)使得斷路器無法及時(shí)跳開，進(jìn)而造成故障范圍擴(kuò)大。

3 定質(zhì)交換的實(shí)現(xiàn)方法與建模

定質(zhì)交換技術(shù)能夠從智能變電站信息流的實(shí)時(shí)性和可靠性需求出發(fā)，為各類信息流合理分配有限的隊(duì)列資源，制定最佳的傳輸路徑，確保重要信息流的及時(shí)性且不丟失，進(jìn)而保證智能變電站各類業(yè)務(wù)功能的有效性。

3.1 基于MPLS標(biāo)簽的多級(jí)子隊(duì)列分層調(diào)度

本文通過基于信息流分類標(biāo)記以及多級(jí)子隊(duì)列映射與資源分配來實(shí)現(xiàn)交換機(jī)對(duì)于報(bào)文的分層調(diào)度。

首先，根據(jù)信息流的類型不同引入MPLS，在每條報(bào)文中增加32 bit的信息流標(biāo)簽對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記以實(shí)現(xiàn)信息流的分類識(shí)別；然后，建立多級(jí)子隊(duì)列的映射與資源分配。具體如下：

a.將交換機(jī)端口一級(jí)隊(duì)列分裂成具有不等深度和發(fā)送速率等資源的子隊(duì)列；

b.根據(jù)信息流類型將報(bào)文映射至不同子隊(duì)列，1個(gè)子隊(duì)列存放1類或者以上的報(bào)文；

c.采用多核處理器的虛擬分配或者單核的時(shí)間片輪詢等方法設(shè)置各個(gè)子隊(duì)列發(fā)送單元的處理速率；

d.為每個(gè)子隊(duì)列設(shè)置隊(duì)列深度，設(shè)置方法詳見3.2節(jié)。

基于MPLS標(biāo)簽的多級(jí)子隊(duì)列分層調(diào)度模型如圖6所示，其中，第1層調(diào)度區(qū)分隊(duì)列，第2層調(diào)度區(qū)分報(bào)文類型，第3層調(diào)度區(qū)分業(yè)務(wù)類型，第4層調(diào)度區(qū)分報(bào)文源頭。

圖6 基于MPLS標(biāo)簽的多級(jí)子隊(duì)列分層調(diào)度模型Fig.6 Hierarchical dispatch model based on multi-layer subqueue with MPLS

以2.2節(jié)中網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延抖動(dòng)為例，驗(yàn)證模型的有效性。針對(duì)同級(jí)報(bào)文引起的排隊(duì)時(shí)延情況，分別標(biāo)記報(bào)文h和k標(biāo)簽值為1和2，相應(yīng)地，設(shè)置2個(gè)子隊(duì)列，規(guī)定優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)子隊(duì)列2的報(bào)文，子隊(duì)列2為空才轉(zhuǎn)發(fā)子隊(duì)列1的報(bào)文，優(yōu)先確保報(bào)文k的實(shí)時(shí)性。采用確定性隊(duì)列調(diào)度方案后，各場(chǎng)景的幀排隊(duì)時(shí)延重新恢復(fù)為如圖2（a）所示的水平曲線?？梢?，通過檢測(cè)報(bào)文標(biāo)簽值，分配子隊(duì)列，能夠達(dá)到消除時(shí)延抖動(dòng)的效果。

3.2 基于區(qū)域劃分的動(dòng)態(tài)緩存分配

動(dòng)態(tài)緩存分配能夠在交換機(jī)緩存不足時(shí)，壓縮次要報(bào)文的帶寬和緩存，提升重要報(bào)文的帶寬和緩存，同時(shí)檢測(cè)和排除異常流量，確保重要報(bào)文不會(huì)因緩存不足而引起丟包。

基于緩存區(qū)劃分的動(dòng)態(tài)資源分配模型如圖7所示。

圖7 獨(dú)占區(qū)和共享區(qū)模型Fig.7 Exclusive buffer model and shared buffer model

緩存區(qū)的劃分和資源分配規(guī)則如下。

a.緩存區(qū)分為獨(dú)占區(qū)和共享區(qū)：獨(dú)占區(qū)只允許通過端口的重要報(bào)文使用，而共享區(qū)允許重要報(bào)文和次要報(bào)文共同使用。

b.獨(dú)占區(qū)容量整定原則：根據(jù)通過端口的重要報(bào)文所需容量計(jì)算獨(dú)占區(qū)容量，如式（6）所示。

其中，C為獨(dú)占區(qū)容量；fi為某一時(shí)間斷面通過端口的重要報(bào)文流量。

c.緩存區(qū)調(diào)度原則：當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤幀、網(wǎng)絡(luò)故障等異常情況時(shí)，若獨(dú)占區(qū)緩存不足，則重要報(bào)文溢出獨(dú)占區(qū)，與次要報(bào)文競(jìng)爭(zhēng)共享區(qū)，這時(shí)共享區(qū)需要優(yōu)先滿足重要報(bào)文。動(dòng)態(tài)緩存分配的仿真場(chǎng)景如表2所示，拓?fù)淙鐖D1所示，其中設(shè)備D1、D2和D3分別發(fā)送關(guān)鍵SV報(bào)文、關(guān)鍵GOOSE報(bào)文和次要報(bào)文。

表2 動(dòng)態(tài)緩存分配的仿真場(chǎng)景Tab.2 Simulation scenario of dynamic buffer allocation

仿真結(jié)果如圖8所示。當(dāng)未采用動(dòng)態(tài)緩存分配時(shí)，重要報(bào)文丟包率為986 p/s，次要報(bào)文丟包率為1 233 p/s；采用動(dòng)態(tài)緩存分配后，設(shè)置獨(dú)占區(qū)大小為3 MByte，共享區(qū)大小為2 MByte，則重要報(bào)文丟包率為0，次要報(bào)文丟包率為3 600 p/s，有效防止了重要報(bào)文的丟失。

3.3 基于路徑消耗的多路選擇

多路選擇的報(bào)文傳輸路徑的作用在于為報(bào)文提供多種路徑選擇，緩解異常流量對(duì)報(bào)文傳輸時(shí)延抖動(dòng)的影響；在鏈路中斷等網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生時(shí)，為報(bào)文傳輸提供后備路徑。

圖8 采用動(dòng)態(tài)緩存分配前后的丟包對(duì)比Fig.8 Comparison of packet loss between with and without dynamic cache allocation

多傳輸路徑通過生成樹協(xié)議實(shí)現(xiàn)，步驟如下。

a.生成可能的路徑集合。

b.為每條鏈路設(shè)定權(quán)值pj。

c.根據(jù)信息流特征（如負(fù)載和信息流類型），設(shè)定每條鏈路的負(fù)載系數(shù) dj、SV/GOOSE信息流比例λj。

d.計(jì)算路徑集合中每一條路徑Wj的路徑消耗CWj（其中求和符號(hào)表示將每條報(bào)文的djpj相加）：

e.為報(bào)文分配傳輸路徑：若有指定路徑，則分配該路徑；若無指定路徑，則選擇最小路徑消耗的路徑為最優(yōu)路徑。

在OPNET上按照以上步驟編寫交換機(jī)的報(bào)文傳輸路徑協(xié)議，進(jìn)行方案的有效性驗(yàn)證，仿真拓?fù)淙鐖D9所示。

圖9 路徑選擇的仿真拓?fù)銯ig.9 Simulation topology of path selection

通過仿真驗(yàn)證模型有效性，仿真初始化場(chǎng)景如表 3 所示（交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)速率為 100 Mbit/s，Switch0/3表示Switch0的3號(hào)端口，其他類似）。

表3 仿真初始化場(chǎng)景Tab.3 Initialization of simulation scenario

實(shí)現(xiàn)多路選擇后，檢測(cè)到Switch0的2號(hào)端口與Switch2的2號(hào)端口之間的負(fù)載過重，為保證SV報(bào)文發(fā)送過程保持不阻塞和不丟包，35 s以后，交換機(jī)進(jìn)行路徑轉(zhuǎn)換，報(bào)文1路徑變?yōu)镹ode0，仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，通過選擇路徑可達(dá)到平衡負(fù)載、降低傳輸時(shí)延的目的。

3.4 定質(zhì)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案

通用交換機(jī)具備了實(shí)現(xiàn)定質(zhì)交換技術(shù)的隊(duì)列、緩存區(qū)、交換矩陣、地址解析、路徑選擇等硬件結(jié)構(gòu)和技術(shù)原型。本文在此基礎(chǔ)上，提出的定質(zhì)交換實(shí)現(xiàn)方案如圖11所示。

圖11 定質(zhì)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案Fig.11 Implementation scheme of custom switching technology

a.增加MPLS標(biāo)簽解析模塊。通過解析報(bào)文標(biāo)簽確定報(bào)文類型、內(nèi)務(wù)內(nèi)涵和所屬端口，為分層調(diào)度和動(dòng)態(tài)緩存奠定基礎(chǔ)；

b.將通用交換機(jī)的單隊(duì)列模塊變?yōu)槎嗉?jí)子隊(duì)列分層調(diào)度模塊，實(shí)現(xiàn)圖6的層次化調(diào)度方案；

c.按照3.2節(jié)的基于區(qū)域劃分的動(dòng)態(tài)緩存分配設(shè)置動(dòng)態(tài)緩存區(qū)，并完成緩存區(qū)與隊(duì)列之間的映射；

d.導(dǎo)入交換機(jī)管理后臺(tái)解析的變電站配置描述 SCD（Substation Configuration Description）文件訂閱關(guān)系，結(jié)合3.3節(jié)的基于路徑消耗的路徑分配算法，選擇傳輸路徑。

本文基于OPNET仿真平臺(tái)，采用自定義建模方法，實(shí)現(xiàn)了以上定質(zhì)交換機(jī)仿真模型。

4 算例分析

本文算例以某實(shí)際220 kV智能變電站220 kV側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)為背景。為突出SV/GOOSE/MMS信息流競(jìng)爭(zhēng)資源最嚴(yán)重的場(chǎng)景，同時(shí)又體現(xiàn)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，本文算例采用共網(wǎng)傳輸方式。在OPNET平臺(tái)上構(gòu)建了共網(wǎng)傳輸場(chǎng)景下的定質(zhì)交換模型，通過分析繼電保護(hù)在采用定質(zhì)交換技術(shù)前后的動(dòng)作響應(yīng)情況，研究定質(zhì)交換對(duì)信息流的實(shí)時(shí)性、可靠性的提升，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D12所示。

南琴線路間隔、琴拱線路間隔、主變1間隔、主變2間隔的合并單元將電流采樣值分別經(jīng)中心交換機(jī)端口2、3、4、5傳輸?shù)竭B接在中心交換機(jī)端口1上的母線保護(hù)，而母線保護(hù)沿同一路徑發(fā)送控制命令到各間隔。本文以母線保護(hù)為例，分析定質(zhì)交換對(duì)信息流性能的影響。

以中心交換機(jī)端口1為例，設(shè)置如下定質(zhì)交換方案。

a.為各類信息流設(shè)置1—8的標(biāo)簽值，見表4。

b.設(shè)置子隊(duì)列：根據(jù)表4所示的信息流類型將緩存區(qū)動(dòng)態(tài)劃分成5個(gè)子隊(duì)列，隊(duì)列調(diào)度采用加權(quán)輪循算法[12]為子隊(duì)列1—5配置權(quán)值。

c.設(shè)置交換機(jī)的緩存區(qū)劃分，參數(shù)如表5所示。

仿真場(chǎng)景設(shè)置如下：南琴線路間隔合并單元出現(xiàn)擾動(dòng)源，多發(fā)一路SV報(bào)文（報(bào)文長度為300 Byte，頻率為4 000 p/s，標(biāo)簽值為3），經(jīng)中心交換機(jī)端口1到母線間隔保護(hù)裝置；此時(shí)，母線故障，母差保護(hù)啟動(dòng)，向該母線上所有支路發(fā)送跳閘GOOSE報(bào)文；仿真時(shí)間為5 s。

a.在使用通用交換技術(shù)的情況下，母線保護(hù)的跳閘GOOSE信息流在擾動(dòng)源的作用下，傳輸時(shí)延由1.602 ms上升至5.326 ms，不滿足小于3 ms的時(shí)延要求；而采用定質(zhì)交換技術(shù)優(yōu)化后，跳閘GOOSE信息流的傳輸時(shí)延在擾動(dòng)情況下仍然能夠維持在1.537 ms，保證了保護(hù)的可靠動(dòng)作。

表4 中心交換機(jī)端口1的應(yīng)用業(yè)務(wù)Tab.4 Application of central switch Port 1

表5 中心交換機(jī)基本參數(shù)Tab.5 Fundamental parameters of central switch

表6 采用定質(zhì)交換前后的時(shí)延和丟包仿真結(jié)果Tab.6 Simulative results of delay and packet loss before and after application of custom switching

b.在使用通用交換技術(shù)情況下，保護(hù)SV信息流和開關(guān)量GOOSE信息流的實(shí)時(shí)性均不滿足要求，而定質(zhì)交換技術(shù)保證了2類信息流的實(shí)時(shí)性。

c.在采用定質(zhì)交換技術(shù)的情況下，MMS報(bào)文的實(shí)時(shí)性有所降低，但仍能性能滿足要求，這是因?yàn)楸ＷCGOOSE和SV信息流的實(shí)時(shí)性是靠犧牲MMS報(bào)文帶寬來實(shí)現(xiàn)的。

圖12 220 kV側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.12 Topology at 220 kV side

可見，定質(zhì)交換技術(shù)能夠根據(jù)各類信息流的性能要求合理分配交換資源，從而可保證各類信息流性能均滿足其實(shí)時(shí)性、可靠性的要求。

5 結(jié)論

a.“盡力而為”的通用交換技術(shù)以信息流“公平競(jìng)爭(zhēng)”為準(zhǔn)則，存在傳輸時(shí)延抖動(dòng)、緩存不足引起的丟包、單一傳輸路徑不可靠的問題，無法滿足信息流差異性需求，對(duì)智能變電站信息流實(shí)時(shí)性、可靠性造成沖擊；

b.提出了定質(zhì)交換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)思路，包括基于多級(jí)子隊(duì)列的確定性調(diào)度、基于區(qū)域劃分的動(dòng)態(tài)緩存分配以及基于路徑消耗的多路選擇，并分別在OPNET中進(jìn)行了建模，模型的仿真結(jié)果表明定質(zhì)交換機(jī)技術(shù)能夠有效克服通用交換技術(shù)的不足，提升信息流的實(shí)時(shí)性與可靠性；

c.給出實(shí)際智能變電站的定質(zhì)交換技術(shù)的應(yīng)用方案，通過與通用交換技術(shù)方案的對(duì)比仿真，驗(yàn)證了方案的有效性，并進(jìn)一步凸顯了定質(zhì)交換的優(yōu)勢(shì)。