汪 東，鐘熙微，陳澤恒

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006；2.廣州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，廣州 510000)

●電力電子及電力系統(tǒng)自動(dòng)化●

智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延計(jì)算方法研究

汪 東1，鐘熙微1，陳澤恒2

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006；2.廣州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，廣州 510000)

針對(duì)智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延計(jì)算問(wèn)題，闡述了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸時(shí)延組成部分和網(wǎng)絡(luò)演算理論，分析了報(bào)文的排隊(duì)處理過(guò)程，推導(dǎo)出準(zhǔn)確而簡(jiǎn)化的信息端到端傳輸時(shí)延計(jì)算公式，明確了交換機(jī)處理數(shù)據(jù)幀的過(guò)程，提出了智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延的計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)例對(duì)智能變電站進(jìn)行了算例分析。分析結(jié)果表明，智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，與通過(guò)OPNET搭建該模型的仿真結(jié)果極其接近，驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)；端到端時(shí)延；網(wǎng)絡(luò)演算；篩選矩陣

智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)是連接過(guò)程層和間隔層各種智能電子設(shè)備(IED)的紐帶，起著類(lèi)似于“神經(jīng)系統(tǒng)”的作用，其實(shí)時(shí)性至關(guān)重要，直接影響著變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。判斷信息端到端傳輸時(shí)延上界是否滿(mǎn)足時(shí)限要求是衡量通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的主要方法[1-2]。信息端到端傳輸時(shí)延的計(jì)算問(wèn)題主要涉及到端口報(bào)文分布情況的確定和信息排隊(duì)處理過(guò)程的表征。文獻(xiàn)[3-5]應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)演算理論，引入微流和級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的概念，通過(guò)卷積獲得整個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的服務(wù)曲線(xiàn)，推導(dǎo)出了信息傳輸時(shí)延上界的計(jì)算方法，而采用節(jié)點(diǎn)中的最小服務(wù)速率作為整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)速率會(huì)使得計(jì)算結(jié)果比仿真結(jié)果大很多。文獻(xiàn)[6-8]借助樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)、矩陣分析等工具，構(gòu)建相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)模型，用以描述信息傳輸過(guò)程，進(jìn)而確定端口流量分布情況，但缺乏對(duì)虛擬局域網(wǎng)作用機(jī)理的深入分析，使構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通信模型適用范圍不廣。本文通過(guò)分析過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的排隊(duì)處理過(guò)程，推導(dǎo)出簡(jiǎn)化的傳輸時(shí)延計(jì)算公式，避免了因服務(wù)曲線(xiàn)卷積和考慮多次突發(fā)而造成計(jì)算結(jié)果偏大的問(wèn)題。同時(shí)，明確了虛擬局域網(wǎng)技術(shù)作用機(jī)理及其配置規(guī)則，構(gòu)建篩選矩陣來(lái)模擬交換機(jī)對(duì)報(bào)文的過(guò)濾作用，獲取了端口報(bào)文分布情況。在確定端口報(bào)文分布情況的前提下，結(jié)合報(bào)文基本信息，運(yùn)用推導(dǎo)出的時(shí)延計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延的計(jì)算。最后，以220kV D2-1型智能變電站的部分間隔為例，對(duì)比OPNET仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所提計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

1 報(bào)文的端到端傳輸時(shí)延

1.1 報(bào)文傳輸時(shí)延組成部分

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中報(bào)文的傳輸時(shí)間定義為從發(fā)送方將數(shù)據(jù)放到傳輸棧頂開(kāi)始，直至接收方從傳輸棧取出數(shù)據(jù)的整個(gè)時(shí)間。報(bào)文傳輸時(shí)延組成部分如圖1所示。

圖1 報(bào)文傳輸時(shí)延組成部分Fig.1 Components of message transmission delay

1)設(shè)備固有時(shí)延d1。包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)中通信處理機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)打包造成的時(shí)延t1，接收節(jié)點(diǎn)中通信處理機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)解包產(chǎn)生的時(shí)延t2和交換機(jī)內(nèi)部因交換機(jī)制產(chǎn)生的固有時(shí)延t3[9]。t1、t2、t3數(shù)值固定可測(cè)，通常不超過(guò)10μs，因而設(shè)備固有時(shí)延可表示為

d1=t1+t2+∑t3

(1)

2)報(bào)文傳播時(shí)延d2。d2的大小與傳播信息的數(shù)據(jù)量無(wú)關(guān)，取決于鏈路物理特性和傳播距離，光纖中數(shù)據(jù)傳輸速率為光速的2/3，因而報(bào)文傳輸時(shí)延公式為

d2=1/[(2/3)×3×108]=0.005 μs/m

(2)

3) 報(bào)文排隊(duì)時(shí)延d3。排隊(duì)時(shí)延的大小與隊(duì)列前面的信息數(shù)據(jù)量和交換機(jī)的信息處理速率λ有關(guān)，而隊(duì)列前面數(shù)據(jù)量的不確定性導(dǎo)致了報(bào)文排隊(duì)時(shí)延的不確定性，通常采用網(wǎng)絡(luò)演算理論來(lái)表征報(bào)文的排隊(duì)過(guò)程。

4)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延d4。交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文產(chǎn)生的時(shí)延d4與報(bào)文長(zhǎng)度L、交換機(jī)的信息處理速率λ有關(guān)：

d4=L/λ

(3)

因而，報(bào)文的端到端傳輸時(shí)延計(jì)算公式可表示為

D=d1+d2·δ+∑d3+∑d4

(4)

式中：∑表示報(bào)文傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)多臺(tái)交換機(jī)；δ表示傳播距離。

1.2 網(wǎng)絡(luò)演算理論

到達(dá)曲線(xiàn)α(t)和服務(wù)曲線(xiàn)β(t)是網(wǎng)絡(luò)演算理論中常用的兩種工具，分別描述報(bào)文進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的行為特征和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)服務(wù)策略對(duì)報(bào)文所提供的性能保證[10]。現(xiàn)有應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)演算理論來(lái)計(jì)算傳輸時(shí)延的方案主要有兩種：一種是通過(guò)報(bào)文的到達(dá)曲線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)速率求取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文產(chǎn)生的時(shí)延，然后以該節(jié)點(diǎn)的離開(kāi)曲線(xiàn)作為下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的到達(dá)曲線(xiàn)，進(jìn)而求取下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文產(chǎn)生的時(shí)延，這種方案每計(jì)算一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就考慮一次突發(fā)流量，導(dǎo)致獲取的時(shí)延上界過(guò)大；另一種是將每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)曲線(xiàn)卷積運(yùn)算，作為整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)曲線(xiàn)，這種方案雖然只考慮一次突發(fā)的情況，但是卷積運(yùn)算時(shí)，將節(jié)點(diǎn)中的最小服務(wù)速率作為系統(tǒng)服務(wù)速率，仍然會(huì)使獲取的時(shí)延上界過(guò)大。

雖然不同種類(lèi)的報(bào)文發(fā)送機(jī)制不同，但在計(jì)算時(shí)延上界時(shí)，關(guān)注的是達(dá)到最大時(shí)延的那一時(shí)刻，報(bào)文的到達(dá)速率和長(zhǎng)度，因而可用簡(jiǎn)單的漏桶模型來(lái)描述各種報(bào)文的到達(dá)曲線(xiàn)。對(duì)于報(bào)文i，其到達(dá)曲線(xiàn)可表示為

αi(t)=ρit+σi

(5)

式中：ρi=σi/Ti，表示報(bào)文i的最大持續(xù)到達(dá)速率；Ti為報(bào)文的發(fā)送間隔；σi為最大突發(fā)長(zhǎng)度。

不再以突發(fā)的角度看待報(bào)文傳輸過(guò)程，取σi=Li，表示報(bào)文i的長(zhǎng)度，結(jié)合排隊(duì)經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)報(bào)文排隊(duì)時(shí)延計(jì)算公式。

在報(bào)文排隊(duì)過(guò)程中，排在前面的可能是正在被處理的、優(yōu)先級(jí)較高的和優(yōu)先級(jí)相同的報(bào)文，只有優(yōu)先級(jí)較高的報(bào)文才能在等待處理的報(bào)文中進(jìn)行插隊(duì)行為?？紤]FIFO(First In First Out)和非搶占式PQ(Priority Queuing)兩種重要的隊(duì)列調(diào)度策略，以實(shí)現(xiàn)阻塞控制和提高服務(wù)質(zhì)量QOS(Quality Of Service)，可得報(bào)文i經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)滿(mǎn)足：

λd3=∑αj(d3)+Lmax+∑σr

(6)

λd4=σi

(7)

式中：報(bào)文j的優(yōu)先級(jí)高于報(bào)文i，報(bào)文r的優(yōu)先級(jí)等于報(bào)文i，但r≠i；Lmax表示優(yōu)先級(jí)低于報(bào)文i的報(bào)文最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

綜合式(5) —(7)，可得報(bào)文i的排隊(duì)時(shí)延為

(8)

2 端口報(bào)文分布情況

2.1 交換機(jī)處理數(shù)據(jù)幀過(guò)程

不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的交換機(jī)，如華為、思科、西門(mén)子、羅杰康、赫斯曼交換機(jī)等，在VLAN的設(shè)置方式上存在一定的差別，對(duì)于數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送控制規(guī)則相似，可歸結(jié)為如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)幀收發(fā)控制規(guī)則Fig.2 Data frame transceiver control rule

在圖2中， “Tag”為數(shù)據(jù)幀中的VLAN識(shí)別信息，其中包含了VLAN編號(hào)，“unTag”為數(shù)據(jù)幀不攜帶VLAN標(biāo)識(shí)字段或VLAN編號(hào)為0。交換機(jī)端口的VID值說(shuō)明了該端口允許哪些VLAN域內(nèi)的數(shù)據(jù)幀通過(guò)，交換機(jī)端口的PVID值只有一個(gè)，說(shuō)明了當(dāng)交換機(jī)接收到“unTag”數(shù)據(jù)幀時(shí)，應(yīng)將該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至的VLAN域，因而，“VLAN-Map”是指數(shù)據(jù)幀中的VLAN編號(hào)包含于交換機(jī)端口的VID值。對(duì)于早期無(wú)法識(shí)別數(shù)據(jù)幀中VLAN識(shí)別信息的終端設(shè)備，其所接收到的數(shù)據(jù)幀需去除VLAN識(shí)別信息，否則將被視為錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)而丟棄。

2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

以智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的端口作為基本單元，構(gòu)建以下數(shù)學(xué)模型。

定義1：硬連接矩陣Hn×n。H表征設(shè)備之間的端口連接關(guān)系，hij=1表示端口i和端口j之間通過(guò)硬接線(xiàn)相連，如光纖連接，否則，值為0。n為設(shè)備端口的總數(shù)，H為對(duì)稱(chēng)矩陣。

定義2：軟連接矩陣Sn×n。S表征同一臺(tái)交換機(jī)端口之間可能存在的虛擬連接關(guān)系，sij=1表示端口i和端口j屬于同一臺(tái)交換機(jī)，否則，值為0。S為對(duì)稱(chēng)矩陣。

定義3：VID矩陣Cm×n。cij=1表示交換機(jī)端口j的VID值包含VLANi，否則，值為0。m為VLAN數(shù)量。

定義4：PVID矩陣Vm×n。vij=1表示交換機(jī)端口j的PVID值為i，否則，值為0。

借鑒馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法中通過(guò)矩陣相乘來(lái)描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程的思想，將H和S迭代相乘以表示報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸過(guò)程。

定義6：篩選矩陣Zl×n。Z用于模擬交換機(jī)輸出端口對(duì)報(bào)文的過(guò)濾行為，zij=1表示端口j允許報(bào)文i通過(guò)，否則，值為0。

定義7：報(bào)文VLAN屬性矩陣Bl×m。bij=1表示報(bào)文i的VLAN標(biāo)識(shí)字段中的編號(hào)為j。

2.3 端口報(bào)文分布計(jì)算

對(duì)于終端設(shè)備發(fā)出的報(bào)文不攜帶VLAN識(shí)別信息的情況，篩選矩陣表達(dá)式為

(9)

對(duì)于終端設(shè)備發(fā)出的報(bào)文已攜帶VLAN識(shí)別信息的情況，篩選矩陣表達(dá)式為

Zl×n=Bl×m×Cm×n

(10)

實(shí)際上，矩陣Z的列向量已經(jīng)表示各個(gè)端口有哪些報(bào)文通過(guò)，但是沒(méi)有說(shuō)明報(bào)文是從該端口輸入還是輸出，而矩陣H和S的迭代相乘過(guò)程正是用于區(qū)分端口輸入和輸出報(bào)文，計(jì)算報(bào)文的傳輸時(shí)延關(guān)注的是端口輸出報(bào)文的分布情況，則

W(2k)=W(2k-1)×H

(11)

W(2k+1)=(W(2k)×S)&Z

(12)

迭代結(jié)束的條件為k=N+1，N表示網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)的臺(tái)數(shù)。因而，端口輸出報(bào)文分布情況為

(13)

矩陣W的列向量表示各個(gè)端口有哪些報(bào)文輸出，結(jié)合式(8)可計(jì)算各報(bào)文在各端口的排隊(duì)時(shí)延d3。在迭代過(guò)程中，結(jié)合矩陣H和S，記錄報(bào)文傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)的端口，形成路徑。應(yīng)用公式(4)可得報(bào)文端到端傳輸時(shí)延。

3 算例分析

3.1 算例模型

以220kV D2-1型智能變電站的部分間隔為研究對(duì)象[11]，驗(yàn)證本文所提出的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。簡(jiǎn)化的變電站算例模型及其配置如圖3所示，該算例模型包含一個(gè)變壓器間隔(T)、一個(gè)母線(xiàn)間隔(S)、一個(gè)饋線(xiàn)間隔(F)以及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)配置。HV和LV分別表示高壓側(cè)和低壓側(cè)。

圖3 簡(jiǎn)化的變電站算例模型及其配置Fig.3 Simplified substation example model and its configuration

假定交換機(jī)的信息處理速率為100 Mbps，光纖長(zhǎng)度為200 m，這里不計(jì)及設(shè)備固有時(shí)延。各IED發(fā)送的報(bào)文的詳細(xì)信息如表1所示，各交換機(jī)端口的VLAN配置結(jié)果如表2所示。

表1各報(bào)文的詳細(xì)信息

Table1Detailedinformationofeachmessage

終端設(shè)備報(bào)文優(yōu)先級(jí)發(fā)送間隔/s報(bào)文長(zhǎng)度/ByteP&CIED1～3GOOSE1～370.002～1204MUIED1～4SV1～460.00025219BreakerIED1～4GOOSE4～750.002～1204

表2VLAN配置結(jié)果

Table2ConfigurationresultofVLAN

PortPVIDVIDPortPVIDVID1223、4、5、6208—1332、92113、4、5、6、9、10、11144—2293、4、5、6、7、8、10、111552、92319、10、11166—2410—1713、4、5、6、9、10、1125119、121819、10、11261210、111979

3.2 計(jì)算過(guò)程

通過(guò)MATLAB編程將式(11)和式(12)不斷迭代計(jì)算，每迭代1次，都要記錄各報(bào)文傳輸路徑，當(dāng)k=4時(shí)，迭代結(jié)束，由式(13)獲得端口輸出報(bào)文分布情況。

由矩陣W11×26的列向量，結(jié)合表1中報(bào)文的詳細(xì)信息，可由式(8)和式(3)計(jì)算，求得各報(bào)文在各交換機(jī)端口的排隊(duì)時(shí)延d3和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延d4。再結(jié)合報(bào)文傳輸路徑，通過(guò)式(4)求得報(bào)文端到端傳輸時(shí)延。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)改變計(jì)算公式中報(bào)文的發(fā)送間隔，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、局部故障和全局故障場(chǎng)景中信息端到端傳輸時(shí)延的計(jì)算，進(jìn)而判斷是否滿(mǎn)足系統(tǒng)的時(shí)限要求。同時(shí)，在OPNET中搭建相應(yīng)的仿真模型，運(yùn)行仿真獲取時(shí)延參數(shù)。仿真和計(jì)算的部分結(jié)果如表3所示。

表3仿真和計(jì)算的部分結(jié)果

Table3Partialresultsofsimulationandcalculation

報(bào)文發(fā)/收端口計(jì)算結(jié)果/μs仿真結(jié)果/μs誤差/μsSV11→352.36050.5431.817SV11→8156.280153.9642.316SV49→1134.84033.7741.066SV49→8190.120188.3461.774GOOSE28→449.96047.0492.911GOOSE28→1066.28065.0531.227GOOSE42→377.05275.8211.231GOOSE42→8306.928302.4544.474GOOSE710→1136.16034.1901.970GOOSE710→8342.088338.9823.106

由表3可知，同一信息在間隔內(nèi)的傳輸時(shí)延較小，跨間隔傳輸時(shí)延較大，主要是因?yàn)榭玳g隔傳輸涉及到多次排隊(duì)過(guò)程，特別是P&C IED2 匯集了其他間隔的采樣值報(bào)文和開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息，因而跨間隔傳輸至端口8的信息的時(shí)延較大，對(duì)于優(yōu)先級(jí)較低的報(bào)文更是如此，如GOOSE7。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果誤差范圍在5 μs以?xún)?nèi)，說(shuō)明了本文所提出的計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

1) 在分析報(bào)文排隊(duì)處理過(guò)程的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)演算理論，推導(dǎo)出了信息端到端傳輸時(shí)延的計(jì)算公式，相比已有的計(jì)算公式，既簡(jiǎn)化又準(zhǔn)確。

2) 構(gòu)建篩選矩陣來(lái)模擬交換機(jī)對(duì)報(bào)文的過(guò)濾作用，借鑒馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣法，提出了端口報(bào)文分布情況的計(jì)算方法，這種方法的計(jì)算效率比人工繪制信息傳輸路徑以獲取端口報(bào)文分布情況的方式高。

3) 所提出的智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延計(jì)算方法具有較大的實(shí)用性，對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估具有一定的指導(dǎo)作用。

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End-to-end delay calculation method in process-layer network of smart substation

WANG Dong1, ZHONG Xiwei1, CHEN Zeheng2

(1. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Guangzhou Research Institute of Mechanical Design, Guangzhou 510000, China)

Aiming at the problem of end-to-end delay calculation in the process-layer network of smart substation, the component of process-layer network message transmission delay and the network calculus theory are expounded, the queuing process of the message is analyzed, the accurate and simplified information end-to-end transmission delay calculation formula is deduced. In this way, the process of exchange dealing with the data frame is clarified, end-to-end delay calculation method in process-layer network of the smart substation, and a case study is analyzed on the smart substation through examples. The analysis results show that the calculation results of end-to-end delay calculation method in process-layer network of the smart substation are very close to the simulation results of the model built by OPNET, and the accuracy of the proposed method is verified.

process-layer network; end-to-end delay; network calculus; screening matrix

2017-07-24;

2017-08-12。

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017A070701038)。

汪 東(1993—)，男，在讀研究生，研究方向?yàn)橹悄茏冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)建模。

TM769

A

2095-6843(2017)06-0471-05

(編輯侯世春)