智能变电站信息流传输特征分析与交换机报文调度方法研究

林金洪 杨 祺 徐伟宗

（广州供电局有限公司培训与评价中心，广东 广州510660）

0 引言

智能变电站引入以太网来分离自动化系统的数据信息采集、传输和应用，实现了信息的网络化传输与共享。以太网在变电站自动化系统（SAS）中的应用使得报文成为了继电保护、监控等应用系统实现其功能的信息载体，因此如何确保报文安全、可靠、实时传输已经成为SAS高效可靠运行的关键问题。

本文从提高智能变电站SAS可靠性的角度出发，对适用于智能变电站的交换机报文调度方法展开了研究。通过分析目前智能变电站报文传输过程中存在的多种问题，提出了具体的交换机报文调度方法，为提高报文传输的可靠性提供了实现条件。

1 智能变电站信息流传输特征分析

智能变电站信息通过以太网进行传输，站内网络中存在多种典型报文：SV报文，即采样值报文，主要用来传输采样值信息；GOOSE报文，即保护动作报文，主要用来传输装置动作信息和开关位置信息等；另外还存在MMS报文和PTP报文，其中PTP报文的使用频率暂时较低。这几种类型的报文因各自用途不同，存在不同的特征，以下将分析报文的传输特征。

1.1 报文传输路径不确定

为限制GOOSE报文和SV报文的广播域，将报文只发送到需要收到该报文的设备端口，以减少网络中不必要的流量。VLAN和组播过滤等技术被引入数字化变电站网络，但要利用这些技术做到将报文精确限制在需要收到该报文的端口，制定VLAN和组播过滤方案时需要综合考虑报文的订阅关系、组网方案、流量等诸多因素，设计过程非常复杂，且落实在网络和交换机配置上也异常繁琐。

1.2 报文传输延时不确定

报文在网络中的传输延时可分为交换机延时和链路传输延时［1－2］。链路传输延时是链路长度除以光速的2／3，与链路的长度成正比。对于存储转发型交换机而言，其延时共分为4部分：报文接收延时、报文处理延时、报文排队延时及报文传输延时。其中，前2部分延时较小，一般在5μs以内，而报文传输延时等于报文长度除以端口传输速率，也是确定的，因此，报文在网络中传输延时的不确定部分是由排队延时引起。为确保实时性高的报文能够在尽量短的时间内通过交换机，目前的做法是将报文按照实时性等级进行划分，并标示优先级。在报文被分配到某个输出端口后，交换机将根据其优先级标签判断该报文将会进入该端口的哪个队列。一般交换机每个端口有4个优先级队列，也有的高级交换机每个端口有8个优先级队列。但无论是4个队列还是8个队列，报文的分类与识别始终都是依据优先级，这样一来，一方面会显得报文分类过粗；另一方面也会导致交换机无法区分报文的类型（SV、GOOSE或 MMS）和业务内涵（保护或测控），也无法识别、排除和控制错误报文、突发报文等扰动报文，这将最终导致交换机无法根据报文的实时性要求为其分配交换机资源，造成报文延时的不确定性。

1.3 报文在网络中的传输状态不可观

报文的传输状态主要体现为报文的传输路径、传输链路状态、实时流量与延时、同步精度以及所占用的网络资源等信息。目前数字化变电站二次系统中的交换机相当于一个黑箱，主要负责报文的传输，并不反映报文的传输状态，不利于变电站自动化系统的监控与运维。

1.4 报文的同步需依赖于外部时钟

网络的传输延时使得报文间的同步变得异常重要，不同步的报文会造成继电保护误动等严重后果。目前报文的同步主要依赖于外部时钟和对时协议来实现，因此一旦外部时钟出现故障，则报文间的同步将无法保证。

2 面向智能变电站的交换机报文调度方法

智能变电站传输的报文类型比较单一且流量相对固定，但部分类型的报文对传输过程中的延时或丢包率存在严格的要求。智能变电站交换机报文调度的核心思想即根据不同类型的报文，采用合适的排队、调度、流控甚至丢弃策略，使得整个传输过程满足该类型报文的传输要求，也就是说，调度应该是基于业务流的［3－4］。图1为基于IEC61850的智能变电站交换机报文调度方法。

图1 基于IEC61850的智能变电站交换机报文调度方法

2.1 分类器

分类器负责把数据包分类到相应的队列中，分类标准多种多样。对于通用交换机而言，通常可以根据IP地址、端口号、TOS值、VLAN等对数据包进行分类，甚至可以对这些条件进行组合，产生更加复杂的分类条件。本文将重点对IEC61850业务流识别进行阐述。

基于IEC61850的智能变电站中存在4类报文（GOOSE、SV、MMS和IEEE-1588），其中GOOSE报文为2层以太网报文，根据用途还可以分为快速GOOSE报文（多用于断路器的跳／合闸控制和闭锁）和常规GOOSE报文（多用于传输刀闸节点位置或保护动作信息）；SV报文为2层以太网报文，根据用途还可以分为用于保护控制的快速SV报文和用于测控装置的常规SV报文；MMS采用3层IP报文传输；IEEE-1588报文既可以采用2层以太网报文也可以采用3层IP报文传输。

为了实现上的方便，可把IEC61850业务流识别过程分成2个阶段加以处理：

（1）粗分类。所谓粗分类，即根据2层以太网报文中的类型字段识别出4种类型的报文：GOOSE（0x88B8）、SV（0x88BA）、2层1588（0x88F7）、IP报文（0x0800）。

（2）细分类。在粗分类得到的4种报文的基础上再作细分类，对不同报文进行细分类时需要使用不同的分类条件，相比粗分类要求更大的灵活性，这部分可以通过软硬件结合的方式来实现。

由于GOOSE和SV报文数据首部有着相同的结构，因此对于这2种报文，可以从中获取APPID。根据IEC61850规约，APPID是全站唯一的应用标识，结合智能变电站的SCD文件，即可得知该报文所对应的业务流所承载的具体业务（如跳／合闸控制、闭锁、传输刀闸节点位置或保护动作等），进而区别出快速GOOSE报文、常规GOOSE报文、快速SV报文和常规SV报文。

对于IP报文，可根据Protocol字段区分其为UDP报文还是TCP报文，进而区分出3层1588报文（使用UDP协议）和MMS报文（使用TCP协议）。

这样，在经过粗分类和细分类后，可以把业务流识别为如下6类：识别快速GOOSE流（跳／合闸控制、闭锁）、识别快速SV报文流、识别常规GOOSE流、识别常规SV报文流、识别MMS报文流、识别1588报文流。它们分别对应6个优先级，自上而下优先级逐级降低。

对于其他类型的报文（称为公用类型），则根据通用交换机的分类条件依VLAN标签的Priority确定优先级。为保证上述6类报文流的转发质量，其他类型报文的优先级比上述6类报文低。

2.2 丢包器

分类处理完毕后，数据包被添加到相应类型的队列中，每个队列都有一个大小有限的缓冲区，当缓冲区满时，就需要由丢包器根据某种策略进行丢包。智能变电站交换机选择WRED算法作为丢包策略。

2.3 调度器

智能变电站交换机使用2级调度策略对多个类型的队列进行调度［5］。

在subport层进行调度时，采用PQ（Priority Queuing）算法。PQ优先级调度算法在轮询的时候判断优先级，在报文分类时，已经根据不同报文的业务带宽、延时等实际业务需求，划分出不同的优先级分组，并将其置于不同优先级的队列中。根据PQ算法，位于高优先级的队列将优先获得服务，直到高优先级队列中没有等待发送的分组，低优先级的队列才可能获得被服务的机会。在这种调度策略下当高优先级分组以线速进入时，会导致低优先级分组出现饿死现象。然而，由于在分类时已经规定把GOOSE／SV定为高优先级，按变电站的要求，此类报文分组本应得到优先转发，故即使因此引起低优先级报文分组饿死，也是可以接受的。

然而，对subport层属于同一类型的报文进行分组，会存在多个不同class的报文，比如会有多个不同APPID的高速GOOSE报文分组。如果只使用一级调度策略，那么当其中某个GOOSE流出现异常时，将会影响到同属一个subport的其他GOOSE流的转发（增大延时）。为有效避免这种情况的发生，引进二级调度策略，即在subport上再细分class，不同的APPID分属不同的class，在这些class之间采用WFQ（Weighted Fair Queuing）调度算法。

（1）对于GOOSE、SV报文分组可以根据 APPID划分class［考虑到 APPID的数量较大，可以采用class＝hash（APPID）］。

（2）对于MMS、1588和公用报文分组可以根据VLAN标签的Priority划分class。

如图2所示，报文分组的完整调度流程如下：先经过分类器，把报文分组分进若干队列，报文只需要存放一份，但要按粗分类和细分类把指向存放位置的指针分置2个队列，以供二级调度使用。一级调度器通过PQ算法从7个队列中按优先级选择一个队列进行二级调度；二级调度器通过WFQ算法，在相应一级队列下的二级队列中按权重分配带宽进行调度。

图2 报文分组的完整调度流程

3 结语

作为智能变电站通信网络和自动化系统的唯一国际标准，IEC61850使得以太网成为了智能变电站自动化系统的基本通信网络，同时基于交换机的通信网络也取代了传统的硬接线方式。智能变电站要传输大量的数据，这就要求智能交换机必须具备快速交换的能力和充足的交换容量，并且要尽可能缩短传输延时，从而确保信息传输的实时性和可靠性。鉴于此，本文设计了基于IEC61850的智能变电站交换机报文调度方法，实践表明，该方法能够根据报文的类型，采用合适的排队、调度、留空和丢弃策略，从而确保报文传输过程满足该类型报文的传输要求。

［1］张志丹，黄小庆，何杰，等.基于自适应丢包的采样值报文估计算法及其误差分析［J］.电力系统自动化，2013（4）：85～91

［2］刘玮，王海柱，张延旭.智能变电站过程层网络报文特性分析与通信配置研究［J］.电力系统保护与控制，2014（6）：110～115

［3］王保义，王民安，张少敏.一种基于GCM的智能变电站报文安全传输方法［J］.电力系统自动化，2013（3）：87～92

［4］段吉泉.变电站过程层实时报文处理方法的设计与实现［D］.湘潭大学，2007

［5］邹国惠，潘登，廖晓春，等.智能变电站网络报文处理器的研究［J］.自动化仪表，2014（4）：46～48，52