變電站通信網絡的信息流隊列調度策略研究

鐘熙微，陳澤恒,汪 東，彭 浩

(1.廣東工業大學 自動化學院,廣州510006； 2.廣州機械設計研究所，廣州510000)

變電站通信網絡的信息流隊列調度策略研究

鐘熙微1，陳澤恒2,汪 東1，彭 浩1

(1.廣東工業大學 自動化學院,廣州510006； 2.廣州機械設計研究所，廣州510000)

在分析智能變電站通信網絡過載產生原因的基礎上，根據傳輸機制及實時性要求對幾種典型的信息流進行分類，并針對智能變電站現有信息流隊列調度策略存在的不足，結合加權公平隊列調度策略(WFQ)，提出一種適用于變電站通信網絡信息流的綜合調度策略(Integrated Scheduling Strategy,ISS)。以典型D2-1型變電站通信網絡拓撲為研究對象，借助OPNET仿真平臺對所提出的綜合調度策略與嚴格優先級策略(SPQ)進行仿真對比分析，結果表明綜合調度策略在一定程度上具有可行性。

智能變電站；信息流；網絡過載；加權公平隊列；綜合調度策略。

智能變電站通信網絡信息流包括原始電壓電流數據、設備狀態信息、控制信息、文件傳輸等，其信息流的傳輸、采集、處理、執行等使電力系統動態過程被大大加快，同時也使變電站極度依賴于信息反饋和信息決策[1-2]。由于一二次設備的網絡化及智能化，信息過載問題可能引發信息網絡和物理網絡之間的聯鎖故障，甚至導致整個電力系統的崩潰，給電力系統帶來新的安全挑戰。

IEEE802.1Q標準引入了報文優先級的概念，在報文標志控制信息(TCI)部分定義了用戶優先級標簽字段，可以標注8種不同的優先級。當交換機端口需要進行隊列調度時，常用的隊列調度策略有先進先出(FIFO)、嚴格優先級(SPQ)、加權公平隊列(WFQ)等。

近年來，對智能變電站通信系統的研究主要集中在網絡拓撲、變電站二次系統集成等方面，其網絡架構及靜態協議配置都有了比較深入的研究，但是對變電站信息流隊列調度策略研究相對較少。文獻[3]歸納了變電站幾種典型的信息流，對智能變電站的通信網絡進行靜態VLAN配置，以限制廣播流對網絡資源的競爭；文獻[4]研究了基于優先級標簽的變電站信息調度方法，但是該方法容易導致優先級較低的信息流出現“饑餓”狀態，對部分信息流的實時性傳輸產生嚴重影響；文獻[5]提出在三網合一的智能變電站中考慮網絡擁塞的檢測及過載處理方法，但未對具體處理方法進行研究。因此本文通過分析智能變電站通信網絡過載產生的原因，對比幾種信息流調度策略，探討能兼顧變電站各類信息流服務質量的綜合調度策略。

1 網絡過載及其產生的原因

在變電站通信網絡中，網絡的鏈路容量、交換機的緩存和處理機等，都是網絡中的資源。在某一時刻，若信息流產生速率超過了網絡資源的限值，網絡性能將會變差，這種情況就叫做擁塞。過載是擁塞的一種，是鏈路容量小于信息產生速率引起的。

網絡中常采用二層動態協議(可靠無縫冗余協議、私有環網)、靜態配置(VLAN、靜態組播、三層路由等)、過載監聽、過載處理結合提高網絡可靠性[5]，然而動態協議及靜態配置存在以下問題，如表1所示。

表1 變電站網絡配置存在的一些問題Tab.1 Some problems of substation network configuration

智能變電站中，與信息流相關的設備主要有智能電子裝置、監控主機和服務器等。通信設備故障、通信網絡拓撲設計不合理、通信網絡故障、對信息流的隔離不當等都可能產生過載。

智能變電站的正常運行除了需要考慮物理設備的正常運行，還需要考慮站控系統、管理服務功能系統、時間同步系統及信息設備軟件的影響，其網口硬件損壞、服務器異常等也會引起過載。文獻[6]提出軟件失效模型，對變電站安全風險進行量化分析，指出軟件失效對電力系統穩定性和可靠性帶來的挑戰。

因此，變電站通信網絡過載的形成可分為以下幾點：1)網絡拓撲設計不合理或者故障；2)設備損壞或設計不合理；3)系統或服務器異常；4)網絡系統軟件失效；5)網絡攻擊[7]等。

綜上所述，通信網絡過載的原因很多，而通信網絡一旦過載則會對智能變電站的正常安全運行產生重大的負面影響，因此，對網絡信息流調度策略的研究就顯得非常重要。

2 信息流分類

由信息流的傳輸機制與傳輸時間精度要求可以對變電站內的信息流進行劃分：事件觸發信息流T1、原始采樣值信息流T2、時間觸發信息流T3、訪問類信息流T4，如表2所示。

表2 信息流模型Table 2 Information flow model

2.1 GOOSE信息流

GOOSE信息流包含事件驅動及時間驅動報文[8]，主要用于過程層和間隔層以及間隔層內部傳輸。

當變電站發生電氣類故障時，事件驅動GOOSE報文由間隔保護控制單元向本間隔過程層或母線間隔下送保護功能聯鎖、開關操作命令、時間順序記錄信號等快速報文。這類信息流在短時間內集中傳輸，實時性要求比較高，IEC 61850標準規定其在1～3 ms內完成傳輸，本文將該類信息流劃分為T1流。

時間驅動GOOSE報文按時間預定觸發，過程層設備上傳模擬量數據及設備的狀態信息數據，該類信息流實時性要求不高，一般小于100 ms，本文將該類信息流劃分為T3流。典型GOOSE信息流如圖1所示。

2.2 采樣值信息流

采樣值信息流T2主要是將過程層合并單元所采集到的數據，傳送給間隔層智能電子設備(IED)。這類信息流端到端傳輸時間要求比較高，數據量較大，是影響整個網絡時延的最重要因素，屬于時間驅動的周期性數據。該類信息流一般要求3～10 ms內完成傳輸，實時性要求較高。

圖1 典型線路間隔信息流Fig.1 Information flow on typical line bay

2.3 訪問類信息流

訪問類信息流T4主要用于站控層、間隔層、過程層之間的診斷維護信息，例如下送設備配置文件，上傳絕緣氣體歷史值、開關溫度等數據。訪問類信息流是由變電站事件觸發的報文，發送不定時且沒有規律可循的數據，一般該類信息流為實時性要求比較低的數據，傳輸數據時間要求一般大于1000 ms，同時該類數據的尺寸相對較長。

3 信息流調度策略

3.1 SPQ排隊策略

嚴格優先級(SPQ)調度策略優先處理較高優先級的隊列，如圖2所示。分類器根據信息流的優先級別將信息流劃分為3個隊列，其中時間敏感信息流放入較高優先級隊列，將非關鍵信息流放入較低優先級隊列，以保證關鍵信息流被優先傳送。

圖2 SPQ調度策略Fig.2 SPQ scheduling strategy

只有敏感信息流隊列的數據包被處理完時，才逐級處理非關鍵信息流隊列的數據包。然而，當高優先級隊列的信息流以固定速率到達時，低優先級隊列往往分配到的通信資源比較匱乏，容易導致其處于饑餓狀態，因此公平性能很差。

3.2 WFQ排隊策略

加權公平隊列(WFQ)調度策略作為一種數據包公平隊列(PFQ)，是根據理想調度算法(GPS)的工作原理來實現的。根據GPS算法的原理，在任一時刻t，第i個隊列分配的帶寬為gi(t)，表示為

在WFQ中根據第j個數據包到達或者離開處理器實際時間tj，并用虛時間V(tj)來實現GPS算法，初始狀態虛時間為V(0)=0，V(tj)表示為

式中，τ≤tj-tj-1,j=2,3，…,Bj表示處于忙碌狀態的信息流，τ為一個較短的時間間隔。

WFQ調度策略如圖3所示，根據隊列的分類方法將數據包劃分為3個隊列Q1～Q3。這3個隊列的所有數據包通過WFQ調度策略計算虛時間，最短虛服務時間的數據包優先轉發到交換機端口并得到服務，圖中數據包虛時間tP1

圖3 WFQ調度策略Fig.3 WFQ scheduling strategy

3.3 綜合調度策略

根據智能變電站的信息流特性，在保證高優先級流量實時性服務質量的同時，兼顧其他流量的帶寬，本文提出一種SPQ算法及WFQ算法融合的綜合調度策略(ISS)。根據事件驅動信息流T1具有突發流量高及數據包格式較小的特點，仍采用嚴格優先級調度，在發生故障時該類報文優先處理。為了避免周期性T2類信息流采用嚴格優先級調度策略時占據過大的帶寬，T2、T3、T4采用WFQ調度策略，在緊急情況下，既能保證T2的優先調度，T3、T4隊列也不會因為T2隊列占用過多帶寬資源而造成其隊列時延過高，整個信息系統服務質量均可以得到保證。具體綜合調度策略如圖4所示。

圖4 綜合調度策略Fig.4 Integrated scheduling strategy (ISS)

4 仿真案例

4.1 拓撲模型

以簡化的D2-1型變電站為仿真研究對象，該模型包含一個母線間隔，5個饋線回路間隔和2個變壓器間隔。單個間隔的IED與過程層交換機連接共享數據，各間隔層設備通過中心交換機與站控層設備相連接并通信。每個間隔簡化為一個保護控制單元(P&C)、一個合并單元(MU)和一個智能斷路器(ISG)。變電站整體框架及信息流如圖5所示。

圖5 D2-1型號變電站信息流圖Fig.5 Information flow of D2-1 style substation

考慮故障發生，線路間隔中存在大量廣播流量。此時合并單元周期性將T2信息流傳輸給保護控制單元，智能斷路器將一次設備狀態信息流T3傳輸給保護控制單元。保護控制單元下送保護動作信息到智能斷路器，且發生啟動失靈，母線間隔啟動單跳失靈保護，將故障線路間隔所在母線開關全部切斷，IED設備間信息流如圖1所示。

根據信息流的特點采用不同的流量配置模型。T1屬于突發性報文，具有自相似性，文獻[9]說明了重尾分布可以很好解釋突發信息流的自相似性。根據IEC 61580標準規定，該類報文第一次發送時間間隔為2 ms，4 ms，8 ms，…，仿真配置重發時間間隔為 2 ms,這里考慮故障發生時發包的極限狀態。報文T2跟T3為時間驅動信息流，可以利用常數分布對數據包的長度、周期、發包個數進行配置，產生周期性數據。T4屬于隨機性數據，由隨機過程中服從泊松分布的變量具有隨機性可知，若信息流到達率為λ的泊松分布，其到達時間間隔為1/λ。

仿真借助OPNET 17.5仿真平臺，通過搭建變電站簡化拓撲，配置信息流模型，仿真場景分別為嚴格優先級(SPQ)調度策略、具有WFQ的綜合調度策略(ISS)。其中交換機采用三層交換機，其端口要求處于active狀態，鏈路帶寬采用 100 Mbps，各個IED節點模型為ethernet_wkstn節點模型，信息流傳輸協議配置為UDP不可靠傳輸以減少端到端時延，統計各類信息流的隊列延時情況。

4.2 算例分析

仿真結果如圖6所示，T1及T4信息模型配置為50 s后開始仿真，T2及T3信息模型配置為10 s開始仿真，并持續到仿真結束。其中圖6(a)為T3、T4類信息流延時特性，圖6(b)為T1、T2類信息流延時特性。由結果可以看到，采用具有WFQ的綜合流量調度策略(ISS)，各類信息流的總體延時都有所降低，網絡性能大大提高。

圖6 故障下兩種排隊策略的延時曲線Fig.6 Delay curves of two kinds of queuing strategies under faults

當故障發生時使用嚴格優先級調度策略，T4類信息流呈現“饑餓”狀態，T3類信息流也因為T2類信息流占據過多帶寬資源導致其部分數據包傳輸延時超過100 ms，甚至接近200 ms。此時若采取SPQ調度策略，將對整個變電站的實時可靠運行帶來嚴重影響。

在故障情況下使用綜合調度策略，T1類信息流雖然有小幅增加，但仍在規定時間范圍內；T2類信息流小幅下降，T3跟T4類信息流的延時都大大降低。通過將原始數據導出到EXCEL表格之后，計算故障發生時延時的平均值可知，T2類信息流從3.3 ms下降為1.5 ms，T3類信息流從110 ms下降到3 ms；T4信息流降幅最為明顯從480 ms下降為330 ms，下降幅度達150 ms，且在故障發生時，該類信息流不會出現信息中斷傳輸現象。

通過對簡化變電站模型進行仿真，結果驗證使用ISS調度策略的合理性。在故障發生時，相比較于SPQ調度策略，融合了SPQ以及WFQ的ISS調度策略更能為不同的信息流提供更好的服務質量，同時降低了因網絡延時或信息中斷傳輸可能引發的電力系統聯鎖故障的風險。

5 結 論

本文在對典型信息流進行分類和分析現有信息流隊列調度策略不足之處的基礎上，提出事件觸發信息流采用嚴格優先級調度，原始采樣值信息流、時間觸發信息流以及訪問類信息流采用WFQ調度的綜合調度策略。以簡化的D2-1變電站為算例，將本文的綜合調度策略與現有的SPQ調度策略進行仿真對比分析，結果表明本文提出的綜合調度策略能大大提高網絡性能，從而驗證了該策略的合理性和可行性，具有一定的工程意義。

[1] PREMARATNE U,SAMARABANDU J,SIDIHU T,et al.Security analysis and auditing of IEC 61850-based automated substations [J].IEEE Transactions on Power Delivery ,2010 ,4(25) :2346-2355.

[2] 趙曼勇,周紅陽,陳朝暉,等.基于IEC61850標準的廣域一體化保護方案[J].電力系統自動化,2010,34(6):58-60.ZHAO Manyong,ZHOU Hongyang,CHEN Zhaohui,et al.A new wide-area integrated protection scheme based on IEC 61850[J].Automation of Electric Power System,2010,34(6): 58-60.

[3] 張志丹,黃小慶,曹一家,等.基于虛擬局域網的變電站綜合數據流分析與通信網絡仿真[J].電網技術,2011,35(5):204-209.ZHANG Zhidan,HUANG Xiaoqing,CAO Yijia,et al.Comprehensive data flow analysis and communication network simulation for virtual local area network-based substation[J].Power System Technology,2011,35(5): 204-209.

[4] 辛建波,段獻忠.基于優先級標簽的變電站過程層交換式以太網的信息傳輸方案[J].電網技術,2004,28(22):26-31.XIN Jianbo,DUAN Xianzhong.A tranfer scheme based on priority-tag in switched ethernet for substation process-level[J].Power System Technology,2004,28(22): 26-31.

[5] 張憲軍,劉穎,余華,等.智能變電站MMS_GOOSE_SV三網合一通信過載隔離抑制策略[J].電力系統保護與控制,2015,43(22):120-126.ZHANG Xianjun,LIU Ying,YU Hua,et al.Overload isolation and control strategy of smart substation MMS,GOOSE,and SV three-in-one communication network[J].Power System Protection and Control,2015,43(22): 120-126.

[6] 韓宇奇,郭嘉,郭創新，等.考慮軟件失效的信息融合電力系統智能變電站安全風險評估[J].中國電機工程學報,2016,36(6): 1500-1508.HAN Yuqi,GUO Jia,GUO Chuangxin,et al.Intelligent substation security risk assessment of cyber physical power systems incorporating software failures[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(6): 1500-1508.

[7] 莫峻,譚建成.基于IEC61850的變電站網絡安全分析[J].電力系統通信,2009,30(4):12-16 MO Jun,TAN Jiancheng.Research on network security in substations based on IEC 61850[J].Telecommunication for Electric Power Station,2009,30(4): 12-16.

[8] 辛建波,上官帖.基于漏桶和服務分類機制的數字化變電站信息傳輸方法[J].電網技術,2015,31(15):85-90 XIN Jianbo,SHANGGUAN Tie.A digital substation information transmission method based on leaky bucket model and class of service mechanism[J].Power System Technology,2015,31(15): 85-90.

[9] 胡嚴,張光昭.重尾ON/OFF源模型生成自相似業務流研究[J].電路與系統學報，2001,6(3):72-76.HU Yan,ZHANG Guangzhao.Study of the self-similar traffic stream generated by heavy-tailed ON/OFF source model[J].Journal of Circuits and Systems,2001,6(3): 72-76.

(編輯 陳銀娥)

Research on scheduling strategy of information flow queue of substation communication network

ZHONG Xiwei1，CHEN Zeheng2,WANG Dong1,PENG Hao1

(1.Shool of automation，Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.Guangzhou Machinery Research Institute,Guangzhou 510000,China)

The cause of the communication network overload in the intelligent substation is analyzed.Based on the analysis,several typical information flows are classified according to the transmission mechanism and with the real-time requirement.In view of the shortcomings of the existing information flow queue scheduling strategy in the intelligent substation,combined with the scheduling strategy of weighted fair queuing (WFQ),an integrated scheduling strategy (ISS) is proposed for information flow of substation communication network.Taking the communication network topology of typical D2-1 type substation as the research object,simulation and comparative analyses are made on the integrated scheduling strategy (ISS) and the strict priority strategy (SPQ) proposed by using the OPNET simulation platform.The simulation results show that the integrated scheduling strategy is feasible to a certain extent.

intelligent substation; information flow; network overload; weighted fair queuing (WFQ); integrated scheduling strategy (ISS)

2017-05-09。

鐘熙微(1992—)，女，在讀研究生，研究方向為智能變電站通信網絡信息流建模。

TM63+TN926

A

2095-6843(2017)04-0307-06