四类优先级电网信息传输技术研究

田 锦，田 潇，李广水

(1.金陵科技学院信息技术学院, 江苏 南京 211169； 2.天津理工大学中环信息学院，天津 300380)

IEC 61850标准规定了报文按照优先级的最大转移时间值。转移时间定义为发射端的报文协议处理时间ta、网络传输时间tb和接收端的报文协议处理时间tc。而且，标准规定ta和tc低于总传输时间的40%，网络的设施延迟时间不超过总传输时间的20%。经证明总的通信时间必须低于600 ms，这是最大限制。以太网是IEC 61850的典型通信网。

IEC 61850规定的特定通信服务映射(SCSM：Specific Communication Service Mapping)实现了其定义的多种通信服务。在过程层网络中，实时性、可靠性要求最高的两种关键通信服务为发送通用对象变电站事件(GOOSE：Generic Object Oriented Substation Event)报文服务(Send GOOSE Message)和发送多路广播采样测量值(MSV：Multiple Sampled Value)报文服务(Send MSV Message)。SCSM传输协议栈是从传统的OSI标准7层协议栈演进而来，以提高网络中过程层面向GOOSE和MSV这两种关键报文的传输实时性。

GOOSE是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号。根据IEC 61850标准的规定，GOOSE信号的通信延迟应小于4 ms，其中数据流传送一般控制在1 ms内完成[1]。在保证GOOSE正确可靠的前提下，应在发送机、交换节点、接收机尽可能地减少时间耗费，提高延迟性能，以全过程提高GOOSE的实时性能。

如果每个设备描述表中只有一个单级的发送队列链表，这就造成实时报文和非实时报文都在一个队列中。在协议应用层，为了有利于目录服务、文件传输等，将产生高数据速率的通信。如果设备允许，其成组的报文最大长度可以定义成很大。如果一个应用报文达到几万字节，那就需要几十个以太网帧传送。全部传输这些以太网帧需要花费很长时间。如果这些以太网帧是非实时性报文，那么在实时性报文之前无法准确知道有多少非实时性报文在等待传输。只有等待实时性报文前面的非实时性报文传输完毕，才能传输实时性报文。这样实时报文有可能被严重滞后，而且这种滞后带有不确定性，由此对GOOSE服务、MSV服务，不能完全保证其实时性要求。

电力设备通信延迟性能的提高是电网智能化的重要条件。国内在相关领域的研究才刚刚开始，尚未形成产业化规模。殷志良等[2]研究了保证过程总线通信服务质量的方案。李小滨等[3]提出了GOOSE发送端发送多优先级队列的流程。陈志光等[4]基于OPNET仿真软件对过程层网络SCSM进行了仿真研究。关于优先级个数对信息传输性能的影响，以往的文献将信息简单地分为两类优先级进行研究。本文提出将IEC 61850的业务划分成4个优先级类别进行传输，同时使用NS2软件仿真研究在4个优先级时的实时性性能。此研究内容尚未见诸于公开发表的文献中。

1 数字化变电站的通信协议栈

通信协议直接影响通信功能的完成和通信效率的提高。与通信行业标准化的通信协议不同，电力行业业务的通信协议既要符合通信原理的规则，又要能面向电力行业业务，实现高效、实用的通信用途。为了确保实时信息的及时传输，本文将具体研究电力业务分级的优势，因此首先介绍现行电力业务的通信协议栈模型以及各个模块所完成的业务功能，以期更好地寻求解决问题的关键点。

IEC 61850标准[5]的数字化变电站网络结构协议栈分为：变电站层、间隔层、过程层，并且明确规定了各层之间接口的含义，此协议栈将变电站自动化系统(SAS：Substation Automation System)所有智能设备之间的通信协议族划分为10个逻辑接口。当进行通信网络配置时，根据SAS通信规模的大小以及通信数据流的多少，这10个接口可以形成单网结构或双网结构。

根据 SAS 的运行特点，数据流从通信方式上可以分为2大类：层间数据传输和层内数据传输。其中层间数据传输包括：1) 周期性双向数据传输；2) 非周期性双向数据传输；3) 非周期性按通知数据上传。层内数据是指网络保护算法需要的共享数据、控制共享信息及闭锁信息等。针对数据流的实时性特点，可将报文分为6类，如图 1 所示。不同的数据流所形成的通信报文在网络上需求的QoS参数不同。这些报文的实时性要求优先级从高到低顺序排列为：类型1，类型4，类型2、3、5，类型6。

图1 IEC 61850协议栈Fig.1 The architecture of IEC 61850 protocol stack

从协议栈模块对应的业务类型可以看出，电力通信的业务类型全面，同时，类型1实时业务的要求较为严格。因此研究采用多优先级的业务传输模式意义重大。

2 4个优先级队列模式

基于报文类型的实时性要求，设计各层之间较为冗余的网络构架。过程层与间隔层之间的主要通信业务负载为类型1、类型4报文；变电站层与间隔层之间传输 2、3、5 类型报文。类型1、类型4报文可以不进行单独组网，而是将所有的合并单元、保护测控设备和断路器智能操作箱链接在一个环网上，使用100 Mbps以太网，并采用IEC 61850-9-2特定通信服务映射(SCSM)和ISOIEC 8802-3采样值通信协议。实践证明他们符合标准的实时性要求。2、3、4类型报文如用100 Mbps光纤自愈环网以太网传输，实践证明在网络发生故障时，网络配置时间不超过 100 ms，由此可见具有一定的经济性和可靠性[6]。

IEC 61850的通信网络是以太网，其优先级满足定义了8种优先级的IEEE 802.1p标准。IEEE 802.11e标准把业务区分成4个优先级。借鉴这些思想，为了从根本上解决电力通信实时性报文的延迟性能较差问题，引入4个优先级队列，按照从高到低的顺序，命名为：AC_3，AC_2，AC_1，A C_0。GOOSE报文、SV报文具有强实时性的特点，应分别放入最高优先级、高优先级的待发送报文队列。因此，类型1报文优先级定位AC_3，类型4报文优先级定为AC_2，类型2、3、5报文的优先级设置为AC_1，类型6报文优先级定为AC_0。这种模式下，报文队列将按照优先级从高到低的顺序接受处理。系统中的各个环节都要考虑多优先级的区分度。

在发送机，将中断区分为低级中断和高级中断，以保证区分优先级的实施。低级中断的一个重要功能是激活相应的高级中断服务程序。低级中断只做很少的必要性的工作，以减少中断服务程序运行所占的时间。高级中断程序运行在任务级，用于最高优先级和高优先级的数据处理等费时工作。操作时，我们用设备描述表存放待发送报文的链表头指针。

图2 基于优先级的交换节点报文处理方式Fig.2 The process of switch packet based on priority

在网络交换节点，如交换机、路由器和其它交换设备，报文排成一个队列，如图2所示。在处理时首先按照优先级顺序将报文分配到各个优先级的缓冲区队列中等待，然后制定一个调度策略，按照调度命令从缓冲区取出等待的报文进行传输。如此可以显著提高GOOSE报文的实时性性能[7-8]。

在接收端，协议栈的映射方式也有助于提高解码实时性。在接收机中，合理安排中断和网络任务功能，可以将报文按照优先级区别开来，并以事件驱动的方式将报文传递给各处理单元。可以建立一种调度策略，按照业务优先级高低顺序，优先调度高优先级的业务来处理。在多优先级方式下，为便于处理，GOOSE报文的优先级可以高于其它所有报文的优先级[9]。GOOSE等较高优先级的报文在高优先级的任务中处理。低优先级的报文提交给操作系统的网络进行协议处理。

3 性能仿真

协议性能研究可以利用网络仿真方法对协议进行仿真，研究其优劣。网络仿真软件较多。本课题采用NS2网络仿真软件。NS2是一种面向对象的离散事件网络仿真器。它有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动。在局域网仿真中，实现了多播以及一些MAC子层协议。

GOOSE报文传输延迟时间由变压器保护设备组帧、网络传输和开关控制器解包接收组成。当保护设备重复发送GOOSE报文时，各开关控制器都能无遗漏收到，这证明了GOOSE报文传输的可靠性。

SAV报文传输延迟时间由采样值信号处理(模数转换等)、合并单元组帧、网络传输和变压器保护设备解包接收组成。

3.1 仿真应用层环境设置

3.1.1 用于Send GOOSE Message Send GOOSE Messages是关键报文，它的传输模式采用面向非连接的发布者/订阅者形式。由于发布者不知道订阅者是否接收到了报文，所以需要发布者不断地重发报文，以保证订阅者能接收到。实现对GOOSE报文的重发是对该服务应用层建模的主要内容。图3详细阐明了报文重发过程。假设在T1时刻发生事件，那么发布者就会在该时刻发出第1条最新的GOOSE报文。随后为了保证该报文的可靠性，发布者以tN=2N-1ms,N=1, 2 …, 为间隔重复发送相同的信息。同时，对不同的GOOSE报文进行计数，即T1=1 ms，T2=2 ms，T3=4 ms，…，当TN=T0=500 ms时，发布者停止重发该报文。

图3 Send GOOSE Message服务重发机制Fig.3 Retransmission services of Send GOOSE Message

GOOSE报文长度会随其传递信息的不同而不同，平均地，定义每条报文的长度为230 byte。根据报文功能的需求配置不同的优先级。用于跳闸的GOOSE报文实时性要求最高，将其优先级设置为AC_3，其他用途的报文实时性要求相对较低，优先级设置为AC_2[10-11]、AC_1 、AC_0。在发送机和接收机都将GOOSE报文的优先级设置为AC_3。

3.1.2 用于Send MSV Message Send MSV Message报文的作用是接收来自设备电压/电流的采样值，并按照规定的格式封装成数据包。由于设备不同参数的采样间隔时间不必全部相同，因而合并单元的采样率也会不同。例如：用于保护设备的参数采样值一般为80点/周；用于电能质量检测的参数采样值一般为256点/周。为便于分析，本文的仿真采样率取80点/周，即交流电50周/s，每点产生1条信息，所以应用层每秒接收4 000条采样值信息。这些采样信息按照规定的格式将其封装成数据包，并发送出去。

AC_3的优先级高于AC_2的优先级。我们知道，过程层的周期性采样值信息传输也有3～10 ms的实时性要求。尽管其实时性稍弱于具有突发特性的GOOSE业务，但其实现的方法与之类似。因此，如果在发送机和接收机都对设备参数的采样值报文优先级设置为AC_2，则能利用不同优先级的区别，分别实现实时性效果。

3.1.3 其它参数 将PC机与交换机连接，连接交换机的端口配置为低优先级AC_1。仿真时，PC机周期性地向交换机发送大量数据包。

根据IEC 61850-9-2LE规定的报文组成方式，设备参数采样值报文长度为169～226 byte。根据文献[12]，本文每条报文的长度取200 byte，其优先级设置为AC_2。

数据源使用连续比特速率(CBR：Continuous bit rate)。使用两种数据包速率：0.5 Mbps和0.01 Mbps。第1个节点为源节点，最后1个节点为目的节点，中间设置5个交换节点。关于链路设置参数与IEEE 802.11e的NS2仿真参数设置相同[13]。

3.2 仿真结果

对各种报文进行仿真。对GOOSE报文和SAV报文，本文建议的4个优先级模式下的仿真结果与其它文献介绍的只有2个优先级下的仿真结果比较[14-22]。

用NS2软件仿真IEC 61850标准的性能尚无文献报道。

经过仿真，GOOSE报文的最大传输延迟抖动4个优先级时为0.25 ms，两个优先级时为0.3 ms；报文的平均延迟4个优先级时约为1.42 ms，两个优先级时为1.5 ms。

经过仿真，SAV报文最大传输延迟抖动4个优先级时为0.45 ms，两个优先级时为0.5 ms；报文的平均延迟4个优先级时约为2.73 ms，两个优先级为2.8 ms。

无论如何发送AC_1优先级数据，对SAV报文和GOOSE报文传输性能无任何影响。由此可见其优先级分类的优势。

仿真证明，将数据报文按优先级从高到低划分成AC_3、AC_2、AC_1、AC_04种类型，可以确保前3类报文的实时性要求，并再次提高了类型1和类型2报文的延迟抖动和平均延迟性能指标。

4 结 语

本文提出了4类优先级的分类方法，GOOSE报文为最高优先级，SAV报文为次最高优先级，时间同步报文为最低优先级，其余报文为低优先级。在发射机、交换节点和接收机的报文处理流程中均按照优先级顺序从高到低处理。通过NS2软件仿真，GOOSE报文最大传输延迟抖动为0.25 ms，平均延迟约为1.42 ms；SAV报文最大传输延迟抖动为0.45 ms，平均延迟约为2.73 ms。其性能都优于2个优先级的分类方式。

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