配電網(wǎng)分布式控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速傳輸技術(shù)

陳曉杰，徐丙垠,2，陳 羽，范開(kāi)俊，張新慧

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配電網(wǎng)分布式控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速傳輸技術(shù)

陳曉杰1，徐丙垠1,2，陳 羽1，范開(kāi)俊3，張新慧1

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東科匯電力自動(dòng)化有限公司，山東 淄博 255087;3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

為實(shí)現(xiàn)分布式控制關(guān)聯(lián)站點(diǎn)智能終端(Smart Terminal Unit, STU)間的實(shí)時(shí)對(duì)等通信以及互操作，可采用面向通用對(duì)象的變電站事件(Generic Object—Oriented Substation Event,GOOSE)傳輸STU間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制命令。在對(duì)比分析現(xiàn)有GOOSE映射方式的基礎(chǔ)上，提出了基于TCP協(xié)議的GOOSE報(bào)文傳輸方案(GOOSE over TCP)，給出了實(shí)現(xiàn)方法以及改善GOOSE over TCP傳輸實(shí)時(shí)性的措施。分析了影響報(bào)文傳輸延時(shí)的主要因素。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得在通信網(wǎng)絡(luò)含有大量突發(fā)報(bào)文的惡劣環(huán)境中優(yōu)化后的GOOSE over TCP最大傳輸延時(shí)約為2.4 ms，平均傳輸延時(shí)約為1.3 ms，可以滿(mǎn)足配電網(wǎng)分布式控制應(yīng)用的需求。

配電自動(dòng)化；分布式控制；GOOSE；GOOSE over TCP

0 引言

分布式控制是一種基于智能終端(Smart Terminal Unit，STU)之間對(duì)等交換測(cè)控信息的控制技術(shù)，可以利用多個(gè)站點(diǎn)的測(cè)量信息提高保護(hù)控制性能，又能避免主站集中控制響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，是配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)的發(fā)展方向。為保證分布式控制的響應(yīng)速度，要求STU間能夠在10 ms內(nèi)完成實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)的傳輸[1-2]。在基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站中，開(kāi)關(guān)狀態(tài)、閉鎖信號(hào)和跳閘命令等實(shí)時(shí)快速報(bào)文信息采用面向通用對(duì)象的變電站事件(Generic Object-Oriented Substation Event，GOOSE)傳輸機(jī)制。一般使用專(zhuān)用的光纖局部網(wǎng)，不經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層，將GOOSE報(bào)文直接映射到媒體訪問(wèn)控制子層(MAC)層進(jìn)行傳輸，實(shí)際傳輸延時(shí)小于4 ms[3-6]。這種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是速度快，傳輸延時(shí)小于4 ms，但是其配置基于MAC地址，實(shí)施過(guò)程較復(fù)雜，且報(bào)文僅能在局域網(wǎng)中傳輸，不能跨過(guò)路由器。在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)或廣域測(cè)控系統(tǒng)里，為減少投資、提高通信系統(tǒng)的利用率，實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)和其他運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(如“三遙”數(shù)據(jù))一起在通信介質(zhì)中混合傳輸，而且還可能需要跨過(guò)路由器在不同的局部網(wǎng)間傳輸[7]，因此，不能照搬數(shù)字化變電站的傳輸技術(shù)。

本文分析了分布式控制對(duì)報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性的要求，以及報(bào)文傳輸過(guò)程中延時(shí)的組成。分析了現(xiàn)有的幾種GOOSE傳輸機(jī)制的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了基于TCP協(xié)議的GOOSE報(bào)文傳輸方法(GOOSE over TCP)，給出了實(shí)現(xiàn)方案以及加快報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性的優(yōu)化措施。搭建試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了GOOSE over TCP的傳輸性能，分析了影響報(bào)文傳輸延時(shí)的因素，驗(yàn)證了改善報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性措施的可行性。

1 報(bào)文傳輸延時(shí)分析

配電網(wǎng)分布式控制應(yīng)用中的GOOSE報(bào)文屬于快速報(bào)文，其主要用于傳輸STU間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及控制命令。為使分布式保護(hù)控制操作在100 ms內(nèi)完成，要求其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)不超過(guò)10 ms[8-9]。

本文中的傳輸延時(shí)是指報(bào)文在智能終端之間的傳輸時(shí)間，包括通信雙方協(xié)議棧對(duì)報(bào)文的處理延時(shí)以及報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)难訒r(shí)。

處理延時(shí)是指報(bào)文通過(guò)終端各層協(xié)議棧所耗費(fèi)的時(shí)間。如果終端處理數(shù)據(jù)的速度較慢或處理任務(wù)較重，實(shí)時(shí)報(bào)文將與其他數(shù)據(jù)一起排隊(duì)等候處理。此外通信報(bào)文選用不同的傳輸協(xié)議會(huì)對(duì)應(yīng)著不同的傳輸過(guò)程，進(jìn)而影響協(xié)議棧處理時(shí)間。綜上，該部分延時(shí)主要取決于終端的處理性能以及通信報(bào)文所使用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)主要包括線(xiàn)路傳輸延時(shí)、幀轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、交換延時(shí)以及緩沖排隊(duì)延時(shí)[10]。

線(xiàn)路傳輸延時(shí)，指信號(hào)在信道中的傳輸時(shí)間。其值等于信道長(zhǎng)度與信號(hào)在信道上的傳輸速率之比。數(shù)據(jù)在光纖通道中的傳輸速度約為2/3倍光速[11-12]，以長(zhǎng)為10 km信道為例，報(bào)文的線(xiàn)路傳輸延時(shí)約為50 μs。

幀轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，指交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀所需要的時(shí)間，大小取決于通信報(bào)文的長(zhǎng)度以及交換機(jī)的帶寬。以最大的以太網(wǎng)幀(1518字節(jié))為例，其在百兆以太網(wǎng)交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)約為115.8 μs。

交換延時(shí)，又稱(chēng)為交換機(jī)的固有延時(shí)，指交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)前后兩個(gè)數(shù)據(jù)幀之間所間隔的時(shí)間，其大小與交換機(jī)的性能有關(guān)，通常由交換機(jī)制造商提供。對(duì)于一般的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)而言，其交換延時(shí)不超過(guò)10 μs[13]，如SICOM3000交換機(jī)的交換延時(shí)<5 μs。

緩沖排隊(duì)延時(shí)，指通信報(bào)文進(jìn)入交換機(jī)及其在交換機(jī)的輸入輸出緩沖隊(duì)列中等候處理的時(shí)間，其長(zhǎng)短取決于當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信量以及交換機(jī)所采取的輸入輸出調(diào)度策略(如優(yōu)先級(jí)、輪詢(xún)以及加權(quán)輪詢(xún)等)。這部分延時(shí)的存在使得報(bào)文的傳輸延時(shí)具有不確定性。

為使分布式控制命令能夠快速傳輸執(zhí)行，關(guān)鍵報(bào)文應(yīng)具有確定、有限的傳輸延時(shí)。在進(jìn)行端到端通信時(shí)，通信雙方需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和解封，因此通信協(xié)議的性能對(duì)報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性也有較大影響。在使系統(tǒng)具有一定開(kāi)放性的同時(shí)，為滿(mǎn)足配電網(wǎng)分布式控制應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，需慎重選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

2 現(xiàn)有的GOOSE映射方式

2.1 GOOSE over MAC

智能變電站中為減少智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Devices，IED)對(duì)GOOSE報(bào)文的處理延時(shí)，對(duì)GOOSE的通信協(xié)議棧進(jìn)行了裁剪，應(yīng)用層生成的GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (Protocol Data Unit，PDU)經(jīng)表示層編碼后不經(jīng)過(guò)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層(MAC層)進(jìn)行傳輸(如圖1所示，圖中灰色背景層表示報(bào)文傳輸過(guò)程中不經(jīng)過(guò)該層協(xié)議棧)。這種傳輸方式被稱(chēng)為GOOSE over MAC。

圖1 GOOSE over MAC傳輸協(xié)議棧

采用該映射方式的GOOSE可以在4 ms內(nèi)完成智能變電站內(nèi)IED間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速傳輸，但需要對(duì)通信協(xié)議棧進(jìn)行裁剪，實(shí)現(xiàn)過(guò)程較復(fù)雜，且報(bào)文無(wú)法跨路由器傳輸。

2.2 GOOSE over UDP

UDP協(xié)議是傳輸層中重要傳輸協(xié)議之一。GOOSE over UDP的傳輸方式，是將GOOSE報(bào)文映射到UDP協(xié)議上，在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸。由于通信雙方無(wú)需事先建立連接，因此UDP協(xié)議能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。圖2給出了GOOSE over UDP的傳輸機(jī)制，其中ToS (Type of Service)是指IP層的服務(wù)類(lèi)型字段，用于設(shè)置IP報(bào)文優(yōu)先級(jí)等參數(shù)；QoS(Quality of Service)是指用于標(biāo)記報(bào)文傳輸性能要求的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。

圖2 GOOSE over UDP傳輸機(jī)制

采用GOOSE over UDP的傳輸方式，可以實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文在IP網(wǎng)絡(luò)中的快速傳輸，但由于UDP協(xié)議是基于無(wú)連接的傳輸協(xié)議且其不具有差錯(cuò)校驗(yàn)、流量控制等功能，協(xié)議自身不能保證報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。此外發(fā)布方在發(fā)送報(bào)文前無(wú)法及時(shí)地獲知此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)以及訂閱方的運(yùn)行狀態(tài)，也無(wú)法得知訂閱方是否正確接收到報(bào)文，其只能通過(guò)快速重傳機(jī)制來(lái)確保報(bào)文傳輸?shù)目煽啃?。如果此時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況較差，報(bào)文的快速重傳會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)狀況惡化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致大量關(guān)鍵報(bào)文丟失甚至網(wǎng)絡(luò)崩潰。

3 GOOSE over TCP傳輸方式

針對(duì)現(xiàn)有GOOSE傳輸方式的不足，本文研究基于TCP協(xié)議的GOOSE報(bào)文傳輸方案。該方案可實(shí)現(xiàn)GOOSE報(bào)文的跨網(wǎng)交互，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便，且能夠保證GOOSE報(bào)文傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

GOOSE over TCP的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示，在應(yīng)用層生成的GOOSE PDU經(jīng)表示層ASN.1基本編碼規(guī)則編碼后映射至傳輸層的TCP協(xié)議，在IP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。利用IP層和MAC層的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，可使GOOSE報(bào)文優(yōu)先通過(guò)。

將GOOSE映射到TCP協(xié)議可以充分利用TCP自身的傳輸機(jī)制(如超時(shí)重傳、流量控制及差錯(cuò)校驗(yàn)等)來(lái)確保報(bào)文的正確、可靠傳輸。當(dāng)配電網(wǎng)通信環(huán)境較差時(shí)，其無(wú)需快速重傳機(jī)制即可保證GOOSE報(bào)文的傳輸可靠性，避免在網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)加劇網(wǎng)絡(luò)狀況惡化。此外，應(yīng)用TCP協(xié)議傳輸GOOSE報(bào)文實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的跨網(wǎng)段傳輸，便于GOOSE在配電自動(dòng)化中的推廣應(yīng)用。

圖3 GOOSE over TCP傳輸協(xié)議棧

4 改善GOOSE over TCP傳輸實(shí)時(shí)性的措施

由于TCP協(xié)議是基于連接的，通信雙方建立連接的過(guò)程需耗費(fèi)時(shí)間，將影響GOOSE報(bào)文的傳輸實(shí)時(shí)性。為了提高GOOSE over TCP的傳輸性能，本文給出了3種優(yōu)化措施，使其既能保證報(bào)文傳輸?shù)目煽啃杂帜軌虼_保報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

4.1 優(yōu)先處理措施

采用TCP協(xié)議傳輸GOOSE報(bào)文時(shí)，存在智能終端處理報(bào)文的延時(shí)以及在交換機(jī)內(nèi)部排隊(duì)緩沖的延時(shí)。通過(guò)提高GOOSE報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，使其優(yōu)先得到處理，則可以減少這兩種延時(shí)[14-16]。

目前生產(chǎn)的STU一般都采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)優(yōu)先處理的任務(wù)調(diào)度策略。在編寫(xiě)程序時(shí)，將GOOSE的發(fā)送、接收以及打包、解包處理報(bào)文設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，則可以在終端繁忙時(shí)使這些任務(wù)優(yōu)先得到處理，從而減少了GOOSE報(bào)文在STU內(nèi)部等待處理的時(shí)間，加快GOOSE報(bào)文處理速度。

現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)大多采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、排隊(duì)輸出的調(diào)度策略來(lái)減少數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)內(nèi)的沖突。選擇支持報(bào)文優(yōu)先處理的交換機(jī)，將傳輸GOOSE報(bào)文的TCP協(xié)議數(shù)據(jù)包設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，則可以使其在交換機(jī)繁忙時(shí)優(yōu)先得到轉(zhuǎn)發(fā)處理，減少報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)部緩沖排隊(duì)的延時(shí)。

4.2 關(guān)閉TCP協(xié)議的Nagle算法

為了充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，TCP協(xié)議總是希望能夠發(fā)送足夠大的數(shù)據(jù)。在默認(rèn)情況下TCP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用Nagle 算法。該算法將一些小報(bào)文存至緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)填滿(mǎn)后一起發(fā)送，從而減少了發(fā)送次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。分布式控制應(yīng)用中GOOSE報(bào)文主要用于傳輸控制命令以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等較小的數(shù)據(jù)報(bào)文，采用Negal算法將增加其等待發(fā)送的時(shí)間，降低傳輸實(shí)時(shí)性。通過(guò)設(shè)置setsockopt()函數(shù)中的TCP_NODELAY選項(xiàng)可以關(guān)閉Nagle 算法[17]。此時(shí)，應(yīng)用程序向內(nèi)核遞交的每個(gè)報(bào)文都會(huì)立即發(fā)送出去，減少了GOOSE報(bào)文在STU內(nèi)等待發(fā)送的時(shí)間，提高了其傳輸實(shí)時(shí)性。

關(guān)閉TCP協(xié)議Nagle算法降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，但由于該設(shè)置僅針對(duì)于GOOSE over TCP，且配網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中GOOSE報(bào)文數(shù)量占總通信量的比重不大，因此其對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的影響較小。

4.3 保持TCP連接

終端之間使用TCP協(xié)議通信時(shí)，每次傳輸數(shù)據(jù)之前都需要先建立連接。該過(guò)程需要進(jìn)行“三次握手”，而每次“握手”都要進(jìn)行一次短報(bào)文的發(fā)送，因此建立連接過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間較多。如每次數(shù)據(jù)傳輸后都關(guān)閉連接，則固有的連接建立時(shí)間將會(huì)對(duì)報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性產(chǎn)生較大影響。由于GOOSE在無(wú)事件發(fā)生時(shí)仍需發(fā)送心跳報(bào)文且時(shí)間間隔很短，如果通信雙方在完成一次通信后不關(guān)閉連接，以后的數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸延時(shí)將縮短為原來(lái)的1/2左右。保持TCP連接需要占用一部分STU內(nèi)部資源，在默認(rèn)情況下單臺(tái)服務(wù)器最多可同時(shí)建立并保持2000個(gè)TCP連接，而對(duì)于某一特定饋線(xiàn)上的分布式保護(hù)控制來(lái)講其所涉及的關(guān)聯(lián)站點(diǎn)數(shù)較少(一般為幾個(gè)到幾十個(gè))，因此保持TCP連接所占用的STU內(nèi)部資源很少。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建

測(cè)試平臺(tái)是由光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、STU(山東科匯PZK-360H智能配電終端)、PC機(jī)、單模光纖、屏蔽雙絞線(xiàn)以及相關(guān)應(yīng)用軟件組成的百兆光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，其總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。為防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，將交換機(jī)1與交換機(jī)2以及交換機(jī)7與交換機(jī)8的直連光纖鏈路端口設(shè)置為阻塞態(tài)，即正常運(yùn)行狀態(tài)下子網(wǎng)1中交換機(jī)1與交換機(jī)2直連光纖鏈路中無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，子網(wǎng)2中的交換機(jī)7與交換機(jī)8的直連光纖鏈路中亦無(wú)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的通信鏈路發(fā)生故障時(shí)，處于阻塞狀態(tài)的端口自動(dòng)轉(zhuǎn)換為連通狀態(tài)，相應(yīng)的光纖鏈路投入運(yùn)行，從而起到了通信鏈路“自愈”的功能。

圖4 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4中STU1與STU2用于收發(fā)GOOSE報(bào)文的測(cè)試。為模擬配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的不同運(yùn)行狀態(tài)，利用PC3和PC5、PC4分別以不同速率給主站PC1、主站PC2發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率(以下稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率)。此外，可利用交換機(jī)的端口鏡像功能以及Wireshark軟件動(dòng)態(tài)查看PC3、PC4和PC5在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的總通信流量的變化狀況。

5.2 影響報(bào)文傳輸延時(shí)的因素的測(cè)試分析

基于圖4所示的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)報(bào)文大小、經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率這三種因素對(duì)傳輸延時(shí)的影響進(jìn)行了測(cè)試分析。

5.2.1 報(bào)文大小的影響

將STU1和STU2接于同一個(gè)交換機(jī)上，在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)其他通信流量時(shí)STU1與STU2之間應(yīng)用TCP協(xié)議每隔2 ms發(fā)送一包GOOSE數(shù)據(jù)，不同大小的報(bào)文各發(fā)送10000包，傳輸延時(shí)統(tǒng)計(jì)如圖5。

圖5 報(bào)文大小對(duì)傳輸延時(shí)的影響

由圖5可知，當(dāng)發(fā)送報(bào)文小于800字節(jié)時(shí)，通信報(bào)文大小對(duì)GOOSE over TCP的傳輸實(shí)時(shí)性影響不大；當(dāng)報(bào)文大于800字節(jié)時(shí)，隨著報(bào)文長(zhǎng)度的增加，其傳輸延時(shí)逐漸增大。

配電網(wǎng)中，保護(hù)報(bào)文較小，一般不超過(guò)300字節(jié)，而實(shí)際工程中的GOOSE報(bào)文最大長(zhǎng)度也不超過(guò)6106 bits(即752字節(jié))[18-20]。為使測(cè)試結(jié)果具有代表性，以下測(cè)試中均采用752字節(jié)大小的GOOSE報(bào)文且發(fā)送間隔均取2 ms。

5.2.2 經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的影響

分別將STU2連接到交換機(jī)2、3、4、1，并在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)其他通信流量時(shí)STU1與STU2之間應(yīng)用TCP協(xié)議在每個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)下各發(fā)送10000包GOOSE報(bào)文。延時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 經(jīng)過(guò)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)的傳輸延時(shí)

從表1可知，應(yīng)用TCP協(xié)議傳輸GOOSE報(bào)文時(shí)每多經(jīng)過(guò)一個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)其傳輸延時(shí)約增加0.1 ms。一次分布式智能控制操作所涉及的節(jié)點(diǎn)數(shù)有限，因此該部分延時(shí)對(duì)報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性的影響較小。

5.2.3 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的影響

仍然基于圖4所示的測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)PC3、PC5和主站PC1、PC4和主站PC2之間以不同速率發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文來(lái)模擬配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的不同運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率對(duì)報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性的影響。

(1) 恒定網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況

配電網(wǎng)中無(wú)突發(fā)事件時(shí)，其通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量基本恒定。利用PC3和PC5以不同速率向主站PC1發(fā)送報(bào)文，產(chǎn)生不同的恒定網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。同時(shí)，STU1向STU2應(yīng)用TCP協(xié)議發(fā)送10000包GOOSE報(bào)文，測(cè)得不同場(chǎng)景下報(bào)文傳輸延時(shí)如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率對(duì)傳輸延時(shí)的影響

由圖6可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率小于50%時(shí)，報(bào)文的平均傳輸延時(shí)≤2 ms，且受影響較小。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率超過(guò)50%時(shí)，隨著其逐漸增加報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性受到的影響越來(lái)越大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率達(dá)到90%時(shí)，報(bào)文傳輸延時(shí)已受到嚴(yán)重影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率達(dá)到95%左右時(shí)，GOOSE報(bào)文傳輸延時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：最大值為13.210 ms，最小值為1.521 ms，平均值為5.823 ms，其中傳輸延時(shí)超過(guò)10 ms的數(shù)據(jù)包占總數(shù)據(jù)量的0.05%。在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中已經(jīng)出現(xiàn)了傳輸延時(shí)超過(guò)10 ms的數(shù)據(jù)包，但其所占比重較少，并且配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載率一般不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間維持在95%左右，因此該傳輸方式能夠滿(mǎn)足配電網(wǎng)分布式控制應(yīng)用對(duì)關(guān)鍵報(bào)文傳輸延時(shí)不超過(guò)10 ms的要求。

(2) 突發(fā)型網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況

當(dāng)配電網(wǎng)中有突發(fā)事件(如短路故障)發(fā)生時(shí)，其通信網(wǎng)絡(luò)中將有大量的突發(fā)報(bào)文傳輸，如果終端間的大量突發(fā)報(bào)文同時(shí)到達(dá)交換機(jī)或路由器，有可能超過(guò)它們的處理轉(zhuǎn)發(fā)能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生丟包。

為模擬正常情況下通信子網(wǎng)2的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，利用PC5以恒定速率(30 Mbits/s)給主站PC1發(fā)送背景流量報(bào)文，PC3和PC4按圖7中的突發(fā)型網(wǎng)絡(luò)負(fù)載模型同時(shí)分別給主站PC1和主站PC2發(fā)送報(bào)文，以模擬通信子網(wǎng)1相應(yīng)區(qū)段有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)大量突發(fā)報(bào)文同時(shí)到達(dá)交換機(jī)或路由器的場(chǎng)景。

圖7 突發(fā)型網(wǎng)絡(luò)負(fù)載模型

在上述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件下利用STU1向STU2應(yīng)用TCP協(xié)議發(fā)送10000包GOOSE數(shù)據(jù)。測(cè)得的報(bào)文傳輸延時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：最大值為3.845 ms，最小值為1.365 ms，平均值為1.712 ms，方差為0.274，其延時(shí)概率分布如圖8。

圖中曲線(xiàn)之所以出現(xiàn)兩個(gè)峰值，主要是因?yàn)橥话l(fā)流量對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行帶來(lái)了一定的沖擊，對(duì)測(cè)試報(bào)文的傳輸實(shí)時(shí)性產(chǎn)生了較大的影響。

5.3 改善報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性措施的測(cè)試驗(yàn)證

以突發(fā)型網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況為例，測(cè)試本文中提出的改善報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性措施的效果，試驗(yàn)場(chǎng)景與突發(fā)型網(wǎng)絡(luò)負(fù)載測(cè)試環(huán)境保持一致。

圖8 突發(fā)型網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下傳輸延時(shí)概率分布

5.3.1 為報(bào)文添加優(yōu)先級(jí)

利用STU1向STU2應(yīng)用TCP協(xié)議同時(shí)發(fā)送加優(yōu)先級(jí)和未加優(yōu)先級(jí)的GOOSE報(bào)文，各發(fā)送10000包。傳輸延時(shí)對(duì)比如表2。

表2 添加優(yōu)先級(jí)前后延時(shí)對(duì)比

從表2中可以看出，添加優(yōu)先級(jí)標(biāo)記后報(bào)文的平均傳輸延時(shí)雖未明顯減小，但其最大值比沒(méi)加優(yōu)先級(jí)時(shí)的6.023減小了約1 ms，且延時(shí)分布方差也得到了相應(yīng)地改善。

5.3.2 關(guān)閉TCP協(xié)議Negal算法

STU1向STU2應(yīng)用TCP協(xié)議同時(shí)發(fā)送兩種類(lèi)型(關(guān)閉Negal算法和未關(guān)閉Negal算法)的GOOSE報(bào)文，各發(fā)送10000包。延時(shí)對(duì)比分析如表3。

表3 關(guān)閉Negal算法前后傳輸延時(shí)對(duì)比

由表3可知，關(guān)閉Negal算法后報(bào)文傳輸延時(shí)最大值較未采取優(yōu)化措施時(shí)減小了約0.7 ms，平均值減小至1.4 ms，其延時(shí)分布方差也有所改善，使延時(shí)分布更加集中。

5.3.3 保持TCP連接

保持STU1與STU2之間應(yīng)用TCP協(xié)議發(fā)送GOOSE數(shù)據(jù)前建立的連接不被關(guān)閉。STU1向STU6發(fā)送10000包GOOSE報(bào)文，統(tǒng)計(jì)傳輸延時(shí)，結(jié)果如表4。

表4 保持TCP連接前后延時(shí)對(duì)比

由表4可知，若不采取措施，報(bào)文最大傳輸延時(shí)已超過(guò)6 ms，通過(guò)保持雙方之間的TCP連接，可將最大延時(shí)減小2.02 ms，平均值降至1.420 ms，并減小了延時(shí)分布的方差，改善了報(bào)文傳輸延時(shí)抖動(dòng)。

5.3.4 綜合優(yōu)化

利用STU1向STU2應(yīng)用TCP協(xié)議同時(shí)發(fā)送采取優(yōu)化措施和未采取優(yōu)化措施的GOOSE報(bào)文，各發(fā)送10000包。延時(shí)對(duì)比分析如表5。

表5 綜合優(yōu)化前后傳輸延時(shí)對(duì)比

由表5可知，通過(guò)采取本文提出的優(yōu)化措施后，可以將報(bào)文最大延時(shí)減小3.933 ms，平均值降低了0.85 ms，且延時(shí)分布的方差由0.994減小至0.115，使延時(shí)分布更加集中，較好地改善了報(bào)文傳輸性能。優(yōu)化前后延時(shí)概率分布曲線(xiàn)對(duì)比如圖9。

圖9 綜合優(yōu)化前后延時(shí)概率分布對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式控制相鄰STU間快速、可靠地交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及控制命令，本文在分析現(xiàn)有GOOSE映射方式的基礎(chǔ)上，提出了GOOSE over TCP的傳輸方案。分析了報(bào)文傳輸延時(shí)影響因素，給出了改善報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性處理措施。試驗(yàn)測(cè)得，在通信網(wǎng)絡(luò)含有大量突發(fā)報(bào)文的惡劣環(huán)境中優(yōu)化后的GOOSE over TCP方案的最大傳輸延時(shí)約為2.4 ms，平均傳輸延時(shí)約為1.3 ms，可以滿(mǎn)足配電網(wǎng)分布式控制應(yīng)用對(duì)關(guān)鍵報(bào)文傳輸性能的要求。為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式控制相鄰STU間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及控制命令的快速對(duì)等交換提供了一種新的思路。

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(編輯 姜新麗)

Real-time data fast transmission technology for distributed control of distribution network

CHEN Xiaojie1, XU Bingyin1, 2, CHEN Yu1, FAN Kaijun3, ZHANG Xinhui1

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. Shandong Kehui Power Automation Co., Ltd., Zibo 255087, China; 3. School of Electrical Engineering,Shandong University, Jinan 250061, China)

For realizing the real-time peer-to-peer communication and interoperability between the distributed control application related sites Smart Terminal Units (STUs), the GOOSE (Generic Object—Oriented Substation Event) could be used to transfer real-time data and commands among STUs. Based on the analysis of the existing mapping mode of GOOSE, a GOOSE mapped to TCP transmission mechanism (GOOSE over TCP) is proposed. The implementation method and the improvement measures to increasing the real-time of GOOSE over TCP are given. The main factors that affecting transmission delay are analyzed. In the harsh environment which is full of the burst network message, after taking the improvement measures, the maximum transmission delay of GOOSE over TCP communication is about 2.4 ms, the average delay is about 1.3 ms, which could satisfy the needs of distributed control applications in distribution network. This work is supported by National High-tech R & D Program of China (No. 2015AA050202).

distribution automation; distributed control; GOOSE; GOOSE over TCP

10.7667/PSPC151594

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015AA050202)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(PDB17201500073)

2015-09-07；

2016-03-04

陳曉杰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化；E-mail: chenxiaojie.1900@163.com 徐丙垠(1961-)，男，通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)、配電自動(dòng)化、電力系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)；E-mail：xuby@vip.163.com 陳 羽(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化及電力系統(tǒng)故障定位。