基于時間敏感網(wǎng)絡的風電場通信網(wǎng)時延特性分析

高會生，于文思，韓東升

（華北電力大學電子與通信工程系，河北省 保定市071003）

0 引言

在風電場通信網(wǎng)絡中，主要通信技術由以太網(wǎng)及PROFINET技術組成。但傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法提供有限低時延傳輸保證[1]，PROFINET網(wǎng)絡技術硬件兼容性較差[2]。為保證實時數(shù)據(jù)高效傳輸，風電場需要高效統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡以保障系統(tǒng)高效可靠運行。時間敏感網(wǎng)絡（time-sensitive networking，TSN）是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎上增加流控機制，綜合可靠性傳輸?shù)认嚓P標準而形成高可靠、低時延的傳輸網(wǎng)絡。文獻[3]闡述了TSN技術的發(fā)展現(xiàn)狀并對其部署于電力通信網(wǎng)的可行性進行理論分析。

目前TSN技術尚不完善，在風電場通信場景下，其傳輸過程受多種因素影響，需對其時延特性進行全面分析。關于時延特性的研究，文獻[4]采用基于概率模型建模分析法驗證了網(wǎng)絡時延數(shù)據(jù)的平穩(wěn)及非周期性特征；文獻[5]通過OMNeT++仿真平臺對TSN流控機制時延情況及傳輸性能加以分析；文獻[6]給出了基于排隊論的電網(wǎng)高級計量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀傳輸平均延遲的表達式。文獻[7-8]基于確定網(wǎng)絡演算理論分析了基于時間觸發(fā)以太網(wǎng)及TSN的端到端最差時延及其影響因素。但上述方法僅涉及較為簡單的網(wǎng)絡環(huán)境，不適用于風電場內(nèi)復雜的通信網(wǎng)絡場景分析。

針對上述問題，本文結合風電場通信網(wǎng)絡結構、數(shù)據(jù)業(yè)務以及TSN流控機制工作原理，提出了基于數(shù)據(jù)輸入?輸出曲線的TSN時延分析模型，并對時延及影響因素加以計算分析。通過算例驗證了該時延分析方法的可行性及正確性，為實現(xiàn)風電場高效調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 基于TSN的風電場通信網(wǎng)絡

1.1 風電場通信網(wǎng)絡

風電場平穩(wěn)運行依賴于控制中心的及時準確調(diào)度，因此需要實時可靠的通信網(wǎng)絡維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

風電場受地勢等客觀因素影響，其通信網(wǎng)絡可根據(jù)實際情況靈活選擇拓撲結構。文中所提方法適用于常見網(wǎng)絡結構，本文以可靠性較高的環(huán)型拓撲結構為例分析其時延特性，如圖1所示。

圖1 風電場環(huán)型通信網(wǎng)絡結構Fig.1 Ring communication network structure of wind farm

在風電場通信網(wǎng)絡中，每臺風力渦輪機（wind turbine generator，WTG）內(nèi)部署2臺交換機：機艙交換機（nacelle switch，NS）及風塔交換機（tower switch，TS）。NS、TS為通信終端系統(tǒng)，環(huán)網(wǎng)交換機（switch，SW）作為數(shù)據(jù)接入節(jié)點接入環(huán)網(wǎng)。NSi、TSi這2臺交換機經(jīng)工業(yè)電腦（industrial personal computer，IPC）連 接 到SWi。每一環(huán)網(wǎng)結構中，包括1臺環(huán)網(wǎng)中心交換機（center switch，CS）將環(huán)網(wǎng)中各臺交換機連接到升壓站中的控制中心服務網(wǎng)絡（supervisory control and data acquisition，SCADA）。

通信網(wǎng)絡以光纖作為傳輸介質(zhì)。由于其低衰減特性，信號保真度高、保密性強，光纖接入也作為電力通信網(wǎng)應用最為廣泛的接入方式。

基于TSN的通信網(wǎng)絡在結構上與傳統(tǒng)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡無差別，只需將TSN技術搭載于環(huán)網(wǎng)交換機內(nèi)，其規(guī)模和大小可通過SWi的數(shù)量調(diào)節(jié)伸縮。

1.2 風電場數(shù)據(jù)業(yè)務

風電場“風機（W）?控制中心（S）”網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務按照電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡行業(yè)標準劃分為7類[2]，表1給出了相應的業(yè)務需求指標。

表1 風電場數(shù)據(jù)分類Table 1 Wind farm data classification

由表1可知，在風電場通信網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)類型較多，對時延要求也存在較大差異。傳統(tǒng)以太網(wǎng)中各類型流量之間相互影響，產(chǎn)生較大時延冗余，數(shù)據(jù)傳輸延遲無法保證，甚至造成網(wǎng)絡阻塞。TSN通過流控機制合理調(diào)度，保證實時數(shù)據(jù)低時延傳輸，從而提高風力發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

1.3 TSN流控機制

TSN為工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸提供了新的排隊與轉(zhuǎn)發(fā)機制，包含5種流控機制標準。針對風電場數(shù)據(jù)特征，本文以IEEE 802.1 Qbv[9]標準定義的時間感知整形器(time-aware shaper，TAS)為例，分析風電數(shù)據(jù)在TSN中傳輸時延特性。

在TAS中，可根據(jù)數(shù)據(jù)實際傳輸需求設定1~8個數(shù)據(jù)緩沖隊列，如圖2所示。交換機中過濾結構根據(jù)數(shù)據(jù)幀幀頭信息將其導入相應的緩沖隊列。緩沖隊列出口由一門(Gate)控制，當門開啟時該隊列中數(shù)據(jù)幀具備傳輸條件，關閉時在隊列內(nèi)等待。門狀態(tài)由預先設定的門控列表（gate control lists，GCL）控制。在GCL中o代表門打開，c代表門關閉。TAS工作機制等價于時分多址（time division multiple access，TDMA）工作原理。同時IEEE 802.1 Qbv定義了先行檢查機制，用于保證幀的完整發(fā)送。因此，GCL參數(shù)中，門開時長應大于對應隊列中緩存流量中最長幀的傳輸時長，調(diào)度周期TGCL應大于

圖2 TAS交換機結構Fig.2 Structure of TAS switch

該標準定義了保護帶(Guard Band)機制。在“報告記錄”等較低時延要求的數(shù)據(jù)幀傳輸時隙結束前增加保護帶，以保證“保護數(shù)據(jù)”傳輸時隙開始時沒有其余數(shù)據(jù)幀正在傳輸，造成等待延遲。

圖1 中SWi搭載TSN技術，將各業(yè)務流量分離緩存。通過門的打開、關閉操作，最大程度上避免了各業(yè)務流量之間的交疊影響。當SW1中“保護數(shù)據(jù)”緩沖隊列門打開時，該類業(yè)務數(shù)據(jù)幀由SW1傳輸?shù)絊W2，進入緩沖隊列等待下一次傳輸。通過時間門控制發(fā)送狀態(tài)，實現(xiàn)了各業(yè)務類型數(shù)據(jù)有限低時延傳輸。

2 TSN時延特性分析

2.1 傳輸時延

文獻[10]指出，通信網(wǎng)絡中端到端時延為數(shù)據(jù)傳輸路徑中每一節(jié)點產(chǎn)生的延遲總和。因此需重點分析傳輸路徑中數(shù)據(jù)每經(jīng)過一個網(wǎng)絡節(jié)點進行緩沖及調(diào)度消耗的時間。

根據(jù)TSN網(wǎng)絡調(diào)度特性及TAS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)原理，將數(shù)據(jù)傳輸流程所產(chǎn)生的時延加以分類，詳見表2。

表2 時延分類Table 2 Classification of latency

存儲時延、輸出時延、鏈路時延在數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)過程視為確定值。本文將上述確定時延之和定義為傳輸結構恒定轉(zhuǎn)發(fā)延遲dtech。

排隊時延包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)却舆t以及門結構關閉產(chǎn)生的門閉阻塞延遲。排隊時延的不確定性是數(shù)據(jù)傳輸時延產(chǎn)生抖動的主要因素。在風電場通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)業(yè)務種類較多，傳輸需求各有不同，調(diào)度情況復雜，因此亟需合理的時延分析模型研究其時延特性。

2.2 時延分析

確定網(wǎng)絡演算理論[11]基于節(jié)點i內(nèi)數(shù)據(jù)的到達曲線?服務曲線模型，用于反映網(wǎng)絡系統(tǒng)最差處理性能。文獻[8]基于上述模型分析了GCL參數(shù)對節(jié)點i內(nèi)目標流量M傳輸?shù)挠绊?，并通過最大水平差計算最差傳輸時延。

圖3 揭示了4種場景下2種模型的差別。由

式中：i表示節(jié)點編號；表示節(jié)點i內(nèi)第j個傳輸時隙數(shù)據(jù)輸出曲線。

當交換機存在多個輸入端口時，不同輸入端的同一業(yè)務類型的數(shù)據(jù)幀進入同一緩沖隊列，造成“自排隊”競爭。該節(jié)點為各輸入端口中數(shù)據(jù)輸入曲線之和為

通信網(wǎng)絡中“數(shù)據(jù)爆發(fā)只增加一次延遲[12]”，因此后續(xù)交換機對應端口輸入曲線由當前節(jié)點交換機輸出端口的輸出曲線確定：

式中：n表示數(shù)據(jù)輸入時隙總數(shù)；表示節(jié)點i中第j個傳輸時隙數(shù)據(jù)幀輸出累計長度。

j傳輸時隙數(shù)據(jù)幀的端到端時延為各節(jié)點時延之和加上各節(jié)點傳輸結構恒定轉(zhuǎn)發(fā)延遲：

式中N表示傳輸路徑中間節(jié)點數(shù)。

目標流量M端到端最差時延為

2.3 算法設計

圖4 算法流程圖Fig.4 Flowchart of the algorithm

其關鍵步驟總結如下文所述。

2）生成工具曲線。在本文所用模型中，工具曲線包括輸入曲線及 輸出曲線根據(jù)數(shù)據(jù)幀參數(shù)，結合式（2）、（3）繪制節(jié)點目標流量M的根據(jù)以及鏈路傳輸速率以文獻[8]所示方法計算服務時長并繪制各節(jié)點目標流量M的及 后續(xù)節(jié)點

3）統(tǒng)計網(wǎng)絡時延。結合式（1）、（4）、（5）計算不同GCL參數(shù)下數(shù)據(jù)業(yè)務各節(jié)點及端到端時延，比較分析GCL參數(shù)對時延影響關系。

通過上述流程，對不同GCL參數(shù)下的時延加以統(tǒng)計，量化分析其對系統(tǒng)時延的影響程度，從而為風電場合理配置通信網(wǎng)絡參數(shù)提供理論依據(jù)。

本文選取不同規(guī)模的網(wǎng)絡拓撲模型分別計算對應結構下數(shù)據(jù)傳輸時延參數(shù)，來對該算法的正確性及可行性加以驗證。同時，對比分析了TSN與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的時延特性，驗證了TSN的靈活性及實時性。

3 算例

3.1 算例說明

為證明TSN通信網(wǎng)部署方案及時延分析模型的可行性及適用性，本節(jié)以“保護數(shù)據(jù)”及“模擬測量”業(yè)務為目標流量，在Matlab R2019b環(huán)境下按照圖4流程計算了簡單拓撲網(wǎng)絡及多節(jié)點拓撲網(wǎng)絡中不同GCL參數(shù)下傳輸時延。最后對比分析了TSN與傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸模式，說明了TSN滿足風電場通信網(wǎng)絡所需的有限低時延特性。

根據(jù)文獻[13]對風電及電網(wǎng)通信網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)相關參數(shù)描述，表1中各業(yè)務流量傳輸參數(shù)設定見表3。在TSN交換機中，7類業(yè)務分別對應交換機中7個緩沖隊列，傳輸工作互不干擾。同時，風電場通信網(wǎng)中“模擬測量”及“狀態(tài)信息”業(yè)務通過“數(shù)據(jù)輪詢”業(yè)務以“詢問?應答”模式傳輸。在實際部署中，“數(shù)據(jù)輪詢”業(yè)務門結構關閉后“模擬測量”及“狀態(tài)信息”業(yè)務門結構同時開啟?！皥蟾嬗涗洝奔啊耙曨l監(jiān)控”業(yè)務對應門結構為常開狀態(tài)，當鏈路空閑時，上述2項業(yè)務進行傳輸，避免帶寬資源浪費。

表3 數(shù)據(jù)幀參數(shù)Table 3 Data frame parameters

本節(jié)以最小發(fā)送間隔傳輸?shù)摹澳M測量”為例分析計算其傳輸時延情況。設網(wǎng)絡鏈路傳輸速率為100 Mbit/s。

3.2 簡單拓撲示例

在實際網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸前交換機對傳輸路徑可用性加以判斷。當圖1所示三節(jié)點環(huán)網(wǎng)中某節(jié)點或鏈路發(fā)生故障，數(shù)據(jù)僅能通過1條鏈路進行傳輸，傳輸路徑如圖5所示。G鏈路故障，IPC1數(shù)據(jù)流經(jīng)最長傳輸路徑到達環(huán)網(wǎng)中心交換機CS。

圖5 環(huán)網(wǎng)傳輸路徑Fig.5 Transmission path of ring network

根據(jù)風電場信息傳輸需求，按照圖4流程設定分析計算圖5各個節(jié)點交換機最差時延平均時延及時延方差σi。假設每個節(jié)點傳輸結構恒定轉(zhuǎn)發(fā)延遲dtech為5 μs[10]。

為分析TGCL對數(shù)據(jù)傳輸時延的影響，設“保護數(shù)據(jù)”為50μs，TGCL分別為100μs、200μs、300μs。3種場景下傳輸時延見表4。

表4 不同T GCL下“保護數(shù)據(jù)”時延Table 4"Protection traffic"latencies under different T GCL

當TGCL減少，全局時間內(nèi)門閉阻隔減少，減小。當TGCL與傳輸流量的發(fā)送周期為整數(shù)倍關系時，最小且數(shù)據(jù)分布最為集中。

表5 不同下“模擬測量”時延Table 5"Analogue measurements"latencies under different

表5 不同下“模擬測量”時延Table 5"Analogue measurements"latencies under different

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通過上述數(shù)據(jù)可知，本文提出的時延分析模型及算法適用于TSN時延特性分析。驗證了GCL參數(shù)對時延影響關系。

3.3 多節(jié)點拓撲示例

本文采用文獻[14]提供的風電場通信網(wǎng)絡結構，以包含風機數(shù)目最多（18臺）的環(huán)網(wǎng)為例分析數(shù)據(jù)傳輸端到端時延情況。

TSN交換機根據(jù)文獻[15]定義選擇最近的傳輸路徑進行發(fā)送，因此當通信環(huán)網(wǎng)正常運行時，數(shù)據(jù)流經(jīng)最多節(jié)點交換機個數(shù)為10。

為分析GCL參數(shù)對風電通信網(wǎng)中流量端到端時延的影響，將“保護數(shù)據(jù)”TGCL分別設為200 μs、300μs、400μs和500 μs，“模擬測量”TGCL分別設為600μs、750μs、900μs和2000μs。同時“保護數(shù)據(jù)”分別設為50μs、100 μs、150μs和200 μs，“模擬測量”分別設為100 μs、250 μs、400μs和550μs，以不同形狀表示不同TGCL下數(shù)據(jù)端到端時延。圖6為一個變化周期內(nèi)端到端時延。

圖6 不同GCL參數(shù)下端到端時延Fig.6 End-to-end latencies under different GCL parameters

通過上述分析可知，該時延分析模型及算法適用于工程實際網(wǎng)絡時延計算。通過配置合理的GCL參數(shù)，TSN能夠滿足風電通信系統(tǒng)低時延需求，為TSN技術在風電場等工業(yè)領域推廣實施及配置優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。

3.4 傳統(tǒng)以太網(wǎng)對比分析

傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用“絕對優(yōu)先級調(diào)度”模式。數(shù)據(jù)幀到達時，交換結構對鏈路可用性加以判斷，當鏈路中無數(shù)據(jù)幀正在傳輸，且緩沖隊列中無高優(yōu)先級幀等待，目標流量進行傳輸。但該模式不能對流量加以整形處理，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)無法提供確定時延保證，數(shù)據(jù)傳輸時延可預測性隨著路徑節(jié)點數(shù)的增加而降低。表6為“保護數(shù)據(jù)”業(yè)務在圖5所示結構中2種傳輸技術下的時延數(shù)據(jù)，其中TSN選定2組GCL參數(shù)進行分析。設傳統(tǒng)以太網(wǎng)中恒定轉(zhuǎn)發(fā)延遲為10μs[10]。

由表6數(shù)據(jù)及3.2、3.3節(jié)分析可知，TSN通過GCL參數(shù)對流量的整形處理，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需求將同時到達數(shù)據(jù)幀分隔到不同服務時隙，從而影響數(shù)據(jù)傳輸時延及其可預測性。在TSN調(diào)度中，合理配置GCL參數(shù)（場景1）其傳輸性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸模式，當GCL參數(shù)與數(shù)據(jù)調(diào)度需求不匹配時（場景2），TSN傳輸時延較傳統(tǒng)以太網(wǎng)更長。因此，在風電場通信網(wǎng)應用中需根據(jù)各業(yè)務傳輸需求合理配置GCL參數(shù)，保證其良好傳輸性能的同時避免帶寬浪費。

表6 “保護數(shù)據(jù)”傳輸時延對比Table 6 Comparison of "protection traffic"latencies

4 結論

針對當前風電場通信網(wǎng)絡存在的問題，本文提出基于TSN風電場通信網(wǎng)絡部署方案，并建立TAS數(shù)據(jù)輸入?輸出曲線模型，推導出風電場通信業(yè)務時延計算方法，并以兩則算例探討了GCL參數(shù)對時延的影響，驗證了算法的正確性。結果表明，通過合理配置相關參數(shù)，TSN傳輸性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)以太網(wǎng)。為解決風電通信系統(tǒng)現(xiàn)有問題、優(yōu)化通信網(wǎng)絡配置，合理分配網(wǎng)絡資源提供了參考依據(jù)。

當前物聯(lián)網(wǎng)與可再生能源控制的結合受到廣泛關注，但風電系統(tǒng)通信方案不夠成熟，無法立即實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)搭載。下一步應完善風力發(fā)電應用的通信規(guī)范，以高效的通信技術推進物聯(lián)網(wǎng)搭載建設及數(shù)字化智慧風電廠建設進程。