優(yōu)先級(jí)控制輪詢?cè)谧冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

朱龍正，高宇航，楊志軍，陶則恩

(1．云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091; 2．電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

優(yōu)先級(jí)控制輪詢?cè)谧冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

朱龍正1，高宇航2，楊志軍1，陶則恩1

(1．云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650091; 2．電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

變電站通信網(wǎng)絡(luò)是變電站實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的前提，變電站內(nèi)部設(shè)備可劃分成3個(gè)層次，其中第二層的數(shù)據(jù)和控制信息傳送到與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信的站級(jí)PC機(jī)，該過(guò)程屬于計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的范疇，針對(duì)變電站通信網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)特點(diǎn)，將兩級(jí)優(yōu)先級(jí)控制輪詢系統(tǒng)用在變電站通信網(wǎng)絡(luò)中。提出了在站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))采用完全服務(wù)的輪詢方式，第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))采用門限服務(wù)的輪詢方式的新模型。完全服務(wù)的優(yōu)先級(jí)比門限服務(wù)的高，對(duì)新模型進(jìn)行了仿真和理論計(jì)算，得出新系統(tǒng)的平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與負(fù)載之間的關(guān)系、平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與子節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系，這些參數(shù)對(duì)于提高變電站通信網(wǎng)絡(luò)的性能至關(guān)重要。

變電站通信網(wǎng)絡(luò)；輪詢系統(tǒng)；門限服務(wù)；完全服務(wù)；平均時(shí)延；平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)

0 引言

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站二次設(shè)備的功能進(jìn)行重新組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變電站全部設(shè)備的運(yùn)行情況執(zhí)行監(jiān)視、測(cè)量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。通過(guò)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間相互交換信息、數(shù)據(jù)共享，完成變電站運(yùn)行監(jiān)視和控制任務(wù)。

按照IEC-57國(guó)際電工委員會(huì)電力系統(tǒng)控制欲通信技術(shù)委員會(huì)的劃分，變電站內(nèi)設(shè)備可以劃分成3個(gè)層次，但是，一層與二層之間大多還沒(méi)有真正意義上的數(shù)據(jù)通信，通信網(wǎng)絡(luò)主要是將第二層的數(shù)據(jù)和控制信息傳送到與遠(yuǎn)方調(diào)度中心通信的站級(jí)PC機(jī)。對(duì)于變電站綜合系統(tǒng)自動(dòng)化而言，采用的是總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)在MAC(媒體訪問(wèn)控制)層又分為隨機(jī)接入和受控接入兩大類，本文主要討論屬于受控接入類型的輪詢方式網(wǎng)絡(luò)的性能［1］。

輪詢是一類重要的理論研究模型，其研究起源可追溯到20世界50年代后期，輪詢系統(tǒng)具有獨(dú)到的接入控制盒高效的調(diào)度、查詢功能，可對(duì)相應(yīng)的控制模型進(jìn)行有效分析，對(duì)其控制機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，在具體實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展［2］。

基于不同優(yōu)先級(jí)輪詢系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的變電站通信模型，該模型的應(yīng)用對(duì)于合理配置變電站通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使變電站發(fā)揮最大性能提供了重要的依據(jù)［3］。

1 新的變電站通信模型

由一個(gè)NET、一個(gè)主節(jié)點(diǎn)h和N個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成新的變電站通信模型，在這個(gè)新模型中，NET輪詢地為數(shù)據(jù)包提供服務(wù)，根據(jù)通信的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)包的到達(dá)過(guò)程、NET的服務(wù)時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間都是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程。

基于不同優(yōu)先級(jí)輪詢策略的系統(tǒng)由一個(gè)站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))擁有高優(yōu)先級(jí)h和N個(gè)第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))擁有低的優(yōu)先級(jí)組成。站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))接受服務(wù)是以完全服務(wù)的策略，第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))接受服務(wù)以門限服務(wù)的策略，NET首先對(duì)站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))服務(wù)，當(dāng)站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))空閑，而第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))不空閑，NET對(duì)第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))服務(wù)，當(dāng)?shù)诙釉O(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))i被完全服務(wù)之后，轉(zhuǎn)而服務(wù)站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))h。下一步又將服務(wù)第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))i+1［4］。

變電站中涉及到通信領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，1～N表示第二層設(shè)備通信接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(子節(jié)點(diǎn))，λ1～λN代表各第二層設(shè)備上傳的信息的到達(dá)率。h表示站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))，λh代表進(jìn)入主節(jié)點(diǎn)的信息到達(dá)率［5］。

通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)的仿真和理論研究，分別得到平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與子節(jié)點(diǎn)數(shù)和負(fù)載的關(guān)系，這對(duì)研究變電站中的通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置等有著特殊的意義。

圖1 站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖

1.1 工作條件

①每個(gè)子節(jié)點(diǎn)信息分組的達(dá)到過(guò)程服從相互獨(dú)立的同分布Poisson過(guò)程，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為A( z )，λ=A′(1)和A″(1)+λ-λ2，主節(jié)點(diǎn)h到達(dá)過(guò)程的概率母函數(shù)、均值和方差分別為Ah(z )，λh=A′h(1)和

②任意子節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中一個(gè)信息分組的傳輸服務(wù)時(shí)間服從一個(gè)相互獨(dú)立、同分布的概率分布，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為B( z)，β= B′(1)和，主節(jié)點(diǎn)h的傳輸服務(wù)時(shí)間的概率母函數(shù)、均值和方差分別為Bh(z)，βh=

③NET(站點(diǎn))完成相應(yīng)的信息分組傳輸服務(wù)后，轉(zhuǎn)向查詢主節(jié)點(diǎn)的查詢轉(zhuǎn)換時(shí)間服從一個(gè)相互獨(dú)立、同分布的概率分布，其分布的概率母函數(shù)、均值和方差分別為R( z)、γ=R＇(1)和

④所有設(shè)備的FIFO存儲(chǔ)空間無(wú)限大，不會(huì)產(chǎn)生信息分組的丟失［6－7］。

1.2 概率母函數(shù)

馬爾可夫鏈在(λhβh+Nλβ)＜1的條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)的概率母函數(shù)定義為［8］:

隊(duì)列i在tn時(shí)刻以門限服務(wù)的形式接受服務(wù)，站級(jí)PC通信接口(主節(jié)點(diǎn))h在tn*時(shí)刻以完全服務(wù)的形式接受服務(wù)，隊(duì)列i+1在tn+1時(shí)刻服務(wù)［9］。

tn*時(shí)刻系統(tǒng)的母函數(shù)是:

tn+1時(shí)刻系統(tǒng)母函數(shù)是:

子節(jié)點(diǎn)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為:

主節(jié)點(diǎn)的平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)為:

子節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)為:

主節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)為:

2 仿真結(jié)果和分析

圖2和圖3清晰地反映了平均延時(shí)和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)隨著負(fù)載的增加而不斷增加，且到達(dá)某段可承載負(fù)載之后速度呈現(xiàn)急劇加快的現(xiàn)象，到達(dá)某個(gè)值時(shí)(針對(duì)N=3的情況，在負(fù)載等于0．25，到達(dá)率等于0．02時(shí))出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。還可以運(yùn)用該系統(tǒng)的穩(wěn)定條件(λhβh+Nλβ)＜1，來(lái)對(duì)變電站的子節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、到達(dá)率和服務(wù)時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行研究，通過(guò)研究可以得到較為合理的配置。

圖4和圖5是子節(jié)點(diǎn)數(shù)N=6，到達(dá)率等于0．02時(shí)，平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與負(fù)載之間的關(guān)系。由于在新模型中主節(jié)點(diǎn)使用了高優(yōu)先級(jí)的完全服務(wù)，所以主節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于子節(jié)點(diǎn)。

圖6和圖7是子節(jié)點(diǎn)數(shù)N=12，到達(dá)率等于0．02時(shí)，平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)與負(fù)載之間的關(guān)系。由于在新模型中主節(jié)點(diǎn)使用了高優(yōu)先級(jí)的完全服務(wù)，所以主節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于子節(jié)點(diǎn)。

從圖2、圖4和圖6中可以看到，在相同到達(dá)率的情況下，子節(jié)點(diǎn)數(shù)不同，平均時(shí)延不同并隨著子節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大，子節(jié)點(diǎn)數(shù)越多平均時(shí)延越大。從圖3、圖5和圖7中可以看到，在相同到達(dá)率的情況下，子節(jié)點(diǎn)數(shù)不同時(shí)，平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)不同并隨著子節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增大，子節(jié)點(diǎn)數(shù)越多平均時(shí)延越大。新模型中把兩級(jí)優(yōu)先級(jí)輪詢系統(tǒng)應(yīng)用在變電站通信系統(tǒng)中，主節(jié)點(diǎn)使用優(yōu)先級(jí)高的完全服務(wù)，子節(jié)點(diǎn)使用優(yōu)先級(jí)低的門限服務(wù)，大大降低了系統(tǒng)的時(shí)延和排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，這對(duì)于提高變電站的網(wǎng)絡(luò)性能有很大的意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和和理論分析，可以得出平均延時(shí)和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)隨著負(fù)載的增加而不斷增加，且到達(dá)某段可承載負(fù)載之后速度呈現(xiàn)急劇加快的現(xiàn)象，到達(dá)某個(gè)值時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的不同，它的平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)是有差異的，并隨著子節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不斷增加，平均時(shí)延和平均排隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)也隨之增大。此外，由于變電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，所以對(duì)平均時(shí)延特性的分析可以很好地解決實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題的分析和研究，可以得出變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)配置等問(wèn)題，當(dāng)然，使用優(yōu)先級(jí)服務(wù)的輪詢系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)的利用率和吞吐量的研究中也會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。

［1］王崢，胡敏強(qiáng)，鄭建勇，等．變電站輪詢式通信網(wǎng)絡(luò)的MATLAB仿真研究[J]．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001，13(5):15－18．

［2］趙東風(fēng)，丁洪偉，趙一凡，等．多級(jí)門限服務(wù)輪詢系統(tǒng)MAC離散控制協(xié)議模型分析[J]．電子學(xué)報(bào)，2010，38 (7):1495－1500．

［3］楊志軍．兩級(jí)優(yōu)先級(jí)控制輪詢系統(tǒng)理論及應(yīng)用研究[M]．昆明:云南大學(xué)出版社，2010．

［4］Yang Z J，Zhao D F．Polling Strategy for Wireless Multimedia LANs[J]．Tsinghua Science and Technology，2006，11(5):606－610．

［5］王崢．變電站內(nèi)部通信系統(tǒng)的研究[D]．南京:東南大學(xué)，2002:25－31．

［6］Zhao D F，Zheng S M．Waiting Time Analysis for Polling and Token Passing Scheme for Computer and Communication Systems［C］∥Proc．Of Int．Conf．on Communication Technology．Beijing，1992:155－159．

［7］Zhao D F，Ding H W，Zhao Y F，et al．An Analytical Model of a Discrete-time Polling MAC Protocol for Wireless LANs Using M-Gated Services[J]．Acta．Electronica Sinica，2010，38(7):1495－1499．

［8］Ding H W，Zhao D F，Zhao Y F．Packet Delay Analysis of Continuous-time Polling System with M-gated Services［C］∥CCTAE 2010 Chengdu，2010:408－411．

［9］Yang Z J，Zhao D F．QoS Support Polling Scheme for Multimedia Traffic in Wireless LAN MAC Protocol[J]．Tsinghua Science and Technology，2008，13(6):754－758．

Application of Priority Differentiated Polling Strategy in Substation Communication Network

ZHU Long-zheng1，GAO Yu-hang2，YANG Zhi-jun1，TAO Ze-en1
(1．School of Informatics，Yunnan University，Kunming Yunnan 650091，China; 2．University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China)

The network is very important to substation automation system．Typically the internal equipment of substation can be divided into three levels．Data and control information at the second level are transmitted to the station-level PC of remote control center．This process belongs to the category of computer communication networks．Aiming at the characteristic of substation communication network，this paper uses the gated and exhaustive services mixed polling system in substation．The station level PC communication interface has higher priority than those on communication interface internal data buffer in the second level．The exhaustive service strategy is used for the station level PC communication interface and gated service for communication interface internal data buffer in the second level．Based on experiments and theoretical calculations，this paper obtains the relationship that the mean time delay and mean queue length increase as the load increases．In addition，it also achieves the relationship that the mean time delay and mean queue length increase as the number of communication interface internal data buffer in the second layer increases．These results are crucial to the improvement of network performance in substation．

substation network;polling system;gated service;exhaustive service;mean time delay;mean queue length

TN97

A

1003－3114(2015)05－93－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.25

朱龍正，高宇航，楊志軍，等．優(yōu)先級(jí)控制輪詢?cè)谧冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［J］．無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41(5):93－96．

2015－05－28

朱龍正(1989―)，男，碩士研究生，主要研究方向:計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信和輪詢系統(tǒng)。楊志軍(1968—)，男，高級(jí)工程師/副院長(zhǎng)，主要研究方向:計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信和輪詢系統(tǒng)。