基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的變電站通信網(wǎng)絡(luò)最大時(shí)延計(jì)算方法

賈惠彬，胡子函，吳 堃，武文瑞

（華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北省保定市 071003）

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)變電站及其相關(guān)饋線中的一次設(shè)備［1］。隨著IEC 61850［2］標(biāo)準(zhǔn)的推廣與應(yīng)用，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)越來越依賴變電站通信網(wǎng)絡(luò)（substation communication network，SCN）實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、控制和保護(hù)功能［3］。隨著變電站智能化程度的不斷提高，SCN 中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的增長(zhǎng)與關(guān)鍵控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求的矛盾日益顯著，此時(shí)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)已不能滿足智能變電站通信的需求，亟須引入新技術(shù)保證變電站關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

對(duì)SCN 進(jìn)行時(shí)延分析是SCN 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［1］在SCN 中構(gòu)建了智能電子設(shè)備（intelligent electronic device，IED）模型，通過OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真工具建立了仿真模型，分析傳統(tǒng)以太網(wǎng)下SCN 的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)［4］提出了一種變電站過程網(wǎng)絡(luò)建模方法。利用OPNET 建模工具結(jié)合變電站過程層網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，建立間隔層和過程層IED 模型。仿真分析了不同虛擬局域網(wǎng)（virtual local area network，VLAN）劃分對(duì)SCN 的影響。然而，當(dāng)使用基于OPNET 的模型來評(píng)估真實(shí)SCN 在不同條件下的網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)，存在計(jì)算量大、建模復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)等問題。此外，雖然使用基于OPNET 的模型可以模擬消息延遲，但很難獲得重要消息的最大延遲，而獲得報(bào)文的最大延時(shí)在SCN 設(shè)計(jì)中非常重要。為此，文獻(xiàn)［5］利用網(wǎng)絡(luò)演算方法，提出了基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的SCN 報(bào)文最大延時(shí)分布計(jì)算方法。

近年來，為了滿足現(xiàn)代各行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性需求，國(guó)內(nèi)外研究者嘗試采用TTEthernet［6］，F(xiàn)lexRay［7］和 時(shí) 間 敏 感 網(wǎng) 絡(luò)［8］（time-sensitive networking，TSN）等技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。其中，TSN 脫胎于以太網(wǎng)協(xié)議體系，由一組IEEE 協(xié)議組成，便于在現(xiàn)有以太網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行組網(wǎng)。相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，TSN 具有數(shù)據(jù)流量整形、調(diào)度和時(shí)間同步等能力，可以有效提高時(shí)間敏感業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），因此TSN 技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、航空、醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

本文基于SCN 通信業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求，結(jié)合TSN 技術(shù)的基本原理，應(yīng)用TSN 技術(shù)保障變電站通信業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。通過網(wǎng)絡(luò)演算方法，建立基于TSN 流調(diào)度協(xié)議IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)［9］的信息流服務(wù)曲線和基于SCN 報(bào)文傳輸特性的信息源到達(dá)曲線，提出了基于TSN 的SCN 最大時(shí)延計(jì)算方法。最后，結(jié)合不同層次的SCN 模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，分析應(yīng)用TSN 技術(shù)的SCN 的實(shí)時(shí)性。

1 TSN 在SCN 中 的 適 用 性 分 析

1.1 變電站通信需求

IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)將變電站劃分為過程層、間隔層、站控層三層結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)的智能變電站基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了多種不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍?！皟删W(wǎng)”中的過程層網(wǎng)絡(luò)連接過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備，設(shè)備之間采用面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event，GOOSE）報(bào)文［10］和采樣值（sampled value，SV）報(bào)文進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)間隔設(shè)備自檢、跳閘、遙控分閘等信息傳遞。站控層網(wǎng)絡(luò)連接過程層設(shè)備和站控層設(shè)備，傳輸制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification，MMS）［11］報(bào)文，同時(shí)也傳輸部分GOOSE 報(bào)文。站控層網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)變電站上層信息的傳輸。

IEC 61850-5“功能通信要求和裝置模型”第13部分對(duì)報(bào)文實(shí)時(shí)性的要求［12］如表1 所示。

表1 報(bào)文傳輸時(shí)延要求Table 1 Requirements for packet transmission time delay

根據(jù)IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)，具有時(shí)間敏感特性的報(bào)文（如跳閘指令）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為3 ms，其中，包括IED 的收發(fā)處理時(shí)間，大約占80%，即2.4 ms。其余0.6 ms 的時(shí)間用于通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸。為了保障智能變電站業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延需求，利用TSN技術(shù)保障SCN 關(guān)鍵控制命令等時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。

1.2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

TSN 功能主要依靠時(shí)間同步協(xié)議IEEE 802.1AS［13］、流量調(diào)度協(xié)議IEEE 802.1Qbv、幀搶占協(xié) 議IEEE 802.1Qbu［14］等協(xié)議實(shí)現(xiàn)，這些協(xié)議可以保障時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流傳輸?shù)腝oS。同時(shí)，由于TSN技術(shù)脫胎于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，且工作在數(shù)據(jù)鏈路層，具備互操作性，方便快速地應(yīng)用于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中。相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，TSN 技術(shù)具有“時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流”確定低時(shí)延優(yōu)勢(shì)，與智能變電站中對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)報(bào)文的傳輸需求不謀而合，所以本文提出將TSN 技術(shù)引入到SCN 中，以保障SCN 的實(shí)時(shí)性。為了分析基于TSN 的SCN 的端到端最大時(shí)延，利用網(wǎng)絡(luò)演算理論，提出了一種基于TSN 的智能SCN 最大時(shí)延計(jì)算方法。

2 基于網(wǎng)絡(luò)演算的端到端最大時(shí)延計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)演算

網(wǎng)絡(luò)演算［15］基于最小加代數(shù)的排隊(duì)理論。已知信息源IED 發(fā)送的信息流屬性和交換機(jī)服務(wù)機(jī)制，通過建立相應(yīng)到達(dá)曲線和服務(wù)曲線，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)演算理論便可計(jì)算報(bào)文在SCN 中傳輸?shù)亩说蕉俗畲髸r(shí)延。到達(dá)曲線描述信息流將要發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量，例如，對(duì)一個(gè)常用的線性到達(dá)曲線模型（σ，ρ），信息流F(t)是一個(gè)關(guān)于時(shí)間t的累積函數(shù)，表示0 到t時(shí)刻信息流所發(fā)送的數(shù)據(jù)量，F(xiàn)(t)受到達(dá)曲線（σ，ρ）的約束。s時(shí)刻到t時(shí)刻信息流發(fā)送的數(shù)據(jù)為可表示為：

式中：σ為信息流的突發(fā)參數(shù)；ρ為信息流平均速率的上限。

服務(wù)曲線描述服務(wù)系統(tǒng)（如交換機(jī)）的傳輸機(jī)制和服務(wù)能力。速率時(shí)延類型β(t)是一種廣泛應(yīng)用的服務(wù)曲線模型，該模型可表示為一個(gè)線性公式，如式（2）所示。

式中：R為服務(wù)速率；T為服務(wù)系統(tǒng)的時(shí)延值。該服務(wù)曲線模型表示信息流在到達(dá)服務(wù)系統(tǒng)并等候了時(shí)間T之后以速率R接受服務(wù)。

如附錄A 圖A1 所示，最大時(shí)延D等于到達(dá)曲線α(t)與服務(wù)曲線β(t)的最大水平距離，如式（3）所示。

式中：sup(·)和inf(·)分別為集合的上界和下界；d為曲線α(t)和曲線β(t)的水平距離。

2.2 面向IEEE 802.1Qbv 的信息流服務(wù)曲線

2.2.1 IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)

TSN 中流量調(diào)度協(xié)議IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)定義了時(shí)間感知整形器（time-aware shaper，TAS）和門控列表（gate control list，GCL）。圖1 展示了TSN交換機(jī)的基本框架。信息流進(jìn)入交換機(jī)后首先經(jīng)交換結(jié)構(gòu)定向到目標(biāo)輸出端口；然后，由優(yōu)先級(jí)過濾器根據(jù)流標(biāo)識(shí)函數(shù)將該信息流分配到相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列；最后，通過與隊(duì)列關(guān)聯(lián)的定時(shí)門結(jié)構(gòu)啟動(dòng)傳輸。GCL 通過控制門結(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)信息流調(diào)度。GCL 中1 和0 分別表示門打開和關(guān)閉，只有在門打開時(shí)才允許相關(guān)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。在同一優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，遵循先入先出策略（first in first out，F(xiàn)IFO）。

圖1 基于IEEE 802.1Qbv 協(xié)議的TSN 交換機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TSN switch based on IEEE 802.1Qbv protocol

將SCN 中報(bào)文的優(yōu)先級(jí)從低到高按從0 到n進(jìn)行標(biāo)記，并配置TSN 交換機(jī)的GCL。如附錄A 圖A2 所示，由于不同優(yōu)先級(jí)的門控開啟時(shí)隙可能存在重疊，在發(fā)生時(shí)隙重疊時(shí)，TSN 中由GCL 控制的服務(wù)時(shí)隙便不會(huì)專用于優(yōu)先級(jí)為m的流量Pm。對(duì)于一個(gè)輸出端口給定的GCL，其重疊關(guān)系以TGCL為周期重復(fù)，TGCL為所有優(yōu)先級(jí)隊(duì)列門控周期的最小公倍數(shù)。TPm為優(yōu)先級(jí)隊(duì)列Pm的門控周期。如圖2（d）所示，Pm的服務(wù)曲線可以看做是Nm(Nm=TGCL/TPm) 個(gè)以TGCL為周期的時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）服務(wù)曲線（見圖2（a）至（c））的疊加［16］。圖中陰影部分表示不能保障專用于Pm的時(shí)隙。因此，為了得到Pm的服務(wù)曲線，需要得到Pm所在優(yōu)先級(jí)隊(duì)列QPm在每個(gè)開放窗口中保障流量服務(wù)的時(shí)隙（保障時(shí)隙）Li，Pm、積壓時(shí)間Si，Pm和在一個(gè)TGCL內(nèi)第j個(gè)保障時(shí)隙開始時(shí)間到第i個(gè)保障時(shí)隙開始時(shí)間的偏移量oij，Pm。其中，保障時(shí)隙不僅與不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的重疊時(shí)隙有關(guān)，還與QPm每個(gè)開放窗口的保護(hù)帶和先驗(yàn)機(jī)制［17］有關(guān)。

圖2 Pm的服務(wù)曲線Fig.2 Service curves of Pm

2.2.2 保障時(shí)隙的計(jì)算方法

考慮低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的影響，Pm所在優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的 第i個(gè) 保 障 時(shí) 隙Li，Pm的 開 始 時(shí) 間tBLi，Pm如 式（4）所示。

考慮到低優(yōu)先級(jí)報(bào)文可能占用傳輸端口的情況，Pm-所在隊(duì)列第i個(gè)保障時(shí)隙的最壞非搶占延時(shí)di，Pm-由式（5）求得。

式中：GPm+(·)為優(yōu)先級(jí)高于Pm的隊(duì)列門控狀態(tài)函數(shù)。

2.2.3 偏移量和積壓時(shí)間的計(jì)算方法

一個(gè)TGCL內(nèi)第j個(gè)保障時(shí)隙開啟時(shí)間到第i個(gè)保障時(shí)隙開啟時(shí)間的偏移量為oij，Pm，如式（16）所示。

保障時(shí)隙Li，Pm的積壓時(shí)間Si，Pm如式（19）所示。

式 中：βi，Pm(t)為 以 第i個(gè) 保 障 時(shí) 隙 為 基 準(zhǔn) 的Pm所 在優(yōu) 先 級(jí) 隊(duì) 列 的 服 務(wù) 曲 線；βTGCL，Lj，Pm(t)為 以TGCL為 周期、Pm的 優(yōu) 先 級(jí) 隊(duì) 列 中 第j個(gè) 保 障 時(shí) 隙 長(zhǎng) 度Lj，Pm為傳輸時(shí)隙的TDMA 的服務(wù)曲線。

為了保障時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的低時(shí)延傳輸，配置GCL 時(shí)保證最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列對(duì)應(yīng)的門控開啟時(shí)間與時(shí)間敏感業(yè)務(wù)報(bào)文到達(dá)時(shí)間嚴(yán)格同步，所以該優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的Si，Pm等于0。

2.3 面向SCN 業(yè)務(wù)的信息源到達(dá)曲線

由于SV 報(bào)文有固定的數(shù)據(jù)發(fā)送速率和幀長(zhǎng)度［18］，報(bào)文τ的到達(dá)曲線ατ(t)可采用典型的（σ，ρ）模型，如式（22）所示。

式 中：ρτ為 報(bào) 文τ的 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 速 率；στ為 報(bào) 文τ的 最大長(zhǎng)度。

而對(duì)于GOOSE 報(bào)文，發(fā)送裝置每隔T0時(shí)間發(fā)送一次當(dāng)前狀態(tài)（心跳報(bào)文）［19］，當(dāng)裝置中有故障發(fā)生時(shí)，報(bào)文中的數(shù)據(jù)就發(fā)生變化，裝置立即發(fā)送報(bào)文一次（第1 幀），然后間隔T1重發(fā)兩次（第2、第3 幀）再分別間隔T2、T3各重發(fā)一次，通常T2=2T1，T3=2T2。當(dāng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，后續(xù)報(bào)文恢復(fù)間隔T0的心跳報(bào)文。所以只有在變電站穩(wěn)定狀態(tài)下，GOOSE 報(bào)文才有固定的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率不會(huì)超過1/T1。GOOSE 報(bào)文τ的到達(dá)曲線如式（23）所示。

式中：αk，τ為報(bào)文τ到達(dá)交換機(jī)k的到達(dá)曲線。

2.4 端到端最大時(shí)延計(jì)算

附錄A 圖A4 描述了基于TSN 的SCN 端到端最大時(shí)延計(jì)算方法的具體流程。報(bào)文的端到端最大時(shí)延是指報(bào)文從發(fā)送設(shè)備傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備總耗時(shí)的最大值。由于變電站的占地面積有限，報(bào)文在網(wǎng)線中的傳輸時(shí)延可以忽略不計(jì)，這里的時(shí)延是指各類報(bào)文在通信網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中經(jīng)過每臺(tái)交換機(jī)的時(shí)延。報(bào)文在交換機(jī)中的時(shí)延由三部分構(gòu)成：報(bào)文接收處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和傳輸時(shí)延。交換機(jī)接收處理過程的時(shí)延一般在幾微秒以內(nèi)，通常為3 μs。交換機(jī)時(shí)延的主體部分是報(bào)文的排隊(duì)和傳輸時(shí)延［20］。

式中：βk，Pm(t)為交換機(jī)k中Pm所在優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的服務(wù)曲線。

通過跟蹤報(bào)文發(fā)送設(shè)備到最終訂閱設(shè)備的報(bào)文傳輸路徑，可得該報(bào)文τ傳輸?shù)亩说蕉俗畲髸r(shí)延Dτ如式（26）所示。

式中：dtech為交換機(jī)的接收處理時(shí)延。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證TSN 技術(shù)在SCN 組網(wǎng)的確定低時(shí)延優(yōu)勢(shì)，本章搭建了不同層次SCN 模型，使用RTC 工具箱［21］在MATLAB R2018b 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，處理器為Intel Core i7-10700KF，內(nèi)存為8 GB。

3.1 典型母線保護(hù)過程層模型示例

本小節(jié)搭建了簡(jiǎn)化變電站母線保護(hù)過程層報(bào)文傳輸模型［4］，如圖3 所示。該網(wǎng)絡(luò)模型全部采用網(wǎng)采網(wǎng)跳的組網(wǎng)方式，即全部設(shè)備都通過交換機(jī)連接，且SV 和GOOSE 報(bào)文采用共口傳輸［22］。為了展現(xiàn)時(shí)間敏感業(yè)務(wù)在基于TSN 的SCN 中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，結(jié)合文獻(xiàn)［5］的傳統(tǒng)以太網(wǎng)最大時(shí)延計(jì)算方法，對(duì)比分析了基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列（priority queuing，PQ）的傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸模式和TSN 模式的報(bào)文傳輸最大時(shí)延。

圖3 母線保護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接模型Fig.3 Network connection model of bus bar protection

附錄A 表A1 展示了該母線保護(hù)所傳輸報(bào)文的詳細(xì)信息。GOOSE 報(bào)文的發(fā)送頻率為故障狀態(tài)下的最大發(fā)送頻率500 Hz，SV 報(bào)文的發(fā)送頻率為4 000 Hz。值得注意的是，由智能終端發(fā)送的GOOSE 報(bào)文承載著狀態(tài)反饋信息，優(yōu)先級(jí)低于保護(hù)裝置下發(fā)的承載保護(hù)跳閘命令的GOOSE 報(bào)文［23］。附錄A 表A2 展示了TSN 交換機(jī)的GCL 配置信息。

圖4 展示了TSN 和傳統(tǒng)以太網(wǎng)模式下3 種不同時(shí)間敏感報(bào)文的最大時(shí)延差別。其中，GOOSE A報(bào)文由保護(hù)裝置發(fā)送，測(cè)控裝置訂閱。GOOSE B報(bào)文由保護(hù)裝置發(fā)送到中心交換機(jī)，GOOSE C 由保護(hù)裝置發(fā)送，智能終端訂閱。TSN 中具有時(shí)間敏感業(yè)務(wù)（優(yōu)先級(jí)最高）報(bào)文傳輸?shù)淖畲髸r(shí)延不超過44.4 μs，TSN 組網(wǎng)模式中時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的最大時(shí)延都低于基于PQ 的傳統(tǒng)以太網(wǎng)組網(wǎng)模式，這是由于在配置門控列表時(shí)，保護(hù)裝置在發(fā)送時(shí)間敏感業(yè)務(wù)（如跳閘命令）報(bào)文時(shí)與其對(duì)應(yīng)隊(duì)列的門控開啟時(shí)刻嚴(yán)格同步，時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的最大時(shí)延僅受FIFO 規(guī)則影響。而當(dāng)時(shí)間敏感報(bào)文到達(dá)傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，需要考慮低優(yōu)先級(jí)報(bào)文可能正在占用發(fā)送端口的情況，導(dǎo)致發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，造成時(shí)間敏感報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)延增大。

圖4 母線保護(hù)時(shí)間敏感報(bào)文的最大時(shí)延Fig.4 The maximum time delay of time-sensitive messages for bus bar protection

3.2 GCL 參數(shù)對(duì)報(bào)文時(shí)延的影響

為了分析GCL 參數(shù)（L、TGCL）對(duì)變電站通信網(wǎng)中報(bào)文傳輸端到端時(shí)延的影響，采用圖3 的母線保護(hù)網(wǎng)絡(luò)模型，改變門控開啟時(shí)長(zhǎng)L和TGCL，以保護(hù)裝置發(fā)送給智能終端的載有跳閘命令的GOOSE 報(bào)文為例，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

如圖5 所示，橫坐標(biāo)表示最高優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的門控開啟時(shí)長(zhǎng)L，縱坐標(biāo)表示最大時(shí)延?？梢杂^察到，隨著L的增大，時(shí)延逐漸減小。這是由于當(dāng)門控開啟時(shí)間過短時(shí)，導(dǎo)致時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的報(bào)文在一個(gè)時(shí)隙周期內(nèi)無法全部傳輸，需要等到下一個(gè)GCL 周期的門控開啟時(shí)隙再繼續(xù)傳輸，從而造成較大延時(shí)。而門控開啟時(shí)間過長(zhǎng)又會(huì)造成較大的帶寬浪費(fèi)；另一方面，TGCL越大，造成的報(bào)文傳輸最大時(shí)延也越大，這是由于在一個(gè)TGCL內(nèi)無法保證全部等待報(bào)文都轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，需要等待下一個(gè)門控開啟時(shí)隙的時(shí)間與TGCL呈正相關(guān)。該最大時(shí)延計(jì)算方法也為未來GCL 優(yōu)化算法的研究［24］提供了理論依據(jù)。

圖5 不同GCL 參數(shù)下的各報(bào)文的最大延時(shí)Fig.5 The maximum time delay of each packet with different GCL parameters

3.3 基于TSN 的典型220 kV 變電站通信時(shí)延分析

為了進(jìn)一步評(píng)估基于TSN 的SCN 的實(shí)時(shí)性是否滿足SCN 的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)典型的220 kV 變電站的通信網(wǎng)絡(luò)模型［5］。如附錄A 圖A5所示，該模型由2 個(gè)變壓器間隔、7 個(gè)饋線間隔和1 臺(tái)母線保護(hù)裝置組成。每一個(gè)圓盤表示一個(gè)間隔子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)都有自己的間隔交換機(jī)。各個(gè)間隔子網(wǎng)采用星形組網(wǎng)方式連接到中心交換機(jī)。通過跟蹤帶有跳閘命令且優(yōu)先級(jí)為7 的GOOSE 報(bào)文（GOOSE1）和表示斷路器狀態(tài)且優(yōu)先級(jí)為5 的GOOSE 報(bào)文（GOOSE2），分別分析了SCN 無故障發(fā)生時(shí)（穩(wěn)態(tài)）、全部故障都發(fā)生時(shí)（繁忙）以及一種或幾種故障或告警發(fā)生時(shí)（典型）的報(bào)文最大時(shí)延。雖然在智能變電站的實(shí)際運(yùn)行中幾乎不存在所有故障和告警都發(fā)生的繁忙狀態(tài)，但在此狀態(tài)下計(jì)算的報(bào)文最大時(shí)延要大于或等于其他狀態(tài)的最大報(bào)文時(shí)延，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)有重要意義。

GOOSE1 報(bào)文由母線保護(hù)（S1）的保護(hù)裝置發(fā)送，由線路饋線間隔（F1）的智能終端訂閱，GOOSE2 報(bào)文由線路饋線間隔（F1）的智能終端發(fā)送，由母線保護(hù)（S1）的保護(hù)裝置訂閱［25］。穩(wěn)態(tài)時(shí)GOOSE 報(bào)文的發(fā)送頻率為1 Hz，當(dāng)故障發(fā)生或有告警時(shí)GOOSE 報(bào)文的發(fā)送頻率為500 Hz。各間隔子網(wǎng)的TSN 交換機(jī)采用附錄A 表A2 中的GCL 配置，中心交換機(jī)由于業(yè)務(wù)流量加大，需要適當(dāng)加大時(shí)間敏感流的門控開啟時(shí)間，其GCL 配置見附錄A表A3。

由表2 可以看出，3 種不同狀態(tài)下的快速報(bào)文GOOSE1 完全滿足智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延要求。同時(shí)，GOOSE2 報(bào)文的傳輸時(shí)延也遠(yuǎn)小于IEC 61850 對(duì)其的最低時(shí)延要求。由此可見，基于TSN 的SCN 在保證時(shí)間敏感業(yè)務(wù)確定低時(shí)延傳輸?shù)耐瑫r(shí)也滿足SCN 的實(shí)時(shí)性要求。

表2 各種方式下的報(bào)文最大時(shí)延分布Table 2 The maximum time delay distribution of packets in various modes

4 結(jié)語(yǔ)

本文面向智能變電站通信業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求，應(yīng)用TSN 技術(shù)提高智能SCN 關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。利用網(wǎng)絡(luò)演算理論，提出了基于TSN 的智能SCN 最大時(shí)延計(jì)算方法，該方法可以分析TSN 下SCN 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延邊界。通過不同層次的SCN仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于TSN 的SCN 可保障關(guān)鍵控制命令等時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的確定低時(shí)延傳輸，并通過算例分析了GCL 參數(shù)對(duì)報(bào)文傳輸時(shí)延的影響。本文的工作為TSN 技術(shù)在智能SCN 的應(yīng)用與推廣提供了理論依據(jù)。但本文所提方法無法分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)抖動(dòng)，未來可通過搭建軟件或硬件仿真平臺(tái)，進(jìn)一步分析基于TSN 的變電站關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸?shù)难訒r(shí)抖動(dòng)。

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