智能變電站過程層業務數據傳輸時延分析及優化控制

陳磊 ，林如忠 ，黃在朝 ，鄧輝 ，王向群 ，陶靜

（1.國網智能電網研究院，江蘇 南京 210003；2.國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003）

1 引言

智能變電站采用網絡化的通信系統以實現信息的傳輸和共享。IEC61850將智能變電站分為3層，即站控層、間隔層和過程層。常見的網絡構架為：三層兩網和三層共網。組網方式通常為星型或環型。通信協議采用工業以太網技術。核心通信設備是工業以太網交換機，符合IEC61850-3標準和公司相關標準。現有工程中國產化設備已經批量使用。總體來看，現有智能變電站通信解決方案基本可以滿足智能變電站的通信需求，但由于目前的智能變電站網絡通信裝置——以太網交換機多采用存儲轉發方式，在不同數據流量的情況下，造成數據傳輸時延變化較大，傳輸實時性需要進一步改善。

本文針對目前智能變電站通信網絡存在的實時性問題進行了研究，重點分析了實時性要求較高的過程層數據的特性，并提出相應的通信網絡優化方案，提高智能變電站通信網絡的實時性。本文研究成果將為智能變電站可靠運行和健康持續發展提供技術支撐，有力地推動我國智能變電站產業升級，帶動智能電網建設，保證國家能源經濟安全。

2 智能變電站通信系統

廣義的通信系統通常包括發送終端、傳輸介質、中繼/轉發設備及接收終端。智能變電站通信系統依據IEC61850要求，通信協議采用以太網技術，組網方式根據變電站的實際情況可以是星型或環型，網絡冗余根據變電站的電壓等級進行合理配置，最典型的（也是未來的終極目標）是全站統一組網，即三層共網。通信設備主要為二層工業以太網交換機，通信終端包括站內所有聯網裝置：智能終端、保護測控裝置、合并單元、監控后臺、電子互感器等。作為智能變電站二次系統的重要組成部分，通信系統承擔著保護、測控、計量等站內所有的業務數據的任務，其中保護對數據實時性提出了極高的要求[1-3]。

智能變電站通信網絡示意如圖1所示。

3 智能變電站業務實時性分析

3.1 智能變電站業務信息流實時性分析

IEC 61850嚴格詳細規定了 SAS（變電站自動化系統）的報文性能，報文根據不同的時延要求被劃分為快/中/低速跳閘報文、命令報文、數據生成報文、傳輸文件報文、時間同步報文，共7類，其中“快速跳閘報文”和“數據生成報文”對實時性要求較高，時延要求小于 3 ms。按周期性和實時性可將這些信息流分為4種類型：SMV、GOOSE、監控和維護，具體特性描述見表1[4,5]。

表1 智能變電站信息流特性

（1）SMV 信息流

用于傳送過程層合并單元與間隔層設備間的周期性采樣測量值，一般要求在 3～10 ms內完成傳輸，與具體的采樣率有關。此類信息流采用基于 P/S（publisher/subscriber）機制的 SMV服務模型，由于傳輸時延的要求，為節省網絡協議拆封時間開銷，該類數據流通過 SCSM直接映射到以太網 LLC層。

（2）GOOSE 信息流

用于傳送事件驅動報文（如跳閘、聯鎖、運行狀態等），包括過程層和間隔層、同一間隔內或不同間隔設備間報文。具有突發性和硬實時性的該類信息流通常要求在 1～4 ms內必須完成傳輸，具有最高優先權。GOOSE采用基于P/S機制的GOOSE服務模型，直接映射到以太網的LLC層。

（3）監控信息流

用于傳送間隔層與站控層設備間的一次設備運行狀態和控制信息，包括周期性的遙信/遙測信息和事件驅動信息。由于并不是所有的主站都需要實時顯示保護數據，為簡化分析，只研究有較強的突發性且具有較高重要性的告警等事件驅動信息。這類信息流的傳輸時間通常為100 ms左右，由于是軟實時信息，主要通過基于 C/S模式的報告和記錄服務模型實現，SCSM將其映射到MMS/TCP/IP。

圖1 智能變電站三層共網示意

（4）維護信息流

主要用于傳送間隔層和站控層設備間的維護和診斷等信息以及站控層與過程層設備之間的配置信息，具有隨機性。該類信息流量大，實時性不高，通常采用基于TCP/IP的文件傳輸 （file transfer）服務模型實現。IEC61850規定，該模型應該包含文件名、大小和最近訪問時間等屬性，提供讀取、修改、刪除和取文件屬性值等服務。

綜上，信息流的數據量及實時性統計見表2。

表2 信息流的數據量及實時性統計

3.2 智能變電站通信系統數據傳輸時延分析

圖2為網絡數據傳輸時延示意。

智能變電站數據傳輸時延是指輸出由源終端設備發出，到目的終端設備接收識別的整個過程所用時間[6]，通常包括以下幾個部分。

（1）發送端處理器處理時延T1

指IED1的應用程序1進行數據處理和協議封裝，并將報文從其數據緩沖區復制到 NIC發送緩沖區的時延以及數據在發送緩沖區暫存，等著被發送而產生的排隊時延。這部分時延通常和CPU的處理速度、數據分組的格式、數據分組的長度、應用功能間的相互協調配合相關，可根據實際情況估算出來。

（2）網絡傳輸時延TN

指報文從IED1在物理端口經過網絡到達IED2的物理端口的總時延，包括3個部分。如圖2所示，T11是物理鏈路1上的數據時延，該時延小且基本固定，可估算；Ts是交換機的交換時延（如果是多級交換機級聯的話，則Ts包括了多級交換機的交換時延和交換機間級聯物理鏈路的時延），由交換機制導致的該時延具有不確定性；T12是交換機端口2到IED2設備的物理端口的物理鏈路2上的時延，該時延小且主要和鏈路長度有關，可估算。所以，TN=T11+Ts+T12。

（3）接收端通信處理時延T2

該時延和發送端的時延極其相似，是發送端的逆過程，主要包括數據在網卡緩存中的等待時間和接收節點IED2對報文進行協議拆封并將重新拼裝后的報文復制到應用功能2的數據空間的時延。該時延同樣和CPU的處理速度、數據分組的格式、數據分組的長度、應用功能間的相互協調配合相關，可根據實際情況估算出來。

因此，報文傳輸所經歷的總時延可以表示為：Td=T1+T11+Ts+T12+T2。

4 通信系統實時性優化方案

智能變電站通信網絡是一個實時性要求較高的復雜網絡，通常要解決實時性問題，并非依靠單一技術就可完成，可通過虛擬局域網技術（VLAN）來隔離局域網，減小網絡負載；采用服務質量技術（QoS），將業務數據按實時性高低分級，優先傳輸實時性高的報文；采用時延標記技術，將數據傳輸時延部分的Ts告知終端設備，以確保傳輸時延可知。

圖2 網絡數據傳輸時延示意

（1）采用VLAN隔離，降低網絡負荷

智能變電站通信系統中典型的業務數據類型GOOSE、SV均以多播的形式進行傳輸，實際應用中甚至采用廣播的方式。通常本間隔的數據也會在整個系統流竄，占用系統有限帶寬，增加了有效數據在系統中排隊等待的時間。采用VLAN技術，按間隔進行合理劃分，將不需要跨間隔的數據隔離在本間隔內，對于需要跨間隔的數據另設單獨VLAN，從而有效降低系統網絡負荷。按間隔劃分VLAN示意如圖3所示。

（2）采用QoS技術，優先傳輸關鍵業務

智能變電站中需要傳遞的采樣值、跳閘、聯鎖、運行狀態、控制等各種信息對時延的要求不同，可根據時延要求，將業務報文設置不同的優先級，以便關鍵實時報文可以第一時間傳輸到目的地[7]，如圖4所示。

（3）通過業務流識別，進行時延標記，交換資源分配、調度

采用網絡傳輸時延標記技術，保障繼電保護控制“網采網跳”可靠實施。繼電保護的網絡化，即“網采網跳”，可以實現網絡信息的共享，并且大大簡化光纖接線，提高調試效率，節約建設成本。但要實現繼電保護的“網采網跳”，還需實現數據傳輸時延確定性。通過采用網絡傳輸時延標記技術，在報文進出網絡交換機時分別進行時間標記，精確計算報文在交換機內的駐留時延ΔT并寫入傳輸報文內，實現數據傳輸時延的確定性，為繼電保護控制“網采網跳”提供通信保證。時延標記功能示意如圖5所示。

圖3 按間隔劃分VLAN示意

圖4 輸入數據優先級控制

圖5 時延標記功能示意

5 結束語

本文在智能變電站通信系統全部采用網絡化的基礎上，分析了業務信息流的實時性特點、網絡數據傳輸過程中時延特征及計算方法，并提出降低網絡時延的實時策略及測量網絡時延的方法，為智能變電站通信的網絡化建設提供了參考依據，具有實際的指導意義。

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