基于端对端延时特性分析的智能变电站“四网合一”方案的探讨

王义军，石涵天，李育发，胡可为，张继国，许 铎

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林132012；2.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021；3.国网长春供电公司，吉林 长春 130000)

近年来，随着国家电网公司“坚强智能电网”战略的提出，我国电网的发展方式正发生着巨大的改变，从电力覆盖的各个环节，包括发、输、变、配、用、调等方面都在沿着智能化的趋势上发生着不同程度的技术革新[1]，等到各环节智能化技术的不断成熟，传统电网运行方式势必将会发生根本性的改变，“坚强智能电网”的宏伟蓝图也必将实现.

作为承担变电功能的电网环节，变电站在智能电网的建设中起着非常重要的作用，变电站是连接发电厂、输电网、用户等关键的节点，它的智能化实施很大程度上决定了整个智能电网建设的质量[2～3].随着计算机技术、通信技术、网络技术的高速发展，信息化已经融入到社会的各个行业，电力行业也不例外，而这也正是支撑“坚强智能电网”的技术基础，在变电站发展领域出现了从传统变电站到数字化变电站的转变，尤其是IEC 61850规约的引入，使得变电站智能化的程度进一步提高，并在实际的智能变电站建设工程中取得了卓越的成就[4].

1 智能变电站简介

按照国家电网相关文件说明，智能变电站是采用先进、可靠、集成和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站[5].按照目前国内工程实施规范来讲，其系统通常采用“三层两网”式结构[6]，如图1所示.

图1 智能变电站的“三层两网”式结构

“三层”指的是站控层、回隔层及过程层.

站控层：包括监控主机、工程师站、操作员站、远动通信装置、时钟同步装置等，主要对间隔层和过程层设备等进行监测和控制，为变电站运行提供人机交互界面，实时查看和管理站内信息，此外还完成与其它变电站、调度中心等的远方通信.

间隔层：包括保护、测控、计量、录波等，主要负责接受过程层传输的电气量、开关量、模拟量等进行处理后完成同层之间信息的交流、向上层的信息上送、向下层控制命令的下传等，要求即使在与站控层通信异常的状态下，仍能配合过程层设备确保一次设备的就地监控.

过程层：包括电子互感器、合并单元、智能终端等，能完成实时运行时的电气量采集、运行状态的监测、遥控命令的执行等与一次设备相关的功能.

“两网”指的是站控层网和过程层网.

站控层网：采用客户端/服务器通信模式，在站控层设备和间隔层设备之间传送MMS(制造报文规范)报文，主要完成Report(报告服务)、Control(控制服务)、SG(定值服务)、File(文件传输服务)等.

过程层网：采用发布方/订阅者通信模式，允许一对多的直接通信，数据量大且实时性要求较高，在间隔层设备和过程层设备之间传送SV(采样值)报文、GOOSE(面向通用对象的变电站事件)报文，主要完成实时的电气量采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等.

智能变电站基于网络中不同信息类型的传输特点将网络分开的“三层两网”式系统结构有利于保证站内网络信息传输的实时性和可靠性，这对变电站的正常运行而言是十分重要的，尤其对220 kV及以上更高电压等级的变电站，其系统规模和在电网的重要性决定了采用这种结构才能在实时性和可靠性方面分配更高的权重[7].

2 智能变电站“四网合一”

“三层两网”的优点在较高电压等级的变电站配置上十分必要和突出，但在低一级的变电站中，由于其系统规模和在电网的重要性相对比较弱化，系统设计的出发点有所偏移，可在保证系统可靠性和实时性的基础上尝试在改善通信性能方面对网络架构进行优化[8].从智能变电站定义中共享标准化的要求考虑，“三层两网”结构中站内信息共享并未达到最大化，对站内不同设备间的信息交流、站域保护等需具备全局视角的功能形成局限，影响系统的安全稳定运行，因此有必要提出具有更高共享化水平的设计方案.

基于IEC 61850的GOOSE、SV、MMS均可在以太网传输，有着广泛发展前景的IEEE 1588对时相较SNTP对时和B码对时具有更高的精度，也可在以太网中传输，再加上交换机技术和VLAN技术等发展，使得“四网合一”成为可能，为在同一个网络传输各种数据报文实现全站信息共享提供了技术支撑.

智能变电站站内GOOSE、SV、MMS、IEEE 1588“四网合一”的最大特点就是实现全站信息共享，不同设备在通信上无缝连接，便于多个设备完成实时可靠的互联操作和跨间隔、跨层次信息的直接访问.而且其系统结构更加清晰明了，方便工作人员对系统的掌握、检修和运维等工作.此外，还可以大大减少光纤投资和交换机端口数量，对系统设备的经济性也有所提高.

3 端对端延时特性分析

由于“四网合一”要求四种数据报文均在一个共享的物理网中传输，如此相较原先网络结构的流量势必会有所增加，而链路或设备中网络流量的增加可能会导致系统实时性的下降，因此有必要先分析一下网络中端对端延时的组成及其基本原理，以便提前了解后续组网方案在仿真时的基本依据.

图2 数据包端对端延时模型

端对端延时严格地描述为一个数据包从源节点的应用层发出时到目的节点应用层完全收到时的这段时间[9].数据包传输的端对端延时模型，如图2所示.在数据包传输的整个过程中，在以下所述的任何一个环节都可能存在延时.

3.1 源节点发送前的处理延时

源节点发送前的处理延时包含tsa、tst、tse三个部分.tsa是指报文在源节点应用层被分解所需要的时间，其值由原始数据帧的长度和应用层所允许的最大数据包长度决定；tst是指数据在网络互联层添加附加TCP/IP报文头所需要的时间；tse是指数据在MAC(介质访问控制)层添加附加报文头所需要的时间.

3.2 目的节点收到后的处理延时

目的节点收到后的处理延时包含tra、trt、tre三个部分.tre是指数据在MAC层去除附加报文头的时间；trt是指数据在网络互联层去除附加TCP/IP报头的时间；tra是指在目的节点应用层被重新组装成报文所需要的时间[10].

3.3 交换机延时

交换机延时ts指的是数据包被交换机接收后再次发送所需要的时间，其大小与交换的传送策略和数据交换率相关.

3.4 链路延时

链路延时tl指的是数据包从离开源节点网络接口后到达目的节点网络接口的这段时间(其中不包含交换机延时).链路延时又可细分为排队延时tque，传输延时ttra和传播延时tpro[11].

tque指的是数据包在将被源节点发送时排队所占用的时间，取决于通信媒质的访问和控制方法.

ttra指的是从数据包的第一个比特被源节点发出到最后一个比特被源节点发出所用的时间，取决于数据包大小和传输速率.

tpro指的是从数据包最后一个比特被源节点发出后到第一个比特被目的节点收到所用的时间(不包括交换机延时)，取决于传播距离(即源节点和目的节点之间的距离)和传播速度.

4 网络架构建模

按照变电站网络架构的一般性设计和“四网合一”的特点、要求，另外考虑实际网络设计中，可能会为了提高可靠性而配置双网结构，但双网之间彼此独立，所以只讨论一个即可.本文选择讨论星型拓扑、级联型拓扑和环型拓扑.

基于OPNET软件在网络性能评估方面表现出的突出性能，本文选择在OPNET中创建要讨论的网络拓扑结构模型[12].三种拓扑结构均采用五个交换机和外联设备组合而成，其中四个各联四个IED(智能电子设备)，表示变电站一个间隔基本配置包含的合并单元、智能终端、保护和测控，剩下一个联一个IED，表示监控主机，或者称为人机接口(HMI).

4.1 星型拓扑

星型拓扑的典型结构，如图3所示.每个连接合并单元、智能终端、保护和测控的交换机直接和一个通用的以太网交换机(Switch_0)连接，这种结构的报文传输延时因为所经路径涵盖的交换机少而通常可以满足IEC 61850标准的要求，但是也正因为所有IED都与一个中心交换机相连，而中心交换机易收到变电站环境条件和电磁接口条件的影响，因此系统的可靠性会降低.

图3 星型拓扑结构模型

4.2 级联型拓扑

级联型拓扑的典型结构，如图4所示.每个交换机都与前一个和后一个交换机通过其中一个端口连接在一条级联线上(两端的交换机除外)，报文传输的延时在经过级联型交换机时会发生叠加，因此级联拓扑结构的最大交换机数目取决于系统所能够容忍的最大延时.这种结构可以满足所能允许的延时，在中心交换机故障时，其他三个仍能互相保持通信，因而较星型拓扑有更高的可靠性，但没有网络冗余.

图4 级联型拓扑结构模型图5 环型拓扑结构模型

4.3 环型拓扑

环型拓扑的典型结构，如图5所示.在级联型拓扑的基础上将首尾两端的交换机也连接起来形成一个环形结构，但是报文在传输时如果流经环路可能会产生无尽的循环，因此要求交换机必须支持RSTP(快速生成树协议)，该协议能够从环路循环中检测出死循环和内部堵塞报文，在毫秒级范围内当网络故障时允许重新配置.这种结构与级联型拓扑相比有相近的延时性能，经济性和复杂性确有所增加，但是对所有IED来讲有很好的冗余，两条路径的其中一条链路断接后仍然能完成通信.

5 仿真结果和讨论

结合实际变电站的信息流向和“四网合一”的测试要求，仿真场景设定为合并单元、智能终端分别向同一交换机的保护、测控发送数据，同时所有保护、测控均向监控主机发送数据，这样计及各个端对端延时在仿真时表现为全局性的网络延时.

本部分先分别对星型、级联型、环型网络拓扑在不同数据包大小下的网络延时进行纵向比较，然后再对相同数据包大小下三种网络拓扑结构的网络延时作横向比较，根据相应的仿真结果做出分析讨论.

星型拓扑的网络延时，如图6所示.数据包大小从上到下依次是1024字节、512字节、256字节、128字节，仿真时间为200秒.由仿真结果显然可以得出，延时的大小随着数据包的不断变大也在不断增加，当数据包选择最大为1024字节进行仿真时，延时达到5.3毫秒，已经超过了4毫秒的一般要求；当数据包大小是512字节时，延时则十分接近4毫秒的临界值；而当数据包大小为128字节、256字节时，其延时均在4毫秒以下.

图6 星型拓扑的网络延时图7 级联型拓扑的网络延时

级联型拓扑的网络延时，如图7所示.数据包大小从上到下依次是1024字节、512字节、256字节、128字节.四种情况下的延时均在110秒达到稳定状态，同样的随着数据包大小的不断变大，延时也不断增加；当数据包大小是1024字节时，延时为4.56毫秒，已经超过了4毫秒的一般要求；当数据包大小为128字节、256字节、512字节时，延时均在4毫秒以下，且较星型网同等数据包大小表现出更好的延时性能.

环型拓扑的网络延时，如图8所示.数据包大小从上到下依次是1024字节、512字节、256字节、128字节.很显然，依然是随着数据包大小的不断变大，延时在不断增加；当数据包大小是1024字节时，延时为4.54毫秒，已经超过了4毫秒的一般要求；当数据包大小为128字节、256字节、512字节时，延时均在4毫秒以下，且较级联型网同等数据包大小在延时性能上又有稍微的改善.

图8 环型拓扑的网络延时图9 星型、级联型、环型拓扑的网络延时比较

传输256字节时的三种网络拓扑的网络延时比较，如图9所示.从上到下依次为星型拓扑、级联型拓扑、环型拓扑.环型拓扑以2.7毫秒的延时在三种网络结构中表现出最好的延时性能；级联型拓扑的延时性能稍差，延时为2.8毫秒；而星型拓扑由于所有IED均与一个中心交换机相连造成延时最高，延时为3毫秒.

6 结 论

实时性作为一个系统的重要指标，是智能变电站在进行方案设计时必须考虑的关键因素之一，本文对“四网合一”方案可能采用的不同网络拓扑进行系统建模，给出不同数据包大小下对应拓扑的延时仿真结果，并对相同数据包大小下不同拓扑的延时仿真结果进行了对比，得出随着数据包大小的增大，各种拓扑的延时也在不断增大，而相较相同数据包大小下其它拓扑的延时，环型拓扑则表现出更好的延时性能.

此外就可靠性而言，环型拓扑为不同设备间的通信提供了两条路径，对比其他方案有着很好的冗余处理，因此，“四网合一”技术在智能变电站中的应用宜选择环型拓扑方案.