变电站通信网络的信息流队列调度策略研究

钟熙微，陈泽恒,汪 东，彭 浩

(1.广东工业大学 自动化学院,广州510006； 2.广州机械设计研究所，广州510000)

变电站通信网络的信息流队列调度策略研究

钟熙微1，陈泽恒2,汪 东1，彭 浩1

(1.广东工业大学 自动化学院,广州510006； 2.广州机械设计研究所，广州510000)

在分析智能变电站通信网络过载产生原因的基础上，根据传输机制及实时性要求对几种典型的信息流进行分类，并针对智能变电站现有信息流队列调度策略存在的不足，结合加权公平队列调度策略(WFQ)，提出一种适用于变电站通信网络信息流的综合调度策略(Integrated Scheduling Strategy,ISS)。以典型D2-1型变电站通信网络拓扑为研究对象，借助OPNET仿真平台对所提出的综合调度策略与严格优先级策略(SPQ)进行仿真对比分析，结果表明综合调度策略在一定程度上具有可行性。

智能变电站；信息流；网络过载；加权公平队列；综合调度策略。

智能变电站通信网络信息流包括原始电压电流数据、设备状态信息、控制信息、文件传输等，其信息流的传输、采集、处理、执行等使电力系统动态过程被大大加快，同时也使变电站极度依赖于信息反馈和信息决策[1-2]。由于一二次设备的网络化及智能化，信息过载问题可能引发信息网络和物理网络之间的联锁故障，甚至导致整个电力系统的崩溃，给电力系统带来新的安全挑战。

IEEE802.1Q标准引入了报文优先级的概念，在报文标志控制信息(TCI)部分定义了用户优先级标签字段，可以标注8种不同的优先级。当交换机端口需要进行队列调度时，常用的队列调度策略有先进先出(FIFO)、严格优先级(SPQ)、加权公平队列(WFQ)等。

近年来，对智能变电站通信系统的研究主要集中在网络拓扑、变电站二次系统集成等方面，其网络架构及静态协议配置都有了比较深入的研究，但是对变电站信息流队列调度策略研究相对较少。文献[3]归纳了变电站几种典型的信息流，对智能变电站的通信网络进行静态VLAN配置，以限制广播流对网络资源的竞争；文献[4]研究了基于优先级标签的变电站信息调度方法，但是该方法容易导致优先级较低的信息流出现“饥饿”状态，对部分信息流的实时性传输产生严重影响；文献[5]提出在三网合一的智能变电站中考虑网络拥塞的检测及过载处理方法，但未对具体处理方法进行研究。因此本文通过分析智能变电站通信网络过载产生的原因，对比几种信息流调度策略，探讨能兼顾变电站各类信息流服务质量的综合调度策略。

1 网络过载及其产生的原因

在变电站通信网络中，网络的链路容量、交换机的缓存和处理机等，都是网络中的资源。在某一时刻，若信息流产生速率超过了网络资源的限值，网络性能将会变差，这种情况就叫做拥塞。过载是拥塞的一种，是链路容量小于信息产生速率引起的。

网络中常采用二层动态协议(可靠无缝冗余协议、私有环网)、静态配置(VLAN、静态组播、三层路由等)、过载监听、过载处理结合提高网络可靠性[5]，然而动态协议及静态配置存在以下问题，如表1所示。

表1 变电站网络配置存在的一些问题Tab.1 Some problems of substation network configuration

智能变电站中，与信息流相关的设备主要有智能电子装置、监控主机和服务器等。通信设备故障、通信网络拓扑设计不合理、通信网络故障、对信息流的隔离不当等都可能产生过载。

智能变电站的正常运行除了需要考虑物理设备的正常运行，还需要考虑站控系统、管理服务功能系统、时间同步系统及信息设备软件的影响，其网口硬件损坏、服务器异常等也会引起过载。文献[6]提出软件失效模型，对变电站安全风险进行量化分析，指出软件失效对电力系统稳定性和可靠性带来的挑战。

因此，变电站通信网络过载的形成可分为以下几点：1)网络拓扑设计不合理或者故障；2)设备损坏或设计不合理；3)系统或服务器异常；4)网络系统软件失效；5)网络攻击[7]等。

综上所述，通信网络过载的原因很多，而通信网络一旦过载则会对智能变电站的正常安全运行产生重大的负面影响，因此，对网络信息流调度策略的研究就显得非常重要。

2 信息流分类

由信息流的传输机制与传输时间精度要求可以对变电站内的信息流进行划分：事件触发信息流T1、原始采样值信息流T2、时间触发信息流T3、访问类信息流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信息流包含事件驱动及时间驱动报文[8]，主要用于过程层和间隔层以及间隔层内部传输。

当变电站发生电气类故障时，事件驱动GOOSE报文由间隔保护控制单元向本间隔过程层或母线间隔下送保护功能联锁、开关操作命令、时间顺序记录信号等快速报文。这类信息流在短时间内集中传输，实时性要求比较高，IEC 61850标准规定其在1～3 ms内完成传输，本文将该类信息流划分为T1流。

时间驱动GOOSE报文按时间预定触发，过程层设备上传模拟量数据及设备的状态信息数据，该类信息流实时性要求不高，一般小于100 ms，本文将该类信息流划分为T3流。典型GOOSE信息流如图1所示。

2.2 采样值信息流

采样值信息流T2主要是将过程层合并单元所采集到的数据，传送给间隔层智能电子设备(IED)。这类信息流端到端传输时间要求比较高，数据量较大，是影响整个网络时延的最重要因素，属于时间驱动的周期性数据。该类信息流一般要求3～10 ms内完成传输，实时性要求较高。

图1 典型线路间隔信息流Fig.1 Information flow on typical line bay

2.3 访问类信息流

访问类信息流T4主要用于站控层、间隔层、过程层之间的诊断维护信息，例如下送设备配置文件，上传绝缘气体历史值、开关温度等数据。访问类信息流是由变电站事件触发的报文，发送不定时且没有规律可循的数据，一般该类信息流为实时性要求比较低的数据，传输数据时间要求一般大于1000 ms，同时该类数据的尺寸相对较长。

3 信息流调度策略

3.1 SPQ排队策略

严格优先级(SPQ)调度策略优先处理较高优先级的队列，如图2所示。分类器根据信息流的优先级别将信息流划分为3个队列，其中时间敏感信息流放入较高优先级队列，将非关键信息流放入较低优先级队列，以保证关键信息流被优先传送。

图2 SPQ调度策略Fig.2 SPQ scheduling strategy

只有敏感信息流队列的数据包被处理完时，才逐级处理非关键信息流队列的数据包。然而，当高优先级队列的信息流以固定速率到达时，低优先级队列往往分配到的通信资源比较匮乏，容易导致其处于饥饿状态，因此公平性能很差。

3.2 WFQ排队策略

加权公平队列(WFQ)调度策略作为一种数据包公平队列(PFQ)，是根据理想调度算法(GPS)的工作原理来实现的。根据GPS算法的原理，在任一时刻t，第i个队列分配的带宽为gi(t)，表示为

在WFQ中根据第j个数据包到达或者离开处理器实际时间tj，并用虚时间V(tj)来实现GPS算法，初始状态虚时间为V(0)=0，V(tj)表示为

式中，τ≤tj-tj-1,j=2,3，…,Bj表示处于忙碌状态的信息流，τ为一个较短的时间间隔。

WFQ调度策略如图3所示，根据队列的分类方法将数据包划分为3个队列Q1～Q3。这3个队列的所有数据包通过WFQ调度策略计算虚时间，最短虚服务时间的数据包优先转发到交换机端口并得到服务，图中数据包虚时间tP1

图3 WFQ调度策略Fig.3 WFQ scheduling strategy

3.3 综合调度策略

根据智能变电站的信息流特性，在保证高优先级流量实时性服务质量的同时，兼顾其他流量的带宽，本文提出一种SPQ算法及WFQ算法融合的综合调度策略(ISS)。根据事件驱动信息流T1具有突发流量高及数据包格式较小的特点，仍采用严格优先级调度，在发生故障时该类报文优先处理。为了避免周期性T2类信息流采用严格优先级调度策略时占据过大的带宽，T2、T3、T4采用WFQ调度策略，在紧急情况下，既能保证T2的优先调度，T3、T4队列也不会因为T2队列占用过多带宽资源而造成其队列时延过高，整个信息系统服务质量均可以得到保证。具体综合调度策略如图4所示。

图4 综合调度策略Fig.4 Integrated scheduling strategy (ISS)

4 仿真案例

4.1 拓扑模型

以简化的D2-1型变电站为仿真研究对象，该模型包含一个母线间隔，5个馈线回路间隔和2个变压器间隔。单个间隔的IED与过程层交换机连接共享数据，各间隔层设备通过中心交换机与站控层设备相连接并通信。每个间隔简化为一个保护控制单元(P&C)、一个合并单元(MU)和一个智能断路器(ISG)。变电站整体框架及信息流如图5所示。

图5 D2-1型号变电站信息流图Fig.5 Information flow of D2-1 style substation

考虑故障发生，线路间隔中存在大量广播流量。此时合并单元周期性将T2信息流传输给保护控制单元，智能断路器将一次设备状态信息流T3传输给保护控制单元。保护控制单元下送保护动作信息到智能断路器，且发生启动失灵，母线间隔启动单跳失灵保护，将故障线路间隔所在母线开关全部切断，IED设备间信息流如图1所示。

根据信息流的特点采用不同的流量配置模型。T1属于突发性报文，具有自相似性，文献[9]说明了重尾分布可以很好解释突发信息流的自相似性。根据IEC 61580标准规定，该类报文第一次发送时间间隔为2 ms，4 ms，8 ms，…，仿真配置重发时间间隔为 2 ms,这里考虑故障发生时发包的极限状态。报文T2跟T3为时间驱动信息流，可以利用常数分布对数据包的长度、周期、发包个数进行配置，产生周期性数据。T4属于随机性数据，由随机过程中服从泊松分布的变量具有随机性可知，若信息流到达率为λ的泊松分布，其到达时间间隔为1/λ。

仿真借助OPNET 17.5仿真平台，通过搭建变电站简化拓扑，配置信息流模型，仿真场景分别为严格优先级(SPQ)调度策略、具有WFQ的综合调度策略(ISS)。其中交换机采用三层交换机，其端口要求处于active状态，链路带宽采用 100 Mbps，各个IED节点模型为ethernet_wkstn节点模型，信息流传输协议配置为UDP不可靠传输以减少端到端时延，统计各类信息流的队列延时情况。

4.2 算例分析

仿真结果如图6所示，T1及T4信息模型配置为50 s后开始仿真，T2及T3信息模型配置为10 s开始仿真，并持续到仿真结束。其中图6(a)为T3、T4类信息流延时特性，图6(b)为T1、T2类信息流延时特性。由结果可以看到，采用具有WFQ的综合流量调度策略(ISS)，各类信息流的总体延时都有所降低，网络性能大大提高。

图6 故障下两种排队策略的延时曲线Fig.6 Delay curves of two kinds of queuing strategies under faults

当故障发生时使用严格优先级调度策略，T4类信息流呈现“饥饿”状态，T3类信息流也因为T2类信息流占据过多带宽资源导致其部分数据包传输延时超过100 ms，甚至接近200 ms。此时若采取SPQ调度策略，将对整个变电站的实时可靠运行带来严重影响。

在故障情况下使用综合调度策略，T1类信息流虽然有小幅增加，但仍在规定时间范围内；T2类信息流小幅下降，T3跟T4类信息流的延时都大大降低。通过将原始数据导出到EXCEL表格之后，计算故障发生时延时的平均值可知，T2类信息流从3.3 ms下降为1.5 ms，T3类信息流从110 ms下降到3 ms；T4信息流降幅最为明显从480 ms下降为330 ms，下降幅度达150 ms，且在故障发生时，该类信息流不会出现信息中断传输现象。

通过对简化变电站模型进行仿真，结果验证使用ISS调度策略的合理性。在故障发生时，相比较于SPQ调度策略，融合了SPQ以及WFQ的ISS调度策略更能为不同的信息流提供更好的服务质量，同时降低了因网络延时或信息中断传输可能引发的电力系统联锁故障的风险。

5 结 论

本文在对典型信息流进行分类和分析现有信息流队列调度策略不足之处的基础上，提出事件触发信息流采用严格优先级调度，原始采样值信息流、时间触发信息流以及访问类信息流采用WFQ调度的综合调度策略。以简化的D2-1变电站为算例，将本文的综合调度策略与现有的SPQ调度策略进行仿真对比分析，结果表明本文提出的综合调度策略能大大提高网络性能，从而验证了该策略的合理性和可行性，具有一定的工程意义。

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(编辑 陈银娥)

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。

钟熙微(1992—)，女，在读研究生，研究方向为智能变电站通信网络信息流建模。

TM63+TN926

A

2095-6843(2017)04-0307-06