基于时间敏感网络的变电站通信网络最大时延计算方法

贾惠彬，胡子函，吴 堃，武文瑞

（华北电力大学电子与通信工程系，河北省保定市 071003）

0 引言

变电站是电力系统进行能量转换的关键节点。变电站自动化系统用于监测、控制和保护变电站及其相关馈线中的一次设备［1］。随着IEC 61850［2］标准的推广与应用，变电站自动化系统越来越依赖变电站通信网络（substation communication network，SCN）实现监控、控制和保护功能［3］。随着变电站智能化程度的不断提高，SCN 中数据业务流量的增长与关键控制业务数据传输需求的矛盾日益显著，此时传统的以太网已不能满足智能变电站通信的需求，亟须引入新技术保证变电站关键业务数据传输的实时性。

对SCN 进行时延分析是SCN 设计的基础。文献［1］在SCN 中构建了智能电子设备（intelligent electronic device，IED）模型，通过OPNET 网络仿真工具建立了仿真模型，分析传统以太网下SCN 的实时性。文献［4］提出了一种变电站过程网络建模方法。利用OPNET 建模工具结合变电站过程层网络业务特点，建立间隔层和过程层IED 模型。仿真分析了不同虚拟局域网（virtual local area network，VLAN）划分对SCN 的影响。然而，当使用基于OPNET 的模型来评估真实SCN 在不同条件下的网络性能时，存在计算量大、建模复杂、耗时较长等问题。此外，虽然使用基于OPNET 的模型可以模拟消息延迟，但很难获得重要消息的最大延迟，而获得报文的最大延时在SCN 设计中非常重要。为此，文献［5］利用网络演算方法，提出了基于传统以太网的SCN 报文最大延时分布计算方法。

近年来，为了满足现代各行业对数据传输的实时性需求，国内外研究者尝试采用TTEthernet［6］，FlexRay［7］和 时 间 敏 感 网 络［8］（time-sensitive networking，TSN）等技术提高数据传输的实时性。其中，TSN 脱胎于以太网协议体系，由一组IEEE 协议组成，便于在现有以太网络中进行组网。相较于传统以太网，TSN 具有数据流量整形、调度和时间同步等能力，可以有效提高时间敏感业务传输的服务质量（quality of service，QoS），因此TSN 技术在工业互联网、航空、医疗、车联网等多个领域得到了广泛的应用。

本文基于SCN 通信业务的实时性需求，结合TSN 技术的基本原理，应用TSN 技术保障变电站通信业务的实时性。通过网络演算方法，建立基于TSN 流调度协议IEEE 802.1Qbv 标准［9］的信息流服务曲线和基于SCN 报文传输特性的信息源到达曲线，提出了基于TSN 的SCN 最大时延计算方法。最后，结合不同层次的SCN 模型进行实验仿真，分析应用TSN 技术的SCN 的实时性。

1 TSN 在SCN 中 的 适 用 性 分 析

1.1 变电站通信需求

IEC 61850 标准将变电站划分为过程层、间隔层、站控层三层结构。目前国内的智能变电站基于IEC 61850 标准设计了多种不同的网络结构，其中“三层两网”的结构应用最为普遍。“两网”中的过程层网络连接过程层设备和间隔层设备，设备之间采用面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event，GOOSE）报文［10］和采样值（sampled value，SV）报文进行通信，实现间隔设备自检、跳闸、遥控分闸等信息传递。站控层网络连接过程层设备和站控层设备，传输制造报文规范（manufacturing message specification，MMS）［11］报文，同时也传输部分GOOSE 报文。站控层网络主要负责实现变电站上层信息的传输。

IEC 61850-5“功能通信要求和装置模型”第13部分对报文实时性的要求［12］如表1 所示。

表1 报文传输时延要求Table 1 Requirements for packet transmission time delay

根据IEC 61850 标准，具有时间敏感特性的报文（如跳闸指令）数据传输时间为3 ms，其中，包括IED 的收发处理时间，大约占80%，即2.4 ms。其余0.6 ms 的时间用于通信网络中数据的传输。为了保障智能变电站业务的传输时延需求，利用TSN技术保障SCN 关键控制命令等时间敏感业务的实时性。

1.2 时间敏感网络

TSN 功能主要依靠时间同步协议IEEE 802.1AS［13］、流量调度协议IEEE 802.1Qbv、帧抢占协 议IEEE 802.1Qbu［14］等协议实现，这些协议可以保障时间敏感数据流传输的QoS。同时，由于TSN技术脱胎于传统以太网，且工作在数据链路层，具备互操作性，方便快速地应用于传统的以太网中。相比传统以太网，TSN 技术具有“时间敏感数据流”确定低时延优势，与智能变电站中对关键业务报文的传输需求不谋而合，所以本文提出将TSN 技术引入到SCN 中，以保障SCN 的实时性。为了分析基于TSN 的SCN 的端到端最大时延，利用网络演算理论，提出了一种基于TSN 的智能SCN 最大时延计算方法。

2 基于网络演算的端到端最大时延计算方法

2.1 网络演算

网络演算［15］基于最小加代数的排队理论。已知信息源IED 发送的信息流属性和交换机服务机制，通过建立相应到达曲线和服务曲线，结合网络演算理论便可计算报文在SCN 中传输的端到端最大时延。到达曲线描述信息流将要发送的最大数据量，例如，对一个常用的线性到达曲线模型（σ，ρ），信息流F(t)是一个关于时间t的累积函数，表示0 到t时刻信息流所发送的数据量，F(t)受到达曲线（σ，ρ）的约束。s时刻到t时刻信息流发送的数据为可表示为：

式中：σ为信息流的突发参数；ρ为信息流平均速率的上限。

服务曲线描述服务系统（如交换机）的传输机制和服务能力。速率时延类型β(t)是一种广泛应用的服务曲线模型，该模型可表示为一个线性公式，如式（2）所示。

式中：R为服务速率；T为服务系统的时延值。该服务曲线模型表示信息流在到达服务系统并等候了时间T之后以速率R接受服务。

如附录A 图A1 所示，最大时延D等于到达曲线α(t)与服务曲线β(t)的最大水平距离，如式（3）所示。

式中：sup(·)和inf(·)分别为集合的上界和下界；d为曲线α(t)和曲线β(t)的水平距离。

2.2 面向IEEE 802.1Qbv 的信息流服务曲线

2.2.1 IEEE 802.1Qbv 标准

TSN 中流量调度协议IEEE 802.1Qbv 标准定义了时间感知整形器（time-aware shaper，TAS）和门控列表（gate control list，GCL）。图1 展示了TSN交换机的基本框架。信息流进入交换机后首先经交换结构定向到目标输出端口；然后，由优先级过滤器根据流标识函数将该信息流分配到相应的优先级队列；最后，通过与队列关联的定时门结构启动传输。GCL 通过控制门结构的开关状态来实现信息流调度。GCL 中1 和0 分别表示门打开和关闭，只有在门打开时才允许相关优先级队列中的数据进行传输。在同一优先级队列中，遵循先入先出策略（first in first out，FIFO）。

图1 基于IEEE 802.1Qbv 协议的TSN 交换机示意图Fig.1 Schematic diagram of TSN switch based on IEEE 802.1Qbv protocol

将SCN 中报文的优先级从低到高按从0 到n进行标记，并配置TSN 交换机的GCL。如附录A 图A2 所示，由于不同优先级的门控开启时隙可能存在重叠，在发生时隙重叠时，TSN 中由GCL 控制的服务时隙便不会专用于优先级为m的流量Pm。对于一个输出端口给定的GCL，其重叠关系以TGCL为周期重复，TGCL为所有优先级队列门控周期的最小公倍数。TPm为优先级队列Pm的门控周期。如图2（d）所示，Pm的服务曲线可以看做是Nm(Nm=TGCL/TPm) 个以TGCL为周期的时分多址（time division multiple access，TDMA）服务曲线（见图2（a）至（c））的叠加［16］。图中阴影部分表示不能保障专用于Pm的时隙。因此，为了得到Pm的服务曲线，需要得到Pm所在优先级队列QPm在每个开放窗口中保障流量服务的时隙（保障时隙）Li，Pm、积压时间Si，Pm和在一个TGCL内第j个保障时隙开始时间到第i个保障时隙开始时间的偏移量oij，Pm。其中，保障时隙不仅与不同优先级队列的重叠时隙有关，还与QPm每个开放窗口的保护带和先验机制［17］有关。

图2 Pm的服务曲线Fig.2 Service curves of Pm

2.2.2 保障时隙的计算方法

考虑低优先级队列的影响，Pm所在优先级队列的 第i个 保 障 时 隙Li，Pm的 开 始 时 间tBLi，Pm如 式（4）所示。

考虑到低优先级报文可能占用传输端口的情况，Pm-所在队列第i个保障时隙的最坏非抢占延时di，Pm-由式（5）求得。

式中：GPm+(·)为优先级高于Pm的队列门控状态函数。

2.2.3 偏移量和积压时间的计算方法

一个TGCL内第j个保障时隙开启时间到第i个保障时隙开启时间的偏移量为oij，Pm，如式（16）所示。

保障时隙Li，Pm的积压时间Si，Pm如式（19）所示。

式 中：βi，Pm(t)为 以 第i个 保 障 时 隙 为 基 准 的Pm所 在优 先 级 队 列 的 服 务 曲 线；βTGCL，Lj，Pm(t)为 以TGCL为 周期、Pm的 优 先 级 队 列 中 第j个 保 障 时 隙 长 度Lj，Pm为传输时隙的TDMA 的服务曲线。

为了保障时间敏感业务的低时延传输，配置GCL 时保证最高优先级队列对应的门控开启时间与时间敏感业务报文到达时间严格同步，所以该优先级队列的Si，Pm等于0。

2.3 面向SCN 业务的信息源到达曲线

由于SV 报文有固定的数据发送速率和帧长度［18］，报文τ的到达曲线ατ(t)可采用典型的（σ，ρ）模型，如式（22）所示。

式 中：ρτ为 报 文τ的 数 据 发 送 速 率；στ为 报 文τ的 最大长度。

而对于GOOSE 报文，发送装置每隔T0时间发送一次当前状态（心跳报文）［19］，当装置中有故障发生时，报文中的数据就发生变化，装置立即发送报文一次（第1 帧），然后间隔T1重发两次（第2、第3 帧）再分别间隔T2、T3各重发一次，通常T2=2T1，T3=2T2。当重新达到稳定状态后，后续报文恢复间隔T0的心跳报文。所以只有在变电站稳定状态下，GOOSE 报文才有固定的数据发送速率。当故障发生时，数据发送的频率不会超过1/T1。GOOSE 报文τ的到达曲线如式（23）所示。

式中：αk，τ为报文τ到达交换机k的到达曲线。

2.4 端到端最大时延计算

附录A 图A4 描述了基于TSN 的SCN 端到端最大时延计算方法的具体流程。报文的端到端最大时延是指报文从发送设备传输到接收设备总耗时的最大值。由于变电站的占地面积有限，报文在网线中的传输时延可以忽略不计，这里的时延是指各类报文在通信网络传输过程中经过每台交换机的时延。报文在交换机中的时延由三部分构成：报文接收处理时延、排队时延和传输时延。交换机接收处理过程的时延一般在几微秒以内，通常为3 μs。交换机时延的主体部分是报文的排队和传输时延［20］。

式中：βk，Pm(t)为交换机k中Pm所在优先级队列的服务曲线。

通过跟踪报文发送设备到最终订阅设备的报文传输路径，可得该报文τ传输的端到端最大时延Dτ如式（26）所示。

式中：dtech为交换机的接收处理时延。

3 仿真验证

为验证TSN 技术在SCN 组网的确定低时延优势，本章搭建了不同层次SCN 模型，使用RTC 工具箱［21］在MATLAB R2018b 进行仿真实验分析，处理器为Intel Core i7-10700KF，内存为8 GB。

3.1 典型母线保护过程层模型示例

本小节搭建了简化变电站母线保护过程层报文传输模型［4］，如图3 所示。该网络模型全部采用网采网跳的组网方式，即全部设备都通过交换机连接，且SV 和GOOSE 报文采用共口传输［22］。为了展现时间敏感业务在基于TSN 的SCN 中传输的实时性优势，结合文献［5］的传统以太网最大时延计算方法，对比分析了基于优先级队列（priority queuing，PQ）的传统以太网传输模式和TSN 模式的报文传输最大时延。

图3 母线保护网络连接模型Fig.3 Network connection model of bus bar protection

附录A 表A1 展示了该母线保护所传输报文的详细信息。GOOSE 报文的发送频率为故障状态下的最大发送频率500 Hz，SV 报文的发送频率为4 000 Hz。值得注意的是，由智能终端发送的GOOSE 报文承载着状态反馈信息，优先级低于保护装置下发的承载保护跳闸命令的GOOSE 报文［23］。附录A 表A2 展示了TSN 交换机的GCL 配置信息。

图4 展示了TSN 和传统以太网模式下3 种不同时间敏感报文的最大时延差别。其中，GOOSE A报文由保护装置发送，测控装置订阅。GOOSE B报文由保护装置发送到中心交换机，GOOSE C 由保护装置发送，智能终端订阅。TSN 中具有时间敏感业务（优先级最高）报文传输的最大时延不超过44.4 μs，TSN 组网模式中时间敏感业务的最大时延都低于基于PQ 的传统以太网组网模式，这是由于在配置门控列表时，保护装置在发送时间敏感业务（如跳闸命令）报文时与其对应队列的门控开启时刻严格同步，时间敏感业务的最大时延仅受FIFO 规则影响。而当时间敏感报文到达传统以太网交换机时，需要考虑低优先级报文可能正在占用发送端口的情况，导致发生优先级反转，造成时间敏感报文传输的时延增大。

图4 母线保护时间敏感报文的最大时延Fig.4 The maximum time delay of time-sensitive messages for bus bar protection

3.2 GCL 参数对报文时延的影响

为了分析GCL 参数（L、TGCL）对变电站通信网中报文传输端到端时延的影响，采用图3 的母线保护网络模型，改变门控开启时长L和TGCL，以保护装置发送给智能终端的载有跳闸命令的GOOSE 报文为例，进行对比实验。

如图5 所示，横坐标表示最高优先级对应的门控开启时长L，纵坐标表示最大时延。可以观察到，随着L的增大，时延逐渐减小。这是由于当门控开启时间过短时，导致时间敏感业务的报文在一个时隙周期内无法全部传输，需要等到下一个GCL 周期的门控开启时隙再继续传输，从而造成较大延时。而门控开启时间过长又会造成较大的带宽浪费；另一方面，TGCL越大，造成的报文传输最大时延也越大，这是由于在一个TGCL内无法保证全部等待报文都转发时，需要等待下一个门控开启时隙的时间与TGCL呈正相关。该最大时延计算方法也为未来GCL 优化算法的研究［24］提供了理论依据。

图5 不同GCL 参数下的各报文的最大延时Fig.5 The maximum time delay of each packet with different GCL parameters

3.3 基于TSN 的典型220 kV 变电站通信时延分析

为了进一步评估基于TSN 的SCN 的实时性是否满足SCN 的实际需求，本文设计了一个典型的220 kV 变电站的通信网络模型［5］。如附录A 图A5所示，该模型由2 个变压器间隔、7 个馈线间隔和1 台母线保护装置组成。每一个圆盘表示一个间隔子网，每个子网都有自己的间隔交换机。各个间隔子网采用星形组网方式连接到中心交换机。通过跟踪带有跳闸命令且优先级为7 的GOOSE 报文（GOOSE1）和表示断路器状态且优先级为5 的GOOSE 报文（GOOSE2），分别分析了SCN 无故障发生时（稳态）、全部故障都发生时（繁忙）以及一种或几种故障或告警发生时（典型）的报文最大时延。虽然在智能变电站的实际运行中几乎不存在所有故障和告警都发生的繁忙状态，但在此状态下计算的报文最大时延要大于或等于其他状态的最大报文时延，对网络实时性的评估、网络设计方案的改进有重要意义。

GOOSE1 报文由母线保护（S1）的保护装置发送，由线路馈线间隔（F1）的智能终端订阅，GOOSE2 报文由线路馈线间隔（F1）的智能终端发送，由母线保护（S1）的保护装置订阅［25］。稳态时GOOSE 报文的发送频率为1 Hz，当故障发生或有告警时GOOSE 报文的发送频率为500 Hz。各间隔子网的TSN 交换机采用附录A 表A2 中的GCL 配置，中心交换机由于业务流量加大，需要适当加大时间敏感流的门控开启时间，其GCL 配置见附录A表A3。

由表2 可以看出，3 种不同状态下的快速报文GOOSE1 完全满足智能变电站过程层网络通信时延要求。同时，GOOSE2 报文的传输时延也远小于IEC 61850 对其的最低时延要求。由此可见，基于TSN 的SCN 在保证时间敏感业务确定低时延传输的同时也满足SCN 的实时性要求。

表2 各种方式下的报文最大时延分布Table 2 The maximum time delay distribution of packets in various modes

4 结语

本文面向智能变电站通信业务的实时性需求，应用TSN 技术提高智能SCN 关键业务传输的实时性。利用网络演算理论，提出了基于TSN 的智能SCN 最大时延计算方法，该方法可以分析TSN 下SCN 数据传输的时延边界。通过不同层次的SCN仿真实验，验证了基于TSN 的SCN 可保障关键控制命令等时间敏感业务的确定低时延传输，并通过算例分析了GCL 参数对报文传输时延的影响。本文的工作为TSN 技术在智能SCN 的应用与推广提供了理论依据。但本文所提方法无法分析数据传输的延时抖动，未来可通过搭建软件或硬件仿真平台，进一步分析基于TSN 的变电站关键业务传输的延时抖动。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。