智能變電站過程層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延分析及優(yōu)化控制

陳磊 ，林如忠 ，黃在朝 ，鄧輝 ，王向群 ，陶靜

（1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京 210003；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

智能變電站采用網(wǎng)絡(luò)化的通信系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和共享。IEC61850將智能變電站分為3層，即站控層、間隔層和過程層。常見的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架為：三層兩網(wǎng)和三層共網(wǎng)。組網(wǎng)方式通常為星型或環(huán)型。通信協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。核心通信設(shè)備是工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，符合IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn)和公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)有工程中國產(chǎn)化設(shè)備已經(jīng)批量使用。總體來看，現(xiàn)有智能變電站通信解決方案基本可以滿足智能變電站的通信需求，但由于目前的智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信裝置——以太網(wǎng)交換機(jī)多采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，在不同數(shù)據(jù)流量的情況下，造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延變化較大，傳輸實(shí)時(shí)性需要進(jìn)一步改善。

本文針對(duì)目前智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)存在的實(shí)時(shí)性問題進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了實(shí)時(shí)性要求較高的過程層數(shù)據(jù)的特性，并提出相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。本文研究成果將為智能變電站可靠運(yùn)行和健康持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐，有力地推動(dòng)我國智能變電站產(chǎn)業(yè)升級(jí)，帶動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè)，保證國家能源經(jīng)濟(jì)安全。

2 智能變電站通信系統(tǒng)

廣義的通信系統(tǒng)通常包括發(fā)送終端、傳輸介質(zhì)、中繼/轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備及接收終端。智能變電站通信系統(tǒng)依據(jù)IEC61850要求，通信協(xié)議采用以太網(wǎng)技術(shù)，組網(wǎng)方式根據(jù)變電站的實(shí)際情況可以是星型或環(huán)型，網(wǎng)絡(luò)冗余根據(jù)變電站的電壓等級(jí)進(jìn)行合理配置，最典型的（也是未來的終極目標(biāo)）是全站統(tǒng)一組網(wǎng)，即三層共網(wǎng)。通信設(shè)備主要為二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通信終端包括站內(nèi)所有聯(lián)網(wǎng)裝置：智能終端、保護(hù)測(cè)控裝置、合并單元、監(jiān)控后臺(tái)、電子互感器等。作為智能變電站二次系統(tǒng)的重要組成部分，通信系統(tǒng)承擔(dān)著保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等站內(nèi)所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的任務(wù)，其中保護(hù)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性提出了極高的要求[1-3]。

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)示意如圖1所示。

3 智能變電站業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性分析

3.1 智能變電站業(yè)務(wù)信息流實(shí)時(shí)性分析

IEC 61850嚴(yán)格詳細(xì)規(guī)定了 SAS（變電站自動(dòng)化系統(tǒng)）的報(bào)文性能，報(bào)文根據(jù)不同的時(shí)延要求被劃分為快/中/低速跳閘報(bào)文、命令報(bào)文、數(shù)據(jù)生成報(bào)文、傳輸文件報(bào)文、時(shí)間同步報(bào)文，共7類，其中“快速跳閘報(bào)文”和“數(shù)據(jù)生成報(bào)文”對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，時(shí)延要求小于 3 ms。按周期性和實(shí)時(shí)性可將這些信息流分為4種類型：SMV、GOOSE、監(jiān)控和維護(hù)，具體特性描述見表1[4,5]。

表1 智能變電站信息流特性

（1）SMV 信息流

用于傳送過程層合并單元與間隔層設(shè)備間的周期性采樣測(cè)量值，一般要求在 3～10 ms內(nèi)完成傳輸，與具體的采樣率有關(guān)。此類信息流采用基于 P/S（publisher/subscriber）機(jī)制的 SMV服務(wù)模型，由于傳輸時(shí)延的要求，為節(jié)省網(wǎng)絡(luò)協(xié)議拆封時(shí)間開銷，該類數(shù)據(jù)流通過 SCSM直接映射到以太網(wǎng) LLC層。

（2）GOOSE 信息流

用于傳送事件驅(qū)動(dòng)報(bào)文（如跳閘、聯(lián)鎖、運(yùn)行狀態(tài)等），包括過程層和間隔層、同一間隔內(nèi)或不同間隔設(shè)備間報(bào)文。具有突發(fā)性和硬實(shí)時(shí)性的該類信息流通常要求在 1～4 ms內(nèi)必須完成傳輸，具有最高優(yōu)先權(quán)。GOOSE采用基于P/S機(jī)制的GOOSE服務(wù)模型，直接映射到以太網(wǎng)的LLC層。

（3）監(jiān)控信息流

用于傳送間隔層與站控層設(shè)備間的一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和控制信息，包括周期性的遙信/遙測(cè)信息和事件驅(qū)動(dòng)信息。由于并不是所有的主站都需要實(shí)時(shí)顯示保護(hù)數(shù)據(jù)，為簡(jiǎn)化分析，只研究有較強(qiáng)的突發(fā)性且具有較高重要性的告警等事件驅(qū)動(dòng)信息。這類信息流的傳輸時(shí)間通常為100 ms左右，由于是軟實(shí)時(shí)信息，主要通過基于 C/S模式的報(bào)告和記錄服務(wù)模型實(shí)現(xiàn)，SCSM將其映射到MMS/TCP/IP。

圖1 智能變電站三層共網(wǎng)示意

（4）維護(hù)信息流

主要用于傳送間隔層和站控層設(shè)備間的維護(hù)和診斷等信息以及站控層與過程層設(shè)備之間的配置信息，具有隨機(jī)性。該類信息流量大，實(shí)時(shí)性不高，通常采用基于TCP/IP的文件傳輸 （file transfer）服務(wù)模型實(shí)現(xiàn)。IEC61850規(guī)定，該模型應(yīng)該包含文件名、大小和最近訪問時(shí)間等屬性，提供讀取、修改、刪除和取文件屬性值等服務(wù)。

綜上，信息流的數(shù)據(jù)量及實(shí)時(shí)性統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 信息流的數(shù)據(jù)量及實(shí)時(shí)性統(tǒng)計(jì)

3.2 智能變電站通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延分析

圖2為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延示意。

智能變電站數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延是指輸出由源終端設(shè)備發(fā)出，到目的終端設(shè)備接收識(shí)別的整個(gè)過程所用時(shí)間[6]，通常包括以下幾個(gè)部分。

（1）發(fā)送端處理器處理時(shí)延T1

指IED1的應(yīng)用程序1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議封裝，并將報(bào)文從其數(shù)據(jù)緩沖區(qū)復(fù)制到 NIC發(fā)送緩沖區(qū)的時(shí)延以及數(shù)據(jù)在發(fā)送緩沖區(qū)暫存，等著被發(fā)送而產(chǎn)生的排隊(duì)時(shí)延。這部分時(shí)延通常和CPU的處理速度、數(shù)據(jù)分組的格式、數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度、應(yīng)用功能間的相互協(xié)調(diào)配合相關(guān)，可根據(jù)實(shí)際情況估算出來。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延TN

指報(bào)文從IED1在物理端口經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)IED2的物理端口的總時(shí)延，包括3個(gè)部分。如圖2所示，T11是物理鏈路1上的數(shù)據(jù)時(shí)延，該時(shí)延小且基本固定，可估算；Ts是交換機(jī)的交換時(shí)延（如果是多級(jí)交換機(jī)級(jí)聯(lián)的話，則Ts包括了多級(jí)交換機(jī)的交換時(shí)延和交換機(jī)間級(jí)聯(lián)物理鏈路的時(shí)延），由交換機(jī)制導(dǎo)致的該時(shí)延具有不確定性；T12是交換機(jī)端口2到IED2設(shè)備的物理端口的物理鏈路2上的時(shí)延，該時(shí)延小且主要和鏈路長(zhǎng)度有關(guān)，可估算。所以，TN=T11+Ts+T12。

（3）接收端通信處理時(shí)延T2

該時(shí)延和發(fā)送端的時(shí)延極其相似，是發(fā)送端的逆過程，主要包括數(shù)據(jù)在網(wǎng)卡緩存中的等待時(shí)間和接收節(jié)點(diǎn)IED2對(duì)報(bào)文進(jìn)行協(xié)議拆封并將重新拼裝后的報(bào)文復(fù)制到應(yīng)用功能2的數(shù)據(jù)空間的時(shí)延。該時(shí)延同樣和CPU的處理速度、數(shù)據(jù)分組的格式、數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度、應(yīng)用功能間的相互協(xié)調(diào)配合相關(guān)，可根據(jù)實(shí)際情況估算出來。

因此，報(bào)文傳輸所經(jīng)歷的總時(shí)延可以表示為：Td=T1+T11+Ts+T12+T2。

4 通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化方案

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求較高的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，通常要解決實(shí)時(shí)性問題，并非依靠單一技術(shù)就可完成，可通過虛擬局域網(wǎng)技術(shù)（VLAN）來隔離局域網(wǎng)，減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；采用服務(wù)質(zhì)量技術(shù)（QoS），將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按實(shí)時(shí)性高低分級(jí)，優(yōu)先傳輸實(shí)時(shí)性高的報(bào)文；采用時(shí)延標(biāo)記技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延部分的Ts告知終端設(shè)備，以確保傳輸時(shí)延可知。

圖2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延示意

（1）采用VLAN隔離，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷

智能變電站通信系統(tǒng)中典型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型GOOSE、SV均以多播的形式進(jìn)行傳輸，實(shí)際應(yīng)用中甚至采用廣播的方式。通常本間隔的數(shù)據(jù)也會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)流竄，占用系統(tǒng)有限帶寬，增加了有效數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中排隊(duì)等待的時(shí)間。采用VLAN技術(shù)，按間隔進(jìn)行合理劃分，將不需要跨間隔的數(shù)據(jù)隔離在本間隔內(nèi)，對(duì)于需要跨間隔的數(shù)據(jù)另設(shè)單獨(dú)VLAN，從而有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。按間隔劃分VLAN示意如圖3所示。

（2）采用QoS技術(shù)，優(yōu)先傳輸關(guān)鍵業(yè)務(wù)

智能變電站中需要傳遞的采樣值、跳閘、聯(lián)鎖、運(yùn)行狀態(tài)、控制等各種信息對(duì)時(shí)延的要求不同，可根據(jù)時(shí)延要求，將業(yè)務(wù)報(bào)文設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，以便關(guān)鍵實(shí)時(shí)報(bào)文可以第一時(shí)間傳輸?shù)侥康牡豙7]，如圖4所示。

（3）通過業(yè)務(wù)流識(shí)別，進(jìn)行時(shí)延標(biāo)記，交換資源分配、調(diào)度

采用網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延標(biāo)記技術(shù)，保障繼電保護(hù)控制“網(wǎng)采網(wǎng)跳”可靠實(shí)施。繼電保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化，即“網(wǎng)采網(wǎng)跳”，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的共享，并且大大簡(jiǎn)化光纖接線，提高調(diào)試效率，節(jié)約建設(shè)成本。但要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的“網(wǎng)采網(wǎng)跳”，還需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延確定性。通過采用網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延標(biāo)記技術(shù)，在報(bào)文進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)時(shí)分別進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記，精確計(jì)算報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)延ΔT并寫入傳輸報(bào)文內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的確定性，為繼電保護(hù)控制“網(wǎng)采網(wǎng)跳”提供通信保證。時(shí)延標(biāo)記功能示意如圖5所示。

圖3 按間隔劃分VLAN示意

圖4 輸入數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)控制

圖5 時(shí)延標(biāo)記功能示意

5 結(jié)束語

本文在智能變電站通信系統(tǒng)全部采用網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，分析了業(yè)務(wù)信息流的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中時(shí)延特征及計(jì)算方法，并提出降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的實(shí)時(shí)策略及測(cè)量網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的方法，為智能變電站通信的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)提供了參考依據(jù)，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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