除冰车佟为明;高吉星;金显吉;李中伟
【摘 要】过程层网络是智能变电站的重要组成部分,其实时性对智能变电站的安全可靠运行具有重要意义,而报文传输时间是实时性的主要指标.在介绍过程层网络结构及通信业务的基础上,提出了一种报文传输时间计算方法,分析了报文长度、数据率等因素对过程层网络中报文传输时间的影响并进行了仿真验证.针对因竞争而造成的采样值(SV)报文传输时间抖动问题,提出了一种通过控制报文发送时序与转发条件来抑制SV报文传输时间抖动的方法,给出了该方法的实现思路,仿真表明该方法可以在确保报文实时性的同时,有效地抑制SV报文传输时间的抖动. 【期刊名称】《电力自动化设备》智能灯光控制系统
【年(卷),期】2018(038)006
【总页数】7页(P131-137)
【关键词】智能变电站;过程层网络;报文;实时性;报文传输时间
【作 者】佟为明;高吉星;金显吉;李中伟
李德金后台【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001
【正文语种】中 文
【中图分类】TM761
0 引言
发展智能电网可以解决电力系统中存在的诸多问题，而智能变电站是建设智能电网的重要基础和支撑[1-2]。智能变电站使用网络技术代替传统的二次接线来传递开关量和采样值信号，采用IEC61850标准作为整个变电站的通信及建模依据，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用[3-4]。
智能变电站的通信系统包括变电站层设备、间隔层设备和过程层设备。过程层网络主要用于在间隔层设备与过程层设备之间传递面向对象变电站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)报文和采样值SV(Sampling Value)报文，实现变电站一次设备的数据传输和实时控制，如数据采集和保护跳闸等[5]。目前很多智能变电站在过程层网络都采用“直采直跳”的方案进行数据传输[6 -7]。虽然这种方案保证了数据传输的可靠性和实时性，但是也存在着装置网口较多、配置复杂等问题。目前，研究人员主要研究的过程层组网方案是采用同一网络传输SV报文和GOOSE报文(这种方案也被称为共网方案)，这种方案在提高过程层网络效率、简化装置结构的同时也会降低网络的实时性[8-9]。传输时间是评价过程层网络实时性的主要指标，IEC61850对SV报文和GOOSE报文的传输时间都有明确的规定[10]。目前，研究人员主要通过利用OPNET软件建立网络仿真模型的方法对传输时间进行分析，这种方法虽然可以出影响传输时间的主要因素，但是无法明确影响因素产生作用的原理[11-13]。
本文在分析智能变电站过程层网络传输时间组成的基础上，提出一种传输时间计算方法，分析影响报文传输时间的因素；针对共网方案中因竞争造成的SV报文传输时间抖动问题提出解决方法，给出实现思路；通过OPNET平台对该方法进行仿真验证，并且根据现有技术
条件分析该方法的可行性。
1 过程层网络结构与通信业务
以某220 kV智能变电站(D2-1型)为例，该站包含9个间隔(变压器间隔T1、T2，馈线间隔F1—F6，母线间隔S)，每个间隔内部都有相应的智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device)，IED种类包括合并单元MU(Merging Unit)、智能终端IT(Intelligent Terminal)、测量与控制 IED(M&C IED)以及保护IED(包括主变保护IED、母线保护IED和馈线保护IED)。其中，合并单元和智能终端为过程层设备，M&C IED、保护IED为间隔层设备。每个变压器间隔内部各有2个合并单元、2个智能终端、2个M&C IED(高压侧和低压侧各有1个)以及1个主变保护IED；每个馈线间隔内部各有1个合并单元、1个智能终端、1个M&C IED和1个馈线保护 IED；母线间隔内部有1个合并单元、1个智能终端、1个 M&C IED和1个母线保护 IED。过程层网络通过间隔交换机将各间隔内的IED互联，通过中央交换机连接各间隔交换机实现跨间隔的数据通信，网络结构如图1所示。
在IEC61850中，GOOSE报文属于类型1——快速报文，SV报文属于类型4——原始数据报文[14-15]。SV报文和GOOSE报文的特性如表1所示。
图1 星形过程层网络结构Fig.1 Structure of star-type process level network表1 SV报文和GOOSE报文的特性Table 1 Characteristics of SV and GOOSE messages
报文类型通信方向报文长度/Byte报文性质最大传输时间要求/msGOOSE智能终端↔保护IED智能终端↔M&C IED163～237突发性性能类P1:10性能类P2/3:3SV合并单元→保护IED合并单元→ M&C IED190～339周期性性能类P1:10性能类P2/3:3
在过程层网络中，GOOSE报文用于传输控制数据和状态数据；SV报文用于将合并单元的采样数据传输给M&C IED和保护IED。在过程层网络中，报文主要在间隔内部传输，但母线保护IED还要与其他间隔的合并单元和智能终端进行通信。
SV报文和GOOSE报文通过ASN.1语法规则定义了应用层协议数据单元APDU(Application Proto-col Data Unit)(包括SV-PDU和GOOSE-PDU)。为了采用ISO/IEC8802-3标准的以太网数据帧(以下有时简称“数据帧”)传输SV-PDU和GOOSE-PDU，IEC61850规定将APDU放置于数据帧的应用数据字段中。媒体访问控制MAC(Media Access Control)帧头长度为26 Byte，帧校验序列长度为4 Byte；GOOSE-PDU的长度为133～207 Byte，所以GOOSE报文的长度为163～237 Byte；SV-PDU的长度为160～309 Byte，所以SV报文的长度为190
～339 Byte。立式真空炉
2 传输时间的组成及计算方法
IEC61850-5中将报文传输时间定义为：从发送方(源节点)将数据放到传输栈顶开始，直至接收方(目的节点)从传输栈取出数据为止所经历的时间。报文传输时间由净发送时间Tframe、传播时间Tprop、发送等待时间Twait(以下简称等待时间)、接收通信处理时间Tprocessor_r和转发处理时间Tprocessor_f组成。
净发送时间由数据长度和数据率决定，传播时间由传播介质和传播距离决定，接收通信处理时间和转发处理时间由节点性能决定，发送等待时间由网络状态决定。设定报文从源节点发送到目的节点需要经过X个节点(其中，第1个节点为源节点，第2、3、…、X-1个节点为转发节点，第X个节点为目的节点)，所有节点数据率相同，传输时间Ttrans为：
(1)
其中，L为报文长度(单位为Byte)；R为数据率(单位为bit/s)；D为传播距离(单位为m)；V为传播速率(单位为m/s)；Tprocessor_r为目的节点上的接收通信处理时间(单位为s，下文公
式中时间量的单位均为s)；为第x个节点上的转发处理时间；为第x个节点上的发送等待时间。发送等待时间的产生方式如图2所示。
图2 发送等待时间模型Fig.2 Model of send waiting time
图2以馈线间隔为例，在馈线间隔交换机与保护IED和M&C IED相连接的端口上，SV报文和GOOSE报文存在相互竞争的情况。如果在交换机(A)发送一个SV报文时(时间段TframeSV1)的某一时刻t2，有新的GOOSE报文需要从这个端口发送，则这个GOOSE报文将会在等待队列中等待发送。当SV报文的最后1位被发送到总线上时(t3时刻)，交换机开始发送GOOSE报文(前提是等待队列内没有排在这个GOOSE报文前面的报文)。SV报文属于周期性报文，GOOSE报文属于突发性报文，如果GOOSE报文在上一帧SV报文发送完毕后到达端口，且在下一帧SV报文到来之前发送完毕，则2种报文的传输都不会存在等待的情况；如果在下一帧SV报文到来前GOOSE报文尚未被发送完毕，那么这帧SV报文也需要等待。SV报文间隙TSVgap是从上一个SV报文发送完毕开始(t3)，到下一个SV报文开始发送为止(t7)所经历的时间。SV报文净发送时间的增加和发送周期TSVturn的减小都会使得TSVgap减小。因为GOOSE报文到达的时刻是随机的，所以TSVgap越小，2种报文在交换
机端口上竞争的概率越大，产生发送等待时间的概率越大，GOOSE报文的净发送时间越短，在交换机端口上产生发送等待时间的概率越小。
图3 过程层网络仿真模型Fig.3 Simulation model of process level network
3 影响传输时间的因素
本文以数据率为100 Mbit/s、SV报文发送频率为4 000 Hz、传播距离为300 m、报文长度为200 Byte作为默认条件。根据图1建立仿真模型见图3。
对只存在SV报文(无等待产生)的情况进行仿真，仿真过程中各类型时间无明显变化，净发送时间与报文长度成正比、与数据率成反比，传播时间与传播距离成正比，接收通信处理时间约为0.000 3 ms，报文在每个交换机上的转发处理时间为0.002 ms。
本文设定GOOSE报文的产生服从λ=500的泊松分布，长度默认为200 Byte,SV报文发送频率为4 000 Hz和12 000 Hz时，仿真得到的GOOSE和SV报文传输时间分别见图4(a)、(b)。SV报文长度为300 Byte时，GOOSE报文的传输时间如图5所示。
锐射图4 SV报文的发送频率在4 000 Hz和12 000 Hz时SV和GOOSE报文的传输时间Fig.4 Transmission time of SV and GOOSE messages when frequency of SV message is 4 000 Hz and 12 000 Hz
图5 SV报文长度为300 Byte时GOOSE报文的传输时间Fig.5 Transmission time of GOOSE message when length of SV message is 300Byte
受体激动剂数据率为1 000 Mbit/s时，GOOSE报文在馈线间隔和母线间隔内的传输时间如图6所示。
图6 数据率为1 000 Mbit/s时GOOSE报文的传输时间Fig.6 Transmission time of GOOSE message in data rate of 1 000 Mbit/s
从图4中可以看出，发送频率越高，产生等待时间的概率越高；从图4(a)和图5中可以看出，报文长度越长，产生等待时间的概率越高；从图4(a)和图6中可以看出，数据率越高则产生等待时间的概率越小。由于母线保护IED还要与其他间隔的合并单元进行通信，所以在母线间隔交换机上要经过来自11个合并单元的SV报文，这使得报文间相互竞争的概率加大，所以从图6中可以看出报文在母线间隔内部传输过程中产生等待时间的概率更高。
