時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)在智能變電站中的應(yīng)用研究

葉青華

摘 要： 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)在迅猛發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，人們生活質(zhì)量在不斷提高，智能變電站作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，高速通信網(wǎng)絡(luò)是其信息傳輸?shù)幕A(chǔ)。工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)承載IEC61850報(bào)文是智能變電站網(wǎng)絡(luò)的主要實(shí)現(xiàn)。但新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)固有的缺點(diǎn)是其無(wú)法滿足低延遲和低抖動(dòng)的傳輸要求，TSN作為一種新的時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠滿足這一需求。本文分析了TSN的特點(diǎn)，論述了其中智能變電站中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò);智能變電站;應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】TM71 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.133

引言：傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在一定空間范圍內(nèi)具備感知、數(shù)據(jù)處理以及通信功能的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成。由于其具有易于擴(kuò)展和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用在軍事和商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，如工業(yè)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集、目標(biāo)跟蹤、軍事偵察等。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳感器的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)時(shí)延等業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求。同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送功率和鏈路容量受限嚴(yán)重制約著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)資源管理是通過(guò)控制、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中鏈路容量和緩沖隊(duì)列等資源實(shí)現(xiàn)高服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器緩沖隊(duì)列調(diào)度不僅在資源分配中發(fā)揮重要作用，而且也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的主要途徑。因此，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效的資源管理算法對(duì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效管理和隊(duì)列調(diào)度具有重要意義。

1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景

現(xiàn)如今，人們對(duì)于確定性、低時(shí)延、高魯棒性的數(shù)據(jù)傳輸需求越來(lái)越大，尤其在控制系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G前傳、汽車內(nèi)網(wǎng)等場(chǎng)景中，有些關(guān)鍵流量的傳輸對(duì)于時(shí)效性非常敏感，需要及時(shí)而又準(zhǔn)確的送達(dá)。例如在工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相較于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)而言失效后果嚴(yán)重，穩(wěn)定性和確定性要求高，常常傳輸長(zhǎng)度相對(duì)較短的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)往返時(shí)間介于250μs～10ms。在5G傳輸領(lǐng)域，也提出URLLC（ultra-reliableandlowlatency）的使用場(chǎng)景。URLLC對(duì)穩(wěn)定性、延遲和可靠性要求極高。例如，數(shù)據(jù)在用戶平面內(nèi)的延遲不高于1ms，在控制平面內(nèi)的延遲不高于20ms，并且要求在1ms內(nèi)傳輸32位的協(xié)議單元數(shù)據(jù)的成功率不低于99.999%。為了解決這類數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界提出了眾多的解決方案，經(jīng)歷了從現(xiàn)場(chǎng)總線到工業(yè)以太網(wǎng)，再?gòu)墓I(yè)以太網(wǎng)到實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展。此外，開(kāi)放互連、開(kāi)源化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、可軟件定義化是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。通過(guò)相關(guān)組織機(jī)構(gòu)制定標(biāo)準(zhǔn)，可以讓更多的人參與技術(shù)討論，有利于技術(shù)的快速發(fā)展，并且打破不同解決方案之間的技術(shù)壁壘。

2 時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)在智能變電站中的應(yīng)用

2.1 智能數(shù)字變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建站內(nèi)通信體系，依靠IEC61850網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自傳感器和電力設(shè)備的數(shù)據(jù)，并在整個(gè)變電站中發(fā)送保護(hù)和控制命令?；贗EC61850的站內(nèi)通信體現(xiàn)分為三層：站控層：該層安裝有SCADA服務(wù)器和HMI工作站，也安裝有與相鄰變電站和調(diào)度中心信息傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備。間隔層：該層由智能電子設(shè)備（IED）組成。IED接收來(lái)自傳感器和一次設(shè)備的數(shù)據(jù)，以及在站控層發(fā)出控制命令。IED從站控層獲取命令，對(duì)過(guò)程層設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，并做控制決策，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌鸌ED或發(fā)送到SCADA系統(tǒng)進(jìn)一步處理。過(guò)程層：主要斷路器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備（CTS/VTs）等設(shè)備組成，這些設(shè)備測(cè)量變電站一次設(shè)備的電流、電壓和其他參數(shù)。由于電力生產(chǎn)的連續(xù)性和重要性，必須保證站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)通常采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用光纖接入，環(huán)形組網(wǎng)，雙網(wǎng)雙冗余，具有較高的帶寬和冗余機(jī)制，提供納秒級(jí)同步精度;站控層與間隔層網(wǎng)絡(luò)提供毫秒級(jí)同步精度，同樣雙網(wǎng)雙冗余接入方式。

2.2 業(yè)務(wù)鏈的模型映射和協(xié)議關(guān)聯(lián)

實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鏈多協(xié)議報(bào)文關(guān)聯(lián)分析需要結(jié)合各協(xié)議所對(duì)應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議之間的關(guān)鍵信息點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，其主要步驟如下。1）分析業(yè)務(wù)鏈，識(shí)別業(yè)務(wù)鏈流程中包含的設(shè)備和通信環(huán)節(jié)及各環(huán)節(jié)所涉及的通信協(xié)議。2）分別對(duì)所涉及的各種協(xié)議進(jìn)行模型映射，發(fā)掘協(xié)議分析中所必需的模型關(guān)鍵信息點(diǎn)。3）分析各環(huán)節(jié)的模型關(guān)鍵信息點(diǎn)之間的聯(lián)系，并尋找關(guān)聯(lián)方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)不同協(xié)議之間的關(guān)聯(lián)分析。

2.3 資源預(yù)留機(jī)制

流預(yù)留協(xié)議（streamreservationprotocol，SRP）802.1Qat基于資源的預(yù)留要求和可用網(wǎng)絡(luò)資源，規(guī)定了用于接納或拒絕流的準(zhǔn)入控制框架，并且還規(guī)定了全雙工以太網(wǎng)鏈路在分組交換網(wǎng)中保留網(wǎng)絡(luò)資源和廣播流的框架。流預(yù)留協(xié)議在通信鏈路上通過(guò)保留傳輸資源來(lái)滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?。協(xié)議根據(jù)不同種類的流來(lái)確定其所需要的帶寬。對(duì)于符合AVB標(biāo)準(zhǔn)的AVB交換機(jī)，規(guī)定將75%的帶寬資源用于AVB數(shù)據(jù)的傳輸，將剩余的25%用于盡力而為流量的傳輸。SRP利用到的協(xié)議有多MAC注冊(cè)協(xié)議MMRP（multipleMACregistrationprotocol）、多VLAN注冊(cè)協(xié)議MVRP（multipleVLANregistrationprotocol）和多數(shù)據(jù)流預(yù)約協(xié)議MSRP（multiplestreamregistrationprotocol）三個(gè)協(xié)議的組合去實(shí)現(xiàn)橋接網(wǎng)絡(luò)的流預(yù)留，其底層協(xié)議都是多注冊(cè)協(xié)議MRP（multipleregistrationprotocol）。

結(jié)語(yǔ)：本文介紹了TSN時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及智能變電站中對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，智能變電站中通信網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)和不足，給出了TSN在智能變電站中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著智能化和工業(yè)4.0的發(fā)展，智能變電站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性的要求會(huì)越來(lái)越高，隨著TSN的標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善，技術(shù)和產(chǎn)品日趨成熟，TSN終將在智能變電站中取得一席之地，促進(jìn)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展。

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