賈惠彬，胡子函，吳 堃，武文瑞

（華北電力大學電子與通信工程系，河北省保定市 071003）

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)進行能量轉換的關鍵節(jié)點。變電站自動化系統(tǒng)用于監(jiān)測、控制和保護變電站及其相關饋線中的一次設備［1］。隨著IEC 61850［2］標準的推廣與應用，變電站自動化系統(tǒng)越來越依賴變電站通信網絡（substation communication network，SCN）實現(xiàn)監(jiān)控、控制和保護功能［3］。隨著變電站智能化程度的不斷提高，SCN 中數據業(yè)務流量的增長與關鍵控制業(yè)務數據傳輸需求的矛盾日益顯著，此時傳統(tǒng)的以太網已不能滿足智能變電站通信的需求，亟須引入新技術保證變電站關鍵業(yè)務數據傳輸的實時性。

對SCN 進行時延分析是SCN 設計的基礎。文獻［1］在SCN 中構建了智能電子設備（intelligent electronic device，IED）模型，通過OPNET 網絡仿真工具建立了仿真模型，分析傳統(tǒng)以太網下SCN 的實時性。文獻［4］提出了一種變電站過程網絡建模方法。利用OPNET 建模工具結合變電站過程層網絡業(yè)務特點，建立間隔層和過程層IED 模型。仿真分析了不同虛擬局域網（virtual local area network，VLAN）劃分對SCN 的影響。然而，當使用基于OPNET 的模型來評估真實SCN 在不同條件下的網絡性能時，存在計算量大、建模復雜、耗時較長等問題。此外，雖然使用基于OPNET 的模型可以模擬消息延遲，但很難獲得重要消息的最大延遲，而獲得報文的最大延時在SCN 設計中非常重要。為此，文獻［5］利用網絡演算方法，提出了基于傳統(tǒng)以太網的SCN 報文最大延時分布計算方法。

近年來，為了滿足現(xiàn)代各行業(yè)對數據傳輸的實時性需求，國內外研究者嘗試采用TTEthernet［6］，F(xiàn)lexRay［7］和 時 間 敏 感 網 絡［8］（time-sensitive networking，TSN）等技術提高數據傳輸的實時性。其中，TSN 脫胎于以太網協(xié)議體系，由一組IEEE 協(xié)議組成，便于在現(xiàn)有以太網絡中進行組網。相較于傳統(tǒng)以太網，TSN 具有數據流量整形、調度和時間同步等能力，可以有效提高時間敏感業(yè)務傳輸的服務質量（quality of service，QoS），因此TSN 技術在工業(yè)互聯(lián)網、航空、醫(yī)療、車聯(lián)網等多個領域得到了廣泛的應用。

本文基于SCN 通信業(yè)務的實時性需求，結合TSN 技術的基本原理，應用TSN 技術保障變電站通信業(yè)務的實時性。通過網絡演算方法，建立基于TSN 流調度協(xié)議IEEE 802.1Qbv 標準［9］的信息流服務曲線和基于SCN 報文傳輸特性的信息源到達曲線，提出了基于TSN 的SCN 最大時延計算方法。最后，結合不同層次的SCN 模型進行實驗仿真，分析應用TSN 技術的SCN 的實時性。

1 TSN 在SCN 中 的 適 用 性 分 析

1.1 變電站通信需求

IEC 61850 標準將變電站劃分為過程層、間隔層、站控層三層結構。目前國內的智能變電站基于IEC 61850 標準設計了多種不同的網絡結構，其中“三層兩網”的結構應用最為普遍。“兩網”中的過程層網絡連接過程層設備和間隔層設備，設備之間采用面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event，GOOSE）報文［10］和采樣值（sampled value，SV）報文進行通信，實現(xiàn)間隔設備自檢、跳閘、遙控分閘等信息傳遞。站控層網絡連接過程層設備和站控層設備，傳輸制造報文規(guī)范（manufacturing message specification，MMS）［11］報文，同時也傳輸部分GOOSE 報文。站控層網絡主要負責實現(xiàn)變電站上層信息的傳輸。

IEC 61850-5“功能通信要求和裝置模型”第13部分對報文實時性的要求［12］如表1 所示。

表1 報文傳輸時延要求Table 1 Requirements for packet transmission time delay

根據IEC 61850 標準，具有時間敏感特性的報文（如跳閘指令）數據傳輸時間為3 ms，其中，包括IED 的收發(fā)處理時間，大約占80%，即2.4 ms。其余0.6 ms 的時間用于通信網絡中數據的傳輸。為了保障智能變電站業(yè)務的傳輸時延需求，利用TSN技術保障SCN 關鍵控制命令等時間敏感業(yè)務的實時性。

1.2 時間敏感網絡

TSN 功能主要依靠時間同步協(xié)議IEEE 802.1AS［13］、流量調度協(xié)議IEEE 802.1Qbv、幀搶占協(xié) 議IEEE 802.1Qbu［14］等協(xié)議實現(xiàn)，這些協(xié)議可以保障時間敏感數據流傳輸的QoS。同時，由于TSN技術脫胎于傳統(tǒng)以太網，且工作在數據鏈路層，具備互操作性，方便快速地應用于傳統(tǒng)的以太網中。相比傳統(tǒng)以太網，TSN 技術具有“時間敏感數據流”確定低時延優(yōu)勢，與智能變電站中對關鍵業(yè)務報文的傳輸需求不謀而合，所以本文提出將TSN 技術引入到SCN 中，以保障SCN 的實時性。為了分析基于TSN 的SCN 的端到端最大時延，利用網絡演算理論，提出了一種基于TSN 的智能SCN 最大時延計算方法。

2 基于網絡演算的端到端最大時延計算方法

2.1 網絡演算

網絡演算［15］基于最小加代數的排隊理論。已知信息源IED 發(fā)送的信息流屬性和交換機服務機制，通過建立相應到達曲線和服務曲線，結合網絡演算理論便可計算報文在SCN 中傳輸的端到端最大時延。到達曲線描述信息流將要發(fā)送的最大數據量，例如，對一個常用的線性到達曲線模型（σ，ρ），信息流F(t)是一個關于時間t的累積函數，表示0 到t時刻信息流所發(fā)送的數據量，F(xiàn)(t)受到達曲線（σ，ρ）的約束。s時刻到t時刻信息流發(fā)送的數據為可表示為：

式中：σ為信息流的突發(fā)參數；ρ為信息流平均速率的上限。

服務曲線描述服務系統(tǒng)（如交換機）的傳輸機制和服務能力。速率時延類型β(t)是一種廣泛應用的服務曲線模型，該模型可表示為一個線性公式，如式（2）所示。

式中：R為服務速率；T為服務系統(tǒng)的時延值。該服務曲線模型表示信息流在到達服務系統(tǒng)并等候了時間T之后以速率R接受服務。

如附錄A 圖A1 所示，最大時延D等于到達曲線α(t)與服務曲線β(t)的最大水平距離，如式（3）所示。

式中：sup(·)和inf(·)分別為集合的上界和下界；d為曲線α(t)和曲線β(t)的水平距離。

2.2 面向IEEE 802.1Qbv 的信息流服務曲線

2.2.1 IEEE 802.1Qbv 標準

TSN 中流量調度協(xié)議IEEE 802.1Qbv 標準定義了時間感知整形器（time-aware shaper，TAS）和門控列表（gate control list，GCL）。圖1 展示了TSN交換機的基本框架。信息流進入交換機后首先經交換結構定向到目標輸出端口；然后，由優(yōu)先級過濾器根據流標識函數將該信息流分配到相應的優(yōu)先級隊列；最后，通過與隊列關聯(lián)的定時門結構啟動傳輸。GCL 通過控制門結構的開關狀態(tài)來實現(xiàn)信息流調度。GCL 中1 和0 分別表示門打開和關閉，只有在門打開時才允許相關優(yōu)先級隊列中的數據進行傳輸。在同一優(yōu)先級隊列中，遵循先入先出策略（first in first out，F(xiàn)IFO）。

圖1 基于IEEE 802.1Qbv 協(xié)議的TSN 交換機示意圖Fig.1 Schematic diagram of TSN switch based on IEEE 802.1Qbv protocol

將SCN 中報文的優(yōu)先級從低到高按從0 到n進行標記，并配置TSN 交換機的GCL。如附錄A 圖A2 所示，由于不同優(yōu)先級的門控開啟時隙可能存在重疊，在發(fā)生時隙重疊時，TSN 中由GCL 控制的服務時隙便不會專用于優(yōu)先級為m的流量Pm。對于一個輸出端口給定的GCL，其重疊關系以TGCL為周期重復，TGCL為所有優(yōu)先級隊列門控周期的最小公倍數。TPm為優(yōu)先級隊列Pm的門控周期。如圖2（d）所示，Pm的服務曲線可以看做是Nm(Nm=TGCL/TPm) 個以TGCL為周期的時分多址（time division multiple access，TDMA）服務曲線（見圖2（a）至（c））的疊加［16］。圖中陰影部分表示不能保障專用于Pm的時隙。因此，為了得到Pm的服務曲線，需要得到Pm所在優(yōu)先級隊列QPm在每個開放窗口中保障流量服務的時隙（保障時隙）Li，Pm、積壓時間Si，Pm和在一個TGCL內第j個保障時隙開始時間到第i個保障時隙開始時間的偏移量oij，Pm。其中，保障時隙不僅與不同優(yōu)先級隊列的重疊時隙有關，還與QPm每個開放窗口的保護帶和先驗機制［17］有關。

圖2 Pm的服務曲線Fig.2 Service curves of Pm

2.2.2 保障時隙的計算方法

考慮低優(yōu)先級隊列的影響，Pm所在優(yōu)先級隊列的 第i個 保 障 時 隙Li，Pm的 開 始 時 間tBLi，Pm如 式（4）所示。

考慮到低優(yōu)先級報文可能占用傳輸端口的情況，Pm-所在隊列第i個保障時隙的最壞非搶占延時di，Pm-由式（5）求得。

式中：GPm+(·)為優(yōu)先級高于Pm的隊列門控狀態(tài)函數。

2.2.3 偏移量和積壓時間的計算方法

一個TGCL內第j個保障時隙開啟時間到第i個保障時隙開啟時間的偏移量為oij，Pm，如式（16）所示。

保障時隙Li，Pm的積壓時間Si，Pm如式（19）所示。

式 中：βi，Pm(t)為 以 第i個 保 障 時 隙 為 基 準 的Pm所 在優(yōu) 先 級 隊 列 的 服 務 曲 線；βTGCL，Lj，Pm(t)為 以TGCL為 周期、Pm的 優(yōu) 先 級 隊 列 中 第j個 保 障 時 隙 長 度Lj，Pm為傳輸時隙的TDMA 的服務曲線。

為了保障時間敏感業(yè)務的低時延傳輸，配置GCL 時保證最高優(yōu)先級隊列對應的門控開啟時間與時間敏感業(yè)務報文到達時間嚴格同步，所以該優(yōu)先級隊列的Si，Pm等于0。

2.3 面向SCN 業(yè)務的信息源到達曲線

由于SV 報文有固定的數據發(fā)送速率和幀長度［18］，報文τ的到達曲線ατ(t)可采用典型的（σ，ρ）模型，如式（22）所示。

式 中：ρτ為 報 文τ的 數 據 發(fā) 送 速 率；στ為 報 文τ的 最大長度。

而對于GOOSE 報文，發(fā)送裝置每隔T0時間發(fā)送一次當前狀態(tài)（心跳報文）［19］，當裝置中有故障發(fā)生時，報文中的數據就發(fā)生變化，裝置立即發(fā)送報文一次（第1 幀），然后間隔T1重發(fā)兩次（第2、第3 幀）再分別間隔T2、T3各重發(fā)一次，通常T2=2T1，T3=2T2。當重新達到穩(wěn)定狀態(tài)后，后續(xù)報文恢復間隔T0的心跳報文。所以只有在變電站穩(wěn)定狀態(tài)下，GOOSE 報文才有固定的數據發(fā)送速率。當故障發(fā)生時，數據發(fā)送的頻率不會超過1/T1。GOOSE 報文τ的到達曲線如式（23）所示。

式中：αk，τ為報文τ到達交換機k的到達曲線。

2.4 端到端最大時延計算

附錄A 圖A4 描述了基于TSN 的SCN 端到端最大時延計算方法的具體流程。報文的端到端最大時延是指報文從發(fā)送設備傳輸到接收設備總耗時的最大值。由于變電站的占地面積有限，報文在網線中的傳輸時延可以忽略不計，這里的時延是指各類報文在通信網絡傳輸過程中經過每臺交換機的時延。報文在交換機中的時延由三部分構成：報文接收處理時延、排隊時延和傳輸時延。交換機接收處理過程的時延一般在幾微秒以內，通常為3 μs。交換機時延的主體部分是報文的排隊和傳輸時延［20］。

式中：βk，Pm(t)為交換機k中Pm所在優(yōu)先級隊列的服務曲線。

通過跟蹤報文發(fā)送設備到最終訂閱設備的報文傳輸路徑，可得該報文τ傳輸的端到端最大時延Dτ如式（26）所示。

式中：dtech為交換機的接收處理時延。

3 仿真驗證

為驗證TSN 技術在SCN 組網的確定低時延優(yōu)勢，本章搭建了不同層次SCN 模型，使用RTC 工具箱［21］在MATLAB R2018b 進行仿真實驗分析，處理器為Intel Core i7-10700KF，內存為8 GB。

3.1 典型母線保護過程層模型示例

本小節(jié)搭建了簡化變電站母線保護過程層報文傳輸模型［4］，如圖3 所示。該網絡模型全部采用網采網跳的組網方式，即全部設備都通過交換機連接，且SV 和GOOSE 報文采用共口傳輸［22］。為了展現(xiàn)時間敏感業(yè)務在基于TSN 的SCN 中傳輸的實時性優(yōu)勢，結合文獻［5］的傳統(tǒng)以太網最大時延計算方法，對比分析了基于優(yōu)先級隊列（priority queuing，PQ）的傳統(tǒng)以太網傳輸模式和TSN 模式的報文傳輸最大時延。

圖3 母線保護網絡連接模型Fig.3 Network connection model of bus bar protection

附錄A 表A1 展示了該母線保護所傳輸報文的詳細信息。GOOSE 報文的發(fā)送頻率為故障狀態(tài)下的最大發(fā)送頻率500 Hz，SV 報文的發(fā)送頻率為4 000 Hz。值得注意的是，由智能終端發(fā)送的GOOSE 報文承載著狀態(tài)反饋信息，優(yōu)先級低于保護裝置下發(fā)的承載保護跳閘命令的GOOSE 報文［23］。附錄A 表A2 展示了TSN 交換機的GCL 配置信息。

圖4 展示了TSN 和傳統(tǒng)以太網模式下3 種不同時間敏感報文的最大時延差別。其中，GOOSE A報文由保護裝置發(fā)送，測控裝置訂閱。GOOSE B報文由保護裝置發(fā)送到中心交換機，GOOSE C 由保護裝置發(fā)送，智能終端訂閱。TSN 中具有時間敏感業(yè)務（優(yōu)先級最高）報文傳輸的最大時延不超過44.4 μs，TSN 組網模式中時間敏感業(yè)務的最大時延都低于基于PQ 的傳統(tǒng)以太網組網模式，這是由于在配置門控列表時，保護裝置在發(fā)送時間敏感業(yè)務（如跳閘命令）報文時與其對應隊列的門控開啟時刻嚴格同步，時間敏感業(yè)務的最大時延僅受FIFO 規(guī)則影響。而當時間敏感報文到達傳統(tǒng)以太網交換機時，需要考慮低優(yōu)先級報文可能正在占用發(fā)送端口的情況，導致發(fā)生優(yōu)先級反轉，造成時間敏感報文傳輸的時延增大。

圖4 母線保護時間敏感報文的最大時延Fig.4 The maximum time delay of time-sensitive messages for bus bar protection

3.2 GCL 參數對報文時延的影響

為了分析GCL 參數（L、TGCL）對變電站通信網中報文傳輸端到端時延的影響，采用圖3 的母線保護網絡模型，改變門控開啟時長L和TGCL，以保護裝置發(fā)送給智能終端的載有跳閘命令的GOOSE 報文為例，進行對比實驗。

如圖5 所示，橫坐標表示最高優(yōu)先級對應的門控開啟時長L，縱坐標表示最大時延。可以觀察到，隨著L的增大，時延逐漸減小。這是由于當門控開啟時間過短時，導致時間敏感業(yè)務的報文在一個時隙周期內無法全部傳輸，需要等到下一個GCL 周期的門控開啟時隙再繼續(xù)傳輸，從而造成較大延時。而門控開啟時間過長又會造成較大的帶寬浪費；另一方面，TGCL越大，造成的報文傳輸最大時延也越大，這是由于在一個TGCL內無法保證全部等待報文都轉發(fā)時，需要等待下一個門控開啟時隙的時間與TGCL呈正相關。該最大時延計算方法也為未來GCL 優(yōu)化算法的研究［24］提供了理論依據。

圖5 不同GCL 參數下的各報文的最大延時Fig.5 The maximum time delay of each packet with different GCL parameters

3.3 基于TSN 的典型220 kV 變電站通信時延分析

為了進一步評估基于TSN 的SCN 的實時性是否滿足SCN 的實際需求，本文設計了一個典型的220 kV 變電站的通信網絡模型［5］。如附錄A 圖A5所示，該模型由2 個變壓器間隔、7 個饋線間隔和1 臺母線保護裝置組成。每一個圓盤表示一個間隔子網，每個子網都有自己的間隔交換機。各個間隔子網采用星形組網方式連接到中心交換機。通過跟蹤帶有跳閘命令且優(yōu)先級為7 的GOOSE 報文（GOOSE1）和表示斷路器狀態(tài)且優(yōu)先級為5 的GOOSE 報文（GOOSE2），分別分析了SCN 無故障發(fā)生時（穩(wěn)態(tài)）、全部故障都發(fā)生時（繁忙）以及一種或幾種故障或告警發(fā)生時（典型）的報文最大時延。雖然在智能變電站的實際運行中幾乎不存在所有故障和告警都發(fā)生的繁忙狀態(tài)，但在此狀態(tài)下計算的報文最大時延要大于或等于其他狀態(tài)的最大報文時延，對網絡實時性的評估、網絡設計方案的改進有重要意義。

GOOSE1 報文由母線保護（S1）的保護裝置發(fā)送，由線路饋線間隔（F1）的智能終端訂閱，GOOSE2 報文由線路饋線間隔（F1）的智能終端發(fā)送，由母線保護（S1）的保護裝置訂閱［25］。穩(wěn)態(tài)時GOOSE 報文的發(fā)送頻率為1 Hz，當故障發(fā)生或有告警時GOOSE 報文的發(fā)送頻率為500 Hz。各間隔子網的TSN 交換機采用附錄A 表A2 中的GCL 配置，中心交換機由于業(yè)務流量加大，需要適當加大時間敏感流的門控開啟時間，其GCL 配置見附錄A表A3。

由表2 可以看出，3 種不同狀態(tài)下的快速報文GOOSE1 完全滿足智能變電站過程層網絡通信時延要求。同時，GOOSE2 報文的傳輸時延也遠小于IEC 61850 對其的最低時延要求。由此可見，基于TSN 的SCN 在保證時間敏感業(yè)務確定低時延傳輸的同時也滿足SCN 的實時性要求。

表2 各種方式下的報文最大時延分布Table 2 The maximum time delay distribution of packets in various modes

4 結語

本文面向智能變電站通信業(yè)務的實時性需求，應用TSN 技術提高智能SCN 關鍵業(yè)務傳輸的實時性。利用網絡演算理論，提出了基于TSN 的智能SCN 最大時延計算方法，該方法可以分析TSN 下SCN 數據傳輸的時延邊界。通過不同層次的SCN仿真實驗，驗證了基于TSN 的SCN 可保障關鍵控制命令等時間敏感業(yè)務的確定低時延傳輸，并通過算例分析了GCL 參數對報文傳輸時延的影響。本文的工作為TSN 技術在智能SCN 的應用與推廣提供了理論依據。但本文所提方法無法分析數據傳輸的延時抖動，未來可通過搭建軟件或硬件仿真平臺，進一步分析基于TSN 的變電站關鍵業(yè)務傳輸的延時抖動。

附錄見本刊網絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。