CN109548165A - 一种低时延的智能变电站无线通信机制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低时延的智能变电站无线通信机制，主要解决智能变电站无线网络中报文传输时延不稳定的问题。其方案是：利用TDMA协议，根据变电站SV和GOOSE周期业务需求，采用周期性公平分配的方法为通信网络中的所有节点分配固定时隙；固定分配的时隙中出现空闲时，利用CSMA/CA协议同时引入报文优先级，为闭锁等突发性业务或者其它不确定性业务竞争信道。本发明为智能变电站设备提供了一种无线通信机制，基于TDMA与CSMA/CA混合的低时延的智能变电站无线通信机制，保证了智能变电站无线网络中周期性报文的时延稳定性，保证突发性报文的传递，提高了信道利用率。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种低时延的智能变电站无线通信机制，适用于智能变电站无线组网场景，根据变电站报文情况分配时隙，保证稳定的时延要求。
背景技术
基于IEC61850标准的智能变电站主要传输GOOSE(Generic Object OrientedSubstation Event,面向通用对象的变电站事件)报文、SV(Sampled Value,传输采样)报文和MMS(Manufacturing Message Specification,制造报文规范)报文，按照报文类型有周期性报文、突发性报文、随机性报文，其中周期性报文90％以上，大多数报文是实时性报文。变电站二次设备之间传输的报文具有明确的订阅关系，数据报文的传输速率最大的要达到250kbit/s。
智能变电站传输机制主要分为三类：一是基于CSMA/CD机制的以太网通信技术；二是基于CSMA/CA机制的ZigBee无线通信技术；三是基于CSMA/CA机制的Wi-Fi无线通信技术。
目前智能变电站主要采用基于CSMA/CD机制的以太网通信技术，是因为它可以提供高速、稳定的数据传输，但是新一代变电站的试点建设中，变电站层次保护系统就地和、分散配置方案，将继保设备靠近一次设备布局，当分散就地化安装后，基于CSMA/CD机制的以太网通信的安装、调试工作都大大增加。基于CSMA/CA机制的ZigBee无线通信技术，多用于智能变电站无线测温和无线监控方面，但是ZigBee是一种低功耗、低速率的无线网络技术，不适用于SV、GOOSE报文的传输。基于CSMA/CA机制的Wi-Fi无线通信技术，主要应用在智能变电站数据报文的传输上，目前国内外主要处于研究阶段，基于CSMA/CA机制的Wi-Fi通信技术可方便变电站内各类业务的灵活接入，能有效降低冲突发送的概率，该机制采用随机退避方式，但是，当节点数多时，业务量大时，网络的吞吐量降低，其次，对于业务负载没有很好的适应性，无法保证系统的传输时延。
在现有的技术中也出现了基于CSMA/CA和TDMA混合使用在智能变电站中无线通信机制，使用WIA应用于变电站就地化保护站控层，采用跳频技术，高频基于TDMA的通信机制；低频使用CSMA/CA机制，但是基于WIA的无线通信技术对于智能变电站网络设备的兼容性上存在局限性，并不是所有设备都兼容。在其它领域也有使用基于CSMA/CA和TDMA混合的无线通信机制应用在电力载波信道，但是固定时隙分配中，一个节点一个时隙，由于智能变电站不同节点的重要性不用，这种方式不适用于智能变电站中，基于CSMA/CA的竞争接入的退避算法只考虑冲突时的退避，没考虑其它时刻的退避情况，并且未引入节点优先级，不适用于智能变电站突发性报文的优先级情况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低时延的智能变电站无线通信机制，提高信道利用率，降低智能变电站各种网络报文的时延。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低时延的智能变电站无线通信机制，利用TDMA协议根据变电站SV和GOOSE周期报文业务需求，采用周期性公平的方法为通信网络中的所有节点分配固定时隙，用以保证周期性报文的实时性；在固定分配的时隙内，若信道空闲，则利用CSMA/CA协议引入节点优先级为突发性业务或其它不确定性业务的非周期业务节点竞争空闲信道，所述突发性业务包括闭锁业务。
进一步，固定时隙分配中，每个节点的第一个时隙为通勤时隙，用以发送同步信息，其余时隙按照节点SV和GOOSE周期报文业务需求为节点分配固定时隙，作为数据时隙传输数据报文。
进一步，根据变电站不同报文所需数据时隙数，得出节点所需时隙数，节点所需数据时隙数从低到高排列(n1,n2,n3,…,ni-1,ni)。从n1节点开始分配，采用周期性的分配算法，n1节点的时隙间隔为n2，分配完n1节点，接着分配n2，则n2节点的时隙间隔为n3，依次类推，直至所有节点的数据时隙分配完；
节点固定时隙分配时当时隙被其它节点占用时，向后移动，直至找到空闲时隙，当某个时隙根据时隙间隔移动到超出最大时隙号时，从头开始重新分配时隙，再根据时隙间隔移动；
当固定时隙分配后，节点和时隙有了对应关系，将某时隙被分配给的节点称为该时隙的周期业务节点，相应地，将节点已分配的时隙称为该节点的主时隙。
进一步，每个时隙有两个侦听时间段，周期业务节点侦听时间段，非周期业务节点侦听时间段。
进一步，固定分配的时隙，只关注周期业务节点侦听时间段，当周期业务节点时隙到来时，如果周期业务节点有数据发送，立即占据信道。
进一步，所述基于CSMA/CA协议竞争空闲信道的非周期业务节点，主要满足以下要求：当前时刻固定时隙中信道空闲，所属该时刻的周期业务节点没有数据发送；非周期业务节点时间到达侦听窗口；非周期业务节点有突发性、随机报文或其它数据发送。
进一步，所述满足要求的非周期业务节点竞争空闲信道具体包括以下步骤：
S1：节点占据第一个时隙周期性地广播Beacon帧实现网络状态同步；
S2：节点获取当前时刻；
S3：判断各个节点当前时刻是否为主时隙的周期业务节点侦听时刻，是则为周期业务节点，执行S4，否则为非周期业务节点，执行S5；
S4：判断周期业务节点是否有数据发送，有则占用信道发送数据，否则返回S2；
S5：判断各个节点当前时刻是否为非主时隙侦听时刻，是则执行S6，否则返回S2；
S6：处于侦听时刻的节点侦听，判断当前信道是否为空闲，是则执行S7，否则启动退避算法更新侦听时刻再返回S3；
S7：启动退避计算器开始倒计时，倒计时完毕，判断信道是否有被其它信道占用，是则执行S8，否则执行S9；
S8：启动退避算法，更新侦听时刻，再返回S2；
S9：占用信道发送数据，发送后启动退避算法，更新侦听时刻，再返回S2。
进一步，步骤S6、S8和S9中所述更新侦听时刻，利用下式更新：
其中，t为当前时刻，p为节点优先级，c为冲突次数，slot为时隙长度，Mnum为最大时隙数目。
进一步，如果非周期业务节点没有发送需求，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻；如果发送成功，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻，冲突次数变为0；如果产生冲突，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻。
进一步，节点的优先级根据报文类型划分，节点根据报文类型的优先级分为m个优先级，报文优先级对应节点优先级；倒计时窗口根据节点优先级依次设置为DIFS、2DIFS、3DIFS、…、mDIFS，窗口越小，越容易竞争成功。
本发明的有益效果在于：本发明一种低时延的智能变电站无线通信机制，基于TDMA协议的固定时隙按照节点的报文类型比周期性公平划分，充分考虑了智能变电站周期性网络报文的特性。基于CSMA/CA协议竞争空闲时隙，充分利用信道资源发送变电站突发性、随机性报文。
本发明还具有以下优点：
1、本发明固定时隙分配采用TDMA协议，当固定时隙空闲时，利用CSMA/CA竞争空闲时隙，提高了信道资源利用率。
2、本发明TDMA时隙根据智能变电站周期业务情况决定固定时隙的分配，合理的时隙分配保证了智能变电站端到端的时延稳定性，采用CSMA/CA根据突发性报文业务情况引入节点优先级竞争空闲时隙，保证高优先级的业务的优先传输，降低了碰撞率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例的智能变电站无线拓扑图示意图；
图2为本发明实施例的时隙分配示意图；
图3为本发明实施例的时隙结构示意图；
图4为本发明实施例的智能变电站无线网络信道分配流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一种低时延的智能变电站无线通信机制，包括基于TDMA的固定时隙分配和基于CSMA/CA的动态时隙分配。具体表现为：利用TDMA协议，根据变电站SV和GOOSE周期报文业务需求采用周期性公平分配的方法为通信网络中的所有节点分配固定时隙，保证周期性报文端到端时延的稳定性。在固定分配的时隙内，若信道空闲，在固定分配的时隙内，若信道空闲，利用CSMA/CA协议引入节点优先级为闭锁等突发性业务或者其它不确定性业务的非周期业务节点竞争空闲信道，有效提高信道利用率，并保证突发性报文或随机性报文的传递。
智能变电站过程层无线组网拓扑示意图如图1所示，网络是分布式、单跳的网络，主要传输SV报文、GOOSE报文，报文具有周期性、突发性和随机性的特性。智能变电站二次设备主要包含：合并单元、智能终端、测控装置和保护装置，无线节点传输报文实现智能变电站二次设备之间的数据共享和交互。
智能变电站无线网络中的固定时隙分配按照节点报文业务需求周期性公平划分，主要划分周期报文。用示意图1中的无线接入设备G1和无线接入设备J1对无线网络的固定时隙分配加以说明，假设G1中SV报文需要占用4个时隙，GOOSE报文需要占用1个时隙，J1中GOOSE报文需要占用2个时隙。
网络中一共有8个时隙，每个节点的第一个时隙为勤务时隙用以发送同步信息和时隙分配，后7个时隙为数据时隙，G1、J1节点的时隙数目分别为5和2。J1节点需要的时隙少，先分配J1节点，采用周期分配算法。J1节点的间隔为5，则每隔5个时隙给J1节点分配一个时隙，如图2所示，占用时隙1和6。接着分配节点G1，时隙间隔为2，时隙1和1被占用，则分配时隙2，再分配时隙4，当分配到时隙6时被占用，则后移一位，分配时隙7。此时已到最后，则从时隙1开始，一直选择到一个空时隙，按照上述方法继续分配，直到时隙分配完毕，最终时隙分配示意图如图2所示。
时隙分配后，节点和时隙有了对应关系，将某时隙被分配给的节点称为该时隙的周期业务节点，相应地，将节点已分配的时隙称为该节点的主时隙。当周期业务节点的时隙到来时，如果有数据发送，立即占据信道。若在固定分配的时隙内信道空闲且周期业务节点没有数据发送，则会出现空时隙，导致信道资源浪费。
为了充分利用信道资源，在时隙内设置两个侦听时间段，周期业务节点侦听时间段，非周期业务节点侦听时间段。固定时隙分配中只关注周期业务节点侦听时间段，周期业务节点的时隙到来时，如果有数据发送，立即占据信道。周期业务节点的主时隙出现空时隙时，非周期业务节点有权利竞争空闲时隙。
本发明的TDMA时隙结构如图3所示。
非周期业务节点侦听时间段，非周期业务节点基于CSMA/CA协议竞争空闲时隙，充分利用信道资源发送变电站突发性、随机性报文。在空闲时隙中，满足以下要求的非周期业务节点可以竞争信道：当前时刻固定时隙中信道空闲，所属该时刻的周期业务节点没有数据发送；非周期业务节点时间到达侦听窗口；非周期业务节点有突发性、随机报文或其它数据发送。
满足条件的非周期业务节点启动退避计数器开始倒计时，倒计时完毕时，判断是否有其它节点要占用信道，若被其它节点占用，则采用退避算法更新侦听时刻，否则占用信道发送数据，发送成功后跟新下一侦听时刻。
根据变电站无线网络的特性，采用了基于节点优先级和冲突次数的退避算法。智能变电站无线网络中节点内报文优先级不同，报文流量不一样，报文的重要性不一样，相应的节点的重要性也不一样。
退避算法更新下一侦听时刻的具体方法为：
利用下式更新侦听时刻：
其中，t为当前时刻，p为节点优先级，c为冲突次数，slot为时隙长度，Mnum为最大时隙数目。
如果非周期业务节点没有发送需求，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻。如果发送成功，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻，冲突次数变为0。如果产生冲突，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻。
节点的优先级根据报文类型划分，比如闭/解锁、联动命令优先级为4，定值、录波、事件记录和文件优先级为2，节点根据报文类型的优先级分为1、2、3、4，报文优先级对应节点优先级。倒计时窗口依次为DIFS、2DIFS、3DIFS和4DIFS，窗口越小，越容易竞争成功。
参照图4对上述基于TDMA与CSMA/CA混合的智能变电站无线通信机制进行说明，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：节点占据第一个时隙周期性地广播Beacon帧实现网络状态同步；
步骤二：节点获取当前时刻；
步骤三：判断各个节点当前时刻是否为主时隙的周期业务节点侦听时刻，是则为周期业务节点，执行步骤四，否则为非周期业务节点，执行步骤五；
步骤四：判断周期业务节点是否有数据发送，有则占用信道发送数据，否则反正步骤二；
步骤五：判断各个节点当前时刻是否为非主时隙侦听时刻，是则执行步骤六，否则返回步骤二；
步骤六：处于侦听时刻的节点侦听，判断当前信道是否为空闲，是则执行步骤七，否则启动退避算法跟新侦听时刻再返回步骤二；
步骤七：启动退避计算器开始倒计时，倒计时完毕，判断信道是否有被其它信道占用，是则执行步骤八，否则执行步骤九；
步骤八：启动退避算法，更新侦听时刻，再返回步骤二；
步骤九：占用信道发送数据，发送后启动退避算法，更新侦听时刻，再返回步骤二。
综上所述，本方案结合智能变电站无线网络特性，旨在利用TDMA协议为通信网络中的所有节点分配固定时隙，保证周期性报文端到端时延的稳定性，利用CSMA协议引入节点优先级为闭锁等突发性业务或者其它不确定性业务的非周期业务节点竞争空闲信道，提高的信道利用率。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：利用TDMA协议根据变电站SV和GOOSE周期报文业务需求，采用周期性公平的方法为通信网络中的所有节点分配固定时隙，用以保证周期性报文的实时性；在固定分配的时隙内，若信道空闲，则利用CSMA/CA协议引入节点优先级为突发性业务或其它不确定性业务的非周期业务节点竞争空闲信道，所述突发性业务包括闭锁业务。
2.根据权利要求1所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：固定时隙分配中，每个节点的第一个时隙为通勤时隙，用以发送同步信息，其余时隙按照节点SV和GOOSE周期报文业务需求为节点分配固定时隙，作为数据时隙传输数据报文。
3.根据权利要求2所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：根据变电站不同报文所需数据时隙数，得出节点所需时隙数，节点所需数据时隙数从低到高排列(n1,n2,n3,…,ni-1,ni)；从n1节点开始分配，采用周期性的分配算法，n1节点的时隙间隔为n2，分配完n1节点，接着分配n2，则n2节点的时隙间隔为n3，依次类推，直至所有节点的数据时隙分配完；
节点固定时隙分配时当时隙被其它节点占用时，向后移动，直至找到空闲时隙，当某个时隙根据时隙间隔移动到超出最大时隙号时，从头开始重新分配时隙，再根据时隙间隔移动；
当固定时隙分配后，节点和时隙有了对应关系，将某时隙被分配给的节点称为该时隙的周期业务节点，相应地，将节点已分配的时隙称为该节点的周期主时隙。
4.根据权利要求3所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：每个时隙有两个侦听时间段，周期业务节点侦听时间段，非周期业务节点侦听时间段。
5.根据权利要求3所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：固定分配的时隙，只关注周期业务节点侦听时间段，当周期业务节点时隙到来时，如果周期业务节点有数据发送，立即占据信道。
6.根据权利要求1所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：所述基于CSMA/CA协议竞争空闲信道的非周期业务节点，主要满足以下要求：当前时刻固定时隙中信道空闲，所属该时刻的周期业务节点没有数据发送；非周期业务节点时间到达侦听窗口；非周期业务节点有突发性、随机报文或其它数据发送。
7.根据权利要求6所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：所述满足要求的非周期业务节点竞争空闲信道具体包括以下步骤：
S1：节点占据第一个时隙周期性地广播Beacon帧实现网络状态同步；
S2：节点获取当前时刻；
S3：判断各个节点当前时刻是否为主时隙的周期业务节点侦听时刻，是则为周期业务节点，执行S4，否则为非周期业务节点，执行S5；
S4：判断周期业务节点是否有数据发送，有则占用信道发送数据，否则返回S2；
S5：判断各个节点当前时刻是否为非主时隙侦听时刻，是则执行S6，否则返回S2；
S6：处于侦听时刻的节点侦听，判断当前信道是否为空闲，是则执行S7，否则启动退避算法更新侦听时刻再返回S3；
S7：启动退避计算器开始倒计时，倒计时完毕，判断信道是否有被其它信道占用，是则执行S8，否则执行S9；
S8：启动退避算法，更新侦听时刻，再返回S2；
S9：占用信道发送数据，发送后启动退避算法，更新侦听时刻，再返回S2。
8.根据权利要求7所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：步骤S6、S8和S9中所述更新侦听时刻，利用下式更新：
其中，t为当前时刻，p为节点优先级，c为冲突次数，slot为时隙长度，Mnum为最大时隙数目。
9.根据权利要求8所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：如果非周期业务节点没有发送需求，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻；如果发送成功，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻，冲突次数变为0；如果产生冲突，处于侦听时刻的非周期业务节点执行函数，更新下一侦听时刻。
10.根据权利要求8所述的低时延的智能变电站无线通信机制，其特征在于：节点的优先级根据报文类型划分，节点根据报文类型的优先级分为m个优先级，报文优先级对应节点优先级；倒计时窗口根据节点优先级依次设置为DIFS、2DIFS、3DIFS、…、mDIFS，窗口越小，越容易竞争成功。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190329 |