時間敏感技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的研究

李 琦，完顏紹澎，顧舒嫻，于 佳

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇 南京 210000；3.南京蘇逸實(shí)業(yè)有限公司科技信息網(wǎng)絡(luò)分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

世界能源消費(fèi)的持續(xù)增長以及環(huán)境污染的不斷加重促進(jìn)了分布式電源的廣泛應(yīng)用。虛擬電廠（VPP）、儲能云、微網(wǎng)等通過先進(jìn)的通信技術(shù)和控制策略為分布式電源運(yùn)行管理提供了現(xiàn)實(shí)可行的解決方案，可充分發(fā)揮分布式電源效益，提高用戶供電可靠性，解決分布式電源并網(wǎng)的控制調(diào)度問題。當(dāng)前源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控主要為集中式調(diào)控，此類集中控制的手段，就要求對涉及分布式運(yùn)行的每一個單位信息達(dá)到完整地掌握，同時，其操作設(shè)置應(yīng)滿足當(dāng)?shù)胤植际较到y(tǒng)的變化需求［1］。

然而，大量風(fēng)力、光伏等不可控分布式電源的出力受自然影響較大，實(shí)際輸出存在很大的隨機(jī)性與波動性，如果不及時加以引導(dǎo)和控制，會造成供電可靠性降低等問題；其次，由于電能不能大量存儲的特性，高滲透率分布式電源接入電網(wǎng)后，需要即發(fā)即用，如果沒有及時啟用相應(yīng)容量的電力負(fù)荷，只能棄風(fēng)棄光，造成大量可再生能源的浪費(fèi)［2-3］；最后，分布式能源接入存在接入點(diǎn)多、接入距離遠(yuǎn)近不一、接入規(guī)約雜等問題，造成整個系統(tǒng)同步運(yùn)行可靠性低［4-5］，時鐘的可信度差，進(jìn)一步影響集中調(diào)控效率和質(zhì)量。綜上所述，分布式能源中時間系統(tǒng)的運(yùn)行水平和數(shù)據(jù)采集的同步性已經(jīng)成為源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控水平進(jìn)一步提升的瓶頸。

因此，提出基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱TSN）的技術(shù)方案，研制采用TSN 技術(shù)的以太網(wǎng)設(shè)備，令分布式能源調(diào)控任務(wù)中的所有采樣數(shù)據(jù)處在同一個時間斷面下，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的時間／時序可測量、可預(yù)測，為公司建立高效、低成本的源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心提供重要技術(shù)支撐。成果可推廣應(yīng)用至全國源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 時間可預(yù)測性模型

通過對分布式新能源、儲能、可控負(fù)荷等多種智能電網(wǎng)應(yīng)用場景的系統(tǒng)分析和功能需求分析，明確電力信息與通信技術(shù)如何更好地支撐分布式新能源的調(diào)控與有效利用。

1.1 分布式能源調(diào)控業(yè)務(wù)差異化需求

1）技術(shù)場景分析。以微網(wǎng)、主動配電網(wǎng)、虛擬發(fā)電廠和儲能云4 種分布式能源調(diào)控技術(shù)為研究對象，對各種技術(shù)場景進(jìn)行分析，描述各類技術(shù)場景的功能體系。

2）調(diào)控流程分析。圍繞分布式能源運(yùn)行管理的主要目標(biāo)，建立各功能的調(diào)控流程，明確功能模塊間的相互關(guān)系，描述功能間的相互依賴和影響程度。

3）信息系統(tǒng)交互過程分析。根據(jù)功能體系框架和調(diào)控流程，設(shè)計信息應(yīng)用系統(tǒng)，并概要設(shè)計各信息系統(tǒng)間的交互信息內(nèi)容和規(guī)模，為通信需求分析提供條件和參考依據(jù)。

4）通信業(yè)務(wù)需求分析。在建立了信息系統(tǒng)交互過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確各系統(tǒng)間通信業(yè)務(wù)類別，并以格式化的形式給出通信業(yè)務(wù)需求的QoS 描述模板。

5）時間約束。以通信業(yè)務(wù)的QoS 參數(shù)為基礎(chǔ)，提煉抽象與傳輸時間相關(guān)的參數(shù)，構(gòu)建時間約束條件函數(shù)。在后續(xù)的研究過程中，時間約束條件函數(shù)不僅作為分布式能源調(diào)控場景下多主體雙向?qū)崟r通信業(yè)務(wù)的時間質(zhì)量描述方式，還作為通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)函數(shù)。

1.2 分布式能源調(diào)控的時序動態(tài)特征

1）調(diào)控過程場景選擇。分布式能源調(diào)控場景非常多，首要工作是在眾多的調(diào)控場景中選擇最恰當(dāng)、最具代表性的場景作為研究對象。調(diào)控場景的選擇原則包括：重要性、關(guān)鍵性、嚴(yán)苛性、普遍性、全面性以及可實(shí)現(xiàn)性。

2）調(diào)控過程特征描述。調(diào)控過程是多個信息實(shí)體相互作用的過程，比較恰當(dāng)?shù)奶卣髅枋龇椒ㄊ菚r間序列模型。采用時間序列對調(diào)控過程的特征進(jìn)行描述，可以有效分析分布式能源管理控制的基本屬性。

3）網(wǎng)絡(luò)事件映射。在物理層面，時間序列描述的是分布式能源管理控制的調(diào)控過程，然而，在信息層面，時間序列描述的是信息系統(tǒng)各類消息在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸事件及其傳輸事件的特征［6］。因此，把描述調(diào)控過程特征的時間序列，映射到通信網(wǎng)中，形成網(wǎng)絡(luò)事件特征描述的時間序列。在映射過程中，信息物理融合系統(tǒng)的相關(guān)理論是研究基礎(chǔ)。

4）時間序列的相關(guān)性和并發(fā)性分析。通過信息物理融合系統(tǒng)原理的特征映射，調(diào)控過程特征表示為網(wǎng)絡(luò)事件的時間序列。根據(jù)分布式能源調(diào)控過程，本項目研究各類時間序列的相互關(guān)系。對時間序列進(jìn)行時間尺度上的相關(guān)性分析，可以得到調(diào)控過程的事件相關(guān)性；對時間序列進(jìn)行空間尺度上的分析可以得到調(diào)控過程事件的并發(fā)性。

5）任務(wù)執(zhí)行過程影響性分析。以調(diào)控過程的事件相關(guān)性和并發(fā)性為基礎(chǔ)，綜合研究分布式能源調(diào)控過程中，任務(wù)執(zhí)行過程的影響性。

1.3 時間／時序可預(yù)測的通信網(wǎng)絡(luò)模型

建立通信網(wǎng)絡(luò)模型并能夠在所建模型基礎(chǔ)上進(jìn)行事件時間和時序的預(yù)測，是分布式能源調(diào)控通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的必要前提［7］。通信網(wǎng)的建模需要考慮多個因素，其中包括：網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、分布式能源調(diào)控需求和時間預(yù)測方法。

網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)種類繁多，支持分布式能源調(diào)控的技術(shù)也很多?？紤]時間延遲特性，把網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)劃分為3 種時間分布類型，分別是專用通道、電路交換、分組交換。其中，專用通道包括：光纖、波分復(fù)用、無線和電力線等［8］。這種通道的延遲時間相對穩(wěn)定具有良好的特性，但是，資源利用率低、共享能力差、組網(wǎng)靈活性低、建設(shè)成本高。電路交換包括全部TDM 類型的鏈路，典型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是SDH。這種通道類型延遲時間較為穩(wěn)定，特性比較良好，資源利用率較高，共享能力較強(qiáng)，組網(wǎng)靈活性較低，是一種較為成熟的技術(shù)。分組交換技術(shù)適用于傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有組網(wǎng)靈活、資源利用率高，建設(shè)成本低的特點(diǎn)。此類技術(shù)的突出特點(diǎn)的延遲特性較差，不利于實(shí)時應(yīng)用。但是隨著技術(shù)進(jìn)步，分組交換技術(shù)有望成為實(shí)時通信業(yè)務(wù)的可選方案之一。

分布式能源的應(yīng)用場景不同，所采用的調(diào)控技術(shù)不同，具有差異化的通信業(yè)務(wù)需求，這使得通信網(wǎng)絡(luò)模型在建模時必須考慮這種差異化的影響。因此，通信模型需要考慮調(diào)控流程，流程中涉及的各個環(huán)節(jié)的時間需求及其參數(shù)，時間序列模式以及相關(guān)性和并發(fā)性。調(diào)控流程提供了通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)和規(guī)模性的基本參考信息，這也是通信網(wǎng)絡(luò)建模的前提。時間參數(shù)確定了網(wǎng)絡(luò)鏈路和節(jié)點(diǎn)的延時分布，這些參數(shù)決定了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成單元的時間屬性和特征。時間序列模式及其相關(guān)性和并發(fā)性，確定了網(wǎng)絡(luò)事件的行為模式，為時間預(yù)測提供支撐。

為了保證所建立通信網(wǎng)模型的準(zhǔn)確性和可用性，基于模型的時間預(yù)測和行為方針是必要環(huán)節(jié)。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，最終形成可用的通信網(wǎng)絡(luò)模型。為了保證分布式能源調(diào)控過程中各信息實(shí)體互操作的信息完整性，需要初步確定消息傳輸應(yīng)該遵循的通信規(guī)約。

2 源網(wǎng)儲荷協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度控制策略

源網(wǎng)儲荷協(xié)調(diào)控制的核心在于電網(wǎng)、電源、負(fù)荷（儲能）三側(cè)的可調(diào)節(jié)資源基于時間／時序精確預(yù)測有效充分地利用起來。在網(wǎng)側(cè)，控制系統(tǒng)“及時管理”；在源側(cè)，分布式電源的“及時參與”；在負(fù)荷側(cè)，實(shí)現(xiàn)柔性負(fù)荷的“及時響應(yīng)”。源-網(wǎng)-儲-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用基于時間敏感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度對接入元素信息的及時精確感知，通過收集全網(wǎng)各負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?、分布式電源的運(yùn)行工況以及儲能單元的電荷狀態(tài)信息等，根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標(biāo)時間顆粒度，得出有功功率全局優(yōu)化控制策略和無功功率全局優(yōu)化控制策略。源-網(wǎng)-儲-荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)的總體思路如圖1 所示。

圖1 源網(wǎng)儲荷協(xié)調(diào)優(yōu)化控制總體思路

3 海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)約轉(zhuǎn)換模型

在遠(yuǎn)程讀取測量值、可視化市場價格信號、監(jiān)控負(fù)荷曲線等智能計量技術(shù)的基礎(chǔ)上，源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心通過聚合需求側(cè)資源和分布式能源，實(shí)現(xiàn)智能能量管理和智能配電自動化。但是這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行海量的數(shù)據(jù)交換。典型通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控中心的核心部分是基于IEC 61970 的公共信息信息模型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含系統(tǒng)運(yùn)行所需要的全部信息。調(diào)控中心對下通信則是要面對如IEC 61850 等大量不同的規(guī)約，這些通信協(xié)議與IEC 61970 之間的海量信息轉(zhuǎn)換則通過統(tǒng)一規(guī)約轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，所以研究基于網(wǎng)管技術(shù)的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)約轉(zhuǎn)換模型是規(guī)約轉(zhuǎn)換器研發(fā)的關(guān)鍵。統(tǒng)一規(guī)約轉(zhuǎn)換模型需采用精準(zhǔn)時間斷面技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)的可預(yù)測網(wǎng)管技術(shù)，才能保證時間時序可測量、可預(yù)測。

分析時間敏感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧，開展TSN 關(guān)鍵機(jī)制研究，包括研究優(yōu)先級時間感知調(diào)度技術(shù)和同步傳輸周期與時間同步技術(shù)，以確保連接在網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)的時鐘同步，并達(dá)到微秒級的精度誤差；依據(jù)保護(hù)帶寬與幀搶占技術(shù)和流量整形技術(shù)，通過時間感知調(diào)度程序，為優(yōu)先級較高的時間敏感型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配特定的時間槽，并且要求在規(guī)定的時間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都必須優(yōu)先確保重要數(shù)據(jù)幀的通過；研究冗余路徑機(jī)制，結(jié)合對工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)特性與組網(wǎng)模式的研究，通過網(wǎng)絡(luò)管理和配置，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足設(shè)備節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)需求的各種變化提出基于TSN 的時間確定性工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)體系，建立面向分布式能源負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信平臺。

4 時間敏感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信設(shè)備研制

4.1 原型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

TSN 交換機(jī)除了硬件上應(yīng)用支持TSN 功能的芯片，更多依賴的是協(xié)議的支持，基于目前成熟的交換機(jī)技術(shù)平臺，通過C 語言實(shí)現(xiàn)TSN 功能協(xié)議，以獨(dú)立進(jìn)程形式運(yùn)行；基于已有平臺架構(gòu)和TSN 協(xié)議功能分析抽象出TSN 協(xié)議功能接口，結(jié)合現(xiàn)有軟件架構(gòu)進(jìn)行適配處理，以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。

基于交換機(jī)硬件芯片的過濾處理（Filter Processor，F(xiàn)P）功能，通過獨(dú)立的監(jiān)控管理進(jìn)程，按照配置、指令動態(tài)的識別提取邏輯鏈路特征信息，格式化下發(fā)邏輯鏈路規(guī)則信息給硬件芯片，進(jìn)程周期讀取邏輯鏈路信息，對讀取的邏輯鏈路信息進(jìn)行分析處理，對異常情況進(jìn)行記錄及告警上報。

基于多核CPU，采用軟件算法和FPGA 芯片結(jié)合的方式，根據(jù)系統(tǒng)配置對規(guī)約進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。由于網(wǎng)絡(luò)上需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的規(guī)約有時效性的要求，就需要規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備能夠快速處理，通過FPGA 芯片進(jìn)行報文的硬件識別，分發(fā)給多核芯片的相應(yīng)處理核，提供報文識別分發(fā)的效率，軟件算法上通過協(xié)議的映射對應(yīng)算法，快速處理報文規(guī)約轉(zhuǎn)換。

4.2 TSN 交換機(jī)原型樣機(jī)開發(fā)

圖3 硬件設(shè)計方案

綜合分析技術(shù)成熟度，經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，分析裝置的功能、性能，研究關(guān)鍵技術(shù)的軟硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，形成智能高實(shí)時網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行原理圖、PCB 設(shè)計、軟件代碼編寫和調(diào)試，完成裝置樣機(jī)的研制，并進(jìn)行完整的測試。系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計分別如圖3 和圖4 所示。

圖4 軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)基于linux 操作系統(tǒng)，交換機(jī)應(yīng)用功能以多進(jìn)程的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用功能、協(xié)議模塊通過適配管理模塊與芯片的驅(qū)動接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)語

分布式能源中時間系統(tǒng)的運(yùn)行水平和數(shù)據(jù)采集的同步性是源-網(wǎng)-儲-荷調(diào)控水平進(jìn)一步提升的瓶頸。針對此問題，提出基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案，研制采用TSN 技術(shù)的以太網(wǎng)設(shè)備，令分布式能源調(diào)控任務(wù)中的所有采樣數(shù)據(jù)處在同一個時間斷面下，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的時間／時序可測量、可預(yù)測，為建立高效、低成本的源網(wǎng)儲荷調(diào)控中心提供重要技術(shù)支撐。