CN103701718B - 变电站通信网络交换机动态缓存分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站通信网络交换机动态缓存分配方法，所述方法包括以下步骤：1)将变电站交换机缓存区域划分为独占区和共享区，整定缓存独占区容量；2)报文进入变电站交换机，变电站交换机接收报文并解析报文APPID，判断该报文是否属于关键报文；3)将关键报文分配至独占区存储等候处理，若独占区容量已满，则将关键报文分配至共享区，共享区优先满足关键报文；同时，将次要报文分配至共享区存储等候处理，若共享区容量已满，则直接丢弃次要报文；4)结束流程后，重复步骤2)和步骤3)。本发明方法通过对交换机中缓存进行合理分区及动态调度，有效保证变电站通信网络中关键报文的优先传输，提升变电站控制决策实时可靠性。

Description

变电站通信网络交换机动态缓存分配方法

技术领域

本发明涉及一种动态缓存分配方法，尤其是一种变电站通信网络交换机动态缓存分配方法，属于网络交换机缓存分配领域。

背景技术

变电站通信网络信息流的实时可靠性是评价智能变电站通信网络性能的重要指标，关键报文作为继电保护、监控等应用系统实现的载体，其实时可靠传输直接决定了变电站保护控制决策的速动性、有效性，因此优先保证关键信息的传输、降低关键报文丢包率、提升变电站通信网络可依赖性是智能变电站可靠运行的保证。

交换机作为变电站通信网络重要组成及中心枢纽，承担着通信网络数据传输与转发的重要功能，其交换效率直接影响网络报文延时。因此为提升通信网络实时可靠性，可从升级交换机硬件性能、优化交换环节、改进交换技术三方面着手。

目前，变电站通信网络交换机中设置共享缓存区，各端口报文均进入共享缓存区排队等候处理。这种缓存区设置方式简单易行并能够有效利用缓存容量，但所有端口共用缓存的分配方案无法保证关键报文的优先传递，在关键报文进入交换机时，如果网络处于拥塞、故障或扰动源等恶劣工况下，缓存区被其他报文占用，关键报文可能因为缓存不足而被丢弃，变电站因缓存区被占用而丢弃关键报文的典型场景如图1所示，IED通过间隔交换机switch1的级联端口与本间隔IED交互信息，经中心交换机switch0的汇聚端口与跨间隔IED互通；若switch1某一级联端口出现扰动报文d，则d通过占用公共缓存区造成级联端口和汇聚端口报文的丢失。

因此，现有的变电站通信网络交换技术中采用的共享缓存区设置方案无法排除扰动报文对缓存区的资源占用，从而可能导致关键报文因缓存不足而丢包，这种共享缓存区的划分方式难以满足关键报文实时可靠性要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提供了一种变电站通信网络交换机动态缓存分配方法，该方法通过对交换机中缓存进行合理分区及动态调度，有效保证变电站通信网络中关键报文的优先传输，提升变电站控制决策的实时可靠性。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

变电站通信网络交换机动态缓存分配方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)将变电站交换机缓存区域划分为独占区和共享区，整定缓存独占区容量；

2)报文进入变电站交换机，变电站交换机接收报文并解析报文APPID，判断该报文是否属于关键报文；

3)交换机将关键报文分配至独占区存储等候处理，若独占区容量已满，则将关键报文分配至共享区，共享区优先满足关键报文；同时，将次要报文分配至共享区存储等候处理，若共享区容量已满，则直接丢弃次要报文；

4)结束流程后，重复步骤2)和步骤3)。

具体的，所述关键报文包括关键SV报文和关键GOOSE报文。

具体的，步骤1)所述整定缓存独占区容量采用缓存独占区容量整定算法，具体如下：

a)若通过某一交换机的关键SV报文有N₁路，则通过该交换机的关键SV报文流量为：

l₁＝N₁L₁fF (1)

其中，l₁为通过交换机的关键SV报文流量，L₁为通过交换机的关键SV报文长度，f为采样频率，F为电网频率，N₁为通过交换机的关键SV报文路数；

b)若通过某一交换机的关键GOOSE报文路数为N₂，则通过该交换机的关键GOOSE报文流量为：

l₂＝1000L₂N₂/t_s (2)

其中，l₂通过交换机的关键GOOSE报文流量，L₂为通过交换机的关键GOOSE报文长度，N₂为通过交换机的关键GOOSE报文路数，t_s为重发间隔时间；

c)分析通过各交换机IED、MU设备数量、发布/订阅报文类型以及数量，结合各类GOOSE、SV、MMS报文流量，利用下式设置独占区容量：

p＝(l₁+l₂)/m (3)

其中，p为独占区占缓存比例，l₁为通过交换机的关键SV报文流量，l₂为通过交换机的关键GOOSE报文流量，m为交换机吞吐量。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明方法是基于报文类型识别的动态缓存分配技术，在对关键报文提供稳定、可靠、优先的交换环境，通过优化交换技术中缓存分配环节有效降低关键报文时延及丢包率、提高变电站通信网络可依赖性。

2、本发明方法改变目前变电站通信网络中变电站的缓存分配方案，通过对交换机中缓存进行合理分区及动态调度，有效保证变电站通信网络中关键报文的优先传输，提升变电站控制决策实时可靠性。

附图说明

图1为现有技术中交换机各端口共享缓存示意图。

图2为本发明的独占区和共享区模型。

图3为SV报文的帧结构。

图4为GOOSE报文的帧结构。

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，本实施例的动态缓存分配方法包括以下步骤：

1)将变电站交换机缓存区域划分为独占区和共享区，整定缓存独占区容量：

1.1)缓存区域划分

IEC61850标准定义变电站内传送的主要有三类报文：用于合并单元(MU)为间隔层设备提供电流电压采样值的SV报文；用于紧急跳闸、启动故障录波、启动闭锁/解锁等需要快速传递信息场合的GOOSE报文；用于报文传输监视，控制及管理MMS报文；

IEC61850根据各类报文承载业务不同，对各类报文性能要求做了严格详细的区分，如下表1所示，根据业务不同及性能要求差异IEC61850将报文分为七类；

表1 报文分类

其中，GOOSE报文均归类为快速报文及中速报文，SV报文属于原始数据报文。GOOSE报文中保护跳闸GOOSE报文、SV报文中故障数据SV报文等业务直接决定了变电站继电保护及控制功能的有效实现，这类报文性能要求较高，属于变电站通信网络中的关键报文(重要报文)；

为保证关键报文的实时可靠传输，避免在网络拥塞、广播风暴等情况下由于缓存区不足引发丢包的问题，将变电站交换机内缓存区域划分为独占区和共享区，如图2所示，独占区只允许通过端口的关键报文使用，而共享区允许通过端口的关键报文和次要报文共同使用；具体来说，当关键报文进入交换机时，交换机应能够准确辨别该报文属于关键报文并将其映射至独占区，如果此时独占区缓存不足关键报文溢出至共享区排队等候处理。

1.2)采用缓存独占区容量整定算法整定缓存独占区容量

动态缓存分配方案由于在缓存中设置独占区，因此牺牲部分缓存有效利用率以保证关键报文的实时可靠交换，如果独占区容量整定过大，次要报文可能长期处于迟滞发送状态造成大量次要报文丢包，这种交换机工作状态同样不利于变电站安全稳定运行，因此要实现动态缓存分配，首先需要合理整定独占区容量；

表2 变电站二次系统中主要报文特点比较

如上表2所示为各类报文特点比较，从流量上看GOOSE报文平时流量不大，但遇到系统较严重故障许多信号同时产生(如雪崩试验)时，会有很大的突发流量；SMV报文流量很大，但非常平稳；MMS报文流量中等且较为稳定，MMS报文实时性要求不高，因此可在缓存不足等极端情况下丢弃MMS报文保证关键报文实时传输；

a)通过交换机的关键SV报文流量

按照IEC61850标准SV有80点/周和256点/周两种采样频率。SV报文每帧长度169～226字节，实际网络配置时应考虑可能出现最大网络情况，因此采用80点/周波采样频率时，SV报文流量为7.2Mbit/s，采用256点/周波采样频率时，SV报文流量为23.2Mbit/s；

若通过某一交换机的关键SV报文(如故障数据SV报文)有N₁路，则通过该交换机的关键SV报文流量为：

l₁＝N₁L₁fF (1)

其中，l₁为通过交换机的关键SV报文流量，L₁为通过交换机的关键SV报文长度，f为采样频率，F为电网频率，N₁为通过交换机的关键SV报文路数；

b)通过交换机的关键GOOSE报文流量

IEC61850标准定义的GOOSE报文采用多播方式，事件触发后在T1时间内发出信息，若设定重发时间间隔为500ms，则将以间隔重发信息。

GOOSE报文帧头由开销、GOID、GOREF、DataSet等部分组成，其中帧头开销80字节，GOID、GOREF、DataSet长度按标准规定最长不超过32字节，因此GOOSE报文帧长按176字节估算。此外，GOOSE报文数据体需要3字节开入，带时标开入需要13字节。目前工程中一般把GOOSE分成保护相关数据、其他遥信数据、直流量3个GOOSE控制块。开入数据GOOSE控制块中最多包含48各开入量，超出使用多个GOOSE控制块。保护相关GOOSE和直流量数据较少，帧长不会超过800字节。保护跳闸信号按最大64个计数，GOOSE帧长为：3×64+176＝368字节；合并单元参与保护逻辑跳闸信号按最大20个计数，GOOSE帧长为：13×20(带时标开入)+176＝436字节；

若通过某一交换机的关键GOOSE报文(保护跳闸GOOSE报文)路数为N₂，则通过该交换机的关键GOOSE报文流量为：

l₂＝1000L₂N₂/t_s (2)

其中，l₂通过交换机的关键GOOSE报文流量，L₂为通过交换机的关键GOOSE报文长度(bit)，N₂为通过交换机的关键GOOSE报文路数，t_s为重发间隔时间(ms)。

因此，GOOSE报文流量峰值(估算参数)如下表3所示。

表3 GOOSE报文流量峰值

c)在变电站通信网络配置交换机独占区缓存时，分析通过各交换机IED、MU设备数量、发布/订阅报文类型以及数量，结合各类GOOSE、SV、MMS报文流量，利用下式设置独占区容量：

p＝(l₁+l₂)/m (3)

其中，p为独占区占缓存比例，l₁为通过交换机的关键SV报文流量，l₂为通过交换机的关键GOOSE报文流量，m为交换机吞吐量。

2)报文进入变电站交换机，为实现关键报文的优先处理，要求变电站通信网络交换机能够有效辨别报文，解析报文获得报文APPID，根据APPID值确定报文是否属于关键报文：

如图3和图4所示，分别为SV报文和GOOSE报文的帧结构，其中APPID为报文应用标识，SV报文0x4000到0x7FFF之间，唯一标识一路采样值(SV)，GOOSE报文APPID在0x0到0x3FFF之间，唯一标识一路GOOSE；交换机接收报文后，可通过分析报文APPID判断该报文是否属于保护跳闸GOOSE报文、故障数据SV报文等关键报文。

3)交换机将关键报文分配至独占区存储等候处理，若独占区容量已满，存在正常情况或异常情况(发生错误帧、网络故障等)导致独占区缓存不足，则将关键报文分配至共享区(即重要报文由独占区溢出至共享区)，共享区优先满足关键报文；同时，将次要报文分配至共享区存储等候处理，若共享区容量已满，则直接丢弃次要报文；

4)结束流程后，重复步骤2)和步骤3)。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (1)

1.变电站通信网络交换机动态缓存分配方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)将变电站交换机缓存区域划分为独占区和共享区，整定缓存独占区容量；其中，独占区只允许通过端口的关键报文使用，而共享区允许通过端口的关键报文和次要报文共同使用；

2)报文进入变电站交换机，变电站交换机接收报文并解析报文APPID，判断该报文是否属于关键报文；其中，所述关键报文包括关键SV报文和关键GOOSE报文；

3)交换机将关键报文分配至独占区存储等候处理，若独占区容量已满，则将关键报文分配至共享区，共享区优先满足关键报文；同时，将次要报文分配至共享区存储等候处理，若共享区容量已满，则直接丢弃次要报文；

4)结束流程后，重复步骤2)和步骤3)；

步骤1)所述整定缓存独占区容量采用缓存独占区容量整定算法，具体如下：

a)若通过某一交换机的关键SV报文有N₁路，则通过该交换机的关键SV报文流量为：

l₁＝N₁L₁fF (1)

其中，l₁为通过交换机的关键SV报文流量，L₁为通过交换机的关键SV报文长度，f为采样频率，F为电网频率，N₁为通过交换机的关键SV报文路数；

b)若通过某一交换机的关键GOOSE报文路数为N₂，则通过该交换机的关键GOOSE报文流量为：

l₂＝1000L₂N₂/t_s (2)

其中，l₂通过交换机的关键GOOSE报文流量，L₂为通过交换机的关键GOOSE报文长度，N₂为通过交换机的关键GOOSE报文路数，t_s为重发间隔时间；

c)分析通过各交换机IED、MU设备数量、发布/订阅报文类型以及数量，结合各类GOOSE、SV、MMS报文流量，利用下式设置独占区容量：

p＝(l₁+l₂)/m (3)

其中，p为独占区占缓存比例，l₁为通过交换机的关键SV报文流量，l₂为通过交换机的关键GOOSE报文流量，m为交换机吞吐量。