时延敏感网络在智能变电站中的应用研究

叶青华

摘 要： 随着我国经济在迅猛发展，社会在不断进步，人们生活质量在不断提高，智能变电站作为智能电网建设的重要组成部分，高速通信网络是其信息传输的基础。工业实时以太网承载IEC61850报文是智能变电站网络的主要实现。但新业务的出现，工业实时以太网固有的缺点是其无法满足低延迟和低抖动的传输要求，TSN作为一种新的时延敏感网络技术能够满足这一需求。本文分析了TSN的特点，论述了其中智能变电站中应用优势。

关键词： 时延敏感网络;智能变电站;应用

【中图分类号】TM71 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.133

引言：传感器网络由分布在一定空间范围内具备感知、数据处理以及通信功能的大量传感器节点组成。由于其具有易于扩展和成本低廉的优点，传感器网络广泛应用在军事和商业领域内，如工业监测、数据收集、目标跟踪、军事侦察等。随着传感器网络应用领域和规模的不断扩大，传感器的数据传输对时延等业务服务质量提出了更高的要求。同时，传感器网络中发送功率和链路容量受限严重制约着网络服务质量。网络资源管理是通过控制、优化网络中链路容量和缓冲队列等资源实现高服务质量的关键环节。传感器缓冲队列调度不仅在资源分配中发挥重要作用，而且也是实现网络拥塞控制的主要途径。因此，研究传感器网络中高效的资源管理算法对实现网络资源的有效管理和队列调度具有重要意义。

1 时间敏感网络的发展背景

现如今，人们对于确定性、低时延、高鲁棒性的数据传输需求越来越大，尤其在控制系统、工业互联网、5G前传、汽车内网等场景中，有些关键流量的传输对于时效性非常敏感，需要及时而又准确的送达。例如在工业控制领域，工业控制网络相较于传统互联网而言失效后果严重，稳定性和确定性要求高，常常传输长度相对较短的数据包，数据往返时间介于250μs～10ms。在5G传输领域，也提出URLLC（ultra-reliableandlowlatency）的使用场景。URLLC对稳定性、延迟和可靠性要求极高。例如，数据在用户平面内的延迟不高于1ms，在控制平面内的延迟不高于20ms，并且要求在1ms内传输32位的协议单元数据的成功率不低于99.999%。为了解决这类数据的传输问题，学术界和产业界提出了众多的解决方案，经历了从现场总线到工业以太网，再从工业以太网到实时工业以太网的发展。此外，开放互连、开源化、集成化、标准化、可软件定义化是当前技术发展的大趋势。通过相关组织机构制定标准，可以让更多的人参与技术讨论，有利于技术的快速发展，并且打破不同解决方案之间的技术壁垒。

2 时延敏感网络在智能变电站中的应用

2.1 智能数字变电站网络结构

智能变电站按照IEC61850标准构建站内通信体系，依靠IEC61850网络接收来自传感器和电力设备的数据，并在整个变电站中发送保护和控制命令。基于IEC61850的站内通信体现分为三层：站控层：该层安装有SCADA服务器和HMI工作站，也安装有与相邻变电站和调度中心信息传输的通信设备。间隔层：该层由智能电子设备（IED）组成。IED接收来自传感器和一次设备的数据，以及在站控层发出控制命令。IED从站控层获取命令，对过程层设备进行测量，并做控制决策，将采集数据传输到其他IED或发送到SCADA系统进一步处理。过程层：主要断路器和数据采集设备（CTS/VTs）等设备组成，这些设备测量变电站一次设备的电流、电压和其他参数。由于电力生产的连续性和重要性，必须保证站内通信网络的可靠性，因此智能变电站通信网络通常采用符合IEC61850标准的工业以太网组网。过程层网络采用光纤接入，环形组网，双网双冗余，具有较高的带宽和冗余机制，提供纳秒级同步精度;站控层与间隔层网络提供毫秒级同步精度，同样双网双冗余接入方式。

2.2 业务链的模型映射和协议关联

实现业务链多协议报文关联分析需要结合各协议所对应模型，实现多协议之间的关键信息点的关联，其主要步骤如下。1）分析业务链，识别业务链流程中包含的设备和通信环节及各环节所涉及的通信协议。2）分别对所涉及的各种协议进行模型映射，发掘协议分析中所必需的模型关键信息点。3）分析各环节的模型关键信息点之间的联系，并寻找关联方法，进而实现业务链各个环节不同协议之间的关联分析。

2.3 资源预留机制

流预留协议（streamreservationprotocol，SRP）802.1Qat基于资源的预留要求和可用网络资源，规定了用于接纳或拒绝流的准入控制框架，并且还规定了全双工以太网链路在分组交换网中保留网络资源和广播流的框架。流预留协议在通信链路上通过保留传输资源来满足实时传输的要求。协议根据不同种类的流来确定其所需要的带宽。对于符合AVB标准的AVB交换机，规定将75%的带宽资源用于AVB数据的传输，将剩余的25%用于尽力而为流量的传输。SRP利用到的协议有多MAC注册协议MMRP（multipleMACregistrationprotocol）、多VLAN注册协议MVRP（multipleVLANregistrationprotocol）和多数据流预约协议MSRP（multiplestreamregistrationprotocol）三个协议的组合去实现桥接网络的流预留，其底层协议都是多注册协议MRP（multipleregistrationprotocol）。

結语：本文介绍了TSN时延敏感网络的特点及智能变电站中对实时性的需求，智能变电站中通信网络的缺点和不足，给出了TSN在智能变电站中的应用优势。随着智能化和工业4.0的发展，智能变电站内数据传输对实时性的要求会越来越高，随着TSN的标准逐渐完善，技术和产品日趋成熟，TSN终将在智能变电站中取得一席之地，促进智能电网的快速发展。

参考文献

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