智能变电站过程层网络报文传输时间计算及抖动抑制方法

佟为明，高吉星，金显吉，李中伟

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

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，这种方法虽然可以找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

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。

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)

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。

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

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。

4 报文传输时间抖动的抑制方法

通过前文的分析可以看出，在传输过程中，报文在交换机上因竞争产生的等待时间具有不确定性，这种不确定性会使得传输时间存在抖动。SV报文在交换机上因竞争造成的传输时间抖动会影响智能变电站保护功能的正常运行[3]。对这一问题的处理是“网采”模式能否真正走向实用化及智能变电站过程层网络结构能否得到大幅度简化的关键。

本文根据等待时间的产生方式，在全站通信数据率为1 000 Mbit/s的基础上，提出一种抑制SV报文传输时间抖动的方法，并根据交换机的基本结构与功能提出抑制传输时间抖动的交换机实现思路。

4.1 抖动抑制方法的原理

该方法通过设定SV报文以外的报文在交换机发送端口上的发送条件和控制各合并单元发送SV报文时序的方式在交换机转发上行(由过程层设备发往间隔层设备)报文过程中为SV报文提供专用的周期性时间段避免SV报文在发送端口上的竞争。

交换机在接收到报文后通过判断报文的以太网类型值确定报文的类型并将无效的报文抛弃，在计算其净发送时间后，对报文进行相应的处理；SV报文放入SV缓存并优先发送，GOOSE和其他类型的报文会被放入通用先入先出(FIFO)队列，该队列的队首报文会在同时满足式(2)、(3)时被发送。

TSV<ΔT

(2)

ΔT+TframeFirst

(3)

其中，TSV为交换机为SV报文提供专用发送时间段长度；ΔT为从上一个SV报文专用时间段开始的时刻起到当前时刻为止所经历的时间(ΔT

图7 交换机上转发流程Fig.7 Forward process of switches

满足式(2)表示通用FIFO队列队首报文的发送条件为上一个SV报文发送时间段已结束(条件1)；满足式(3)表示的条件为如果报文从当前时刻开始发送，可以在下一个SV报文发送时间段到来前发送完毕(条件2)。若式(2)、(3)同时成立,则有：

TframeFirst

(4)

式(4)表示的条件为：在为SV报文分配完专用的发送时间段后，每周期剩余足够时间来发送至少1帧其他类型的报文。1 000 Mbit/s的数据率下，GOOSE和SV报文的净发送时间为0.001 6～0.002 4 ms，而TSVturn为0.25 ms，式(4)较为容易满足。

采用上述方法后，馈线间隔交换机上的转发时序如图8所示。根据图8举例分析3种情况：设SV和GOOSE报文长度都为200 Byte，报文净发送时间为0.001 6 ms，TSV为0.002 6 ms，TSVturn为0.25 ms，GOOSE报文1、2、3分别于第1帧SV报文开始发送后的0.001 5 ms、0.249 3 ms、0.35 ms到达交换机发送端口处通用FIFO队列首端。

图8 馈线间隔交换机上的转发时序Fig.8 Forward sequence of feeder bay switches

因为SV报文净发送时间小于SV报文的到达周期(等于发送周期0.25 ms)，SV报文在进入SV缓存后会被立刻发送；而GOOSE报文在到达发送端口后会遇到下列情况。

a. 情况1：GOOSE报文1到达发送端口队列首端，TframeFirst与GOOSE报文净发送时间TframeGOOSE相等，此时距离第1帧SV报文开始发送的时刻经过了0.001 5 ms(ΔT=0.001 5 ms)，TSV>ΔT，不满足式(2)，所以GOOSE报文1无法被立刻发送。

b. 情况2：GOOSE报文2到达时刻的ΔT为0.249 3 ms，ΔT+TframeGOOSE=0.250 9 ms>TSVturn，不满足式(3)，所以GOOSE报文2无法立刻被发送。

c. 情况3：GOOSE报文3到达时刻的ΔT为0.1 ms，式(2)、(3)满足，可以被立刻发送。

在3个GOOSE报文所代表的情况中，GOOSE报文1和GOOSE报文2的情况都需要进行等待，GOOSE报文1经历的等待时间为TSV- ΔT；GOOSE报文2经历的等待时间为TSVturn-ΔT+TSV；因为ΔT

根据过程层网络的结构和SV报文的传输方向，馈线间隔交换机每周期(SV报文发送周期)在1个端口上需要转发1帧SV报文(来自本间隔合并单元，变压器间隔交换机每周期需要转发2帧SV报文(来自本间隔高压和低压两侧的合并单元)，母线间隔交换机每周期需要转发11帧SV报文(来自本间隔的1个合并单元和10个其他间隔的合并单元)，中央交换机需要转发10帧SV报文(来自除母线间隔合并单元以外的10个合并单元)。

为进一步确保SV报文传输时间的可控，避免各间隔SV报文因在交换机上竞争而产生等待时间，对除母线间隔合并单元外的10个合并单元发送SV报文的时序进行设置，如图9所示。图中，MU1— MU10指代的是除母线间隔合并单元以外的10个合并单元，其中主变间隔的2个合并单元的发送顺序相邻，MU1与母线间隔合并单元在同一时刻发送SV报文。

图9 各合并单元发送SV报文的时序Fig.9 SV message sending sequence of MUs

设定每个SV报文的净发送时间都为TframeSV，MU2—MU10依次与上一个合并单元间隔TframeSV+0.001 ms(加0.001 ms是为了保证裕度)后发送SV报文。在这样的设置下母线间隔交换机上SV报文的到达时序如图10所示。

图10 母线间隔交换机上SV报文的到达时序Fig.10 Arriving sequence of SV message on bus bay switch

跨间隔的SV报文需要经过2个交换机和3次发送才能到达母线间隔交换机，交换机上的转发处理时间约为0.002 ms，考虑传播距离和经过交换机数量的差异，根据式(1)，第1个到达母线间隔交换机的跨间隔SV报文与母线间隔内部的SV报文的到达时刻相差2TframeSV+ΔTprop+2×0.002ms，而其他跨间隔SV报文以TframeSV+0.001ms为间隔依次到达。

通过上述方式，每个SV报文到达交换机发送端口时都处于自身的专用时间段之中，在这个时间段内只有该SV报文会被发送端口发送，避免了竞争与等待时间的产生。

同时上述控制方法会使得GOOSE报文产生等待时间的概率和幅度增加。为减少GOOSE报文的等待时间，TSV的设置需要考虑交换机每周期需要转发的SV报文数n、报文到达时间间隔和裕度。TSV设置为每周期发送全部n个SV报文预计需要经过的时间加上0.001nms的裕度。

根据各合并单元发送SV报文的时序，馈线间隔交换机上，TSV为TframeSV+0.001ms；变压器间隔交换机每周期将全部的SV报文发送完毕需要2TframeSV+0.001ms，TSV为2TframeSV+0.001+2×0.001ms；在母线间隔交换机上的转发情况如图10所示，对于一般规模的智能变电站，传播距离一般小于1 km，设定ΔTprop为0.005 ms，每周期发送全部11个SV报文需要约12TframeSV+9×0.001+0.005+2×0.002ms，TSV为12TframeSV+20×0.001+0.005+2×0.002ms。SV报文和GOOSE的最大净发送时间约为0.002 4 ms，最大的TSV为0.057 8 ms(母线间隔内)，式(4)成立。而GOOSE报文在母线间隔交换机发送端口队首处的最大等待时间为0.060 2 ms。

4.2 抖动抑制方法的实现思路

交换机已具备用于实现传输时间抖动抑制方法的基本功能(如报文解析、流量监控、地址映射和队列控制)与硬件结构(如缓存和交换单元等)。在此基础上，用于抖动抑制的交换机实现思路见图11。

图11 用于抖动抑制的交换机实现方案Fig.11 Implementation scheme of jitter restrain switch

管理人员在各交换机上设置TSV的同时使其保存SV报文的发送周期，交换机根据SV报文到达的时刻和自身保存的发送周期与TSV建立SV报文专用时间段的时刻表。在接收模块中，添加报文净发送时间计算模块，通过解析MAC帧头中以太网类型字段判断报文的类，通过提取MAC帧头中长度字段对报文的净发送时间进行计算，所得信息将作为调度用控制数据传输给控制模块。在发送模块中，为SV报文设置单独的发送缓存，由于SV报文无需进行等待，SV报文发送缓存中只存有1帧SV报文。

在发送模块中，报文的发送状态机如图12所示。报文的发送状态机由空闲状态、发送SV报文、发送其他报文、判断报文类型、判断发送条件组成。当有报文出现在SV报文缓存或通用FIFO队列首部时，状态机进入报文类型判断状态：首先判断是否为SV报文，如果是则直接进入SV报文发送状态；如果是其他类型的报文则进入判断发送条件状态，根据专用时间段的时刻表和报文自身长度进行判断，只有在满足式(2)、(3)所示的约束条件时，才会进入发送其他报文的状态。

图12 报文发送状态机Fig.12 Packet sending state machine

为实现高精度的时序控制，采用IEEE 1588(精确时钟同步协议)对网络上各IED的时钟进行同步。IEEE 1588 的过程层组网方式如图13所示。

图13 IEEE 1588 过程层组网方式Fig.13 Networking mode of IEEE 1588 process level

在中央交换机上接入对时装置作为时钟源，通过过程层网络向各IED发送对时报文，以此完成对时功能。相对于GOOSE和SV报文，对时报文长度较短(约为50 Byte)、发送周期较长(一般为1 s)，对其他报文传输影响小。转发处理方式与GOOSE报文相同，放入通用FIFO队列。通过指定各合并单元开始发送SV报文的时刻，实现时序的控制。

4.3 仿真及可行性分析

本文通过在OPNET中修改交换机节点模型的方式对本文提出的抖动抑制方法进行模拟，使用抑制方法后，在报文长度都为200 Byte的情况下，仿真得到的跨间隔SV报文传输时间的变化如图14所示。其他报文最大传输时间的变化如表2所示。

图14 使用抑制方法前后，跨间隔SV报文的传输时间Fig.14 Transmission time of SV message with and without restrain method

报文方向最大传输时间变化F1_合并单元→母线保护IED SV0.037 ms→0.017 2 msF1_智能终端→母线保护IED GOOSE0.038 5 ms→0.043 6 msF2_智能终端→F2_馈线保护IED GOOSE0.008 3 ms→0.008 5 msF2_合并单元→F2_馈线保护IED SV0.008 2 ms→0.007 msT1_智能终端→T1_主变保护IED GOOSE0.008 1 ms→0.009 2 ms

从表2中可以看出，SV报文在传输过程中没有产生等待时间，传输时间的抖动被有效地抑制了。GOOSE报文产生等待时间的幅度虽有所增长，但仍可以满足要求，同时馈线和变压器间隔交换机上针对性的TSV设置使得在2种间隔内传递的GOOSE报文等待时间的增幅较小。

本文从报文传输时间抖动的产生方式出发，基于交换机的调度技术和精确时钟同步技术提出传输时间抖动的抑制方法，交换机的调度技术用于实现控制交换机发送端口处SV报文与其他报文的发送；精确时钟同步技术用于实现控制过程层网络中各合并单元的发送SV报文的时序。

目前交换机中嵌入式技术的广泛运用使得交换机调度功能的制定更具灵活性，为在交换机上实现SV报文与其他报文的发送控制提供了技术条件。同时，IEEE 1588在智能变电站中的广泛应用为实现各合并单元发送SV报文的时序控制提供了基础。

5 结论

本文通过对智能变电站过程层网络中报文传输时间的组成进行分析，建立了报文传输模型，得到了报文传输时间的计算公式，确定了影响传输时间的主要因素，并以某220 kV全站网络互联的智能变电站(D2-1型)为例进行仿真验证，研究了数据率、报文长度和报文发送频率等因素对传输时间的影响。针对因竞争造成的SV报文传输时间抖动问题，根据等待时间的产生方式，提出了一种通过控制SV报文发送时序与交换机上报文的转发条件来抑制传输时间抖动的方法，仿真结果表明该方法可以有效地抑制因竞争产生的SV报文传输时间抖动。

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