智能变电站报文处理时延的不确定性研究

刘教民，赵建利，王震洲，孙 祎

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北工业大学电气工程学院，天津 300130；3.河北省电力研究院，河北石家庄 050021）

智能变电站报文处理时延的不确定性研究

刘教民1，2，赵建利2，王震洲1，孙 祎3

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北工业大学电气工程学院，天津 300130；3.河北省电力研究院，河北石家庄 050021）

基于IEC 61850标准，采用多服务台串联排队理论建立变电站层主控单元（SMU）处理时延的数学模型，研究由紧急情况下缓冲区出现排队现象引起的时延不确定性，推导了缓冲区大小、丢包率和时延之间的解析表达式，提出了满足丢包率和时延要求的缓冲区大小确定方法，并通过实例进行了验证。克服了以往研究基于单CPU的SMU的局限性，将含多CPU的SMU和IED作为整体考虑进行建模，有效提高了SMU报文处理时延的确定性，为SMU通信模块缓冲区的设计提供理论依据。

变电站层主控单元；不确定时延；缓冲区；多服务台排队

随着基于以太网技术的数字化变电站系统逐步走向成熟，遵循标准的不同厂家的智能电子设备 （IED，intelligent electronic device）［1］都将接入变电站站控层以太网以实现真正意义上的信息共享，变电站主控单元（SMU，substation main unit）与IED之间的报文传输也由传统的主／从“单主机模式”改为“多主机”事件驱动模式［2］，提高了报文传输的实时性。然而在电网发生故障时，会有多个IED同时向SMU发送大量报文，引起报文在主控单元缓冲处堆积甚至溢出，从而产生不确定时延，影响进一步的分析诊断和动作，造成重大损失［3］。通过权衡丢包率、时延等性能指标合理设计SMU缓冲区大小将有效提高SMU报文处理时延的确定性。

报文的通信时延由网络传输时延和端节点处理时延构成，国内外基于IEC 61850标准对过程总线上GOOSE和SAV通信时延的理论分析与仿真较多［4－7］，对站控层报文的传输时延研究主要参照交换式工业以太网［8－10］，且以仿真分析为主。虽然文献［11］通过用排队论方法分析了站控层SMU对报文处理时延的不确定性，但其分析的报文没有优先级，且忽略了网络应用的多样性和复杂性等问题。

笔者基于IEC 61850标准，采用多服务台排队理论建立变电站层SMU报文处理时延的数学模型，研究由紧急情况下缓冲区出现排队现象引起的时延不确定性。将含多CPU的SMU和IED作为整体考虑进行建模，研究SMU缓冲区大小与丢包率、时延等性能指标间的解析关系和提高SMU报文处理时延确定性的方法，并通过与实际系统测试实验得到的结果进行对比分析。

1 多服务台排队理论

排队论［12］是运用概率论和数理统计解决排队问题的常用手段，合理的排队模型可以准确地描述服务系统的性能，为系统各项参数设置提供理论依据。1个排队系统通常包含3个部分：到达过程、排队规则和服务方式，一般用4个符号组成形如1／2／3／4来表示。1表示数据到达的间隔时间分布；2表示服务时间分布；3表示服务台的数目；4表示系统的排队容量，如果省略4则表示容量无限。例如M／M／r／N排队系统指该系统中顾客的到达时间间隔服从泊松分布；服务时间服从指数分布；有r个服务台；队列的容量为N。

在M／M／r／N排队系统中［13－14］，顾客的到达是强度为λ的Possion过程，每个服务台的服务时间sn相互独立，且都服从参数为μ的指数分布。当系统中有j个顾客，如果j≤r时，这j个顾客都在接受服务，在长度为h的时间间隔内有1个顾客服务结束的概率为jμh＋o（h），有多于1个顾客服务结束的概率为o（h），没有顾客结束服务的概率为1－jμh＋o（h）。如果j＞r，在长度为h的时间间隔内有1个顾客服务结束的概率为rμh＋o（h），有多于1个顾客服务结束的概率为o（h），没有顾客结束服务的概率为1－rμh＋o（h）。顾客到达时，有服务台空闲则立即接受服务，否则参加排队，且按照FIFO规则。用X（t）（t≥0）表示在时刻t系统中的顾客数，根据X（t）的Q矩阵求得一组平稳分布如下：

2 基于MMAP的变电站层传输时延分析

考虑到SMU与IED之间的报文传输对时延确定性的要求是软的，只是需要概率保证，允许一定程度的延迟和报文丢失。因而，在主控单元报文处理时延不确定性的研究中，引入排队理论是一种有效的方法。IED通过网络访问SMU的过程可看作是一个排队系统，IED为顾客，SMU为服务机构。在变电站级网络中IED数量急剧增加，主控单元SMU的通信模块需要具有强大计算能力处理大量电网运行及事故信息，一种可行方案是采用多CPU来完成网络通信功能。

2.1 SMU报文接收流程

SMU报文处理过程分为以太网控制器NIC实现的外部硬件中断PNIC、软中断处理部分Pptl以及MMS处理部分PAPP。如图1所示，报文到达SMU通信模块时，首先进入其以太网控制器NIC的FIFO物理缓存队列Q1，NIC向CPU发硬中断告知报文已经到达，在硬中断服务程序中PNIC将NIC缓存队列队首数据去掉首部和尾部的控制信息、放入内核的接收缓存Q2，这个过程优先级最高，一般不会被其他处理过程中断；Pptl对Q2中的报文按照FIFO原则根据RTOS中的UDP／IP协议栈要求，利用软中断服务程序进行数据检验、解码、剥去控制信息等处理，放入Q3；最后PAPP根据ASN.1对Q3中的报文按照FIFO原则进行解码并提供MMS服务。

图1 SMU报文接收流程Fig.1 Procedure of receiving messages of SMU

2.2 SMU报文接收的多服务台排队模型

在建立SMU报文接收的排队模型时，需要考虑以下特点。

1）SMU通信模块的各队列长度是有限的，服务规则为FIFO。

2）IED向SMU传输的报文到达时间间隔相互独立，单位时间内报文到达次数服从参数为λ的泊松分布，有为报文到达率。

3）SMU配置M个CPU，PNIC，Pptl和PAPP共享M个CPU计算能力。每个CPU为报文提供的服务时间相互独立，不失一般性，假设服从指数分布：

参数μi为第i个CPU的服务率。

根据以上特点和SMU报文处理过程，建立图2所示的SMU报文处理的串联排队网络模型。

图2 SMU处理报文的串联排队网络模型Fig.2 Series queuing network model of processing messages of SMU

该模型由3个服务子系统S1，S2，S3组成，分别对应PNIC，Pptl和PAPP。假设S1的服务率为μ1，缓冲区大小为N1；S2的服务率为μ2，缓冲区大小为N2；S3的服务率为μ3，缓冲区大小为N3。假定每个子系统节点的输入都是参数为λ的泊松流，且各缓冲区的长度相互独立。S1的优先级最高，S2和S3的优先级相同，S1可以无条件地抢占服务台，μ2和μ3都是在独占服务台情况下的服务率。图2中3个串联队列是相互独立的，在重载情况下每个子系统都是一个M／M／r／N的排队系统，可进行单独分析，而SMU处理报文的总平均时延为3个串联队列平均时延之和。SMU的可靠性为3个串联队列可靠性之积，令πSMU为由于SMU缓冲区溢出而引起的报文丢失率，则SMU的可靠性可定义为1－πSMU。

2.3 解析关系分析

下面给出求解SMU通信缓冲区大小的方法：

1）根据智能变电站通信系统时延的确定性要求，确定报文丢失率和各子系统的性能指标；

2）根据具体配置环境报文传输特点，确定报文到达率λ；

3）确定各子系统的相关参数，如服务率μ1，μ2，μ3等；

4）根据上述公式联立求解满足SMU通信模块性能要求的缓冲区大小N1，N2和N3。

2.4 报文到达率和SMU服务率的确定

本文侧重于研究系统重载时的各项性能指标。在智能变电站网络层，突发报文通常采用UDP／IP协议传输。根据文献［15］，发生严重多重故障时报文到达率λ可表示为

μi（i＝1，2，3）受CPU处理能力的约束。设CPU处理能力为Cp（单位：指令／s），硬中断服务程序长度为LH，软中断协议处理程序长度为LS，应用层数据处理的程序长度为LA，则有如下不等式成立：

μi（i＝1，2，3）值的选取应根据智能变电站系统配置及实际运行情况而定，但需满足式（12）。

3 算例分析

下面以某500 k V智能变电站为例，在满足SMU通信性能要求下确定通信模块各缓冲区大小。该智能变电站站级网络共接入60台间隔屋测控装置（模拟量2 400点，开关量6 000点，保护动作事件1 200个），SMU配置4个CPU，各设备通过交换式以太网连接。求解过程如下。

1）根据文献［16］，500 k V电压等级的智能变电站要求SMU通信模块的报文丢失率πSMU小于1%，根据式（10）解得各子系统报文丢失率的一组特解πN11＝0.24%，πN22＝0.46%，πN33＝0.31%。

2）IEC 61850中规定，突发报文的端到端传输时间应小于100 ms，且SMU与IED的信息传输只要求概率保证的时延上界（只要求95%的报文传输时间小于100 ms），可假定报文的逗留时间小于40 ms，由式（9）可得WS1＝1.2 ms，WS2＝16 ms，WS3＝14 ms。

3）根据系统的各项配置得到实例中报文到达率λ＝7 200×3%＋2 400×8%＝408。

4）根据式（12），计算出S1的硬中断服务率μ1＝1个报文／ms，S2的协议处理速率μ2＝0.45个报文／ms，S3的应用处理速率μ3＝0.65个报文／ms。

将有关参数代入式（3）、式（4）、式（7）和式（8），可得SMU 通信模块的缓冲区大小N1＝10，N2＝40，N3＝30。设SMU需要为NIC配置的物理缓存为QNIC，为提供UDP／IP协议处理的Socket分配的接收缓存为Qptl，为应用层MMS服务处理分配的缓存为QAPP，则有

式中：LEthernet为以太网最长帧（1 518 B）；LUDP为UDP报文最大长度（1 500 B）；LData为应用层数据包最大长度（1 436 B），计算得QNIC＝15.2 KB，Qptl＝60 KB，QAPP＝43.1 KB。由于通信模块工作在全双工模式下，所以需同时设置接收缓冲区和发送缓冲区，所以应当选择内置32 KB RAM的NIC，而SMU通信模块可选取256 KB的RAM，由RTOS协议栈缓冲区和应用层MMS服务处理缓冲区共享。

笔者提出的理论计算是基于较理想状况，忽略了多处理机时进／线程调度中的时间损耗。

4 结 语

建立基于多服务台的串联排队网络模型、重点分析了智能变电站中主控单元接收报文的处理时延，这不仅拓展了智能变电站通信网络实时性能分析的研究内容，还为工程实践中SMU缓冲区的设计提供了重要理论依据。当然本文的研究也有一定的局限性，还是在单一类型报文条件下进行建模，而当前的应用要求核心处理单元提供混合负载访问的能力。下一步的工作将会结合复杂的网络应用，对具有不同优先级的多类报文等情况下的处理时延进行建模分析。

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Uncertainty of delay caused by emergency of queuing up phenomenon in buffer of substation main unit

LIU Jiao-min1，2，ZHAO Jian-li2，WANG Zhen-zhou1，SUN Yi3
（1.College of Information Science and Engineerning，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；3.Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

Based on the standard of IEC61850，the paper constructed the mathematical model of SMU （Substation Main Unit）processing delay by using the multi-server queuing theory，researched into the uncertainty delay caused by the emergency of queuing up phenomenon in the buffer of SMU to derive the analytical expression between buffer size，packet loss rate and delay，and proposed the method verified by examples，which can determine the buffering area suitable for packet loss rate and delay.The research overcomes the limitation in the previous studies based on the SMU of single CPU and constructs the model by taking SMU of multi CPU and IEDs as a whole，which can improve the delay certainty effectively and provides theoretical evidence for the buffering sizes design of communication module of SMU.

substation main unit；uncertainty delay；buffer；multi-server queuing theory

TM73

A

1008-1542（2012）01-0056-05

2011-09-06；

2011-11-18；责任编辑：李 穆

刘教民（1958-），男，河南西峡人，教授，博士，主要从事智能控制方面的研究。