智能變電站信息流傳輸特征分析與交換機報文調(diào)度方法研究

林金洪 楊 祺 徐偉宗

（廣州供電局有限公司培訓(xùn)與評價中心，廣東 廣州510660）

0 引言

智能變電站引入以太網(wǎng)來分離自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息采集、傳輸和應(yīng)用，實現(xiàn)了信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸與共享。以太網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)（SAS）中的應(yīng)用使得報文成為了繼電保護、監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)其功能的信息載體，因此如何確保報文安全、可靠、實時傳輸已經(jīng)成為SAS高效可靠運行的關(guān)鍵問題。

本文從提高智能變電站SAS可靠性的角度出發(fā)，對適用于智能變電站的交換機報文調(diào)度方法展開了研究。通過分析目前智能變電站報文傳輸過程中存在的多種問題，提出了具體的交換機報文調(diào)度方法，為提高報文傳輸?shù)目煽啃蕴峁┝藢崿F(xiàn)條件。

1 智能變電站信息流傳輸特征分析

智能變電站信息通過以太網(wǎng)進行傳輸，站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中存在多種典型報文：SV報文，即采樣值報文，主要用來傳輸采樣值信息；GOOSE報文，即保護動作報文，主要用來傳輸裝置動作信息和開關(guān)位置信息等；另外還存在MMS報文和PTP報文，其中PTP報文的使用頻率暫時較低。這幾種類型的報文因各自用途不同，存在不同的特征，以下將分析報文的傳輸特征。

1.1 報文傳輸路徑不確定

為限制GOOSE報文和SV報文的廣播域，將報文只發(fā)送到需要收到該報文的設(shè)備端口，以減少網(wǎng)絡(luò)中不必要的流量。VLAN和組播過濾等技術(shù)被引入數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)，但要利用這些技術(shù)做到將報文精確限制在需要收到該報文的端口，制定VLAN和組播過濾方案時需要綜合考慮報文的訂閱關(guān)系、組網(wǎng)方案、流量等諸多因素，設(shè)計過程非常復(fù)雜，且落實在網(wǎng)絡(luò)和交換機配置上也異常繁瑣。

1.2 報文傳輸延時不確定

報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時可分為交換機延時和鏈路傳輸延時［1－2］。鏈路傳輸延時是鏈路長度除以光速的2／3，與鏈路的長度成正比。對于存儲轉(zhuǎn)發(fā)型交換機而言，其延時共分為4部分：報文接收延時、報文處理延時、報文排隊延時及報文傳輸延時。其中，前2部分延時較小，一般在5μs以內(nèi)，而報文傳輸延時等于報文長度除以端口傳輸速率，也是確定的，因此，報文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延時的不確定部分是由排隊延時引起。為確保實時性高的報文能夠在盡量短的時間內(nèi)通過交換機，目前的做法是將報文按照實時性等級進行劃分，并標(biāo)示優(yōu)先級。在報文被分配到某個輸出端口后，交換機將根據(jù)其優(yōu)先級標(biāo)簽判斷該報文將會進入該端口的哪個隊列。一般交換機每個端口有4個優(yōu)先級隊列，也有的高級交換機每個端口有8個優(yōu)先級隊列。但無論是4個隊列還是8個隊列，報文的分類與識別始終都是依據(jù)優(yōu)先級，這樣一來，一方面會顯得報文分類過粗；另一方面也會導(dǎo)致交換機無法區(qū)分報文的類型（SV、GOOSE或 MMS）和業(yè)務(wù)內(nèi)涵（保護或測控），也無法識別、排除和控制錯誤報文、突發(fā)報文等擾動報文，這將最終導(dǎo)致交換機無法根據(jù)報文的實時性要求為其分配交換機資源，造成報文延時的不確定性。

1.3 報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸狀態(tài)不可觀

報文的傳輸狀態(tài)主要體現(xiàn)為報文的傳輸路徑、傳輸鏈路狀態(tài)、實時流量與延時、同步精度以及所占用的網(wǎng)絡(luò)資源等信息。目前數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)中的交換機相當(dāng)于一個黑箱，主要負(fù)責(zé)報文的傳輸，并不反映報文的傳輸狀態(tài)，不利于變電站自動化系統(tǒng)的監(jiān)控與運維。

1.4 報文的同步需依賴于外部時鐘

網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時使得報文間的同步變得異常重要，不同步的報文會造成繼電保護誤動等嚴(yán)重后果。目前報文的同步主要依賴于外部時鐘和對時協(xié)議來實現(xiàn)，因此一旦外部時鐘出現(xiàn)故障，則報文間的同步將無法保證。

2 面向智能變電站的交換機報文調(diào)度方法

智能變電站傳輸?shù)膱笪念愋捅容^單一且流量相對固定，但部分類型的報文對傳輸過程中的延時或丟包率存在嚴(yán)格的要求。智能變電站交換機報文調(diào)度的核心思想即根據(jù)不同類型的報文，采用合適的排隊、調(diào)度、流控甚至丟棄策略，使得整個傳輸過程滿足該類型報文的傳輸要求，也就是說，調(diào)度應(yīng)該是基于業(yè)務(wù)流的［3－4］。圖1為基于IEC61850的智能變電站交換機報文調(diào)度方法。

圖1 基于IEC61850的智能變電站交換機報文調(diào)度方法

2.1 分類器

分類器負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)包分類到相應(yīng)的隊列中，分類標(biāo)準(zhǔn)多種多樣。對于通用交換機而言，通?？梢愿鶕?jù)IP地址、端口號、TOS值、VLAN等對數(shù)據(jù)包進行分類，甚至可以對這些條件進行組合，產(chǎn)生更加復(fù)雜的分類條件。本文將重點對IEC61850業(yè)務(wù)流識別進行闡述。

基于IEC61850的智能變電站中存在4類報文（GOOSE、SV、MMS和IEEE-1588），其中GOOSE報文為2層以太網(wǎng)報文，根據(jù)用途還可以分為快速GOOSE報文（多用于斷路器的跳／合閘控制和閉鎖）和常規(guī)GOOSE報文（多用于傳輸?shù)堕l節(jié)點位置或保護動作信息）；SV報文為2層以太網(wǎng)報文，根據(jù)用途還可以分為用于保護控制的快速SV報文和用于測控裝置的常規(guī)SV報文；MMS采用3層IP報文傳輸；IEEE-1588報文既可以采用2層以太網(wǎng)報文也可以采用3層IP報文傳輸。

為了實現(xiàn)上的方便，可把IEC61850業(yè)務(wù)流識別過程分成2個階段加以處理：

（1）粗分類。所謂粗分類，即根據(jù)2層以太網(wǎng)報文中的類型字段識別出4種類型的報文：GOOSE（0x88B8）、SV（0x88BA）、2層1588（0x88F7）、IP報文（0x0800）。

（2）細(xì)分類。在粗分類得到的4種報文的基礎(chǔ)上再作細(xì)分類，對不同報文進行細(xì)分類時需要使用不同的分類條件，相比粗分類要求更大的靈活性，這部分可以通過軟硬件結(jié)合的方式來實現(xiàn)。

由于GOOSE和SV報文數(shù)據(jù)首部有著相同的結(jié)構(gòu)，因此對于這2種報文，可以從中獲取APPID。根據(jù)IEC61850規(guī)約，APPID是全站唯一的應(yīng)用標(biāo)識，結(jié)合智能變電站的SCD文件，即可得知該報文所對應(yīng)的業(yè)務(wù)流所承載的具體業(yè)務(wù)（如跳／合閘控制、閉鎖、傳輸?shù)堕l節(jié)點位置或保護動作等），進而區(qū)別出快速GOOSE報文、常規(guī)GOOSE報文、快速SV報文和常規(guī)SV報文。

對于IP報文，可根據(jù)Protocol字段區(qū)分其為UDP報文還是TCP報文，進而區(qū)分出3層1588報文（使用UDP協(xié)議）和MMS報文（使用TCP協(xié)議）。

這樣，在經(jīng)過粗分類和細(xì)分類后，可以把業(yè)務(wù)流識別為如下6類：識別快速GOOSE流（跳／合閘控制、閉鎖）、識別快速SV報文流、識別常規(guī)GOOSE流、識別常規(guī)SV報文流、識別MMS報文流、識別1588報文流。它們分別對應(yīng)6個優(yōu)先級，自上而下優(yōu)先級逐級降低。

對于其他類型的報文（稱為公用類型），則根據(jù)通用交換機的分類條件依VLAN標(biāo)簽的Priority確定優(yōu)先級。為保證上述6類報文流的轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量，其他類型報文的優(yōu)先級比上述6類報文低。

2.2 丟包器

分類處理完畢后，數(shù)據(jù)包被添加到相應(yīng)類型的隊列中，每個隊列都有一個大小有限的緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時，就需要由丟包器根據(jù)某種策略進行丟包。智能變電站交換機選擇WRED算法作為丟包策略。

2.3 調(diào)度器

智能變電站交換機使用2級調(diào)度策略對多個類型的隊列進行調(diào)度［5］。

在subport層進行調(diào)度時，采用PQ（Priority Queuing）算法。PQ優(yōu)先級調(diào)度算法在輪詢的時候判斷優(yōu)先級，在報文分類時，已經(jīng)根據(jù)不同報文的業(yè)務(wù)帶寬、延時等實際業(yè)務(wù)需求，劃分出不同的優(yōu)先級分組，并將其置于不同優(yōu)先級的隊列中。根據(jù)PQ算法，位于高優(yōu)先級的隊列將優(yōu)先獲得服務(wù)，直到高優(yōu)先級隊列中沒有等待發(fā)送的分組，低優(yōu)先級的隊列才可能獲得被服務(wù)的機會。在這種調(diào)度策略下當(dāng)高優(yōu)先級分組以線速進入時，會導(dǎo)致低優(yōu)先級分組出現(xiàn)餓死現(xiàn)象。然而，由于在分類時已經(jīng)規(guī)定把GOOSE／SV定為高優(yōu)先級，按變電站的要求，此類報文分組本應(yīng)得到優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，故即使因此引起低優(yōu)先級報文分組餓死，也是可以接受的。

然而，對subport層屬于同一類型的報文進行分組，會存在多個不同class的報文，比如會有多個不同APPID的高速GOOSE報文分組。如果只使用一級調(diào)度策略，那么當(dāng)其中某個GOOSE流出現(xiàn)異常時，將會影響到同屬一個subport的其他GOOSE流的轉(zhuǎn)發(fā)（增大延時）。為有效避免這種情況的發(fā)生，引進二級調(diào)度策略，即在subport上再細(xì)分class，不同的APPID分屬不同的class，在這些class之間采用WFQ（Weighted Fair Queuing）調(diào)度算法。

（1）對于GOOSE、SV報文分組可以根據(jù) APPID劃分class［考慮到 APPID的數(shù)量較大，可以采用class＝hash（APPID）］。

（2）對于MMS、1588和公用報文分組可以根據(jù)VLAN標(biāo)簽的Priority劃分class。

如圖2所示，報文分組的完整調(diào)度流程如下：先經(jīng)過分類器，把報文分組分進若干隊列，報文只需要存放一份，但要按粗分類和細(xì)分類把指向存放位置的指針分置2個隊列，以供二級調(diào)度使用。一級調(diào)度器通過PQ算法從7個隊列中按優(yōu)先級選擇一個隊列進行二級調(diào)度；二級調(diào)度器通過WFQ算法，在相應(yīng)一級隊列下的二級隊列中按權(quán)重分配帶寬進行調(diào)度。

圖2 報文分組的完整調(diào)度流程

3 結(jié)語

作為智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)和自動化系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850使得以太網(wǎng)成為了智能變電站自動化系統(tǒng)的基本通信網(wǎng)絡(luò)，同時基于交換機的通信網(wǎng)絡(luò)也取代了傳統(tǒng)的硬接線方式。智能變電站要傳輸大量的數(shù)據(jù)，這就要求智能交換機必須具備快速交換的能力和充足的交換容量，并且要盡可能縮短傳輸延時，從而確保信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。鑒于此，本文設(shè)計了基于IEC61850的智能變電站交換機報文調(diào)度方法，實踐表明，該方法能夠根據(jù)報文的類型，采用合適的排隊、調(diào)度、留空和丟棄策略，從而確保報文傳輸過程滿足該類型報文的傳輸要求。

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