适用于IEC 61850标准的以太网无源光网络DBA算法

刘柱揆, 曹 敏, 胡凡君, 董 涛

(1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院, 云南省昆明市 650217; 2. 云南电网有限责任公司丽江供电局, 云南省丽江市 674100)

0 引言

通过十多年的发展,IEC 61850标准已经成为了数字化变电站和智能电网数据通信的基石。针对不同的应用需求,IEC 61850-9-1标准[1]定义了单向多路点对点串行链路上的采样值传输协议;IEC 61850-9-2标准[2]定义了映射到ISO/IEC 8802-3标准的采样值,也就是组网方式的采样值传输协议。当前继电保护装置,特别是差动保护装置,多采用点对点的传输方式或组网但通过外部统一时钟源对时方式。点对点传输方式的好处是通信稳定、延时短,缺点是扩展性差,为此合并单元(MU)需引出多个光口,导致MU发热过高。对于组网方式,通常是星型或多级星型组网,中间需通过交换机连接,由于交换时间不稳定,对于跨间隔保护或故障录波等需要采样同步的应用,各MU需要外接同步时钟进行采样同步;另一种变通的方法是交换机对所有进出的报文打时标以确定每个报文的传输时延,从而由接收装置反推采样时刻。

以太网无源光网络(EPON)是由光线路终端(OLT)、光网络单元(ONU)及光分配电网(ODN)组成,是一种新型的光纤接入网技术,采用点到多点的结构,无源光纤传输,可以在以太网上提供多种业务。该网络在链路层上使用以太网协议,而在物理层面则采用无源光网络(PON)技术,利用PON的拓扑结构,实现了以太网的接入,具有时延稳定、维护简单、管理方便、低成本、高带宽、扩展性强等优点[3]。

EPON上行带宽是时分复用,ONU的上行带宽由OLT内部的动态带宽分配(DBA)算法统一分配。传统EPON带宽分配算法都是应用于电信系统,普遍都存在网络传输延时不稳定、网络时延抖动大的缺点,连续两帧离散度偏差在±5 μs之内的采样值(SMV)报文,经EPON通信系统(由ONU、分光器、OLT组成)后,到达接收端的最大间隔为1 424 μs,最小间隔为28 μs[4],随机性很高。上传的SMV报文,面向对象的变电站通用事件(GOOSE)报文时延抖动大,会导致保护动作时间过长,增加后端数字信号处理器(DSP)的运算负荷。因此,传统EPON带宽分配算法,不适合直接应用于IEC 61850标准。

依据电网保护控制、故障录波、集中式广域后备保护控制系统等应用对IEC 61850标准下传输实时性、稳定性的要求,如何通过灵活、合理的带宽分配算法,对EPON的带宽资源进行合理分配,以保证SMV报文、GOOSE报文和制造报文规范(MMS)报文协同传输,并满足网络可扩展性的要求,是EPON技术能否应用于IEC61850标准下通信的重要研究课题。本文研究了一种专用于IEC 61850标准下EPON的DBA算法,将带宽划分为SMV报文、GOOSE报文、MMS报文这三类和三个优先级,以满足IEC 61850标准下报文对网络传输的要求。

1 IEC 61850标准下报文的传输特性

IEC61850网络报文主要类型为:SMV报文、GOOSE报文、MMS报文;还包含网络时间协议(NTP)、文件传输协议(FTP)、1588协议等其他报文类型。

对于SMV报文,通常每20 ms采样80个点,即每秒等间隔发送4 000个SMV报文,此类报文占用网络大部分带宽资源,对实时性要求最高。

对于GOOSE报文[5],通常实现保护之间信息交换和监控间隔联闭锁功能,与保护系统统一建模、统一组网,共享统一的信息平台。GOOSE报文是组播信息,报文传输的可靠性低,为了增加报文传输可靠性并兼顾网络通信负荷,IEC 61850标准定义了一种重发和报文定时重发机制。 GOOSE报文具有一定的突发性,而且非周期性,占用带宽资源较少,对实时性有要求。

MMS协议是ISO 9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议,目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备(IED)、智能控制设备的通信行为,使来自不同制造商的设备之间具有互操作性,使系统集成变得简单、方便[6]。MMS通信最常见的应用是基于传输控制协议/网络之间互连协议(TCP/IP)协议栈,有应答及重传机制,对实时性要求不高,占用网络带宽资源具有很大的随机性。

其他类型报文与MMS报文传输特性相似,占用网络带宽资源具有很大的随机性。本文将简单网络时间协议(SNTP),FTP及1588协议等其他类型报文归为MMS报文一类。

依据各类报文的应用需求特性,SMV报文和GOOSE报文需优先传输,并且尽可能地要求网络时延短、抖动小,且能灵活扩展。能灵活扩展,且具备点对点通信延时特性的网络传输方式是IEC 61850标准下理想的通信方式。

2 基于EPON的IEC 61850标准下的DBA算法

本文提出了一种基于EPON的IEC 61850标准下DBA算法,同时具备网络报文传输时延短且抖动小,并能灵活扩展的优点。

2.1 轮询周期

EPON的带宽分配算法主要分为静态和动态两种。静态分配算法实现简单,但带宽利用率低、分配不灵活,对突发性业务适应能力较差。为了提高带宽利用率,EPON中采用DBA算法较为常见。经典的DBA算法为Kramer G等人提出的IPACT算法[7](间插轮询自适应周期的DBA算法),该算法采用自适应的轮询周期,在轻负载时轮询周期很小,网络报文传输时延很小；但在重负载时轮询周期变长,使得数据量少的用户时延增加、时延抖动变大。因此,本文DBA算法采用固定轮询周期,避免轮询周期的变动影响网络报文传输时延。

IEC 61850标准下通常使用每隔250 μs采样传输一个SMV报文,因此本算法采用的轮询周期T=250N(N=1,2,3,…,8),兼顾远距离ONU的接入。对于20 km以内的EPON系统应用,为了获得SMV报文和GOOSE报文最小的网络传输时延,N取值为1,即每个轮询周期T内每个智能采集终端都可以上传一个SMV报文至OLT。在更远距离的系统中,N取值可相应增加,在每个轮询周期T内每个智能采集终端都上传N个SMV报文至OLT,或者采用多点打包数据格式上传一个SMV报文(包含N个采样点),以便满足IEC 61850标准的应用需求。

2.2 改进的REPORT上传/GATE下发机制

传统的轮询周期固定的动态带宽分配(CPFCT)算法是一种基于授权/请求的固定轮询周期的轮询方案，ONU在每个时隙窗口的结尾处上传一个REPORT报文,向OLT申请下一个上行带宽资源,OLT在接收到某个ONU的REPORT报文后,并不会立刻发送授权信息给该ONU,而是要等到这个轮询周期中接收完最后一个ONU上发完数据及REPORT报文后,然后统计所有ONU上传的带宽申请,集中统筹分配带宽,最后一次性给所有ONU发送GATE授权信息来实现动态分配带宽。

传统的CPFCT算法原理示意图如图1所示。

图1 CPFCT算法原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle for CPFCT algorithm

由图1可以看出,在相邻的两个轮询周期之间,存在着一个空闲时间Tidle,在这段时间内,上行带宽资源将无法使用被浪费掉了。Tidle可以表示为:

Tidle=Tdba+(T1+T2)=Tdba+RTT

式中:Tdba为OLT端DBA算法计算处理时间;T1为ONU REPORT报文上传路径时延;T2为GATE报文下发路径时间;RTT为光纤路径环路时延,T1+T2=RTT。

当RTT较大时,比如OLT与ONU相距20 km,RTT可达200 μs,导致EPON系统上行链路的带宽利用率严重降低。对于轮询周期T较小特别是T=250 μs的系统中,这种算法只剩下大概50 μs可用带宽资源,这将可能导致整个EPON系统都无法正常工作。

因此,本文对传统的CPFCT算法进行改进,提出一种新的REPORT上传/GATE下发机制,消除空闲带宽的存在。根据IEC 61850标准下对通信的要求,本文DBA算法将上行带宽划分为SMV报文、GOOSE报文、MMS报文这三类,并分别对应三个优先级,SMV优先级最高、GOOSE报文次之、MMS报文最低,优先保证SMV报文、GOOSE报文实时传输,降低两类报文网络传输时延抖动;采用三次带宽分配两个授权下发机制,依次分配高、中、低三个优先级带宽分配,并对每个终端下发两次授权报文,节省下行带宽资源;其次保证MMS报文能得到公正、合理、有效的带宽资源分配。其算法原理示意图如图2所示,图中Rx和Tx分别为接收报文层和发送报文层。

图2 改进的固定轮询周期DBA算法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of improved fixed polling period DBA algorithm

EPON上行带宽是时分复用,不同ONU发送的数据经过不同的上行光纤路径传输延时后,到达OLT端时是处于不同的时隙窗口内。

在每个轮询周期内,OLT给每一个ONU下发两次GATE授权,第一次下发的GATE授权包括最高优先级业务(SMV报文)带宽授权,如G1,G2,G′1,G′2;第二次下发的GATE授权包括中优先级业务(GOOSE报文)和低优先级业务(MMS报文)的带宽授权,如Gs1,Gs2,Gs′1,Gs′2。

ONU1在G1授权窗口内,首先上传SMV报文,并在SMV报文之后紧接着上传一个REPORT报文。ONU申请带宽时,按三个优先级别分开申请,OLT收到ONU1上传的REPORT时,首先对SMV带宽申请立即进行分配,并下发一个授权G′1至ONU1;同理,ONU2在G2授权窗口内做同样处理;在OLT收到所有ONU上传的REPORT后,统计所有ONU的中、低优先级带宽申请,然后依次统筹分配所有ONU的中优先级带宽申请,最后分配所有ONU的低优先级带宽申请,之后将中、低优先级业务分配的带宽通过一个授权(Gs′1/Gs′2)下发至相应的ONU。

本算法是根据在第N个轮询周期内收到的REPORT报文,对第N+1个轮询周期内带宽进行动态分配。从上述原理描述及图2示意图可以看出,DBA算法计算处理时间短,并不占用带宽资源,因此整个DBA周期内不存在着任何空闲带宽浪费。

2.3 动态带宽计算

本算法为了节省带宽开销,提高带宽利用率,采用带宽三次分配两次下发机制:OLT按SMV报文、GOOSE报文、MMS报文这三种优先级依次完成对三种类型业务的带宽分配;高优先级SMV业务带宽单独用一个GATE授权报文下发;中、低优先级GOOSE业务和MMS的业务带宽,为了避免过频繁地下发GATE报文导致占用过多下行带宽资源,GOOSE,MMS业务带宽合并到一个GATE授权中进行下发。

本算法将每个动态带宽轮询周期人为划分为两段:SMV报文上传部分TA和GOOSE报文和MMS报文上传部分TB,T=TA+TB,初始化时设定TA=TN/2,TA和TB示意说明如图2所示。在TA时间段内,当OLT收到ONU上传的REPORT报文时,立即对REPORT中申请的最高优先级业务(SMV报文)带宽申请进行授权,并下发一个授权GATE给ONU,并更新一下轮询周期内的TA值;在TA窗口结束时,OLT开始统计所有ONU上传的GOOSE报文和MMS报文的带宽申请,首先依次对所有ONU申请的中优先级业务(GOOSE报文)带宽申请进行带宽分配,然后再依次对所有ONU的申请的低优先级业务(MMS报文)带宽申请进行带宽分配,最后将GOOSE报文和MMS报文带宽授权合并到一个授权GATE中并下发给相应的ONU。本文DBA算法流程图见附录A图A1所示。

1)SMV业务实时性要求高,而且数据流量稳定,每隔250 μs产生一个SMV报文,因此必须优先保证其带宽分配,并且需要尽量确保SMV报文网络传输时延抖动小。针对此要求,本算法将高优先级的SMV业务安排在DBA轮询周期的前段部分。OLT收到ONU的REPORT报文时,立即分配SMV业务带宽,对SMV业务带宽申请实行按需分配,申请多少分配多少。

2)GOOSE业务数据具有突发性,数据量较小,有实时性要求,因此,也必须保证其带宽分配。本算法对GOOSE业务带宽申请也实行按需分配,在OLT分配完SMV业务带宽之后,统计所有ONU的GOOSE业务带宽申请Rgoose,i,在剩余可用带宽中预保留GOOSE业务带宽Ggoose,i。即Ggoose,i=min(Rgoose,i,BW,remain)。

3)MMS业务是基于TCP/IP通信的,数据具有突发性,对实时性要求不高,对此类业务带宽申请要求尽力而为,并兼顾带宽分配的公平性、合理性及带宽利用率。本算法对此类业务带宽的分配方法,针对带宽资源是否充足的情况,采取不同的带宽分配机制。步骤如下。

步骤1：首先，计算整个轮询周期内剩余可用的系统带宽BW,remain=BW,sum-∑Gsv,i-∑Ggoose,i(BW,sum为整个轮询周期内初始可用带宽)，统计所有ONU中还未分配带宽的MMS业务带宽申请Rmms,i的总和Rsum=∑Rmms,i，然后依次对各个ONU的带宽申请进行计算，并比较Rsum与剩余可用带宽BW,remain之间的关系。

步骤2：如果Rsum≤BW,remain,则ONU获得的授权带宽Gmms,i分为两部分，先从剩余带宽中预留Rsum部分，然后对余下带宽按申请比例再次划分，Gmms,i可表示为Gmms,i=Rmms,i+BW,remain(Rmms,i/Rsum)。

步骤3：如果Rsum>BW,remain,则ONU获得的授权带宽是直接对余下带宽按申请比例进行划分，Gmms,i可表示为Gmms,i=BW,remain(Rmms,i/Rsum)。

步骤4：合并步骤2中预留的授权带宽Ggoose,i，得到ONU的GOOSE业务和MMS业务最后获得的授权带宽Gi=Ggoose,i+Gmms,i。

步骤5：重复步骤1至步骤4，完成所有ONU的MMS业务带宽分配。

2.4 DBA算法适用的典型应用系统

随着智能电网的不断推进,基于就地信息的传统后备保护通过逐级配合进行定值整定,保护动作延时太长,整定配合困难,在潮流转移时容易误动作[8-10],已不能适应大规模互联电网的发展要求[11]。广域保护将继电保护系统由目前的“点”保护提升为能适应电网互联要求的“面”保护,并且随着通信技术的发展,以及IEC 61850标准的完善和推广,基于IEC 61850标准下的集中式广域后备保护控制系统也得到广泛的关注[12]。

基于IEC 61850标准下的集中式广域后备保护,具有信息获取和共享便利的优势,有利于继电保护的原理改进和创新,提高继电保护的安全性和可靠性保障措施,提高后备保护的选择性、灵敏度和快速性,提高电网运行方式变化的适应能力[13-14]。

集中式广域后备保护系统由一台或两台(热备份)智能保护控制主机和多台智能采集控制终端组成。智能保护控制主机与智能采集控制终端之间通过MMS报文，TCP/IP报文等完成普通数据交互,并接收所有终端上传的SMV报文和GOOSE报文,在主机内部统一进行实时后备保护运算(如差动保护),实现对故障的精确快速定位,并下发相应GOOSE报文对负荷开关或断路器进行控制[15],从而可实现区域内母线保护、线路保护、主变压器保护、备用电源自动投入、主变压器过负荷联切等功能。

智能采集控制终端可实现本地保护功能,并可通过IEEE 1588标准下等时间同步协议完成同步[16-17],也可以使用其他专用同步对时协议,比如EPON私有时钟同步协议[18],可不依赖于外部时钟完成系统内设备之间的时钟同步,从而可实现对模拟信号量的同步采样。

对于集中式广域后备保护系统,信息传递主要大量存在于主机与终端之间,终端之间的通信量较少,而EPON网络的树形组网模式正适合此类系统,EPON系统所有通信都是在OLT与ONU之间传递,因此保护控制主机可直接与OLT上联端口相连,ONU与智能采集控制终端相连。

广域保护系统对通信系统依赖较强,对通信过程中的实时性和可靠性有严格的要求[19-20],本文的DBA算法是基于此类集中式广域后备保护系统的应用所提出,可满足此类应用所要求的报文传输的实时、快速及可靠性要求。

3 测试验证

依据上述集中式广域后备保护典型应用系统方案,搭建了一套测试系统,测试系统包括EPON通信设备(OLT,ODN,ONU)、5台智能采集终端、一台智能保护控制主机、一台IEEE 1588时钟、一台网络分析与录波装置,如图3所示。

图3 测试系统示意框图Fig.3 Schematic diagram of test system

系统通过IEEE 1588时钟完成EPON网络内所有设备之间的时间同步,OLT运行本文所提的DBA算法,通过网络分析与录波装置分析SMV业务和GOOSE业务带宽分配,并通过网络分析与录波装置与智能采集终端进行普通TCP/IP报文通信,模拟MMS通信并分析MMS业务带宽分配。

智能采集终端1至5所生成的SMV报文对应的appID分别为0x1004,0x1006,0x1008,0x100A,0x100C;所生成的GOOSE报文对应的appID分别为0x0003,0x0005,0x0007,0x0009,0x000B。通过网络分析与录波装置对上传的SMV报文、GOOSE报文、MMS报文进行录波,通过录波文件分析报文的传输特性。测试结果部分截图如附录A图A2所示,图中右边每个序号对应一个接收的网络报文,包含时间差(当前报文与上一个报文到达时间之差,比如233 μs)、长度(报文长度,单位字节)、协议(报文标准,比如IEC-SMV92标准)、appID(比如0x1006)、SmpCnt值(SMV报文对应样本计数器)等信息。

根据报文达到时间差值分析,序号6至序号10为同一个轮询周期内上传的报文,appID分别对应5个智能采集终端SMV报文的appID,SmpCnt值为1 965;序号11至序号15为下一个轮询周期内上传的报文。

所有终端产生的SMV报文在一个轮询周期内依次上传,SmpCnt相同(因为是同步采样),并且上传顺序一致(顺序为0x1004,0x100c,0x1006,0x1008,0x100a)。

智能采集终端4产生的所有SMV报文录波(对应的appID为0x100A)见附录A图A3,单个终端产生的SMV报文到达时间基本等间隔(250 μs),从时间均匀度分析可以看出,报文到达时间抖动100%处于0～10 μs以内。报文传输稳定,未出现丢包、错包等异常。

当终端采集的遥信未出现变位时,终端每隔一个固定时间发送一次GOOSE报文。GOOSE报文截图见附录A图A4,每个终端产生的GOOSE报文依次轮流上传,在正常无变位情况下单个终端GOOSE报文发送间隔大约为1 000 ms,GOOSE报文发送时延抖动不大于2 μs。报文传输稳定,未出现丢包、错包等异常。

测试结果为:在轮询周期T=250 μs 情况下,在同一个轮询周期T内各个智能采集终端产生的SMV报文依次上传,并在同一个轮询周期T内上传的SMV报文SmpCnt值相同;同一个智能采集终端产生的相邻SmpCnt值SMV报文达到网分装置的时间差基本等间隔(250 μs);同一个终端的SMV报文网络传输时延抖动大于3 μs,GOOSE报文和MMS报文通信正常;同一个终端GOOSE报文网络传输时延抖动小于等于200 μs,网络分析与录波装置与智能采集终端之间的网络通信正常。

4 结语

传统电信级EPON的DBA算法因普遍存在网络传输延时不稳定、网络时延抖动大的问题,并不适用于IEC 61850标准系统。本文依据IEC 61850标准网络报文传输特性提出一种适用于基于EPON的IEC 61850标准DBA案,采用改进的REPORT上传/GATE下发机制提高带宽分配效率,采用特定的不同优先级带宽划分方法,确保SMV报文和GOOSE报文实时传输并且网络时延抖动小,MMS类报文通信可靠。本算法完全可满足基于IEC 61850标准的集中式广域后备保护系统等应用对报文传输的实时性和稳定性的要求。采用上述算法的EPON状态监控,传输距离对实时性、可靠性和效率等的影响,仍有待进一步研究。

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

参 考 文 献

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