CN103001820B - 一种基于智能变电站交换机延时的在线检测报警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用网络报文分析仪对经过交换机的报文进行分析的功能来实现智能变电站中测量交换机延时的方法。本方法能够同时支持对交换机延时的在线测量，并在发生延时越界的时候发出告警。同时，本方法不会对交换机通信网络的原有拓扑结构产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种以太网交换机传输延时的测量技术，尤其是涉及一种智能变电站的构成通信网络的交换机延时的在线测定报警方法。
背景技术
随着电网规模的日益庞大和网络通信技术的飞速发展，方兴未艾的智能变电站是智能电网发展的重要推动力。智能变电站基于以太网通信技术为一次设备与二次设备以及二次设备之间提供了更高水平的信息共享程度，同时变电站自动化系统的各种功能特性又反过来向以太网信息传输提出了更高的实时性要求。IEC 61850在总结变电站自动系统涉及通信服务的基础上，对通信报文的类别及传输时间要求做出了详尽规定：根据实时功能的要求，通信报文分为快速、中速、低速、原始数据、文件传输、时间同步以及存取控制命令七种类别，每类报文都有对应的传输时间要求。其中最高的实时性要求为用于跳闸作用的快速报文，其最大传输延时不能超过3ms。
网络的传输延时主要由以下四4个部分组成：
(1) 交换机存储转发延时Tsf
现代交换机都是基于存储转发原理的，因此，单台交换机的存储转发延时等于帧长除以传输速率。
(2) 交换机交换延时Tsw
交换机交换延时为固定值，取决于交换机芯片处理MAC地址表，VLAN，优先级等功能的速度。一般工业以太网交换机的交换延时不超过10μs。
(3) 光缆传输延时Twl
光缆传输延时是光缆长度除以光缆光速（约2/3倍光速）。以1km为例，光缆传输延时约5μs。
(4) 交换机帧排队延时Tq
交换机发生帧冲突时均采用排队方式顺序传送，这给交换延时和交换成功率带来了不确定性。
其中存储转发延时（Tsf）、交换延时（Tsw）和光缆传输延时（Twl）都是可以预知并且计算的，帧排队延时（Tq）则具有不确定性。存储转发延时（Tsf）、交换延时（Tsw）和帧排队延时（Tq）共同构成交换机内部的延时。
目前，很多相关的研究机构和交换机厂商都在研究如何从这4方面出发来减小网络上的传输延时，而如何测量报文经过交换机时的这一部分不确定延时，正是进行相关研究的基础。
现阶段，有关交换机中延时的测量方法有很多，但主要为离线方式，在交换机投入运行前，通过在线向交换机发送报文并接受从交换机转出的报文，通过一定的技术手段，获知报文输入输出交换机的时间，然后计算报文在交换机中的延时。这些离线的计算交换机延时的方式虽然能够得出计算机的交换延时信息，也能为交换机延时研究提供数据源，但是无法在线获取现场运行的网络报文的延时情况，难以提供给运行人员一个随时查看网络中报文延时的窗口，无法展示网络报文的延时情况，难以在网络延时超出预定的阀值时，提醒运行人员采取相应措施，避免变电站运行事故。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种智能变电站交换机延时的在线测定报警方法。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种智能变电站交换机延时的在线测定报警方法，包括以下步骤：
S1 观察交换机的网络拓扑图，寻找具有两台或者两台以上交换机的局部网络，将一台网络报文分析仪连接到该局部网络的每一台交换机上；
S2 网络报文分析仪上电，开始接收从各台交换机发来的报文；
S3 网络报文分析仪记录同一条报文每一次进入的时间，并通过计算同一条报文后一次进入的时间与前一次进入的时间之差，即可得出后一次进入的报文在其来源的交换机内部的延时；
S4 网络报文分析仪将该延时与规定的最大延时做比对：
SwitchDelay-DelayMax=DelayMargin
判断DelayMargin的正负得出相应布尔值体现出对比结果，低于最大延时用0标识，高于最大延时用1标识；
S5 当布尔值为1时，启动人机接口界面的告警设备，向运行人员告警；
S6 网络报文分析仪把一段时间内的交换机延时和发生交换机延时越界时的详细信息进行既定时间长度的储存，以便事后为分析一次设备或者二次设备故障提供依据。
本发明的原理
本发明利用网络报文分析仪来在线测量交换机延时的方法限于两台及两台以上的交换机情况。下面以测量三台交换机组成的通信链路为例来介绍方法实现的原理。测量交换机延时的网络拓扑图如图1所示。
IED1发送的报文要依次通过三台交换机以及链路1、链路4和链路5发送到接收端IED2。网络报文分析仪依次通过链路2,、链路3和链路6连接到三台交换机的镜像端口。从任意端口进入这三台交换机的报文都会被复制一份同样的报文到镜像端口，然后发送给网络报文分析仪，以便分析仪对网络中流过的所有报文进行解析和展示。
当一条报文从IED1出发，在T0时刻到达交换机1，报文被复制成两条同样的报文，一条发送到交换机2，另一条发送到网络报文分析仪。报文在交换机内部停留的时间由存储转发延时（Tsf）、交换延时（Tsw）和帧排队延时（Tq）三部分组成，由于两条报文完全相同，所以存储转发延时和交换延时是相等的，在正常网络负荷水平的情况下，帧排队延时基本上相等，所以可以将两条报文看作是在同一个时刻T1从交换机1出发的。然后两条报文经过链路1和链路2发送到交换机2和网络报文分析仪。链路1和链路2一般为光缆，其延时是光缆长度除以光缆光速（约2/3倍光速）。对于1km光缆，其传输延时仅仅约5μs左右。所以两条报文到达交换机2和网络报文分析仪的时刻T3和T2可以看作是相等的，即同时到达。当报文到达网络报文分析仪时，解析出到达时间T2，即可知道同一条报文到达交换机2的时间T3。
报文通过交换机2处理并输出交换机，报文在交换机中停留的时间为交换机2的延时。设在T4时刻报文同时通过链路3和链路4被发送到网络报文分析仪和交换机3，由于链路3上的延时可以忽略，所以可以认为T4与报文到达网络报文分析仪的时间T5相等。网络报文分析仪接收到报文，解析出时间T5，即可知道报文输出交换机2的时刻T4。所以交换机2的延时可通过公式（1）（2）（3）进行计算。
T3=T2 （1）
T4=T5 （2）
Switch2Delay=T4-T3=T5-T2 （3）
其中T4、T5均由网络报文分析仪提供。
同理，
T7=T5 （4）
T8=T6 （5）
Switch3Delay=T8-T7=T6-T5 （6）
根据公式（4）（5）（6）即可计算出交换机3的延时，T5、T6均由网络报文分析仪提供。
根据不同可靠性规约或者各生产厂家的产品合格要求，可以为交换机设定一个报文延时的最大允许值，如果每次测量的延时在最大允许值之内，则网络报文分析仪只将该延时值输出到人机交换平台上去，一旦某台交换机的测量延时超出了最大允许值，则发出告警，通知运行人员，运行人员可根据情况的危机程度采取相应措施，起到对智能变电站交换机延时的实时测量功能。
在上述只有IED1向IED2发送报文的情况下，交换机1的延时无法测量。但实际情况中，往往IED1和IED2需要交互信息，所以通过对IED2向IED1发送报文进行检测，同理可以测量交换机1和交换机2的延时，该延时同样可以反映交换机1和交换机2的延时情况，由此图1中3台交换机的延时均可被测量。
网络报文分析仪包括有时间标记模块、延时测量模块、判断模块以及告警模块相互配合来实现。
时间标记模块主要负责采集并记录报文进入和输出网络报文分析仪的时间，将时间信息写入信息存储区，待该条报文输出交换机的时候由延时测量模块进行调用，延时测量模块对延时测量模块的输出结果进行判断，决定是否启动告警模块。图2所示为模块组成方式。
有益效果：本发明提供的智能变电站交换机延时的在线测定报警方法，可实现交换机延时的实时在线测量，提供给运行人员一个随时查看网络中报文延时的窗口，展示网络报文的延时情况，以便在网络延时超出预定的阀值时，提醒运行人员采取相应措施，避免变电站运行事故。
附图说明
图1为测量交换机延时的网络拓扑图；
图2为网络报文分析仪的模块组成方式图；
图3为实施例的交换机星型连接的延时测量拓扑图；
图4为实施例的交换机延时检测及报警方法流程图。
具体实施方式
在实际的智能变电站中，交换机构成的通信网络往往采用星型接线的方式，对于星型连接的交换机通信网络，其利用网络报文分析仪进行在线测量交换机延时的拓扑图如图3。
观察图3所示的拓扑图可见，本方法并不会影响到网络的原拓扑结构，这是本方法的优点之一。
本实施例中，具体实现利用网络报文分析仪在线进行交换机延时测量的步骤如下：
1) 通过观察网络拓扑图，确认交换机数量为5台，将网络报文分析仪连接到该局部网络的每一台交换机上；
2) 网络报文分析仪上电，开始接收从各台交换机发来的报文；
3) 网络报文分析仪精确记录同一条报文每一次进入的时间，并通过计算公式（3）或者（6），将后一次进入的时间与前一次进入的时间做差，即可算出后一次进入的报文在其来源的交换机内部的延时；
4) 网络报文分析仪将该延时与规定的最大延时做比对，如公式（7），
SwitchDelay-DelayMax=DelayMargin （7）
判断DelayMargin的正负得出相应布尔值体现出对比结果，低于最大延时用0标识，高于最大延时用1标识；
5) 当布尔值为1时，启动人机接口界面的告警设备（如灯闪或响铃等），向运行人员告警；
6) 网络报文分析仪把一段时间内的交换机延时和发生交换机延时越界时的详细信息进行既定时间长度的储存，以便事后为分析一次设备或者二次设备故障提供依据。
具体流程如图4所示。
Claims (1)
1.一种基于智能变电站交换机延时的在线测定报警方法，包括以下步骤：
S1 观察所述的智能变电站交换机的网络拓扑图，寻找具有两台或者两台以上交换机的局部网络，将一网络报文分析仪分别连接到所述局部网络的每一台交换机上；
S2 所述的网络报文分析仪上电，接收从各台交换机发来的报文；
S3 所述的网络报文分析仪记录报文每一次进入的时间，并通过计算报文后一次进入的时间与前一次进入的时间之差，得出后一次进入的报文在其来源的交换机内部的延时；
S4 所述的网络报文分析仪将所述的延时与规定的最大延时做比对：
SwitchDelay-DelayMax=DelayMargin
判断DelayMargin的正负得出相应布尔值体现出对比结果，低于最大延时用0标识，高于最大延时用1标识；
S5 当布尔值为1时，启动人机接口界面的告警设备，向运行人员告警；
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