基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組網(wǎng)采樣同步方案

李 響，李 彥，張曉宇，許宗光

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

智能變電站繼電保護(hù)設(shè)備接入的SV（采樣值）是一系列離散化、數(shù)字化的SV。采樣同步是指要通過(guò)時(shí)間上串行的離散值獲取發(fā)生在同一時(shí)刻的相量值［1］。實(shí)現(xiàn)采樣同步的核心問(wèn)題是要能獲知SV數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)［2］，據(jù)此推導(dǎo)SV的發(fā)生時(shí)刻，最后通過(guò)插值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)多路SV 的同步［3-4］。當(dāng)前智能變電站建設(shè)實(shí)踐中，直采模式［5］是主流解決方案。直采模式下SV源和端設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，傳輸延時(shí)可忽略，不依賴于對(duì)時(shí)系統(tǒng)，穩(wěn)定性好；但直采設(shè)備網(wǎng)口數(shù)量多，鏈路復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致檢修難度增加，也不利于實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，且存在網(wǎng)絡(luò)帶寬空置的缺點(diǎn)。網(wǎng)采模式傳輸延時(shí)大但便于實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，組網(wǎng)采樣同步解決方案有：

1）集中式同步組網(wǎng)模式［6］，設(shè)備間通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)SV 信息共享，各設(shè)備根據(jù)對(duì)時(shí)信號(hào)以及SV 幀中的序號(hào)獲取SV 發(fā)生時(shí)刻并實(shí)現(xiàn)同步，對(duì)時(shí)信號(hào)來(lái)自GPS（全球定位系統(tǒng)）或者PTP（精確時(shí)間協(xié)議）1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，采樣源設(shè)備（合并單元）與接收設(shè)備（保護(hù)與測(cè)控等）需要接入同源的對(duì)時(shí)信號(hào)。集中式同步組網(wǎng)模式依賴于外部的統(tǒng)一時(shí)鐘源，設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)集中嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性。此外各廠家的合并單元對(duì)于同步跟蹤的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)差異也可能導(dǎo)致假同步從而造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

2）分布式同步組網(wǎng)模式［7］，每一個(gè)采樣源設(shè)備都是一個(gè)按本地晶振自由運(yùn)行的主時(shí)鐘（一般是PTP1588時(shí)鐘方式），保護(hù)與測(cè)控設(shè)備根據(jù)其所需要接收SV的數(shù)量實(shí)現(xiàn)多個(gè)從時(shí)鐘，根據(jù)每一對(duì)主從時(shí)鐘的同步關(guān)系建立SV時(shí)刻與設(shè)備本地時(shí)刻的映射關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多路SV同步。分布式同步組網(wǎng)方案的主從時(shí)鐘邏輯關(guān)系復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有多組不相干的PTP1588 數(shù)據(jù)傳輸，同步效果易受網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等故障影響［8］。此外需要根據(jù)最大的SV接入數(shù)量預(yù)留對(duì)時(shí)資源，實(shí)現(xiàn)方案復(fù)雜，工程實(shí)施不靈活。

3）延時(shí)可測(cè)組網(wǎng)模式［9-10］，是組網(wǎng)與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸技術(shù)的結(jié)合，每一級(jí)交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)測(cè)量駐留時(shí)間并累加至該幀的保留字段內(nèi)；接收設(shè)備根據(jù)累加鏈路總延時(shí)推導(dǎo)SV的發(fā)生時(shí)刻。延時(shí)可測(cè)組網(wǎng)模式屬于基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的自定義擴(kuò)展，存在互操作風(fēng)險(xiǎn)；且由于在傳輸過(guò)程中交換設(shè)備會(huì)修改SV幀內(nèi)容并重新計(jì)算幀校驗(yàn)字，源到端的校驗(yàn)機(jī)制被打破，如因交換機(jī)故障而導(dǎo)致報(bào)文內(nèi)容被篡改可能引起嚴(yán)重后果。

組網(wǎng)模式符合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展方向，在信息共享以及經(jīng)濟(jì)效益上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而當(dāng)前組網(wǎng)模式下各類SV同步技術(shù)依然存在上述不足之處，且多個(gè)不兼容的技術(shù)方案并存的現(xiàn)狀也在客觀上增加了生產(chǎn)、運(yùn)行以及管理成本。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基于IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供了確定性傳輸機(jī)制，可以預(yù)先規(guī)劃SV傳輸延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)采樣同步，可能成為推動(dòng)SV組網(wǎng)方案大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵助力。

1 標(biāo)準(zhǔn)體系及關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Best Effort（盡力而為）的數(shù)據(jù)傳輸效果，帶寬效率高但不保證傳輸確定性。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是由IEEE 802.1工作組下TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）任務(wù)組制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性以及可靠性。TSN 技術(shù)起源于視頻流傳輸應(yīng)用，目前已在車輛控制系統(tǒng)以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，被公認(rèn)為是最有可能統(tǒng)一工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)［11-12］。TSN 標(biāo)準(zhǔn)簇由數(shù)個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)以及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之上的一系列擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)組成［13-14］。圖1 展示了TSN標(biāo)準(zhǔn)體系的概要架構(gòu)。

圖1 TSN關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)

IEEE 802.1Q［15］定義了VLAN-TAG（配虛擬局域網(wǎng)標(biāo)簽）中PRI（優(yōu)先級(jí)）標(biāo)志實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分時(shí)間敏感類型與其他類型。IEEE 802.1AS［16］定義了廣義的精確時(shí)鐘同步系統(tǒng)，可以認(rèn)為是IEEE 1588機(jī)制的簡(jiǎn)化版本。IEEE 802.1CB［17］標(biāo)準(zhǔn)定義了基于可靠性需求的幀復(fù)制和幀消除機(jī)制，它在源端以及網(wǎng)橋設(shè)備復(fù)制原始流形成多個(gè)副本從不同路徑傳輸，然后在一個(gè)或多個(gè)其他接收節(jié)點(diǎn)消除接收到的副本數(shù)據(jù)。IEEE 802.1Q 與IEEE 802.1AS是TSN的關(guān)鍵基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.1Qbv［18］設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送端口周期性執(zhí)行區(qū)分優(yōu)先級(jí)的時(shí)隙門控發(fā)送規(guī)則，解決了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的延時(shí)抖動(dòng)的問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)確定性傳輸?shù)年P(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.1Qbu［19］將需要發(fā)送的幀分為Express（緊急）以及Preemptable（可搶占）兩種，允許緊急幀在可搶占幀發(fā)送未完成時(shí)中斷其發(fā)送并占據(jù)發(fā)送端口，實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的低延時(shí)并提高帶寬效率。IEEE 802.1Qch［20］規(guī)定在每個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)最多完成1 跳（1 hop，即從網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)設(shè)備傳輸至另一個(gè)設(shè)備）的傳輸，雖然犧牲了“盡快到達(dá)”的能力，但可實(shí)現(xiàn)較粗粒度的傳輸確定性。IEEE 802.1Qci［21］部署在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（包括交換機(jī)或者終端設(shè)備）之上實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)流的識(shí)別與分類，并在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)獨(dú)立的“流”實(shí)施測(cè)量和過(guò)濾以及其他管控策略，可實(shí)現(xiàn)智能變電站中在線流量管控以及網(wǎng)絡(luò)壓力環(huán)境下的故障隔離。IEEE 802.1Qcc［22］提供了用于TSN配置的協(xié)議、過(guò)程和管理單元的規(guī)范，使TSN的規(guī)?；瘧?yīng)用成為可能。

2 SV同步組網(wǎng)方案

以圖2所示的智能站過(guò)程層組網(wǎng)的典型拓?fù)錇槔f(shuō)明基于TSN 的SV 組網(wǎng)同步方法。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備均支持IEEE 802.1AS 和IEEE 802.1Qbv 這兩種TSN關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 智能站典型TSN組網(wǎng)方案

本文所述組網(wǎng)SV 同步方案基于IEEE 802.1AS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備周期同步，沿SV數(shù)據(jù)傳輸路徑采用IEEE 802.1Qbv 門控時(shí)隙發(fā)送機(jī)制消除SV延時(shí)不確定性，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃延時(shí)的效果。網(wǎng)絡(luò)中匯聚設(shè)備（頂層中心交換機(jī)）設(shè)置為時(shí)鐘主設(shè)備；SV設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，其他類型為低優(yōu)先級(jí)。各設(shè)備SV類型的門控時(shí)隙發(fā)送設(shè)置方法如下：

1）將網(wǎng)絡(luò)中所有的SV編號(hào)為SV1—SVm。

2）按SV發(fā)送周期250 μs劃分若干時(shí)隙，標(biāo)記為T0—Tn，單時(shí)隙長(zhǎng)度包括含前導(dǎo)碼的SV 幀傳輸時(shí)間，最小幀間隙以及為同步誤差保留的時(shí)間裕量。

3）按照SV 的傳輸路徑給轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備分層，各MU（合并單元）為源設(shè)備為層Ⅰ，間隔層交換機(jī)為層Ⅱ，中心交換機(jī)為層Ⅲ，頂層中心交換為層Ⅳ。

4）分層為SV 設(shè)置允許發(fā)送時(shí)隙。層Ⅰ允許SV發(fā)送的時(shí)隙為T2i-2（i是SV序號(hào)，1 ≤i≤m），層Ⅱ允許SV發(fā)送時(shí)隙T2i-1，層Ⅲ允許SV發(fā)送時(shí)隙T2i，層Ⅳ允許SV發(fā)送時(shí)隙T2i+1。

5）每一個(gè)層級(jí)設(shè)備上，自第一個(gè)允許SV發(fā)送的時(shí)隙起，至最后1個(gè)允許SV發(fā)送的時(shí)隙，包括允許SV發(fā)送時(shí)隙之間的空閑時(shí)隙，不允許其他類型發(fā)送。

綜上所述，各設(shè)備按照SV的流向設(shè)置門控時(shí)隙，上下游設(shè)備之間SV 允許發(fā)送的時(shí)隙不重合，因此上游設(shè)備在其允許發(fā)送時(shí)隙內(nèi)發(fā)送的SV幀會(huì)被下游設(shè)備緩存至下個(gè)允許發(fā)送時(shí)隙開(kāi)始時(shí)才能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，且允許發(fā)送SV的時(shí)隙范圍內(nèi)不允許其他類型發(fā)送從而消除了端口沖突。因此根據(jù)SV的路徑即可預(yù)知其傳輸延時(shí)，達(dá)到了規(guī)劃SV在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時(shí)的效果，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)模式下SV模擬量同步。

按照典型變電站網(wǎng)絡(luò)規(guī)模推演本方案具體實(shí)施的可行性。變電站內(nèi)一般按電壓等級(jí)獨(dú)立組網(wǎng)，如主變保護(hù)等跨電壓等級(jí)的控保設(shè)備需要接入至多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)間通常無(wú)需交互SV數(shù)據(jù)［23］。高電壓等級(jí)配置冗余雙網(wǎng)時(shí)A/B 網(wǎng)拓?fù)鋵?duì)稱，因此可以僅針對(duì)單網(wǎng)進(jìn)行分析。當(dāng)前智能變電站最大間隔數(shù)量一般不超過(guò)24個(gè)，變電站網(wǎng)絡(luò)中接收SV數(shù)量最多，時(shí)間確定性要求最高的是母差保護(hù)，需要接收至多26 個(gè)SV（24 個(gè)間隔MU 加上母線MU以及母聯(lián)MU）。這些SV數(shù)據(jù)經(jīng)間隔交換機(jī)-中心交換機(jī)兩級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)后，匯聚發(fā)送至母差保護(hù)裝置。SV網(wǎng)絡(luò)幀典型長(zhǎng)度在200 B左右，在100 MB以太網(wǎng)中大約需要16 μs 的傳輸時(shí)間，如前所述，時(shí)隙數(shù)量超過(guò)了SV 數(shù)量的2 倍，因此需要使用1 000MB 以太網(wǎng)來(lái)支持更多的時(shí)隙。按每時(shí)隙2.5 μs將250周期劃分為100個(gè)時(shí)隙（T0—T99），各MU（層Ⅰ）允許發(fā)送SV的時(shí)隙分別為T0/T2/T4/…/T50，間隔交換機(jī)（層Ⅱ）許發(fā)送SV 的時(shí)隙分別為T1/T3/T5/…/T51，中心交換機(jī)（層Ⅲ）許發(fā)送SV的時(shí)隙分別為T2/T4/T6/…/T52，頂層交換機(jī)（層Ⅳ）許發(fā)送SV的時(shí)隙分別為T3/T5/T7/…/T53。

以SV1為例，說(shuō)明時(shí)間敏感數(shù)據(jù)在TSN 中的傳輸行為如圖3 所示。MU 在T0起始時(shí)刻發(fā)送SV1，由于時(shí)隙長(zhǎng)度大于幀傳輸時(shí)間，T0內(nèi)SV1幀已經(jīng)到達(dá)層Ⅰ間隔交換機(jī)；間隔交換機(jī)在T0內(nèi)禁止SV發(fā)送，SV1幀被緩存等待T1開(kāi)始即發(fā)送至層Ⅱ中心交換機(jī)（或本間隔內(nèi)其他控保設(shè)備）；中心交換機(jī)在T1內(nèi)禁止SV 發(fā)送，因此SV1幀被緩存等待T2開(kāi)始發(fā)送至層Ⅲ頂層中心交換機(jī)（或母差保護(hù)裝置）即SV1從MU至母差保護(hù)的傳輸延時(shí)，固定為2個(gè)T周期長(zhǎng)度。

圖3 站域SV確定性傳輸

本方案中SV每跳的傳輸延時(shí)略大于幀傳輸時(shí)間，而傳統(tǒng)方案中除本幀傳輸時(shí)間外，還需要考慮因端口沖突而需要等待背景流量幀傳輸完成的時(shí)間，因此本方案SV延時(shí)會(huì)比傳統(tǒng)方案中最大延時(shí)更小，同等條件下并不會(huì)導(dǎo)致組網(wǎng)模式下保護(hù)動(dòng)作速度變慢。此外，TSN 中的SV 同步并不依賴于外部對(duì)時(shí)源。即使主設(shè)備外部對(duì)時(shí)源丟失，也僅意味TSN 的250 μs 周期失去外部參考開(kāi)始根據(jù)本地晶振自由振蕩，其與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)時(shí)源的秒脈沖相位可能發(fā)生走離，但此時(shí)TSN中其他設(shè)備與主時(shí)鐘設(shè)備依然保持同步，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各設(shè)備的250 μs周期仍嚴(yán)格保持相同的節(jié)奏和固定的相位關(guān)系。因此根據(jù)此同步關(guān)系執(zhí)行的時(shí)隙門控策略依然有效，SV數(shù)據(jù)的路徑延時(shí)保持穩(wěn)定。

綜上，基于TSN 技術(shù)的組網(wǎng)SV 同步方案，SV在物理拓?fù)渖鲜墙M網(wǎng)，而在邏輯上等效于經(jīng)過(guò)了一個(gè)非0延時(shí)的專用通道；本方法兼有組網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與直采的確定性，不依賴于外部時(shí)鐘源；此外，TSN 技術(shù)基于統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，避免了類似延時(shí)可測(cè)技術(shù)可能存在的互操作問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證TSN 的同步性能以及SV傳輸延時(shí)確定性。

3.1 同步精度測(cè)試

目前TSN 交換機(jī)尚未規(guī)模量產(chǎn)，因此同步測(cè)試系統(tǒng)的規(guī)模受限。如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)包括時(shí)鐘測(cè)試儀與TSN交換機(jī)各一臺(tái)，時(shí)鐘測(cè)試儀同時(shí)模擬TSN中Master（主時(shí)鐘）與Slave（從設(shè)備），測(cè)試儀與交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接。IEEE 802.1AS 采用兩步法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步報(bào)文傳輸。主設(shè)備發(fā)送的Sync報(bào)文中包含精確時(shí)間戳字段，表示Sync 報(bào)文從主時(shí)鐘的產(chǎn)生時(shí)刻，這個(gè)值在傳輸過(guò)程中不發(fā)生變化。FollowUp 報(bào)文中攜帶有修正域字段，表示在傳輸環(huán)節(jié)中對(duì)精確時(shí)間戳的修正。中間設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)Sync 報(bào)文，并將本環(huán)節(jié)的延時(shí)累加至修正域。因此Sync 報(bào)文的傳輸延時(shí)測(cè)量值理論上就等于修正域累加結(jié)果，兩者之間的差可用于評(píng)估同步的精度。

圖4 同步精度測(cè)試系統(tǒng)與原理

如圖4可知：

式中：tr，S為最終Slave設(shè)備接收到Sync報(bào)文時(shí)刻；ts，M為Master 設(shè)備發(fā)送Sync 報(bào)文時(shí)刻；C2為修正域的最終累積值；?C為實(shí)際測(cè)量的延時(shí)值與C2的誤差。持續(xù)1 h 同步實(shí)驗(yàn)，誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 同步測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估如圖2所示的智能變電站典型網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備同步誤差。主設(shè)備至網(wǎng)絡(luò)端側(cè)設(shè)備最多經(jīng)過(guò)3級(jí)交換機(jī)，任意兩個(gè)設(shè)備之間最大同步誤差為經(jīng)5級(jí)交換機(jī)的累積結(jié)果，按實(shí)驗(yàn)中每級(jí)誤差最大值220 ns計(jì)，大約為1 100 ns，遠(yuǎn)小于SV 發(fā)送時(shí)間離散性要求（10 μs）［24］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明IEEE 802.1AS同步效果與PTP1588接近，所述同步方案能滿足智能變電站的應(yīng)用需求。

3.2 SV傳輸確定性測(cè)試

組建基于TSN 技術(shù)的SV 傳輸確定性驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)，因設(shè)備數(shù)量限制，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參考間隔內(nèi)110 kV 線路保護(hù)的接線方式，包括兩套MU、一套交換機(jī)、一套線路保護(hù)裝置以及網(wǎng)絡(luò)分析儀一臺(tái)（用于模擬智能終端，測(cè)控等發(fā)送GOOSE 數(shù)據(jù)的設(shè)備）。MU1 與MU2 分別發(fā)送SV1與SV2數(shù)據(jù)幀，長(zhǎng)度均為200 B（長(zhǎng)度參考典型值）；網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)TSN 交換機(jī)向保護(hù)裝置注入的GOOSE 類型數(shù)據(jù)幀作為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的背景流量，幀長(zhǎng)度固定為250 B（長(zhǎng)度參考典型值）。MU、交換機(jī)以及保護(hù)裝置均支持TSN 的IEEE 802.1AS 以及IEEE 802.1Qbv的特性。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照第2 節(jié)中所述的方法規(guī)劃SV傳輸延時(shí)以實(shí)現(xiàn)確定性。測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬為100 Mbit/s，以交換機(jī)為主時(shí)鐘設(shè)備，設(shè)置周期為250 μs，每周期均分為10 個(gè)時(shí)隙。SV 與GOOSE幀都能在1 個(gè)時(shí)隙（25 μs）內(nèi)傳輸完成。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共有兩組SV數(shù)據(jù)，如表2所示對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備相關(guān)網(wǎng)口設(shè)置Qbv的時(shí)隙門控發(fā)送。

表2 Qbv時(shí)隙門控設(shè)置

對(duì)于SV 類型，MU1 和交換機(jī)依次設(shè)置T0以及T1允許發(fā)送；MU2 和交換機(jī)依次設(shè)置T2以及T3允許發(fā)送。對(duì)于GOOSE（面向通用對(duì)象的變電站事件）類型，智能終端允許任何時(shí)隙發(fā)送，由于實(shí)驗(yàn)用保護(hù)設(shè)備目前還不具備Qbu 的支持，因此交換機(jī)僅允許T4—T9發(fā)送GOOSE，如此T0—T3成為SV類型的保護(hù)帶，使GOOSE發(fā)送不會(huì)影響SV的確定性。保護(hù)裝置作為接收端，其時(shí)隙門控設(shè)置不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此簡(jiǎn)單設(shè)置為全部禁止發(fā)送SV以及全部允許發(fā)送GOOSE。

一個(gè)周期內(nèi)數(shù)據(jù)流的傳輸行為如圖5所示。

在Qbv 的控制之下，源端發(fā)送時(shí)間互相交織的SV與GOOSE數(shù)據(jù)到達(dá)交換機(jī)后，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)嚴(yán)格按照時(shí)隙門控策略進(jìn)行發(fā)送時(shí)刻與順序的調(diào)度，從而消除了SV數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的不確定性，實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃SV 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的效果。根據(jù)圖5 所示，SV 幀從源端至末端的傳輸延時(shí)td有如下因素確定：

圖5 Qbv控制下的幀傳輸

式中：TS=25 μs為常量；tl1和tl2分別為由網(wǎng)卡硬件特性以及光纖長(zhǎng)度決定的光纖以太網(wǎng)鏈路延時(shí)，也是常量。因此總傳輸延時(shí)td為固定值。應(yīng)用TSN 技術(shù)可以預(yù)先規(guī)劃SV 數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時(shí)，終端設(shè)備根據(jù)接收時(shí)刻、確定的延時(shí)值以及SV幀中的模擬量延時(shí)值即可獲取模擬量的實(shí)際發(fā)生時(shí)刻，進(jìn)而通過(guò)插值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)下的多路SV模擬量同步。

由于MU發(fā)送側(cè)等間隔發(fā)送SV數(shù)據(jù)幀，因此可以用接收SV幀間隔的離散度表征Qbv實(shí)現(xiàn)確定性的效果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)間分辨率是50 ns，每次施加不同背景流量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 確定性傳輸測(cè)試結(jié)果

結(jié)果顯示：兩組SV數(shù)據(jù)的接收時(shí)刻離散度測(cè)量結(jié)果一致；低優(yōu)先級(jí)背景流量對(duì)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的確定性沒(méi)有影響；當(dāng)背景流量增大至交換機(jī)在指定時(shí)隙內(nèi)無(wú)法發(fā)送完畢時(shí)，部分低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)會(huì)被丟棄。使用Qbv 策略后，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的延時(shí)抖動(dòng)主要來(lái)源于源端發(fā)送SV的離散性、系統(tǒng)內(nèi)同步的誤差以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備晶振頻率差，間隔抖動(dòng)絕對(duì)值約為1 μs；而普通網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)抖動(dòng)至少是一個(gè)背景流量幀的傳輸時(shí)間（約25 μs）。典型變電站網(wǎng)絡(luò)中SV從源到端至多經(jīng)過(guò)3～4級(jí)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，按測(cè)試結(jié)果推算，累計(jì)的抖動(dòng)最大值小于5 μs，因此本方案實(shí)現(xiàn)的確定性效果能滿足智能變電站組網(wǎng)采樣同步的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN 技術(shù)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，為時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)提供了確定性的傳輸技術(shù)，保證時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。由于帶寬效率問(wèn)題，TSN更適合于在1 000 MB及以上的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)；此外，TSN 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施要以周期同步為基礎(chǔ)，支持TSN的設(shè)備不能與普通設(shè)備在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作，因此TSN的推廣應(yīng)用依然受到硬件更新成本問(wèn)題的限制。

TSN 技術(shù)具備的確定性、可靠性和規(guī)范性是智能電網(wǎng)通信領(lǐng)域的關(guān)鍵需求。智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的種類、長(zhǎng)度及流向的可預(yù)測(cè)程度很高，非常切合TSN技術(shù)的目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景。隨著TSN標(biāo)準(zhǔn)簇的修訂完備以及更多支持TSN的工業(yè)設(shè)備的推出，TSN將逐步占據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主流標(biāo)準(zhǔn)地位，也將促進(jìn)智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展。