智能變電站信息流傳輸特征分析與交換機報文調度方法研究

林金洪 楊 祺 徐偉宗

（廣州供電局有限公司培訓與評價中心，廣東 廣州510660）

0 引言

智能變電站引入以太網來分離自動化系統的數據信息采集、傳輸和應用，實現了信息的網絡化傳輸與共享。以太網在變電站自動化系統（SAS）中的應用使得報文成為了繼電保護、監控等應用系統實現其功能的信息載體，因此如何確保報文安全、可靠、實時傳輸已經成為SAS高效可靠運行的關鍵問題。

本文從提高智能變電站SAS可靠性的角度出發，對適用于智能變電站的交換機報文調度方法展開了研究。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度方法，為提高報文傳輸的可靠性提供了實現條件。

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進行傳輸，站內網絡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，將報文只發送到需要收到該報文的設備端口，以減少網絡中不必要的流量。VLAN和組播過濾等技術被引入數字化變電站網絡，但要利用這些技術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系、組網方案、流量等諸多因素，設計過程非常復雜，且落實在網絡和交換機配置上也異常繁瑣。

1.2 報文傳輸延時不確定

報文在網絡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。對于存儲轉發型交換機而言，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，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，報文在網絡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，并標示優先級。在報文被分配到某個輸出端口后，交換機將根據其優先級標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個優先級隊列，也有的高級交換機每個端口有8個優先級隊列。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優先級，這樣一來，一方面會顯得報文分類過粗；另一方面也會導致交換機無法區分報文的類型（SV、GOOSE或 MMS）和業務內涵（保護或測控），也無法識別、排除和控制錯誤報文、突發報文等擾動報文，這將最終導致交換機無法根據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 報文在網絡中的傳輸狀態不可觀

報文的傳輸狀態主要體現為報文的傳輸路徑、傳輸鏈路狀態、實時流量與延時、同步精度以及所占用的網絡資源等信息。目前數字化變電站二次系統中的交換機相當于一個黑箱，主要負責報文的傳輸，并不反映報文的傳輸狀態，不利于變電站自動化系統的監控與運維。

1.4 報文的同步需依賴于外部時鐘

網絡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重后果。目前報文的同步主要依賴于外部時鐘和對時協議來實現，因此一旦外部時鐘出現故障，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度方法

智能變電站傳輸的報文類型比較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格的要求。智能變電站交換機報文調度的核心思想即根據不同類型的報文，采用合適的排隊、調度、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，調度應該是基于業務流的［3－4］。圖1為基于IEC61850的智能變電站交換機報文調度方法。

圖1 基于IEC61850的智能變電站交換機報文調度方法

2.1 分類器

分類器負責把數據包分類到相應的隊列中，分類標準多種多樣。對于通用交換機而言，通常可以根據IP地址、端口號、TOS值、VLAN等對數據包進行分類，甚至可以對這些條件進行組合，產生更加復雜的分類條件。本文將重點對IEC61850業務流識別進行闡述。

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層以太網報文，根據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GOOSE報文（多用于傳輸刀閘節點位置或保護動作信息）；SV報文為2層以太網報文，根據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層以太網報文也可以采用3層IP報文傳輸。

為了實現上的方便，可把IEC61850業務流識別過程分成2個階段加以處理：

（1）粗分類。所謂粗分類，即根據2層以太網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）細分類。在粗分類得到的4種報文的基礎上再作細分類，對不同報文進行細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合的方式來實現。

由于GOOSE和SV報文數據首部有著相同的結構，因此對于這2種報文，可以從中獲取APPID。根據IEC61850規約，APPID是全站唯一的應用標識，結合智能變電站的SCD文件，即可得知該報文所對應的業務流所承載的具體業務（如跳／合閘控制、閉鎖、傳輸刀閘節點位置或保護動作等），進而區別出快速GOOSE報文、常規GOOSE報文、快速SV報文和常規SV報文。

對于IP報文，可根據Protocol字段區分其為UDP報文還是TCP報文，進而區分出3層1588報文（使用UDP協議）和MMS報文（使用TCP協議）。

這樣，在經過粗分類和細分類后，可以把業務流識別為如下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GOOSE流、識別常規SV報文流、識別MMS報文流、識別1588報文流。它們分別對應6個優先級，自上而下優先級逐級降低。

對于其他類型的報文（稱為公用類型），則根據通用交換機的分類條件依VLAN標簽的Priority確定優先級。為保證上述6類報文流的轉發質量，其他類型報文的優先級比上述6類報文低。

2.2 丟包器

分類處理完畢后，數據包被添加到相應類型的隊列中，每個隊列都有一個大小有限的緩沖區，當緩沖區滿時，就需要由丟包器根據某種策略進行丟包。智能變電站交換機選擇WRED算法作為丟包策略。

2.3 調度器

智能變電站交換機使用2級調度策略對多個類型的隊列進行調度［5］。

在subport層進行調度時，采用PQ（Priority Queuing）算法。PQ優先級調度算法在輪詢的時候判斷優先級，在報文分類時，已經根據不同報文的業務帶寬、延時等實際業務需求，劃分出不同的優先級分組，并將其置于不同優先級的隊列中。根據PQ算法，位于高優先級的隊列將優先獲得服務，直到高優先級隊列中沒有等待發送的分組，低優先級的隊列才可能獲得被服務的機會。在這種調度策略下當高優先級分組以線速進入時，會導致低優先級分組出現餓死現象。然而，由于在分類時已經規定把GOOSE／SV定為高優先級，按變電站的要求，此類報文分組本應得到優先轉發，故即使因此引起低優先級報文分組餓死，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。如果只使用一級調度策略，那么當其中某個GOOSE流出現異常時，將會影響到同屬一個subport的其他GOOSE流的轉發（增大延時）。為有效避免這種情況的發生，引進二級調度策略，即在subport上再細分class，不同的APPID分屬不同的class，在這些class之間采用WFQ（Weighted Fair Queuing）調度算法。

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

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

如圖2所示，報文分組的完整調度流程如下：先經過分類器，把報文分組分進若干隊列，報文只需要存放一份，但要按粗分類和細分類把指向存放位置的指針分置2個隊列，以供二級調度使用。一級調度器通過PQ算法從7個隊列中按優先級選擇一個隊列進行二級調度；二級調度器通過WFQ算法，在相應一級隊列下的二級隊列中按權重分配帶寬進行調度。

圖2 報文分組的完整調度流程

3 結語

作為智能變電站通信網絡和自動化系統的唯一國際標準，IEC61850使得以太網成為了智能變電站自動化系統的基本通信網絡，同時基于交換機的通信網絡也取代了傳統的硬接線方式。智能變電站要傳輸大量的數據，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，從而確保信息傳輸的實時性和可靠性。鑒于此，本文設計了基于IEC61850的智能變電站交換機報文調度方法，實踐表明，該方法能夠根據報文的類型，采用合適的排隊、調度、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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