基于报文信息标签的智能变电站通信服务策略

佟为明, 高吉星, 卢 雷, 金显吉, 李中伟

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院, 黑龙江省哈尔滨市 150001)

0 引言

近年来,IEC 61850通信协议的颁布及智能化电气设备、工业交换式以太网技术的快速发展为智能变电站各层间设备的数据交换和全站数据共享提供了更广阔的途径[1]。

通信网络是智能变电站继电保护、监控等功能实现的载体,其实时性和可靠性直接决定了智能变电站的可用性[2-3]。目前随着通信技术的进步,人们开始研究将智能变电站的所有智能电子设备(IED)接入同一个网络内(称为共网方案),这种方法在提高网络效率的同时,也对通信的实时性和可靠性提出了挑战[4-5]。

当变电站出现故障或遭到网络攻击时,网络中将出现大量的突发报文或错误报文,这些报文将在交换机上堆积,引起网络拥塞,导致重要报文,如采样值(SV)报文和通用面向对象的变电站事件(GOOSE)报文的传输时间增加,甚至是丢失,严重影响通信的实时性和可靠性[6-7]。

目前,智能变电站采用的是从通信领域中引入的优先级队列(PQ)和虚拟局域网等通用交换技术[8-9]。然而,智能变电站中各类报文具有其明显的特征,对通信性能(主要包括传输时间和丢包率)的要求也有很大差异[10]。而且,错误报文可以通过修改优先级标志等方式伪装成重要报文。这种情况下,错误报文将依旧影响重要报文的传输。

本文在介绍了智能变电站通信网络内报文的类型及特性的基础上,分析了网络中可能出现的拥塞问题。根据服务质量(QoS)中提出的区分服务(DiffServ)模型,通过制定报文信息标签和流量监测的方式实现报文的分类识别和过滤,通过基于有最低延迟队列的定制长度加权轮询(CLWRR-LLQ)的队列调度方法为报文分配资源,从而满足各类报文对通信性能的不同需求,提升智能变电站通信网络中通信的实时性与可靠性。

1 智能变电站通信网络中的报文类型

智能变电站通信网络中传输的报文主要包括SV报文、GOOSE报文、制造报文规范(MMS)报文和简单网络时间协议(SNTP)报文[11]。在IEC 61850中,SV报文属于类型4(原始数据报文);GOOSE报文属于类型1(快速报文);SNTP报文属于类型6(时间同步报文);而MMS报文则根据功能的不同分属类型2(中速报文)、类型3(低速报文)、类型5(文件传输报文)。报文的通信性能要求如附录A表A1所示[12]。

GOOSE报文用于传输控制数据和状态数据; SV报文用于传输合并单元的采样数据; MMS报文传输报告数据、定值数据、文件数据与远方控制数据;简单网络时间协议(SNTP)报文用于各IED的时间同步[13-14]。

2 智能变电站通信网络中拥塞问题的分析

IEC 61850-5中对报文传输时间的定义是从发送方(源节点)将数据放到传输栈顶开始,直至接收方(目的节点)从传输栈取出数据为止所经历的时间。报文的传输时间由净发送时间Tframe、传播时间Tprop、发送等待时间Twait(以下简称“等待时间”)、接收通信处理时间Tprocessor_r和转发处理时间Tprocessor_f组成。

净发送时间由报文长度和数据率决定,接收通信处理时间和转发处理时间由节点的性能决定,传播时间由传播介质和传播距离决定,等待时间由网络状态决定,在不考虑等待时间且各节点与传输介质正常的情况下,报文传输时间能满足要求[6]。

当故障或网络攻击等因素使单位时间内到达端口的数据量(经端口发送的所有数据流的总流量,单位为bit/s)长时间大于端口单位时间内可发送的数据量(一般等于数据率)时,交换机无法在新数据到来前将队列中的数据发送出去,从而形成拥塞现象,这会使等待队列被填满,而新到达的报文被抛弃。

以网络中一个馈线间隔为例,仿真拓扑如附录A图A1所示,设定数据率为100 Mbit/s,交换机采用先入先出(FIFO)队列,SV报文长度为200字节、发送频率为4 000 Hz、由馈线合并单元广播发送,GOOSE报文的产生服从λ=500的泊松分布,长度为200字节,由馈线智能终端向馈线保护装置和馈线测控装置发送。

在仿真开始后93～113 s的时间内,馈线测控装置以12 000 Hz的频率广播发送长度为1 400字节的错误报文,这种情况下仿真得到的SV报文(馈线合并单元→馈线保护装置)传输时间与丢包率如图1所示。

图1 错误报文产生时SV报文的传输时间与丢包情况Fig.1 Transmission time and packet loss condition of SV message when error message is coming

从图1中可以看出,当错误报文被周期性发送时,SV报文的传输时间急剧增长,并且无法达到IEC 61850的要求,同时传输过程中也有丢包的现象。这是由于单位时间内到达发送端口的数据量之和为140.8 Mbit/s,大于100 Mbit/s的数据率。

3 基于报文信息标签的通信服务策略

目前常用的调度算法通过优先处理高优先级(或高权值)的队列以确保队列中重要报文(其优先级标志较高)的实时性。但是,错误报文可通过修改自身优先级标志(同重要报文一致)方式伪装成重要报文并进入高优先级队列,影响重要报文的传输。

3.1 基于报文信息标签及流量监测的报文识别方法

在智能变电站通信网络中,报文主要通过ISO/IEC 8802-3标准的以太网数据帧来传输。数据帧包含有优先级标识及保留位1、保留位2。交换机一般通过优先级标识对报文进行简单的分类调度,而用于进一步分类报文的信息主要被封装在数据字段中的应用层协议数据单元(APDU)内部且编码方式复杂。本文在IED上将用于分类报文的关键信息精简,形成报文信息标签后放入保留位字段中,并在交换机上进行报文信息标签检查和流量监测,以此实现对报文分类识别。

用于分类报文的信息(以下简称“报文信息”)包括:报文源类型、报文类型、业务类型、报文长度,同一数据流中报文到达时间间隔及报文所在单个数据流的流量(以下简称“报文的流量”)。其中报文长度、报文到达时间间隔和流量由交换机进行统计。报文信息标签用于记录报文源类型、报文类型及业务类型,报文信息标签的结构及其在数据帧中的位置如附录A图A2所示。报文类型、部分业务类型和报文源类型间的匹配关系及对应服务类型如附录A表A2所示,合并单元、智能终端为过程层设备;保护装置、测控装置为间隔层设备;监控主机、对时设备为站控层设备。

GOOSE报文传输过程层设备的告警和状态信息,MMS报文传输间隔层设备的告警和状态信息。根据IEC 61850,负责传输状态信息、电能信息、保护动作逻辑信息、开关指令的MMS报文属于中速报文;传递告警信息、事件记录的MMS报文属于低速报文。报文信息标签的填写方式如图2所示。

IEC 61850为智能变电站建立了分层信息模型并通过配置文件将其存放在IED中,各IED根据自身信息模型通过ASN.1规范对应用协议数据单元(APDU)进行编码,在对APDU进行编码时可根据自身逻辑节点类型、发送报文调用的服务类型、控制块类型、数据集类型及IED自身的设置对报文信息标签进行设置,在组成数据帧的过程中,将报文信息标签放入保留位中。

图2 报文信息标签的填写方式Fig.2 Filling mode of message information label

在设置报文信息标签时,IED根据用户在初始化阶段设置的装置类型对报文源类型进行设置。根据预设的装置类型对报文源类型进行判断。GOOSE报文的APDU_Tag值为0x61,SV报文的APDU_Tag值为0x60。MMS有14种服务类型(APDU_Tag=0xa0～0xad),IEC 61850涉及的服务类型主要包括带确认服务confirmed-RequestPDU(APDU_Tag=a0,请求),confirmed-ResponsePDU(APDU_Tag=a1,应答)和不带确认服务unconfirmed-PDU(APDU_Tag=a3),每类服务的内部成员包含有具体的服务类型。间隔层设备主要通过InformationReport服务(tag=a0,属于不带确认服务) 主动上报数据;监控主机主要通过带确认服务中的Read(tag=a4),Write(tag=a5)及FileRead(tag=73)服务对间隔层设备进行远程控制及信息和文件的读取,其中事件记录和文件传输的数据量分别主要集中在间隔层设备发送的Read 和FileRead应答报文上。IED通过调用服务、控制块、数据集、数据及数据属性及自身定义的方式实现不同类型的业务。SNTP 报文信息比较单一,可在组成数据帧的时候直接填写报文源类型、业务类型和报文类型。

智能变电站中,每类报文都有其流量特性,错误报文一般具有长度大、到达时间间隔短、流量大的特性并以此造成网络拥塞。通过进行流量监测(包括对报文的长度、到达时间间隔和流量的监测)可以进一步对错误报文进行识别。目前SV报文一般选用4 000 Hz和12 000 Hz作为发送频率,SV报文最大长度在350字节左右,报文的最短到达时间间隔为0.000 083 s(发送频率为12 000 Hz),报文的流量最大约为34 Mbit/s;GOOSE报文最大长度在300字节左右,一般以5 s为时间间隔进行发送,而在变电站出现故障的情况下,会以0.002 s的时间间隔连续发送,最大流量约为1.2 Mbit/s;SNTP报文最大长度在100字节左右,到达时间间隔为1 s[15],最大流量约为100 bit/s。对于SV, GOOSE和SNTP报文的报文信息,规定当报文长度超过最大长度的2倍、到达时间间隔小于最小值的1/2或流量超过最大流量的2倍时,相应信息会被判断为异常;报文长度超过最大长度的4倍、到达时间间隔小于最小值的1/4、或流量超过最大流量的4倍时,相应信息会被判断为错误。MMS报文的长度范围不固定,有时会出现连续以1 480字节报文传输文件信息的情况,报文最大流量约为50 Mbit/s,如果MMS报文所在单个数据流的流量超过75 Mbit/s,则流量会被判断为异常;如果这种情况持续超过2 s或流量超过150 Mbit/s,则流量会被判断为错误。当报文信息出现异常或错误状况时,逻辑判断策略如附录A图A3所示。在出现报文源、报文类型、业务类型三者不匹配、报文长度错误,报文到达时间间隔错误或报文流量错误的问题时,报文将被判断为错误报文;在判断出报文不是错误报文的前提下,当出现报文长度、到达时间间隔或流量异常时,报文被交换机判断为异常报文。交换机会丢弃错误报文,并将异常报文被放入低优先级(或低权值)的队列中。

将报文信息标签与流量监测相结合,可以通过将报文的长度、到达时间间隔和流量与报文类型进行匹配来判断报文是否为错误报文,当错误报文通过修改报文信息标签伪装成高优先级报文时,伪装的错误报文会因为报文长度、到达时间间隔或流量的错误或异常而被识别。通过这种方式确保大流量错误报文可以被过滤,使其不会对重要报文的传输产生影响。

报文信息标签的填写是通过在APDU编码过程中增加对信息标签的填写操作来完成的,无需进行额外的解析操作,对IED性能的影响较小。由于报文信息标签位于报文数据帧头里,交换机无需解析报文数据域中的信息即可进行报文信息标签的检查,节省了解析所需花费的时间。

3.2 基于CLWRR-LLQ的通信调度方法

加权轮询(WRR)在发送端口缓存上划分N个轮询队列并分配权值,即W1,W2,…,WN。以最大权值T(max(Wi)=T)为准将一次轮询划分为T次子轮询。发送端口对队列进行轮询发送,每个队列在每次子轮询中最多发送一个报文,权值为Wi的队列可以在连续Wi次子轮询中被发送。在这种方式下,内部报文长度较短的队列单位时间内被发送的数据量较少,而SV和GOOSE报文的长度相对较短。针对这一问题本文提出基于定制长度的WRR算法(CLWRR)。在每次子轮询中为每个列队分配长度为Q(单位字节)的发送配额,每个队列每次子轮询发送a个报文(a=(Q+R)/L),L为队列内报文平均长度,R为队列上次发送后剩余的配额)。

为了更有效地进行调度,为附录A表A1中的每一类报文分配单独的队列,这样可以在满足各类报文通信性能要求的同时,减小队列内报文的长度差异,在各队列内部报文长度基本一致的情况下,队列i的队首报文最大等待时间为:

max(Twait，i)=

(1)

式中:Lj为队列j内的报文长度;Qj为队列j在每次子轮询中被分配的发送配额(以下简称“配额”),Wj为权值大于或等于Wi;Lk为队列k内的报文长度;Qk为队列k被分配的发送配额,Wk为权值小于Wi。

在轮询算法中加入最低延迟队列(LLQ),可以确保最重要的报文在一个相对较短的时间内被转发。LLQ首报文的最大等待时间为：

(2)

式中:Li为队列i中报文的长度,队列i为除LLQ以外所有队列的集合。

基于CLWRR-LLQ通信调度流程如图3所示。

图3 基于CLWRR-LLQ的通信调度流程Fig.3 Scheduling process based on CLWRR-LLQ

图中:i为轮询队列计数标志;t为子轮询计数标志;mod(·)为取余数的运算函数。在每次处理轮询队列前,交换机将检查LLQ中是否存在报文,如果存在则先将其发送。LLQ适合放入长度小、流量小,但优先级高的报文。这样LLQ将经常处于空置的状态,对其他队列报文的传输不会产生较大的影响。LLQ内报文不会被丢弃的条件为单位时间内到达LLQ的数据量小于数据率。

当存在N个轮询队列时,在所有轮询队列非空的情况下,队列j单位时间内被发送的数据量为:

(3)

式中:Rj为轮询队列j单位时间内被发送的数据量,单位为bit/s。确保队列j中报文不被丢弃需要满足的条件为Rj≥Sj,Sj为单位时间内到达队列j的数据量。

4 仿真分析及应用探讨

4.1 仿真分析

根据附录A表A1,在智能变电站通信网络中,GOOSE报文和SV报文对传输时间和丢包率的要求最为严格,其中GOOSE报文长度较短,且流量较小,适合放入LLQ。本文以某220 kV智能变电站(D2-1型)为例,该站包含9个间隔(变压器间隔T1,T2,馈线间隔F1至F6,母线间隔S),所有IED连接入同一个网络内,网络拓扑如附录A图A4所示。

本文在OPNET平台上建立网络的仿真模型,设置数据率为1 000 Mbit/s,为验证服务策略对重要报文通信性能的提高,选择中央交换机与母线间隔交换机相连的发送端口作为观测对象,并参考故障发生时的紧急情况下报文流量进行设置。该情况下经过发送端口的报文类型、长度、流量及服务队列如表1所示。

表1 经过发送端口的报文类型、长度、流量及服务队列Table 1 Type, length, flow amount and service queueof message through switch sending port

母线保护装置要与其他间隔的合并单元和智能终端进行通信,该发送端口要经过来自8个间隔中10个合并单元的SV报文和来自10个智能终端的GOOSE报文,MMS报文所在单个数据流的最大流量达到70 Mbit/s。在仿真开始后85.3 s,通过篡改报文类型和业务类型伪装成MMS中速报文的错误报文(每个流量为110 Mbit/s)从其他间隔的8个测量与控制装置发送至母线保护装置;通过篡改报文类型伪装成SV报文的错误报文(每个流量为139 Mbit/s)从其他间隔的4个保护装置发送至母线保护装置,其中有2个数据流的伪装SV报文也将报文源类型篡改为合并单元。在表1所示的情况下,单位时间内到达端口的流量之和(2 066 Mbit/s)超过了可以发送的数据量(1 000 Mbit/s)。为确保重要报文实时可靠地传输,对各类报文在交换机发送端口上进入队列的权值进行设置,除每类报文的服务队列(LLQ,轮询队列1～5)外,还设置了异常报文的服务队列(轮询队列6)。队列1,2,3,4,5,6的权值依次设置为20,5,2,2,5,1；队列5和队列6的配额依次分别为200字节、400字节,其他队列的配额为1 500字节。根据式(3),单位时间内发送SV报文的数据量为668 Mbit/s,发送MMS中速报文的数据量为167 Mbit/s,发送STNP报文的数据量为22 Mbit/s,满足不丢包的条件,而发送异常报文的数据量为9 Mbit/s,占总数据量很小的一部分。

在伪装的错误报文产生时,不使用识别方法,仅使用报文信息标签的识别方法、使用基于报文信息标签和流量监测的识别方法下,各类报文丢包率的影响如表2所示。

表2 三种识别方法下各类报文的丢包率Table 2 Packet loss probability of message withthree kinds of identification methods

在不使用识别方法的情况下,伪装的SV报文和MMS中速报文进入相对应的等待队列,严重影响了正常报文的传输,使其产生了丢包现象;在仅使用报文信息标签的情况下,未篡改报文源类型的伪装SV报文因为报文源类型与报文类型不匹配被直接丢弃;在结合了流量监测之后,篡改报文源类型的伪装SV报文因为长度错误被直接丢弃,而伪装MMS中速报文因为流量出现异常而被放入异常队列,在情况持续超过2 s后也被丢弃；在使用报文信息标签的情况下,当错误报文产生时,在基于PQ,WRR和CLWRR-LLQ的调度方法下MMS中速和低速报文、GOOSE报文和SV报文的传输时间如附录A图A5所示。

从图中可以看出,相对于传统的PQ方法,WRR可以在确保重要报文传输时间的同时减小其他报文传输时间。将GOOSE报文放入LLQ可以减小其传输时间,由于其长度短、流量小的特性,也不会对其他报文的传输时间产生较大影响。相对于WRR方法,CLWRR-LLQ方法降低了长度相对较小的SV报文和MMS中速报文传输时间。

4.2 应用探讨

在本文提出的通信服务策略中,报文信息标签检查和流量监测是基于QoS中的流量分类与控制技术提出的,而基于CLWRR-LLQ的调度方法则是基于QoS的拥塞管理技术提出的。目前,QoS技术已经在智能变电站交换机中开始应用,这为该服务策略应用提供了基础。

目前,关于在智能变电站中实现报文共网传输的技术探讨和应用实践正在逐步开展。本文提出的通信服务策略可以满足共网方案下通信对拥塞管理和报文分类的要求,提高了通信的实时性和可靠性,具有良好应用前景。

5 结语

本文在分析了拥塞产生原因及其影响的基础上,提出了基于报文信息标签和CLWRR-LLQ的通信服务策略,通过将报文源类型、报文类型和业务类型精简形成报文信息标签并放入保留位字段中并结合流量监测的方法达到了对报文分类识别的目的,同时给出了报文信息异常和错误情况下的逻辑判断策略和处理方法。针对智能变电站通信网络中,各种报文的长度、流量及对通信性能的不同要求,提出了基于CLWRR-LLQ的通信调度方法,并根据每种报文的流量和性能要求设定权值。仿真结果表明,该策略可以有效识别并丢弃伪装的大流量错误报文,避免了网络拥塞造成的重要报文传输超时和丢失,减小其他报文的传输时间,提升智能变电站通信网络中通信的实时性与可靠性。该服务策略在识别小流量错误报文方面还存在着不足,下一步可研究通过时间序列分析和机器学习的方法进一步识别网络中可能存在的小流量错误报文,以提高通信的可靠性。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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佟为明(1964—),男,博士,教授,主要研究方向:电气智能化与工业通信技术。E-mail： dianqi@hit.edu.com

高吉星(1988—),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:电力系统信息及通信技术。E-mail: gaojixing1988@163.com

卢 雷(1987—),男,博士研究生,主要研究方向:电力系统信息及通信技术。