基于端對端延時特性分析的智能變電站“四網(wǎng)合一”方案的探討

王義軍，石涵天，李育發(fā)，胡可為，張繼國，許 鐸

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130021；3.國網(wǎng)長春供電公司，吉林 長春 130000)

近年來，隨著國家電網(wǎng)公司“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略的提出，我國電網(wǎng)的發(fā)展方式正發(fā)生著巨大的改變，從電力覆蓋的各個環(huán)節(jié)，包括發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)等方面都在沿著智能化的趨勢上發(fā)生著不同程度的技術(shù)革新[1]，等到各環(huán)節(jié)智能化技術(shù)的不斷成熟，傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行方式勢必將會發(fā)生根本性的改變，“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的宏偉藍(lán)圖也必將實(shí)現(xiàn).

作為承擔(dān)變電功能的電網(wǎng)環(huán)節(jié)，變電站在智能電網(wǎng)的建設(shè)中起著非常重要的作用，變電站是連接發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、用戶等關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，它的智能化實(shí)施很大程度上決定了整個智能電網(wǎng)建設(shè)的質(zhì)量[2～3].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，信息化已經(jīng)融入到社會的各個行業(yè)，電力行業(yè)也不例外，而這也正是支撐“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的技術(shù)基礎(chǔ)，在變電站發(fā)展領(lǐng)域出現(xiàn)了從傳統(tǒng)變電站到數(shù)字化變電站的轉(zhuǎn)變，尤其是IEC 61850規(guī)約的引入，使得變電站智能化的程度進(jìn)一步提高，并在實(shí)際的智能變電站建設(shè)工程中取得了卓越的成就[4].

1 智能變電站簡介

按照國家電網(wǎng)相關(guān)文件說明，智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成和環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和檢測等基本功能，同時，具備支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動等高級功能的變電站[5].按照目前國內(nèi)工程實(shí)施規(guī)范來講，其系統(tǒng)通常采用“三層兩網(wǎng)”式結(jié)構(gòu)[6]，如圖1所示.

圖1 智能變電站的“三層兩網(wǎng)”式結(jié)構(gòu)

“三層”指的是站控層、回隔層及過程層.

站控層：包括監(jiān)控主機(jī)、工程師站、操作員站、遠(yuǎn)動通信裝置、時鐘同步裝置等，主要對間隔層和過程層設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)測和控制，為變電站運(yùn)行提供人機(jī)交互界面，實(shí)時查看和管理站內(nèi)信息，此外還完成與其它變電站、調(diào)度中心等的遠(yuǎn)方通信.

間隔層：包括保護(hù)、測控、計(jì)量、錄波等，主要負(fù)責(zé)接受過程層傳輸?shù)碾姎饬?、開關(guān)量、模擬量等進(jìn)行處理后完成同層之間信息的交流、向上層的信息上送、向下層控制命令的下傳等，要求即使在與站控層通信異常的狀態(tài)下，仍能配合過程層設(shè)備確保一次設(shè)備的就地監(jiān)控.

過程層：包括電子互感器、合并單元、智能終端等，能完成實(shí)時運(yùn)行時的電氣量采集、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、遙控命令的執(zhí)行等與一次設(shè)備相關(guān)的功能.

“兩網(wǎng)”指的是站控層網(wǎng)和過程層網(wǎng).

站控層網(wǎng)：采用客戶端/服務(wù)器通信模式，在站控層設(shè)備和間隔層設(shè)備之間傳送MMS(制造報文規(guī)范)報文，主要完成Report(報告服務(wù))、Control(控制服務(wù))、SG(定值服務(wù))、File(文件傳輸服務(wù))等.

過程層網(wǎng)：采用發(fā)布方/訂閱者通信模式，允許一對多的直接通信，數(shù)據(jù)量大且實(shí)時性要求較高，在間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備之間傳送SV(采樣值)報文、GOOSE(面向通用對象的變電站事件)報文，主要完成實(shí)時的電氣量采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等.

智能變電站基于網(wǎng)絡(luò)中不同信息類型的傳輸特點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)分開的“三層兩網(wǎng)”式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于保證站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性，這對變電站的正常運(yùn)行而言是十分重要的，尤其對220 kV及以上更高電壓等級的變電站，其系統(tǒng)規(guī)模和在電網(wǎng)的重要性決定了采用這種結(jié)構(gòu)才能在實(shí)時性和可靠性方面分配更高的權(quán)重[7].

2 智能變電站“四網(wǎng)合一”

“三層兩網(wǎng)”的優(yōu)點(diǎn)在較高電壓等級的變電站配置上十分必要和突出，但在低一級的變電站中，由于其系統(tǒng)規(guī)模和在電網(wǎng)的重要性相對比較弱化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)有所偏移，可在保證系統(tǒng)可靠性和實(shí)時性的基礎(chǔ)上嘗試在改善通信性能方面對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[8].從智能變電站定義中共享標(biāo)準(zhǔn)化的要求考慮，“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)中站內(nèi)信息共享并未達(dá)到最大化，對站內(nèi)不同設(shè)備間的信息交流、站域保護(hù)等需具備全局視角的功能形成局限，影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此有必要提出具有更高共享化水平的設(shè)計(jì)方案.

基于IEC 61850的GOOSE、SV、MMS均可在以太網(wǎng)傳輸，有著廣泛發(fā)展前景的IEEE 1588對時相較SNTP對時和B碼對時具有更高的精度，也可在以太網(wǎng)中傳輸，再加上交換機(jī)技術(shù)和VLAN技術(shù)等發(fā)展，使得“四網(wǎng)合一”成為可能，為在同一個網(wǎng)絡(luò)傳輸各種數(shù)據(jù)報文實(shí)現(xiàn)全站信息共享提供了技術(shù)支撐.

智能變電站站內(nèi)GOOSE、SV、MMS、IEEE 1588“四網(wǎng)合一”的最大特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)全站信息共享，不同設(shè)備在通信上無縫連接，便于多個設(shè)備完成實(shí)時可靠的互聯(lián)操作和跨間隔、跨層次信息的直接訪問.而且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加清晰明了，方便工作人員對系統(tǒng)的掌握、檢修和運(yùn)維等工作.此外，還可以大大減少光纖投資和交換機(jī)端口數(shù)量，對系統(tǒng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性也有所提高.

3 端對端延時特性分析

由于“四網(wǎng)合一”要求四種數(shù)據(jù)報文均在一個共享的物理網(wǎng)中傳輸，如此相較原先網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的流量勢必會有所增加，而鏈路或設(shè)備中網(wǎng)絡(luò)流量的增加可能會導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時性的下降，因此有必要先分析一下網(wǎng)絡(luò)中端對端延時的組成及其基本原理，以便提前了解后續(xù)組網(wǎng)方案在仿真時的基本依據(jù).

圖2 數(shù)據(jù)包端對端延時模型

端對端延時嚴(yán)格地描述為一個數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層發(fā)出時到目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層完全收到時的這段時間[9].數(shù)據(jù)包傳輸?shù)亩藢Χ搜訒r模型，如圖2所示.在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼麄€過程中，在以下所述的任何一個環(huán)節(jié)都可能存在延時.

3.1 源節(jié)點(diǎn)發(fā)送前的處理延時

源節(jié)點(diǎn)發(fā)送前的處理延時包含tsa、tst、tse三個部分.tsa是指報文在源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層被分解所需要的時間，其值由原始數(shù)據(jù)幀的長度和應(yīng)用層所允許的最大數(shù)據(jù)包長度決定；tst是指數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層添加附加TCP/IP報文頭所需要的時間；tse是指數(shù)據(jù)在MAC(介質(zhì)訪問控制)層添加附加報文頭所需要的時間.

3.2 目的節(jié)點(diǎn)收到后的處理延時

目的節(jié)點(diǎn)收到后的處理延時包含tra、trt、tre三個部分.tre是指數(shù)據(jù)在MAC層去除附加報文頭的時間；trt是指數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層去除附加TCP/IP報頭的時間；tra是指在目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層被重新組裝成報文所需要的時間[10].

3.3 交換機(jī)延時

交換機(jī)延時ts指的是數(shù)據(jù)包被交換機(jī)接收后再次發(fā)送所需要的時間，其大小與交換的傳送策略和數(shù)據(jù)交換率相關(guān).

3.4 鏈路延時

鏈路延時tl指的是數(shù)據(jù)包從離開源節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口的這段時間(其中不包含交換機(jī)延時).鏈路延時又可細(xì)分為排隊(duì)延時tque，傳輸延時ttra和傳播延時tpro[11].

tque指的是數(shù)據(jù)包在將被源節(jié)點(diǎn)發(fā)送時排隊(duì)所占用的時間，取決于通信媒質(zhì)的訪問和控制方法.

ttra指的是從數(shù)據(jù)包的第一個比特被源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到最后一個比特被源節(jié)點(diǎn)發(fā)出所用的時間，取決于數(shù)據(jù)包大小和傳輸速率.

tpro指的是從數(shù)據(jù)包最后一個比特被源節(jié)點(diǎn)發(fā)出后到第一個比特被目的節(jié)點(diǎn)收到所用的時間(不包括交換機(jī)延時)，取決于傳播距離(即源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離)和傳播速度.

4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建模

按照變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一般性設(shè)計(jì)和“四網(wǎng)合一”的特點(diǎn)、要求，另外考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，可能會為了提高可靠性而配置雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但雙網(wǎng)之間彼此獨(dú)立，所以只討論一個即可.本文選擇討論星型拓?fù)?、級?lián)型拓?fù)浜铜h(huán)型拓?fù)?

基于OPNET軟件在網(wǎng)絡(luò)性能評估方面表現(xiàn)出的突出性能，本文選擇在OPNET中創(chuàng)建要討論的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型[12].三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均采用五個交換機(jī)和外聯(lián)設(shè)備組合而成，其中四個各聯(lián)四個IED(智能電子設(shè)備)，表示變電站一個間隔基本配置包含的合并單元、智能終端、保護(hù)和測控，剩下一個聯(lián)一個IED，表示監(jiān)控主機(jī)，或者稱為人機(jī)接口(HMI).

4.1 星型拓?fù)?/h3>

星型拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)，如圖3所示.每個連接合并單元、智能終端、保護(hù)和測控的交換機(jī)直接和一個通用的以太網(wǎng)交換機(jī)(Switch_0)連接，這種結(jié)構(gòu)的報文傳輸延時因?yàn)樗?jīng)路徑涵蓋的交換機(jī)少而通?？梢詽M足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是也正因?yàn)樗蠭ED都與一個中心交換機(jī)相連，而中心交換機(jī)易收到變電站環(huán)境條件和電磁接口條件的影響，因此系統(tǒng)的可靠性會降低.

圖3 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

4.2 級聯(lián)型拓?fù)?/h3>

級聯(lián)型拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)，如圖4所示.每個交換機(jī)都與前一個和后一個交換機(jī)通過其中一個端口連接在一條級聯(lián)線上(兩端的交換機(jī)除外)，報文傳輸?shù)难訒r在經(jīng)過級聯(lián)型交換機(jī)時會發(fā)生疊加，因此級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大交換機(jī)數(shù)目取決于系統(tǒng)所能夠容忍的最大延時.這種結(jié)構(gòu)可以滿足所能允許的延時，在中心交換機(jī)故障時，其他三個仍能互相保持通信，因而較星型拓?fù)溆懈叩目煽啃?，但沒有網(wǎng)絡(luò)冗余.

圖4 級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型圖5 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

4.3 環(huán)型拓?fù)?/h3>

環(huán)型拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)，如圖5所示.在級聯(lián)型拓?fù)涞幕A(chǔ)上將首尾兩端的交換機(jī)也連接起來形成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，但是報文在傳輸時如果流經(jīng)環(huán)路可能會產(chǎn)生無盡的循環(huán)，因此要求交換機(jī)必須支持RSTP(快速生成樹協(xié)議)，該協(xié)議能夠從環(huán)路循環(huán)中檢測出死循環(huán)和內(nèi)部堵塞報文，在毫秒級范圍內(nèi)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時允許重新配置.這種結(jié)構(gòu)與級聯(lián)型拓?fù)湎啾扔邢嘟难訒r性能，經(jīng)濟(jì)性和復(fù)雜性確有所增加，但是對所有IED來講有很好的冗余，兩條路徑的其中一條鏈路斷接后仍然能完成通信.

5 仿真結(jié)果和討論

結(jié)合實(shí)際變電站的信息流向和“四網(wǎng)合一”的測試要求，仿真場景設(shè)定為合并單元、智能終端分別向同一交換機(jī)的保護(hù)、測控發(fā)送數(shù)據(jù)，同時所有保護(hù)、測控均向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣計(jì)及各個端對端延時在仿真時表現(xiàn)為全局性的網(wǎng)絡(luò)延時.

本部分先分別對星型、級聯(lián)型、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓煌瑪?shù)據(jù)包大小下的網(wǎng)絡(luò)延時進(jìn)行縱向比較，然后再對相同數(shù)據(jù)包大小下三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延時作橫向比較，根據(jù)相應(yīng)的仿真結(jié)果做出分析討論.

星型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時，如圖6所示.數(shù)據(jù)包大小從上到下依次是1024字節(jié)、512字節(jié)、256字節(jié)、128字節(jié)，仿真時間為200秒.由仿真結(jié)果顯然可以得出，延時的大小隨著數(shù)據(jù)包的不斷變大也在不斷增加，當(dāng)數(shù)據(jù)包選擇最大為1024字節(jié)進(jìn)行仿真時，延時達(dá)到5.3毫秒，已經(jīng)超過了4毫秒的一般要求；當(dāng)數(shù)據(jù)包大小是512字節(jié)時，延時則十分接近4毫秒的臨界值；而當(dāng)數(shù)據(jù)包大小為128字節(jié)、256字節(jié)時，其延時均在4毫秒以下.

圖6 星型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時圖7 級聯(lián)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時

級聯(lián)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時，如圖7所示.數(shù)據(jù)包大小從上到下依次是1024字節(jié)、512字節(jié)、256字節(jié)、128字節(jié).四種情況下的延時均在110秒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同樣的隨著數(shù)據(jù)包大小的不斷變大，延時也不斷增加；當(dāng)數(shù)據(jù)包大小是1024字節(jié)時，延時為4.56毫秒，已經(jīng)超過了4毫秒的一般要求；當(dāng)數(shù)據(jù)包大小為128字節(jié)、256字節(jié)、512字節(jié)時，延時均在4毫秒以下，且較星型網(wǎng)同等數(shù)據(jù)包大小表現(xiàn)出更好的延時性能.

環(huán)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時，如圖8所示.數(shù)據(jù)包大小從上到下依次是1024字節(jié)、512字節(jié)、256字節(jié)、128字節(jié).很顯然，依然是隨著數(shù)據(jù)包大小的不斷變大，延時在不斷增加；當(dāng)數(shù)據(jù)包大小是1024字節(jié)時，延時為4.54毫秒，已經(jīng)超過了4毫秒的一般要求；當(dāng)數(shù)據(jù)包大小為128字節(jié)、256字節(jié)、512字節(jié)時，延時均在4毫秒以下，且較級聯(lián)型網(wǎng)同等數(shù)據(jù)包大小在延時性能上又有稍微的改善.

圖8 環(huán)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時圖9 星型、級聯(lián)型、環(huán)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時比較

傳輸256字節(jié)時的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時比較，如圖9所示.從上到下依次為星型拓?fù)?、級?lián)型拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)?環(huán)型拓?fù)湟?.7毫秒的延時在三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出最好的延時性能；級聯(lián)型拓?fù)涞难訒r性能稍差，延時為2.8毫秒；而星型拓?fù)溆捎谒蠭ED均與一個中心交換機(jī)相連造成延時最高，延時為3毫秒.

6 結(jié) 論

實(shí)時性作為一個系統(tǒng)的重要指標(biāo)，是智能變電站在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時必須考慮的關(guān)鍵因素之一，本文對“四網(wǎng)合一”方案可能采用的不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行系統(tǒng)建模，給出不同數(shù)據(jù)包大小下對應(yīng)拓?fù)涞难訒r仿真結(jié)果，并對相同數(shù)據(jù)包大小下不同拓?fù)涞难訒r仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，得出隨著數(shù)據(jù)包大小的增大，各種拓?fù)涞难訒r也在不斷增大，而相較相同數(shù)據(jù)包大小下其它拓?fù)涞难訒r，環(huán)型拓?fù)鋭t表現(xiàn)出更好的延時性能.

此外就可靠性而言，環(huán)型拓?fù)錇椴煌O(shè)備間的通信提供了兩條路徑，對比其他方案有著很好的冗余處理，因此，“四網(wǎng)合一”技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用宜選擇環(huán)型拓?fù)浞桨?