CN103685248A - 一种过程层三网合一报文传输实时调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过程层三网合一报文传输实时调度方法，包括如下步骤：从机向主机发送包含报文特征信息的时间合并请求；主机根据所有从机传送的报文传输特征数据，生成报文传输时间节点表，主机进入合并就绪状态，并将时间合并更新信息通知给各从机；各从机根据主机发送的时间合并更新信息更新本机的报文传输时间节点表；主机和从机均根据相同的报文传输时间节点表控制报文传输。本发明的实时调度方法是利用主机收集并分析网络中所有从机的报文传输特征数据，生成整个网络的报文传输调度信息——报文传输时间节点表，从而防止了可能产生报文传输冲突的问题，最大限度的提高网络延时稳定性、SV报文的均匀性、GOOSE报文的实时传输。

Description

一种过程层三网合一报文传输实时调度方法

技术领域

本发明属于过程层网络通讯技术领域，具体涉及一种过程层三网合一报文传输实时调度方法。

背景技术

随着IEC61850标准在数字化变电站推广应用，过程层网络目前存在直采直跳、组网与三网合一三种组网模型。直采直跳与组网方式相比，省去了间隔交换机，合并单元、智能装置直接通过光纤与间隔层设备相连，这种组网方式需要间隔层设备提供多个光纤接口；组网方式下，间隔层设备与过程层设备通过交换机连接，通过交换机划分SV网络、GOOSE网络、对时网络，合并单元通过SV网络为间隔层提供采样数据，开入开出信息则通过GOOSE网络进行传输，GPS主时钟则通过对时网络为网络中的节点提供时钟同步；三网合一则将SV网络、GOOSE网络、对时网络从物理上合并为一个网络，这种方式大大的降低了工程建设、维护的成本，降低了操作的难度，是过程层网络未来发展方向。

由于SV报文、GOOSE报文与对时报文在同一个网络进行传输，如何保证网络延时的稳定性，满足SV报文均匀性与GOOSE报文实时传播的要求，是三网合一需要解决的关键技术。

影响网络延时的稳定性与SV报文均匀性有如下因素：（1）过程层设备的SV报文，GOOSE报文与IEEE-1588报文对本机以太网接口的竞争；（2）过程层设备的突发GOOSE报文会打乱报文的传输顺序，增加报文流量；（3）交换机端口的排队延时，存在间隔层设备需要接收多台过程层设备报文的情况，不同过程层设备的报文会在交换机与间隔层设备联接的端口产生冲突，从而会存在排队延时。目前的过程层三网合一方案只能保证单装置的报文实时传输，而不能保证整个网络的报文实时传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种过程层三网合一报文传输实时调度方法，以解决现有方式不能保证整个网络的报文实时传输的问题。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种过程层三网合一报文传输实时调度方法，包括如下步骤：

（1）从机向主机发送包含报文特征信息的时间合并请求，所述主机为间隔层设备，从机为过程层设备；

（2）主机根据所有从机传送的报文传输特征数据，生成报文传输时间节点表，主机进入合并就绪状态，并将时间合并更新信息通知给各从机；

（3）各从机根据主机发送的时间合并更新信息更新本机的报文传输时间节点表；

（4）主机和从机均根据相同的报文传输时间节点表控制报文传输。

所述步骤（1）中，从机收集本机的报文特征信息，当检测到本机未处于合并就绪状态时，向主机发送包含本机报文特征信息的报文传输特征数据的时间合并请求。

主机将收到的从机传送的报文传输特征数据保存到传输特征数据集中。

主机收到一从机传送的报文传输特征数据后，首先查找传输特征数据集，如果未找到该从机的报文传输特征数据，则更新传输特征数据集。

所述步骤（2）中的生成报文传输节点表是指主机根据报文传输特征数据集中保存的从机的报文传输特征数据，计算出报文传输周期，在报文传输周期内，为每种报文分配时间节点，使得在某一时刻，网络中的设备只会有一帧报文得到传输。

所述步骤（2）中，主机通过广播的方式将报文传输时间节点表通知给各从机，其过程如下：

1>当主机广播报文传输时间节点表时，为每个从机启动确认超时定时器；

2>当从机确认超时定时器时间到，主机仍未收到从机的确认报文时，主机每隔一段时间向该从机发送时间合并更新信息，直到主机接收到从机的确认报文；

3>如果从机接收到时间合并更新信息，则更新本机的报文传输时间节点表，本机进入合并就绪状态，并且向主机发送确认报文；

4>主机接收到从机确认报文后，关闭该从机确认超时定时器。

在运行过程中，如果某个从机退出运行，主机检测到从机退出运行后，在报文传输特征信息集中标识该从机已退出，主机在这种情况下不会更新报文传输时间节点表；如果主机检测到新的从机投入运行，在报文传输特征信息集中删除已经标识退出的条目，重新计算报文传输时间节点表，然后广播给网络中所有的从机，从机更新报文传输时间节点表。

在运行过程中，如果主机退出运行，在主机重新运行前，网络中的从机按照保存的报文传输时间节点表进行报文传输，主机重新运行后，主机会在网络中广播主机启动消息，从机收到主机启动消息后，从机会重新发送报文特征数据，主机根据从机的报文传输特征数据，重新计算出报文传输时间节点表。

所述报文传输特征数据集是各从机报文传输特征信息的集合；所述报文特征信息包含设备的标识、设备网络发送速率、SV报文的组数、GOOSE报文的组数、每组SV报文的采样率、每组SV报文长度、每组GOOSE的T0、T1、T2、T3时间、每组GOOSE的报文长度。

本发明的过程层三网合一报文传输实时调度方法是利用主机收集并分析网络中所有从机的报文传输特征数据，生成整个网络的报文传输调度信息——报文传输时间节点表，网络中所有的设备持有共同的报文传输时间节点表，报文的传输在网络中不会产生冲突，传输周期的时间是由IEEE1588标准同步产生的；传输周期内各个设备的各种报文传输节点的分配，是主机收集网络中的从机的报文传输特征信息数据产生的，最大限度的提高网络延时稳定性、SV报文的均匀性、GOOSE报文的实时传输。

当从机向主机申请加入某个网络，主机根据保存的报文特征数据集，来决定是否重新生成报文传输时间节点表，使整个网络不会因为从机重新启动导致网络不稳定的现象。主机只有在检测到新加入的从机在报文特征数据集中不存在时，才会重新调整报文传输时间节点表，因此，网络中的设备可以随时断电，而不会影响总个网络的稳定性。由于网络中的设备都已通过IEEE-1588获得了时间同步，从而保证在报文传输时，传输时间都基于同一时间标准，从而保证了报文在网络中不会存在冲突，预先避免了传输冲突。

附图说明

图1为本发明报文实时调度系统原理图；

图2为本发明报文实时调度方法中主机收集从机报文传输特征流程图；

图3为本发明报文实时调度流程图；

图4为本发明报文实时调度工程配置图；

图5为本发明实施例报文实时节点示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图1所示为本发明的过程层三网合一报文传输实时调度系统，这里的主机是指指间隔层设备，从机是指过程层设备。系统的每个网络接口上都部署传输调度模块，根据报文传输时间节点表，分别控制每个网络的报文传输；部署网络监视模块，负责主机与从机的通信和监视从机的运行情况，从机每隔一定时间发送从机心跳报文；在主机上部署时间合并模块，负责计算报文传输的时间与报文之间的传输间隙，根据报文传输特征数据集中的数据，通过时间合并模块生成报文传输时间节点表。

如图2所示，本发明过程层三网合一报文传输实时调度方法，包括如下步骤：

（1）从机向主机发送包含报文特征信息的时间合并请求，所述主机为间隔层设备，从机为过程层设备；

（2）主机根据所有从机传送的报文传输特征数据，生成报文传输时间节点表，并将时间合并更新信息通知给各从机，主机进入合并就绪状态（指从机已接收到时间合并更新信息）；

主机将收到的从机传送的报文传输特征数据保存到传输特征数据集中。报文传输特征数据集是各从机报文传输特征信息的集合；报文特征信息包含设备的标识、设备网络发送速率、SV报文的组数、GOOSE报文的组数、每组SV报文的采样率、每组SV报文长度、每组GOOSE的T0、T1、T2、T3时间、每组GOOSE的报文长度。

当主机收到一从机传送的报文传输特征数据后，首先查找传输特征数据集，如果未找到该从机的报文传输特征数据，则更新传输特征数据集。

生成报文传输节点表是指主机根据报文传输特征数据集中保存的从机的报文传输特征数据，计算出报文传输周期，在报文传输周期内，为每种报文分配时间节点，使得在某一时刻，网络中的设备只会有一帧报文得到传输。

（3）各从机根据主机发送的时间合并更新信息更新本机的报文传输时间节点表；

（4）主机和从机均根据相同的报文传输时间节点表控制报文传输。

在步骤（1）中，从机收集本机的报文特征信息，当检测到本机未处于合并就绪状态时，向主机发送包含本机报文特征信息的报文传输特征数据的时间合并请求。

步骤（2）中，主机通过广播的方式将时间合并更新信息通知给各从机，其过程如下：

1>当主机广播报文传输时间节点表时，为每个从机启动确认超时定时器；

2>当从机确认超时定时器时间到，主机仍未收到从机的确认报文时，主机每隔一段时间向该从机发送时间合并更新信息，直到主机接收到从机的确认报文；

3>如果从机接收到时间合并更新信息，则更新本机的报文传输时间节点表，本机进入合并就绪状态，并且向主机发送确认报文；

4>主机接收到从机确认报文后，关闭该从机确认超时定时器。

另外，如图3所示，在步骤（3）中，本发明主机和从机根据相同的报文传输时间节点表控制报文传输的过程如下：

①未处于合并就绪状态，报文传输不经过该调度模块；

②未处于在IEEE61588标准中描述的同步状态，报文传输不经过该调度模块；

③等待传输周期到；

④处理传输周期中下一个时间间隙；

⑤如果时间间隙内所指向的传输周期为本处理周期，则执行步骤⑦，否则，执行步骤④；

⑥在时间间隙所指向的报文队列中获取报文，如果队列中无报文，则执行步骤④；

⑦从队列中获取报文；

⑧等待报文传输时间到；

⑨将报文传输给以太网驱动；

⑩如果传输周期中所有的时间间隙处理完毕，执行步骤③，否则执行步骤④。

主机上部署的网络监视模块，当接收到一台新的从机设备发出的报文传输特征数据时，保存在主机的报文特征信息集中，同时触发时间合并信息模块，计算报文传输时间节点表，然后再广播给网络中所有的从机，从机更新报文传输时间节点表。

系统运行过程中，如果某个从机退出运行，主机检测到从机退出运行后，在报文传输特征数据集中标识该从机已退出，但是在这种情况下不会更新报文传输时间节点表；当主机检测到新的从机投入运行时，在报文传输特征数据集中删除已经标识退出的条目，重新计算报文传输时间节点表，然后广播给网络中所有的从机，从机更新报文传输时间节点表。系统在运行开始时，会存在网络的抖动，一段时间后网络趋于稳定。

系统运行过程中，如果主机退出运行，在主机重新运行前，网络中的从机按照保存的报文传输时间节点表进行报文传输，主机重新运行后，主机会在网络中广播主机启动消息，从机收到主机启动消息后，从机会重新发送报文特征数据，主机根据从机的报文传输特征数据，重新计算出报文传输时间节点表。

下面以图4所示的三网合一调度系统为例，结合具体的工程配置对本发明进行详细说明。

该系统由一台保护测控装置A通过间隔层交换机与两台合并单元智能终端一体化装置B和C连接，其中，装置A连接在交换机的a口上，装置B连接在交换机的b口，装置C连接在交换机的c口。

交换机配置：划分交换机VLAN，使得b，c口都能与a口交换数据，而b与c不能交换数据。再通过交换机的QoS功能，使得a口的SV报文优先级最高，GOOSE报文次之，其它报文最低。

装置配置：装置B输出1组80点的SV报文，1组GOOSE报文，装置C输出1组80点的SV报文，1组GOOSE报文。装置A输出1组GOOSE报文，假设所有的GOOSE输出的T0时间设置为5s。

保护装置最终生成的报文时间间隙表如图5所示，装置C与装置B的SV报文发送节点，处于不同周期内的同一个发送节点。通过给传输周期进行编号，使得装置C的SV报文在每两个传输周期的第一个传输周期获得传输，装置B的SV报文在每两个传输周期的第二个传输周期获得传输，从而保证了装置C与装置B的SV报文发送周期为250us。对于GOOSE、IEEE1588报文的发送节点与上面的描述类似。

本发明是一种应用于智能变电站过程层三网合一组网方式中，所接入IED装置的报文传输调度方法。三网合一是过程层通过交换机将SV网络、GOOSE网络以及对时网络合并为一个网络，即将过程层设备与间隔层设备接入同一交换机，在此交换机上实现采样值、开关量和对时报文的信息传输与控制；过程层设备为合并单元智能终端一体化装置，间隔层设备包含保护测控装置、故障录波装置。间隔层设备与过程层设备通过网络监视模块，获取网络上接入设备的报文传输特征，生成报文传输时间节点表，供传输调度模块选择报文传输时间，从而保证网络传输延时固定、数据的实时传输。

Claims (9)

1.一种过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）从机向主机发送包含报文特征信息的时间合并请求，所述主机为间隔层设备，从机为过程层设备；

（2）主机根据所有从机传送的报文传输特征数据，生成报文传输时间节点表，主机进入合并就绪状态，并将时间合并更新信息通知给各从机；

（3）各从机根据主机发送的时间合并更新信息更新本机的报文传输时间节点表；

（4）主机和从机均根据相同的报文传输时间节点表控制报文传输。

2.根据权利要求1所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：所述步骤（1）中，从机收集本机的报文特征信息，当检测到本机未处于合并就绪状态时，向主机发送包含本机报文特征信息的报文传输特征数据的时间合并请求。

3.根据权利要求1所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：主机将收到的从机传送的报文传输特征数据保存到传输特征数据集中。

4.根据权利要求3所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：主机收到一从机传送的报文传输特征数据后，首先查找传输特征数据集，如果未找到该从机的报文传输特征数据，则更新传输特征数据集。

5.根据权利要求1所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：所述步骤（2）中的生成报文传输节点表是指主机根据报文传输特征数据集中保存的从机的报文传输特征数据，计算出报文传输周期，在报文传输周期内，为每种报文分配时间节点，使得在某一时刻，网络中的设备只会有一帧报文得到传输。

6.根据权利要求5所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：所述步骤（2）中，主机通过广播的方式将报文传输时间节点表通知给各从机，其过程如下：

1>当主机广播报文传输时间节点表时，为每个从机启动确认超时定时器；

2>当从机确认超时定时器时间到，主机仍未收到从机的确认报文时，主机每隔一段时间向该从机发送时间合并更新信息，直到主机接收到从机的确认报文；

3>如果从机接收到时间合并更新信息，则更新本机的报文传输时间节点表，本机进入合并就绪状态，并且向主机发送确认报文；

4>主机接收到从机确认报文后，关闭该从机确认超时定时器。

7.根据权利要求6所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：在运行过程中，如果某个从机退出运行，主机检测到从机退出运行后，在报文传输特征信息集中标识该从机已退出，主机在这种情况下不会更新报文传输时间节点表；如果主机检测到新的从机投入运行，在报文传输特征信息集中删除已经标识退出的条目，重新计算报文传输时间节点表，然后广播给网络中所有的从机，从机更新报文传输时间节点表。

8.根据权利要求6或7所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：在运行过程中，如果主机退出运行，在主机重新运行前，网络中的从机按照保存的报文传输时间节点表进行报文传输，主机重新运行后，主机会在网络中广播主机启动消息，从机收到主机启动消息后，从机会重新发送报文特征数据，主机根据从机的报文传输特征数据，重新计算出报文传输时间节点表。

9.根据权利要求3所述的过程层三网合一报文传输实时调度方法，其特征在于：所述报文传输特征数据集是各从机报文传输特征信息的集合；所述报文特征信息包含设备的标识、设备网络发送速率、SV报文的组数、GOOSE报文的组数、每组SV报文的采样率、每组SV报文长度、每组GOOSE的T0、T1、T2、T3时间、每组GOOSE的报文长度。

Images