CN111049759B - 减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法和系统，包括以下步骤：1)根据业务信号的重要程度确定所述业务信号的优先级；2)设定各所述优先级对应的所述业务信号帧长度，并将所述业务信号整形为所述业务信号帧长度的若干业务信号帧；3)根据业务信号的优先级，将经过整形的所述业务信号帧进行送出控制处理。其通过优化资源调配策略，减小时延，缩减时延抖动的不确定性，保证风力发电场数据网络端到端关键业务信号流量时延控制的准时与准确，实时应对风电机组出力功率的波动性和随机性，有力支撑风电的大规模并网和高发电渗透率。
Description
技术领域
本发明是关于一种减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法和系统，属于风力发电技术领域。
背景技术
电力工业控制业务信号网络交换机或网络交换机模块属于一种风电场网络内节点设备。网络通信传输节点时延是指一个报文或分组或包或帧从一个网络/设备的输入端进入到输出端送出所需要的时间，包括接收时延、发送时延、处理时延、排队时延。
以太网传输基于统计复用原理，其网络传输时延与网络资源利用效率之间具有“S”曲线关系，即小的网络传输时延必然要求低的网络资源利用效率，高的网络资源利用效率必然会导致大的网络传输时延；小颗粒的短帧其网络传输时延小但信道利用率低，大颗粒的长帧其网络传输时延大但信道利用率高。所以，需要根据不同的应用需求，对传输网络采用不同的优化方法和策略。
CSMA/CD用于有线网络。CSMA/CD协议是一种分布式争用型的介质访问控制协议，位于ISO标准OSI模型七层中的第二层：数据链路层，传输媒介访问冲突的退避极限(Backoff Limit)取值为10次。其工作原理是：发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据；在发送数据时，边发送边继续监听；若监听到冲突，则立即停止发送数据；等待一段随机时间，再重新尝试；尝试16次后放弃。其原理可以简单总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。CSMA/CD协议的优点是：原理比较简单，技术上易实现；缺点是时延和时延抖动随机不确定且对重负载敏感。
WhiteRabbit(WR)时钟同步技术是一种基于标准以太网的亚纳秒时钟同步技术，由欧洲核子研究组织(CERN)于2008年提出，其设计初衷是解决加速器的同步控制问题。技术将以太网作为数据传输的物理层，兼容现有标准，即以太网IEEE 802.3、同步以太网以及PTP协议，解决了IEEE 1588协议中限制时钟同步精度的主要问题，将时钟同步精度由微秒量级提高到亚纳秒量级。时间基准能够从中央位置向多个节点传输，传输准确度优于1ns，传输精度优于50ps，能够同时为1000多个节点服务，时间同步距离超过10公里。WhiteRabbit技术支持多节点(>1000)、长距离(10km)的频率分配和时间同步，旨在实现好于100ps的同步精度和亚纳秒同步准确度，目前应用于欧洲核子研究中心项目、平方公里阵列望远镜项目等。
随着人类对能源需求越来越大，以及传统能源如煤炭、石油等日益枯竭，人们对新能源，尤其是太阳能、风能等可再生能源的关注度越来越高。以光伏、风力等新能源为主的分布式电源具有随机性、波动性等电能输出特点，同时因分布式电源接入点数量众多、分布广泛及接入规约繁杂，造成整个电力系统同步运行可靠性低，时钟及时延可信度差，严重制约分布式能源系统的调控效率和质量。
风速和风向的时变性、波动性和随机性决定了风电机组的出力天然具有波动性和随机性。尤其是在秒级、分钟级、小时级和日内等短时间尺度内，风电场功率的变化幅度明显高于同时段的负荷变化幅度。因此风电的大规模并网和高发电渗透率必然对电力系统运行中的发电调度、频率控制、电压安全、电能质量控制以及运行经济性等带来全面的影响。风电场的运行、控制、维护、并网等特殊性对其数据网络的时延提出了特殊要求。风力发电场调控网络的关键业务信号质量对其端到端的传输时延尤其敏感。
所以，面对风力发电场场控层网络、SCADA系统、平方公里级风机阵列调控网络、风机阵列集群的数据传输网络的关键业务信号质量对其端到端通信的时延和抖动的苛刻要求问题，现有技术并没有提出现实、可靠的解决办法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法和系统，其大幅减小风力发电场数据网络中最高优先级业务信号的最大时延和累计最大时延，大幅缩减其时延变化范围，进而大幅减小风力发电场数据网络中最高优先级业务信号的时延抖动。
为实现上述目的，本发明提供了一种减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，包括以下步骤：1)根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级；业务信号的优先级包括：在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内部，IEEE 802.1p MAC层帧去除头部和尾部，留下IEEE 802.1p MAC层帧的有效负载作为被承载业务信号，被承载业务信号比特流经过交叉连接交换网络部件，按照业务信号的端到端的时延要求对业务信号的优先级进行排序，区分出4个并行的比特流队列，分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块缓存器中4个并行的FIFO逻辑的高速存储器内，业务信号的端到端的时延要求，要求端到端的时延最小的业务信号优先级最高，要求端到端的时延最宽松或无要求的业务信号优先级最低，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列和最低优先级的队列；对于风力发电场数据网络中的业务信号而言，最高优先级队列包含IEC 61850的GOOSE、SV信号和/或IEC60870-5-101信号；次高优先级队列包含IEC 61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103信号；中等优先级包含IEC 61850的SNTP、IEC60870-5-102信号、RS-232和/或RS-485信号；最低优先级队列包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104信号；2)设定各优先级对应的业务信号帧长度，并将业务信号整形为业务信号帧长度的若干业务信号帧；3)根据业务信号的优先级，将经过整形的业务信号帧进行送出控制处理。
进一步，送出控制处理优先送出优先级高的业务信号帧，以减少关键业务信号的时延。
进一步，步骤2)具体包括以下步骤：2.1)设定各优先级对应信号帧长度，设第i优先级在长度整形前与长度整形后的长度分别为Ai与Pi，i＝1时对应最高优先级，i＝2时对应次高优先级，i＝3时对应中等优先级，i＝4时对应最低优先级；2.2)将业务信号整形为具有业务信号帧长度的若干信号帧，具体包括：2.2.1)定义Ai÷Pi的整数部分为Ni、余数为Bi，包括3种情况：2.2.1.1)当Ni＝1时，无需对第i优先级的业务信号进行拆分，而且无需填充0字节；第i优先级的业务信号帧直接作为长度整形后的第i优先级的信号帧队列；2.2.1.2)当Ai能被Pi整除，且Ni≠1的情况下，将长度为Ai字节的第i优先级业务信号拆分出Ni个Pi字节长度的信号帧，按照从最低有效字节开始到第i有效字节的顺序进行拆分，而且无需填充0字节；第i优先级的业务信号拆分为Ni个长度为Pi字节的信号帧作为长度整形后的第i优先级的信号帧队列；2.2.1.3)当Ai不能被Pi整除时，按照从最低有效字节开始到第i有效字节的顺序进行拆分，将长度为Ai字节的第i优先级的业务信号拆分为Ni个长度为Pi字节的信号帧和1个长度为Bi字节的信号帧，并对长度为Bi字节的帧填充Pi-Bi个0字节，得到1个长度为Pi字节长度的信号帧，填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节的顺序填充；原长度为Ai字节的第i优先级的信号拆分为Ni个未填充0字节的Pi字节长度的信号帧和1个填充了0字节的Pi字节长度的信号帧，形成Ni+1个长度为Pi字节长度的帧；Ni+1个Pi字节长度的信号帧作为长度整形后的第i优先级信号帧队列。
进一步，最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级对应的整形长度依次增大，且各优先级的整形长度由不同的风电场网络速率确定。
进一步，步骤3)具体包括如下步骤：3.1)判别存储器组中最高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为6次，并将信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；3.2)判别存储器组中次高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应次高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为8次，并将信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；
3.3)判别存储器组中中等优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应中等优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为10次，并将信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；3.4)判别存储器组中最低优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最低优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为12次，并将信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；3.5)间隔1个时间片的时间后，返回步骤3.1。
进一步，1个时间片为512比特时间。
进一步，将信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，其中，以太网类型/长度即“EtherType/Size”字段取值，用于标记4种优先级的信号帧长度的“EtherType/Size”字段十六进制取值公式为：8.1)最高优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A1的十六进制值+A000；8.2)次高优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A2的十六进制值+B000；8.3)中等优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A3的十六进制值+C000，8.4)最低优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A4的十六进制值+D000。
本发明还公开了一种减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化系统，包括：优先级确定模块，用于根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级；业务信号的优先级包括：在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内部，IEEE 802.1p MAC层帧去除头部和尾部，留下IEEE 802.1p MAC层帧的有效负载作为被承载业务信号，被承载业务信号比特流经过交叉连接交换网络部件，按照业务信号的端到端的时延要求对业务信号的优先级进行排序，区分出4个并行的比特流队列，分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块缓存器中4个并行的FIFO逻辑的高速存储器内，业务信号的端到端的时延要求，要求端到端的时延最小的业务信号优先级最高，要求端到端的时延最宽松或无要求的业务信号优先级最低，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列和最低优先级的队列；对于风力发电场数据网络中的业务信号而言，最高优先级队列包含IEC 61850的GOOSE、SV信号和/或IEC60870-5-101信号；次高优先级队列包含IEC 61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103信号；中等优先级包含IEC 61850的SNTP、IEC60870-5-102信号、RS-232和/或RS-485信号；最低优先级队列包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104信号；信号整形模块，用于设定各优先级对应的业务信号帧长度，并将业务信号整形为业务信号帧长度的若干业务信号帧；信号送出控制模块，用于根据业务信号的优先级，将经过整形的业务信号帧进行送出控制处理
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下7点有益效果：
1、根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级，本发明业务信号优先级排队，通过IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内3比特的PCP(即Priority Code Point，优先权代码点)字段取值，定义以下4个优先级的业务信号流量类型，最高优先级为5(即PCP的3比特为“101”)，包含IEC 61850的GOOSE和SV业务信号，以及和/或IEC60870-5-101业务信号；次高优先级为4(即PCP的3比特为“100”)，包含IEC 61850的IEEE1588 V2和/或IEC60870-5-103业务信号；中等优先级为2(即PCP的3比特为“010”)，包含IEC 61850的SNTP和/或IEC60870-5-102业务信号，以及和/或RS-232和RS-485业务信号；最低优先级为1(即PCP的3比特为“000”)包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104业务信号；风力发电场数据网络中，最高优先级和次高优先级指定为关键业务信号流量类型，通过优先级过滤与优先抢占机制，减小关键业务时延，缩减关键业务时延抖动的不确定性，保证风力发电场数据网络端到端关键业务信号流量时延控制的准时与准确，实时应对风电机组出力功率天然具有的波动性和随机性，及时降低秒级、分钟级风电功率扰动的不利影响，有力支撑风电的大规模并网和高发电渗透率。
2、统计复用的以太网通信，短小数据帧的传输具有低时延且低时延抖动的数据传输特性，降低时延抖动能提高数据传输的可靠性与可用性。确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧”，本发明业务信号帧长度整形，对应最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级的风力发电场数据网络中的业务信号的信号帧长度P1、P2、P3、P4具体示例如下：
1)针对10Mpbs速率的风电场网络，较小的网络速率需要高的网络资源利用效率，而高的网络资源利用效率必然会导致大的网络传输时延，通过乘性的几何级数关系，整形业务信号帧长度来减小关键业务时延，4个等级的优先级的业务信号帧长度分别整形为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝256bytes、P4＝512bytes；
2)针对100Mpbs速率的风电场网络，减小关键业务时延同时需兼顾较大的网络吞吐率，4个等级的优先级的业务信号帧长度分别整形为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝512bytes、P4＝1472bytes；
3)针对1000Mpbs及其以上速率的风电场网络，通过加性的算术级数关系，整形业务信号帧长度来减小关键业务时延，该4个等级的优先级的业务信号帧长度分别整形为P1＝704bytes、P2＝960bytes、P3＝1216bytes、P4＝1472bytes。的业务信号帧长度整形，能缩短风电场数据传输网络中最高优先级与次高优先级为代表的关键业务信号数据的传输时延，减小其传输时延抖动。进而，保证大型风力发电场关键业务信号数据的实时性、可靠性与可用性，优化风力发电场的调度、控制与运行特性。
3、根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理,本发明信号帧进行送出控制处理，对应最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级的CSMA/CD协议退避极限(Back off Limit)上限取值分别为6次、8次、10次、12次。当尝试极限(AttemptLimit)为16次的情况下，相对于CSMA/CD协议退避极限(Back off Limit)上限取值标准10次(即中等优先业务信号帧的CSMA/CD协议退避极限上限取值)而言，最高优先级业务信号帧的最大时延缩小90.39％(即最高优先级业务信号帧的最大时延为9.61％的中等优先级业务信号帧的最大时延)，次高优先级业务信号帧的最大时延缩小68.02％(即次高优先级业务信号帧的最大时延为31.98％的中等优先级业务信号帧的最大时延)，最低优先级业务信号帧的最大时延增大186.16％(即最低优先级业务信号帧的最大时延为286.16％的中等优先级业务信号帧的最大时延)。
4、根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理,本发明信号帧进行送出控制处理，当出现CSMA/CD协议取退避极限(Back off Limit)上限值的情况下，相对于CSMA/CD协议退避极限(Back off Limit)上限取值标准10次(即中等优先业务信号帧的CSMA/CD协议退避极限上限取值)而言，最高优先级业务信号帧(CSMA/CD协议退避极限上限取值为6次)的统计遍历累计最大时延缩小94.11％(即最高优先级业务信号帧的累计最大时延为5.89％的中等优先级业务信号帧的统计遍历累计最大时延)，次高优先级业务信号帧(CSMA/CD协议退避极限上限取值为8次)的统计遍历累计最大时延缩小75.34％(即次高优先级业务信号帧的统计遍历累计最大时延为24.66％的中等优先级业务信号帧的统计遍历累计最大时延)，最低优先级业务信号帧(CSMA/CD协议退避极限上限取值为12次)的统计遍历累计最大时延增大301.67％(即最低优先级业务信号帧的统计遍历累计最大时延为401.67％的中等优先级业务信号帧的统计遍历累计最大时延)。
5、根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理,本发明信号帧进行送出控制处理中IEEE 802.1p MAC层帧内，以太网类型/长度即“EtherType/Size”字段取值与承载数据即“Payload”字段是否被拆分或/和有无被填充“0”字节之间，具有一对一的确定关系；取值公式为，最高优先级业务信号帧的“EtherType/Size”(十六进制)＝“Payload字段长度”(十六进制)+A000(十六进制)，次高优先级业务信号帧的“EtherType/Size”(十六进制)＝“Payload字段长度”(十六进制)+B000(十六进制)，中等优先级业务信号帧的“EtherType/Size”(十六进制)＝“Payload字段长度”(十六进制)+C000(十六进制)，最低优先级业务信号帧的“EtherType/Size”(十六进制)＝“Payload字段长度”(十六进制)+D000(十六进制)。所以，在发送端，根据“Payload字段”是否被拆分或/和有无被填充“0”字节的情况，能确定“EtherType/Size”字段取值；在接收端，根据“EtherType/Size”字段取值，能确定“Payload字段”是否被拆分或/和有无被填充“0”字节的情况。
若在接收端IEEE 802.1p MAC层帧的“EtherType/Size”字段取值为A5C0(十六进制)，表明该帧为最高优先级业务信号帧，风力发电场调控网络中的业务信号最高优先级为5(即IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内优先权代码点即Priority Code Point缩写为PCP的3比特为“101”)，“Payload字段”包含IEC 61850的GOOSE和SV业务信号，以及和/或IEC60870-5-101业务信号,该业务信号长度A1为5C0(十六进制)即1472(十进制)。则P1＝64字节，N1＝1472÷64＝23(十进制)，发送端原Payload字段拆分为23个长度为64字节的帧，拆分顺序按照从最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始到最高有效字节(MostSignificant Byte，MSB)的顺序，而且均无需填充“0”。
若在接收端IEEE 802.1p MAC层帧的“EtherType/Size”字段取值为B5C0(十六进制)，表明该帧为次高优先级业务信号帧(包含IEC 61850的IEEE1588V2，以及和/或IEC60870-5-103业务信号),该业务信号长度A2为5C0(十六进制)即1472(十进制)。则1472÷128＝11.5(十进制)，(1472÷128)商的整数部分为N2＝11，(1472÷128)得余数为B2(即B2＝A2-N2×128＝1472-11×128＝64)字节。发送端原Payload字段拆分公式为11个128bytes和1个<128bytes部分，拆分顺序按照从最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始到最高有效字节(Most Significant Byte，MSB)的顺序，第12个长度128bytes的帧中高有效字节部分填充了(128-B2)＝(128-64)＝64个0字节。所以,第12个长度128bytes的帧中只有最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始的64bytes为发送端原Payload字段较高有效字节(Higher Significant Byte，MSB)部分。
若在接收端IEEE 802.1p MAC层帧的“EtherType/Size”字段取值为C5C0(十六进制)，表明该帧为中等优先级业务信号帧(包含IEC 61850的SNTP和/或IEC60870-5-102信号以及和/或RS-232和RS-485信号),该业务信号长度A3为5C0(十六进制)即1472(十进制)。则1472÷512＝2.875(十进制)，(1472÷512)商的整数部分为N3＝2，(1472÷512)得余数为B3(即B3＝A3-N3×512＝1472-2×512＝448)字节。发送端原Payload字段拆分公式为[N3]＝2个512bytes和1个<512bytes部分，拆分顺序按照从最低有效字节(Least SignificantByte，LSB)开始到最高有效字节(Most Significant Byte，MSB)的顺序，第3个长度512bytes的帧中高有效字节部分填充了(128-B3)＝(512-448)＝64个0字节。所以,第3个长度为512bytes的帧中只有最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始的448bytes为发送端原Payload字段较高有效字节(Higher Significant Byte，MSB)部分。
若在接收端IEEE 802.1p MAC层帧的“EtherType/Size”字段取值为D5C0(十六进制)，表明该帧为最低优先级业务信号帧(包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104信号),该业务信号长度A4为5C0(十六进制)即1472(十进制)。则1472÷1472＝1(十进制)，N4＝1，B4＝0，发送端原Payload字段无拆分、无填充0字节。风力发电场调控网络中的业务信号最低优先级为1(即IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内优先权代码点即PriorityCode Point缩写为PCP的3比特为“000”，为默认值)“Payload字段”包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104业务信号。
因此，本发明方法通过启用IEEE 802.1p MAC层帧中“EtherType/Size”字段未使用A000(十六进制)至DFFF(十六进制)区间的赋值，保证了业务信号帧长度整形方法端到端通信过程中的确定性，发送端与接收端之间信号传输的一对一映射关系。同时，充分发挥了IEEE 802.1p MAC层帧的标准化与通用性，能适应于以太网通信，具有工程实用性。
6、本发明方法具有以下有益效果，大幅减小风力发电场数据网络中最高优先级业务信号(包含IEC 61850的GOOSE和SV业务信号和/或IEC60870-5-101业务信号)的最大时延和累计最大时延，大幅缩减其时延变化范围，进而大幅减小风力发电场数据网络中最高优先级业务信号的时延抖动；减小风力发电场数据网络中次高优先级业务信号(包含IEC61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103业务信号)的最大时延和累计最大时延，缩减其时延变化范围，进而减小风力发电场数据网络中次高优先级业务信号的时延抖动。
7、从整体效果方面而言，风电场数据传输网络关键业务信号数据的优先级过滤、低时延且低时延抖动的短小数据帧、CSMA/CD协议退避极限(Back off Limit)上限取值等的优化处理方法，能实现风电场关键业务信号数据的低时延且低时延抖动的数据传输，降低时延抖动能提高数据传输的可靠性与可用性，保证大型风力发电场关键业务信号数据的实时性、可靠性与可用性，尤其是平方公里级以上风机阵列的海上风电场远程集群控制、智能运维，优化海上风电调度、控制与运行特性，提高低压穿越(LOW Voltage Ride Through,LVRT)能力，改善电力系统的电气暂态性能、避免过流或者过压。进而，在发电调度、频率控制、电压安全、电能质量控制以及运行经济性等方面提升电网品质与性能，促进风力发电的大规模并网和高发电渗透率，解决能源短缺和环境污染问题，推进可持续利用且可再生的清洁能源发展，本发明方法都具有实际应用意义和有益效果。
附图说明
图1为本发明一实施例中减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法的流程图；
图2为本发明一实施例中最高优先级的信号帧长度整形方法的流程图；
图3为本发明一实施例中次高优先级的信号帧长度整形方法的流程图；
图4为本发明一实施例中中等优先级的信号帧长度整形方法的流程图；
图5为本发明一实施例中最低优先级的信号帧长度整形方法的流程图；
图6为本发明一实施例中信号帧送出控制处理方法的流程图；
图7为本发明一实施例中减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法的实现方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
本实施例公开了减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，如图1所示，包括以下步骤：1)根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级；2)确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧；3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理。本发明通过优先级过滤与优先抢占机制，减小关键信号时延，缩减关键信号时延抖动的不确定性，保证风力发电场数据网络端到端关键信号流量时延控制的准时与准确，实时应对风电机组出力功率的波动性和随机性，及时降低秒级、分钟级风电功率扰动的不利影响，有力支撑风电的大规模并网和高发电渗透率；尤其是平方公里级以上风机阵列的海上风电场远程集群控制、智能运维，优化海上风电调度、控制与运行特性，提高低压穿越能力，改善电力系统的电气暂态性能、避免过流或者过压；进而，在发电调度、频率控制、电压安全、电能质量控制以及运行经济性等方面提升电网品质与性能，促进风力发电的大规模并网和高发电渗透率，解决能源短缺和环境污染问题，推进可持续利用且可再生的清洁能源发展。
步骤1)根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级具体包括：
在网络交换机或网络交换机模块内部的输出部分内侧，业务信号的比特流经过交叉连接交换网络部件，区分出4个并行的比特流队列；将4个并行的比特流队列按照业务信号的重要程度对业务信号的优先级进行排序。优先级由高到低分别是最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级。该最高优先级队列、次高优先级队列和最低优先级队列分别存储在存储器组中4个并行的FIFO(First Input First Output)高速存储器内。
其中，对于风力发电场数据网络中的业务信号而言，最高优先级队列包含IEC61850的GOOSE和SV信号以及和/或IEC60870-5-101信号，次高优先级队列包含IEC61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103信号，中等优先级包含IEC 61850的SNTP和/或IEC60870-5-102信号以及和/或RS-232和RS-485信号，最低优先级队列包含IEC61850的MMS和/或IEC60870-5-104信号。
步骤2)确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为该信号帧长度的若干信号帧，具体步骤如下：
首先，确定各优先级对应信号帧长度，即设最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级的信号帧长度分别为P1字节、P2字节、P字节、P4字节。例如对于10Mpbs速率的风电场网络最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级的信号帧长度分别为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝256bytes、P4＝512bytes；对于100Mpbs速率的风电场网络最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级的信号帧长度分别为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝512bytes、P4＝1472bytes；对于1000Mpbs及其以上速率的风电场网络，如1000Mpbs和10Gpbs的速率，最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级的信号帧长度分别为P1＝704bytes、P2＝960bytes、P3＝1216bytes、P4＝1472bytes。
其次，将业务信号整形为该信号帧长度的若干信号帧，具体包括：
如图2所示，对于，最高优先级信号长度为A1字节，定义N1＝A1/P1，即A1除P1的商为N1；
当N1＝1时，无需对该最高优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原该最高优先级业务信号帧直接作为长度整形后的最高优先级信号帧队列；
当A1能被P1整除时，即当N1为正整数时，且N1≠1的情况下，将该长度为A1字节的最高优先级业务信号拆分出N1个P1字节长度的信号帧，按照从最低有效字节(LeastSignificant Byte，LSB)开始到最高有效字节(Most Significant Byte，MSB)的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；原该最高优先级业务信号拆分为N1个P1字节长度的信号帧作为长度整形后的最高优先级信号帧队列。
当A1不能被P1整除时，假设A1除以P1得商的整数部分为N1，A1除以P1的余数为B1(即B1＝A1-N1×P1)字节，将长度为A1字节的该最高优先级业务信号拆分为N1个P1字节长度的信号帧和1个长度为B1字节的信号帧，按照从最低有效字节开始到最高有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将长度为B1字节的信号帧标记信号帧长度，并对长度为B1字节的帧填充(P1-B1)个0字节，得到1个长度为P1字节长度的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。原长度为A1字节的该最高优先级信号拆分为N1个未填充0字节的P1字节长度的信号帧和1个填充了0字节的P1字节长度的信号帧，形成(N1+1)个长度为P1字节长度的帧。该(N1+1)个P1字节长度的信号帧作为长度整形后的最高优先级信号帧队列。
如图3所示，对于，次高优先级信号长度为A2字节，定义N2＝A2/P2，即A2除P2的商为N2；
当N2＝1时，无需对该次高优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原该次高优先级业务信号帧直接作为长度整形后的次高优先级信号帧队列；
当A2能被P2整除时，即当N2为正整数时，且N2≠1的情况下，将长度为A2字节的该次高优先级业务信号拆分出N2个P2字节长度的信号帧，按照从最低有效字节开始到次高有效字节的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；原该次高优先级业务信号拆分为N2个P2字节长度的信号帧作为长度整形后的次高优先级信号帧队列。
当A2不能被P2整除时，假设A2除以P2得商的整数部分为N2，A2除以P2的余数为B2(即B2＝A2-N2×P2)字节，将长度为A2字节的该次高优先级业务信号拆分为N2个P2字节长度的信号帧和1个长度为B2字节的信号帧，按照从最低有效字节开始到次高有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将长度为B2字节的信号帧标记信号帧长度，并对长度为B2字节的帧填充(P2-B2)个0字节，得到1个长度为P2字节长度的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。原长度为A2字节的该次高优先级信号拆分为N2个未填充0字节的P2字节长度的信号帧和1个填充了0字节的P2字节长度的信号帧，形成(N2+1)个长度为P2字节长度的帧。该(N2+1)个P2字节长度的信号帧作为长度整形后的次高优先级信号帧队列。
如图4所示，对于，中等优先级信号长度为A3个字节，定义N3＝A3/P3，即A3除P3的商为N3；
当N3＝1时，无需对该中等优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原该中等优先级信号帧直接作为长度整形后的中等优先级信号帧队列；
当A3能被P3整除时，即当N3为正整数时，且N3≠1的情况下，将长度为A3字节的该中等优先级信号拆分出N3个P3字节长度的信号帧，按照从最低有效字节开始到中等有效字节的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；原该中等优先级信号拆分为N3个P3字节长度的信号帧作为长度整形后的中等优先级信号帧队列。
当A3不能被P3整除时，假设A3除以P3得商的整数部分为N3，A3除以P3的余数为B3(即B3＝A3-N3×P3)字节，将长度为A3字节的该中等优先级信号拆分为N3个P3字节长度的信号帧和1个长度为B3字节的信号帧，按照从最低有效字节开始到中等有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将长度为B3字节的信号帧标记信号帧长度，并对长度为B3字节的帧填充(P3-B3)个0字节，得到1个长度为P3字节长度的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。原长度为A3字节的该中等优先级信号拆分为N3个未填充0字节的P3字节长度的信号帧和1个填充了0字节的P3字节长度的信号帧，形成(N3+1)个长度为P3字节长度的帧。该(N3+1)个P3字节的信号帧作为长度整形后的中等优先级信号帧队列。
如图5所示，对于，最低优先级信号长度为A4个字节，定义N4＝A4/P4，即A4除P4的商为N4；
当N4＝1时，无需对该最低优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原该最低优先级信号帧直接作为长度整形后的最低优先级信号帧队列；
当A4能被P4整除时，即当N4为正整数时，且N4≠1的情况下，将长度为A4字节的该最低优先级信号拆分出N4个P4字节长度的信号帧，按照从最低有效字节开始到最低有效字节的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；原该最低优先级信号拆分为N4个P4字节长度的信号帧作为长度整形后的最低优先级信号帧队列。
当A4不能被P4整除时，假设A4除以P4得商的整数部分为N4，A4除以P4的余数为B4(即B4＝A4-N4×P4)字节，将长度为A4字节的该原最低优先级信号拆分为N4个P4字节长度的信号帧和1个长度为B4字节的信号帧，按照从最低有效字节开始到最低有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将长度为B4字节的信号帧标记信号帧长度，并对长度为B4字节的帧填充(P4-B4)个0字节，得到1个长度为P4字节长度的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。原长度为A4字节的该最低优先级信号拆分为N4个未填充0字节的P4字节长度的信号帧和1个填充了0字节的P4字节长度的信号帧，形成(N4+1)个长度为P4字节长度的帧。该(N4+1)个P4字节长度的信号帧作为长度整形后的最低优先级信号帧队列。
步骤3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理。
分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内部的缓存器组中4个并行的比特流队列，分别是最高优先级的信号队列、次高优先级的信号队列、中等优先级的信号队列、最低优先级的信号队列，这4个并行的Payload字段，使用“3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理”，组装为IEEE 802.1p MAC层帧，采用CSMA/CD协议，从网络交换机或网络交换机模块，向传输媒介送出带帧间隔的物理层帧。
如图6所示，具体包括如下步骤：
3.1判别存储器组中最高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限(Back off Limit)设置为6次，并将该信号帧封装为IEEE802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.2。
3.2判别存储器组中次高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应次高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为8次，并将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.3。
3.3判别存储器组中中等优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应中等优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为10次，并将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.4。
3.4判别存储器组中最低优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最低优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为12次，并将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.5。
3.5间隔1个时间片的时间后，返回步骤3.1。时间片为512比特(即64bytes)时间(Slot Time)，对应10Mpbs、100Mpbs、1000Mpbs、10Gpbs、100Gpbs速率的风电场网络的1个时间片的时间分别为51.2μs、5.12μs、0.512μs、51.2ns、5.12ns。
进一步说明包括：
首先将长度为P1字节的最高优先级的信号帧、长度为P2字节的次高优先级的信号帧、长度为P3字节的中等优先级的信号帧和长度为P4字节的最低优先级的信号帧组装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式。
从IOS标准ISO七层模型的最底层-物理层的视角，IEEE 802.1p MAC层帧格式包括3部分，即头部物理层的字段(8字节)、中间的IEEE 802.1p MAC层帧(64—1522字节)、尾部的帧之间的间隔(12字节)。
尾部的帧之间的间隔(12Bytes)，是相邻帧之间的间隔。
头部物理层的字段包括前导码(Preamble，Pre)和帧开始符(Start-of-FrameDelimiter，SFD)，都属于物理层的字段。前导码为7字节，每个字节的比特模式为“10101010”，其作用是实现收发双方的时钟同步，前导码字段中1和0交互使用，接收站通过该字段检测导入帧，并且该字段提供了同步化接收物理层帧接收部分和导入比特流的方法。帧开始符为1字节，即比特模式为“10101011”，其作用是指示一帧的开始，字段中1和0交互使用，结尾是两个连续的1，表示下一位是利用目的地址的重复使用字节的重复使用位。
中间的IEEE 802.1p MAC层帧(64-1522字节)，包括6部分，即宿MAC地址(6字节)、源MAC地址(6字节)、802.1Q头字段字段(4字节)、以太网类型/长度(即“EtherType/Size”字段，2字节)、信号(即“Payload”字段，42-1500字节)、循环冗余校验/帧校验序列(4字节)，属于ISO七层模型的第二层：数据链路层中MAC子层的字段。
宿MAC地址(6字节)即目的地址字段DA占6个字节，其作用是标识接收站点的地址，它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址。源MAC地址(6字节)即源地址字段SA占6个字节，其作用是标识发送站点的地址，但它的长度必须与目的地址字段长度相同。
802.1Q头字段字段(4字节)包括2部分：标签协议识别符(2字节)、标签控制信息字段(2字节)。标签协议识别符是一组16位的域，其数值被设置在0x8100，以用来辨别某个IEEE 802.1q的帧成为“已被标注的”，而这个域所被标定位置与以太形式/长度与未标签帧的域相同，这是为了用来区别未标签的帧。标签控制信息字段(2字节)包括3部分：标准或规范格式指示、虚拟局域网识别符、优先权代码点(Priority Code Point,PCP)。
标准格式指示器：1比特的域。若是这个域的值为1，则MAC地址则为非标准格式；若为0，则为标准格式；在以太交换机中通常默认为0。在以太和令牌环中，标准格式指示器用来做为两者的兼容。若帧在以太端中接收数据则标准格式指示器的值须设为1，且这个端口不能与未标签的其他端口桥接。
虚拟局域网识别符：12位的域，用来具体指出帧是属于哪个特定VLAN。值为0时，表示帧不属于任何一个VLAN；此时，802.1q标签代表优先权。12位的值0x000和0xFFF为保留值，其他的值都可用来做为VLAN的识别符。
优先权代码点：以一组3比特的域当作IEEE 802.1p优先权的参考，从0(最低)到7(最高)，用来对数据流(音频、视频、文件等等)作传输的优先级进行标记。IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段字段，IEEE 802.1Q-2005优先权代码点承载电力业务信号含义如表1所示。电力业务信号包括：IEC61850信号、和/或IEC60870-5信号、和/或EIA-RS接口信号。
表1
在本实施例中，风力发电场调控网络中的信号分为最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级。最高优先级(包含IEC 61850的GOOSE和SV业务信号，以及和/或IEC60870-5-101业务信号)对应IEEE 802.1Q-2005标准中的优先级5，PCP(即优先权代码点，Priority Code Point)字段为101；次高优先级(包含IEC 61850的IEEE1588V2，以及和/或IEC60870-5-103业务信号)对应IEEE 802.1Q-2005标准中的优先级4，PCP字段为100；中等优先级(包含IEC 61850的SNTP和/或IEC60870-5-102业务信号，以及和/或RS-232和/或RS-485业务信号)对应IEEE 802.1Q-2005标准中的优先级2，PCP字段为010；最低优先级(包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104业务信号)对应IEEE 802.1Q-2005标准中的优先级1，PCP字段为000。此处优先级1的PCP字段为默认值。
其中，以太网类型/长度(即“EtherType/Size”，2字节)字段，与IEEE 802.1p MAC层帧中不同等级的原始信号帧长度密切相关，即可表示整形前的信号帧长度，其中，以太网类型/长度采用十六进制表示。对于最高优先级信号，“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式为：“EtherType/Size”＝信号帧字段长度+A000；对于次高优先级信号，“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式为：“EtherType/Size”＝信号帧字段长度+B000；对于中等优先级信号，“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式为：“EtherType/Size”＝信号帧字段长度+C000；最低优先级信号，“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式为：“EtherType/Size”＝信号帧字段长度+D000。由以上以太网类型/长度字段取值方法可知，“EtherType/Size”字段取值与信号是否被拆分或有无被填充0字节之间，具有一对一的确定关系。所以，在发送端，根据信号字段长度是否被拆分或/和有无被填充0字节的情况，能确定“EtherType/Size”字段取值；在接收端，根据“EtherType/Size”字段取值，能确定信号是否被拆分或有无被填充“0”字节的情况。
信号(即“Payload”字段，42-1500字节)为IEEE 802.1p MAC层帧的有效负载，即前述长度为P1字节的最高优先级的信号帧、长度为P2字节的次高优先级的信号帧、长度为P3字节的中等优先级的信号帧和长度为P4字节的最低优先级的信号帧。
循环冗余校验/帧校验序列(4字节)，其包括32位的循环冗余校验(CRC)值，由发送MAC方生成，通过接收MAC方进行计算得出以校验被破坏的帧。
其次，将信号帧组装为IEEE 802.1p MAC层帧格式后，使用CSMA/CD协议，传输输出该组装后的信号帧。其中，使用CSMA/CD协议时，如图6所示，对应最高优先级业务信号帧的CSMA/CD协议退避极限上限设置为6次，对应次高优先级业务信号帧的CSMA/CD协议退避极限上限设置为8次，对应中等优先级业务信号帧的CSMA/CD协议退避极限上限设置为10次，对应最低优先级业务信号帧的CSMA/CD协议退避极限上限设置为12次。对应最高优先级业务信号，包含IEC 61850的GOOSE和SV业务信号，以及和/或IEC60870-5-101业务信号；对应次高优先级业务信号，包含IEC 61850的IEEE1588V2，以及和/或IEC60870-5-103业务信号；对应中等优先级业务信号，包含IEC 61850的SNTP和/或IEC60870-5-102业务信号，以及和/或RS-232和/或RS-485业务信号；对应最低优先级业务信号，包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104业务信号。
图7为本发明一实施例中减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法的实现方式示意图。在网络交换机或网络交换机模块内部的输出部分侧，业务信号按照重要程度确定其优先级,业务信号经过交叉连接交换网络部件，按照信号帧进行排队，形成4个并行信号帧的队列,即最高优先级信号帧的队列、次高优先级信号帧的队列、中等优先级信号帧的队列和最低优先级信号帧的队列。该4个并行信号帧的队列,分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内存储器组中4个并行的FIFO(First Input First Output，即先进先出队列)高速存储器内。在该高速缓冲存储器组中完成信号的信号帧长度整形，并经过信号帧送出控制处理，将信号帧输出。
“信号帧送出控制处理”单元与“交叉连接交换网络部件”、“存储器组”、“信号帧长度整形”互联，收集信息、提供控制和同步信号。“信号帧长度整形”为“存储器组”内的4组信号提供信号帧长度整形策略。存储器组中4个并行的FIFO高速存储器相互之间保持保持频率和时间同步，且每个高速存储器的容量大小不小于缓存36帧带帧间隔的物理层IEEE802.1p信号帧。
网络交换机或网络交换机模块之间，通过时钟同步技术保证风力发电场风机阵列中的时标同步、频率同步和相位同步。常见的时钟同步技术包括WR、北斗卫星导航系统双向授时或单根光纤双向时间频率传递等。
实施例二
本实施例以风电场SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监视控制)系统100Mpbs网络速率的网络交换机或网络交换机模块的输出优化处理方法为例对实施例一中的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法进行说明。
风电场SCADA系统即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的，对生产过程进行控制与调度，自动化实现数据采集与检测、设备控制、信号预警以及参数调节等各项功能的在线数据采集与监测系统，由调控网络承载。而风电场的调控网络的关键之一是网络交换机或网络交换机模块，网络交换机模块包括风力发电机的机舱和塔基内部的工业交换机模块。
步骤1)根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级具体包括：
信号的比特流经过交叉连接交换网络部件，区分出4个并行的比特流队列；将该4个并行的比特流队列按照业务信号的重要程度对业务信号的优先级进行排序。优先级由高到低分别是最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级。该最高优先级队列、次高优先级队列和最低优先级队列分别存储在存储器中4个并行的FIFO(First Input FirstOutput)高速存储器内。该4个并行的FIFO高速存储器均为双端口纳秒级高速缓冲存储器，读写速度均为纳秒级。
风力发电场调控网络中的业务信号分为4个优先级等级，以端到端的时延敏感程度为优先级确定标准，要求端到端的时延最小的信号优先级最高，要求端到端的时延最宽松或无要求的信号优先级最低。优先级等级由高到低分别为最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级，分别对应IEEE 802.1Q-2005标准中的优先权代码点为5、4、2和1。
当风力发电场调控网络中的信号符合IEC 61850标准时，GOOSE和SV信号为最高优先级5，IEEE1588V2信号为次高优先级4，SNTP信号为中等优先级2，MMS信号为最低优先级1。当风力发电场调控网络中的信号符合IEC60870-5标准时，IEC60870-5-101信号为最高优先级5，IEC60870-5-103信号为次高优先级4，IEC60870-5-102信号为中等优先级2，IEC60870-5-104信号为最低优先级1。当风力发电场调控网络中的信号符合EIA-RS接口信号标准时，RS-232和RS-485业务信号为中等优先级2。
所以，风力发电场调控网络中的业务信号最高优先级为5(即IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内优先权代码点即Priority Code Point缩写为PCP为“101”)，是要求端到端的时延最小的业务信号，包含IEC 61850的GOOSE和SV业务信号，以及和/或IEC60870-5-101业务信号；次高优先级为4(即IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内优先权代码点即Priority Code Point缩写为PCP为“100”)，是要求端到端的时延次最小的业务信号，包含IEC 61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103业务信号；中等优先级为2(即IEEE802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内优先权代码点即Priority Code Point缩写为PCP为“010”)，是要求端到端的时延中等的业务信号，包含IEC 61850的SNTP和/或IEC60870-5-102业务信号，以及和/或RS-232和RS-485业务信号；最低优先级为1(即IEEE 802.1p MAC层帧中802.1Q头字段内优先权代码点即Priority Code Point缩写为PCP为“000”，为默认值)，是要求端到端的时延最宽松或无要求的业务信号，包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104业务信号。
步骤2)中确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧，具体步骤如下：
首先确定对应的信号帧长度，即设最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级的信号帧长度分别为P1字节、P2字节、P3字节、P4字节。针对100Mpbs网络速率，对应的信号帧长度取值为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝512bytes、P4＝1472bytes。
其次将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧，具体包括：如图2所示，对于长度为A1个字节的最高优先级信号，定义N1＝A1/64，即A1除64字节的商为N1；
当N1＝1时，无需对该最高优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原长度为A1个字节的该最高优先级信号帧直接作为长度整形后的信号帧送入最高优先级信号帧队列；
当N1为正整数时，且N1≠1的情况下，该最高优先级信号拆分出N1个64bytes的信号帧，按照从最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始到最高有效字节(MostSignificant Byte，MSB)的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；原长度为A1个字节的该最高优先级信号拆分为N1个64bytes的信号帧作为长度整形后的信号帧送入最高优先级信号帧队列。
当A1不能被64字节整除时，假设A1除以64字节得商的整数部分为N1，A1除以64字节得余数为B1(即B1＝A1-N1×64)字节，原长度为A1个字节的该最高优先级信号拆分为N1个长度为64bytes的信号帧和1个长度为B1 bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到最高有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将该长度为B1bytes的信号帧标记信号帧长度，并填充(64-B1)字节个0字节，得到1个长度为64byte的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。原长度为A1个字节的该最高优先级信号拆分为N1个未填充0字节的长度为64bytes的信号帧和1个填充了0字节的长度为64byte的信号帧，该(N1+1)个长度为64bytes的信号帧作为作为长度整形后的信号帧送入最高优先级信号帧队列。
例如，对于长度为A1＝1492个字节的最高优先级信号，“Payload字段长度”为1492(十进制)即5D4(十六进制)，“EtherType/Size”(十六进制)＝5D4(十六进制)+A000(十六进制)＝A5D4(十六进制)；1492÷64＝23.3125(十进制)。(1492÷64)得商的整数部分为N1＝23(十进制)即17(十六进制)，(1492÷64)得余数为B1(即B1＝A1-N1×64＝1492-23×64＝20)字节。长度为A1＝1492个字节的该最高优先级信号拆分为N1＝23个长度为64bytes的信号帧和1个<64bytes部分，拆分顺序按照从最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始到最高有效字节(Most Significant Byte，MSB)的顺序。该长度<64bytes部分填充了0字节，使其为长度64bytes的信号帧。填充0字节的顺序按照从较低有效字节(LowerSignificant Byte，LSB)开始到较高有效字节(Higher Significant Byte，MSB)的顺序，填充0字节的长度为(64-B1)＝(64-20)＝44(十进制)字节。该(N1+1)＝24个长度为64bytes的信号帧作为作为长度整形后的信号帧送入最高优先级信号帧队列。
如图3所示，对于，长度为A2个字节的次高优先级信号，定义N2＝A2/128，即A2除128字节的商为N2；当N2＝1时，无需对该次高优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原长度为A2个字节的该次高优先级信号帧直接作为长度整形后的信号帧送入次高优先级信号帧队列；当N2为正整数时，且N2≠1的情况下，长度为A2个字节的该次高优先级信号拆分出N2个长度为128bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到次高有效字节的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；原长度为A2个字节的该次高优先级信号拆分为N2个长度为128bytes的信号帧作为长度整形后的信号帧送入次高优先级信号帧队列。
当A2不能被128字节整除时，假设A2除以128字节得商的整数部分为N2，A2除以128字节得余数为B2(即B2＝A2-N2×128)字节，原长度为A2个字节的该次高优先级信号拆分为N2个长度为128bytes的信号帧和1个长度为B2 bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到次高有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将该长度B2bytes的信号帧标记信号帧长度，并填充(128-B2)个0字节，得到1个长度为128byte的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。原长度为A2个字节的该次高优先级信号拆分为N2个未填充0字节的长度为128bytes的信号帧和1个填充了0字节的长度为128byte的信号帧，该(N2+1)个长度为128bytes的信号帧作为作为长度整形后的信号帧送入次高优先级信号帧队列。
对于长度为A2＝127个字节的次高优先级信号，“Payload字段长度”为127(十进制)即7F(十六进制)，“EtherType/Size”(十六进制)＝7F(十六进制)+B000(十六进制)＝B07F(十六进制)。A2除以128字节得商的整数部分为N2＝0，A2除以128字节得余数为B2(即B2＝A2-N2×128＝127)字节，该次高优先级信号无拆分，即原Payload字段无拆分，填充0字节使其为长度128bytes的帧。填充(128-B2)＝1个0字节，得到1个长度为128byte的信号帧，填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。该(N2+1)＝1个长度为128bytes的信号帧作为作为长度整形后的信号帧送入次高优先级信号帧队列。
如图4所示，对于，长度为A3个字节的中等优先级信号，定义N3＝A3/512，即A3除512字节的商为N3；
当N3＝1时，无需对该中等优先级信号进行拆分，而且无需填充0字节；原长度为A3个字节的该中等优先级信号帧直接作为长度整形后的信号帧送入中等优先级信号帧队列；
当N3为正整数时，且N3≠1的情况下，该中等优先级信号拆分出N3个长度为512bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到中等有效字节的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；该中等优先级信号拆分为N3个长度为512bytes的信号帧作为长度整形后的信号帧送入中等优先级信号帧队列。
当A3不能被512字节整除时，假设A3除以512字节得商的整数部分为N3，A3除以512字节得余数为B3(即B3＝A3-N3×512)字节，原中等优先级信号拆分为N3个长度为512bytes的信号帧和1个长度为B3 bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到中等有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将该长度B3bytes的信号帧标记信号帧长度，并填充(512-B3)个0字节，得到1个长度为512byte的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。该中等优先级信号拆分为N3个未填充0字节的长度为512bytes的信号帧和1个填充了0字节的长度为512byte的信号帧，该(N3+1)个长度为512bytes的信号帧作为长度整形后的信号帧送入中等优先级信号帧队列。
例如，对于长度为A3＝512个字节的中等优先级信号，Payload字段长度为512(十进制)即200(十六进制)，则N3＝1，B3＝0，“EtherType/Size”字段取值为C200(十六进制)；N3＝1的情况下原Payload字段无拆分、无需填充0字节。该长度为A3＝512个字节的中等优先级信号帧直接作为长度整形后的信号帧送入中等优先级信号帧队列。
例如，对于长度为A3＝1024个字节的中等优先级信号，Payload字段长度为1024(十进制)即400(十六进制)，则N3＝2，“EtherType/Size”字段取值为C400(十六进制)；N3＝2的情况下原Payload字段拆分为2个长度为512bytes的信号帧，拆分顺序按照从最低有效字节(Least Significant Byte，LSB)开始到最高有效字节(Most Significant Byte，MSB)的顺序，而且均无填充“0”。该2个长度为512bytes的信号帧作为长度整形后的信号帧送入中等优先级信号帧队列。
如图5所示，对于，长度为A4个字节最低优先级信号，定义N4＝A4/1472，即A4除1472字节的商为N4；
当N4＝1时，无需对该最低优先级信号进行拆分，而且无填充“0”；原长度为A4个字节该最低优先级信号帧直接作为长度整形后的信号帧送入最低优先级信号帧队列；
当N4为正整数时，且N4≠1的情况下，该最低优先级信号拆分出N4个长度为1472bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到最低有效字节的顺序进行拆分，而且均无需填充0字节；该最低优先级信号拆分为N4个长度为1472bytes的信号帧作为长度整形后的信号帧送入最低优先级信号帧队列。
当A4不能被1472字节整除时，假设A4除以1472字节得商的整数部分为N4，A4除以1472字节得余数为B4(即B4＝A4-N4×1472)字节，该最低优先级信号拆分为N4个长度为1472bytes的信号帧和1个长度为B4 bytes的信号帧，按照从最低有效字节开始到最低有效字节的顺序进行拆分。通过“EtherType/Size”字段取值十六进制表示公式将该长度为B4bytes的信号帧标记信号帧长度，并填充(1472-B4)个0字节，得到1个长度为1472byte的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。该最低优先级信号拆分为N4个未填充0字节的长度为1472bytes的信号帧和1个填充了0字节的长度为1472byte的信号帧，该(N4+1)个长度为1472bytes的信号帧作为作为长度整形后的信号帧送入最低优先级信号帧队列。
例如，对于长度为A4＝1492个字节最低优先级信号，“Payload字段长度”为1492(十进制)即5D4(十六进制)，“EtherType/Size”(十六进制)＝5D4(十六进制)+D000(十六进制)＝D5D4(十六进制)。(A4÷1472)得商的整数部分为N4＝1，得余数为B4＝20(即B4＝A4-N4×1472)字节。该长度为A4＝1492个字节最低优先级信号拆分出1个长度为1472bytes和长度<1472bytes的部分。该长度<1472bytes的部分，填充(1472-B4)＝1452个0字节，得到1个长度为1472byte的信号帧。填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节开始填充。该(N4+1)＝2个长度为1472bytes的信号帧作为作为长度整形后的信号帧送入最低优先级信号帧队列。
步骤3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理具体包括如下步骤：
存储器组中4个并行的比特流队列，分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列和最低优先级的队列。这4个并行的比特流队伍中的信号分别按照IEEE 802.1p MAC层信号帧格式组装为4个并行的IEEE 802.1p MAC层信号帧，分别缓存在风力发电场的网络交换机或网络交换机模块存储器组中4个并行的信号帧字节流队列，使用信号帧输出控制处理，采用CSMA/CD协议，从网络交换机或网络交换机模块传送出该信号帧。具体过程如下：
3.1判别存储器中最高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为6次，将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.2。
3.2判别存储器中次高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应次高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为8次，将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.3。
3.3判别存储器中中等优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应中等优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为10次，将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.4。
3.4判别存储器中最低优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最低优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为12次，将该信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，使用CSMA/CD协议输出该信号帧，完成输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步即步骤3.5。
3.5间隔1个时间片的时间后返回步骤3.1。时间片为512比特时间，对应100Mpbs速率的风电场网络交换机或网络交换机模块的1个时间片的时间分别为5.12μs。
针对100Mpbs速率的风电场网络，将业务信号分为最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级4个优先级等级。具体优先级分类方式在实施例一中已经详细说明，此处不再赘述。最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级信号帧长度分别整形为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝512bytes、P4＝1472bytes。由此可知，对应的N1＝A1/P1＝A1/64；N2＝A2/P2＝A2/128；N3＝A3/P3＝A3/512；N4＝A4/P4＝A4/1472。
针对最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级，相对应的IEEE802.1pMAC层帧的承载数据字段长度分别为64bytes、128bytes、512bytes、1472bytes，相对应的IEEE 802.1p MAC层帧长度分别为86bytes、150bytes、534bytes、1494bytes，相对应的物理层帧长度分别为94bytes、158bytes、542bytes、1502bytes，相对应的带帧间隔的物理层帧长度分别为106bytes、170bytes、554bytes、1514bytes。
如包含IEC 61850的GOOSE和SV信号或/和IEC60870-5-101信号的最高优先级业务信号，最高优先级信号帧长度为P1＝64bytes，对应的N1＝A1/P1＝A1/64；经过图1中的2)确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧，整形为若干个信号帧长度为P1＝64bytes的信号帧；再经过图1中的3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理，相对应的IEEE802.1p MAC层帧的承载数据字段长度为64bytes，相对应的IEEE 802.1p MAC层帧长度为86bytes，相对应的物理层帧长度为94bytes，相对应的带帧间隔物理层帧长度为106bytes。
风力发电场100Mpbs速率的网络交换机或网络交换机模块的时钟源的频率准确度优于1×10-9。100Mpbs速率的网络交换机或网络交换机模块具备内部时钟源和接收外部时钟源的功能，其内部时钟源采用双层恒温型晶振时钟源以保证短稳，其外部时钟源由北斗卫星导航系统双向授时或WR时钟同步技术以保证长稳。网络交换机或网络交换机模块之间，由北斗卫星导航系统双向授时或WR时钟同步技术支撑，保证风力发电场风机阵列中的时标同步、频率同步和相位同步。
如图7所示，在网络交换机或网络交换机模块内部的输出部分侧，业务信号经过交叉连接交换网络部件，并形成4个并行的队列。将这4个并行的队列按照重要程度确定其优先级。其优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列和最低优先级的队列。4个并行的队列分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内存储器中4个并行的FIFO(First Input First Output，即先进先出队列高速存储器内。在该高速缓冲存储器组中完成信号的信号帧长度整形，并经过信号帧送出控制处理，将信号帧输出。该4个并行的FIFO逻辑的高速存储器均为双端口纳秒(ns)级高速缓冲存储器构成双端口纳秒高速缓冲存储器组，读写速度均不劣于纳秒(ns)级。
实施例三
本实施例为风电场场控层网络10Mpbs网络速率的网络交换机模块的输出优化处理方法为例对减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法进行说明。
针对10Mpbs速率的风电场网络，由于较小的网络速率需要高的网络资源利用效率，而高的网络资源利用效率必然会导致大的网络传输时延，通过对信号的重要程度进行优先级排列，及整形信号的信号帧长度来减小关键信号时延。将信号分为最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级4个优先级等级。具体优先级分类方式在实施例一中已经详细说明，此处不再赘述。最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级信号帧长度分别整形为P1＝64bytes、P2＝128bytes、P3＝256bytes、P4＝512bytes，P1、P2、P3、P4之间具有乘性的几何级数关系，整形后的业务信号最大帧长度能减小关键业务时延。由此可知，对应的N1＝A1/P1＝A1/64；N2＝A2/P2＝A2/128；N3＝A3/P3＝A3/256；N4＝A4/P4＝A4/512。
IEEE802.1p MAC层帧对应最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级的承载数据字段长度分别为64bytes、128bytes、256bytes、512bytes，对应IEEE 802.1p MAC层帧长度分别为分别为86bytes、150bytes、278bytes、534bytes，对应物理层帧长度分别为94bytes、158bytes、286bytes、542bytes，对应带帧间隔的物理层帧长度分别为106bytes、170bytes、298bytes、554bytes。
如包含IEC 61850的GOOSE和SV信号或/和IEC60870-5-101信号的最高优先级业务信号，最高优先级信号帧长度为P1＝64bytes，对应的N1＝A1/P1＝A1/64；经过图1中的2)确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧，整形为若干个信号帧长度为P1＝64bytes的信号帧；再经过图1中的3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理，相对应的IEEE802.1p MAC层帧的承载数据字段长度为64bytes，相对应的IEEE 802.1p MAC层帧长度为86bytes，相对应的物理层帧长度为94bytes，相对应的带帧间隔的物理层帧长度为106bytes。
业务信号优先级排队后，形成的4个并行的队列，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列、最低优先级的队列，4个并行的比特流队列分别缓存在风力发电场网络交换机缓存器中4个并行的FIFO(First Input FirstOutput，即先进先出队列)逻辑的高速存储器内，该4个并行的FIFO逻辑的高速存储器均为双端口十纳秒(ns)级高速缓冲存储器，读写速度均为十纳秒(ns)级。时间片为512比特时间，对应10Mpbs速率的风电场网络的1个时间片的时间分别为51.2μs。
风力发电场10Mpbs速率的网络交换机模块的时钟源的频率准确度优于1×10-8。10Mpbs速率的网络交换机模块具备接收外部时钟源的功能，其外部时钟源由北斗卫星导航系统双向授时或WR时钟同步技术以保证长稳和短稳。网络交换机或网络交换机模块之间，由北斗卫星导航系统双向授时或WR时钟同步技术支撑，保证风力发电场风机阵列中的时标同步、频率同步和相位同步。
实施例四
本实施例以风力发电场平方公里级风机阵列调控网络1000Mpbs网络速率的网络交换机或网络交换机模块的输出优化处理方法为例对实施例一中的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法进行说明。
针对1000Mpbs速率的风电场网络，通过加性的算术级数关系，整形业务信号的信号帧长度来减小关键业务信号的时延。将业务信号分为最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级4个优先级等级。具体优先级分类方式在实施例一中已经详细说明，此处不再赘述。最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级信号帧长度分别整形为P1＝704bytes、P2＝960bytes、P3＝1216bytes、P4＝1472bytes。由此可知，对应的N1＝A1/P1＝A1/704；N2＝A2/P2＝A2/960；N3＝A3/P3＝A3/1216；N4＝A4/P4＝A4/1472。
IEEE802.1p MAC层帧对应最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级的承载数据字段长度分别为704bytes、960bytes、1216bytes、1472bytes，对应IEEE 802.1p MAC层帧长度分别为726bytes、982bytes、1238bytes、1494bytes，对应物理层帧长度分别为734bytes、990bytes、1246bytes、1502bytes，对应带帧间隔的物理层帧长度分别为746bytes、1002bytes、1258bytes、1514bytes。
例如，包含次高优先级包括IEC 61850的IEEE1588V2或/和IEC60870-5-103信号，次高优先级信号帧长度为P2＝960bytes，对应的N2＝A2/P2＝A2/960；经过图1中的“2)确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧”，整形为若干个信号帧长度为P2＝960bytes的信号帧；再经过图1中的“3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理”，相对应的IEEE802.1p MAC层帧的承载数据字段长度为960bytes，相对应的IEEE 802.1p MAC层帧长度为982bytes，相对应的物理层帧长度为990bytes，相对应的带帧间隔的物理层帧长度为1002bytes。
业务信号优先级排队后，形成的4个并行的队列，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列、最低优先级的队列，4个并行的比特流队列分别缓存在风力发电场1Gpbs速率的网络交换机或网络交换机模块缓存器中4个并行的FIFO(First Input First Output，即先进先出队列)逻辑的高速存储器内，该4个并行的FIFO逻辑的高速存储器均为双端口亚纳秒(ns)级高速缓冲存储器，读写速度均为亚纳秒级。时间片为512比特时间，对应1000Mpbs速率的风电场网络的1个时间片的时间分别为512ns。
风力发电场1Gpbs速率的网络交换机或网络交换机模块的时钟源的频率准确度优于1×10-10。1Gpbs速率的网络交换机或网络交换机模块具备内部时钟源和接收外部时钟源的功能，其内部时钟源采用双层恒温型晶振时钟源以保证短稳，其外部时钟源由WR时钟同步技术以保证长稳。网络交换机或网络交换机模块之间，由WR时钟同步技术支撑，保证风力发电场风机阵列中的时标同步、频率同步和相位同步。
实施例五
本实施例以海上风力发电场大型风机阵列集群的调控网络中10Gpbs网络速率的网络交换机或网络交换机模块的输出优化处理方法为例对实施例一中的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法进行说明。
针对10Gpbs速率的风电场网络，通过加性的算术级数关系，整形业务信号的信号帧长度来减小关键业务信号的时延。将业务信号分为最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级4个优先级等级。具体优先级分类方式在实施例一中已经详细说明，此处不再赘述。最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级信号帧长度分别整形为P1＝704bytes、P2＝960bytes、P3＝1216bytes、P4＝1472bytes。由此可知，对应的N1＝A1/P1＝A1/704；N2＝A2/P2＝A2/960；N3＝A3/P3＝A3/1216；N4＝A4/P4＝A4/1472。
针对最高优先级、次高优先级、中等优先级、最低优先级，相对应的IEEE802.1pMAC层帧的承载数据字段长度分别为704bytes、960bytes、1216bytes、1472bytes，相对应的IEEE 802.1p MAC层帧长度分别为726bytes、982bytes、1238bytes、1494bytes，相对应的物理层帧长度分别为734bytes、990bytes、1246bytes、1502bytes，相对应的带帧间隔的物理层帧长度分别为746bytes、1002bytes、1258bytes、1514bytes。
例如，包含IEC 61850的GOOSE和SV信号或/和IEC60870-5-101信号的最高优先级业务信号，最高优先级信号帧长度为P1＝704bytes，对应的N1＝A1/P1＝A1/704；经过图1中的“2)确定各优先级对应的信号帧长度，并将业务信号整形为信号帧长度的若干信号帧”，整形为若干个信号帧长度为P1＝704bytes的信号帧；再经过图1中的“3)根据业务信号的优先级将经过整形的信号帧进行送出控制处理”，相对应的IEEE802.1p MAC层帧的承载数据字段长度为704bytes，相对应的IEEE 802.1p MAC层帧长度为726bytes，相对应的物理层帧长度为734bytes，相对应的带帧间隔的物理层帧长度为746bytes。
业务信号优先级排队后，形成的4个并行的队列，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列、最低优先级的队列，4个并行的比特流队列分别缓存在风力发电场10Gpbs速率的网络交换机或网络交换机模块缓存器中4个并行的FIFO(First Input First Output，即先进先出队列)逻辑的高速存储器内，该4个并行的FIFO逻辑的高速存储器均为双端口十皮秒(ps)级高速缓冲存储器，读写速度均为十皮秒(ps)级。时间片为512比特时间，对应10Gpbs速率的风电场网络的1个时间片的时间为51.2ns。
风力发电场10Gpbs速率的网络交换机或网络交换机模块的时钟源的频率准确度优于1×10-11。10Gpbs速率的网络交换机或网络交换机模块具备内部时钟源和接收外部时钟源的功能，其内部时钟源采用双层恒温型晶振时钟源以保证短稳，其外部时钟源采用原子时钟源以保证长稳。网络交换机或网络交换机模块之间，由单根光纤双向时间频率传递技术或WR时钟同步技术支撑，保证风力发电场风机阵列中的时标同步、频率同步和相位同步。
实施例六
本实施例公开了一种减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化系统，其包括：
优先级确定模块，用于根据业务信号的重要程度确定业务信号的优先级；信号整形模块，用于设定各优先级对应的业务信号帧长度，并将业务信号整形为业务信号帧长度的若干业务信号帧；信号送出控制模块，用于根据业务信号的优先级，将经过整形的业务信号帧进行送出控制处理。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据业务信号的重要程度确定所述业务信号的优先级；
所述业务信号的优先级包括：
在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内部，IEEE 802.1p MAC层帧去除头部和尾部，留下IEEE 802.1p MAC层帧的有效负载作为被承载业务信号，所述被承载业务信号比特流经过交叉连接交换网络部件，按照业务信号的端到端的时延要求对业务信号的优先级进行排序，区分出4个并行的比特流队列，分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块缓存器中4个并行的FIFO逻辑的高速存储器内，业务信号的端到端的时延要求，要求端到端的时延最小的业务信号优先级最高，要求端到端的时延最宽松或无要求的业务信号优先级最低，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列和最低优先级的队列；
对于风力发电场数据网络中的业务信号而言，最高优先级队列包含IEC 61850的GOOSE、SV信号和/或IEC60870-5-101信号；次高优先级队列包含IEC 61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103信号；中等优先级包含IEC 61850的SNTP、IEC60870-5-102信号、RS-232和/或RS-485信号；最低优先级队列包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104信号；
2)设定各所述优先级对应的业务信号帧长度，并将所述业务信号整形为所述业务信号帧长度的若干业务信号帧；
3)根据业务信号的优先级，将经过整形的所述业务信号帧进行送出控制处理。
2.如权利要求1所述的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，所述送出控制处理优先送出优先级高的所述业务信号帧，以减少关键业务信号的时延。
3.如权利要求1或2所述的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)设定各优先级对应信号帧长度，设第i优先级在长度整形前与长度整形后的长度分别为Ai与Pi，i＝1时对应最高优先级，i＝2时对应次高优先级，i＝3时对应中等优先级，i＝4时对应最低优先级；
2.2)将所述业务信号整形为具有业务信号帧长度的若干信号帧，具体包括：
2.2.1)定义Ai÷Pi的整数部分为Ni、余数为Bi，包括3种情况：
2.2.1.1)当Ni＝1时，无需对所述第i优先级的业务信号进行拆分，而且无需填充0字节；所述第i优先级的业务信号帧直接作为长度整形后的第i优先级的信号帧队列；
2.2.1.2)当Ai能被Pi整除，且Ni≠1的情况下，将长度为Ai字节的第i优先级业务信号拆分出Ni个Pi字节长度的信号帧，按照从最低有效字节开始到第i有效字节的顺序进行拆分，而且无需填充0字节；所述第i优先级的业务信号拆分为Ni个长度为Pi字节的信号帧作为长度整形后的第i优先级的信号帧队列；
2.2.1.3)当Ai不能被Pi整除时，按照从最低有效字节开始到第i有效字节的顺序进行拆分，将长度为Ai字节的所述第i优先级的业务信号拆分为Ni个长度为Pi字节的信号帧和1个长度为Bi字节的信号帧，并对长度为Bi字节的帧填充Pi-Bi个0字节，得到1个长度为Pi字节长度的信号帧，填充0字节的顺序也是按照从较低有效字节到较高有效字节的顺序填充；原长度为Ai字节的所述第i优先级的信号拆分为Ni个未填充0字节的Pi字节长度的信号帧和1个填充了0字节的Pi字节长度的信号帧，形成Ni+1个长度为Pi字节长度的帧；Ni+1个Pi字节长度的信号帧作为长度整形后的第i优先级信号帧队列。
4.如权利要求3所述的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，最高优先级、次高优先级、中等优先级和最低优先级对应的整形长度依次增大，且各优先级的整形长度由不同的风电场网络速率确定。
5.如权利要求1或2所述的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括如下步骤：
3.1)判别存储器组中最高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为6次，并将所述信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出所述信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；
3.2)判别存储器组中次高优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应次高优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为8次，并将所述信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出所述信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；
3.3)判别存储器组中中等优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应中等优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为10次，并将所述信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出所述信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；
3.4)判别存储器组中最低优先级信号帧队列是否为空，若不为空，则对应最低优先级信号帧的CSMA/CD协议退避极限设置为12次，并将所述信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，再使用CSMA/CD协议输出所述信号帧，完成发送输出带信号帧间隔的物理层信号帧后，返回步骤3.1；若为空，则进行下一步；
3.5)间隔1个时间片的时间后，返回步骤3.1。
6.如权利要求5所述的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，所述1个时间片为512比特时间。
7.如权利要求5所述的减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化方法，其特征在于，将所述信号帧封装为IEEE 802.1p MAC层信号帧格式，其中，以太网类型/长度即“EtherType/Size”字段取值，用于标记4种优先级的信号帧长度的“EtherType/Size”字段十六进制取值公式为：
8.1)最高优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A1的十六进制值+A000；
8.2)次高优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A2的十六进制值+B000；
8.3)中等优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A3的十六进制值+C000，
8.4)最低优先级业务信号帧的“EtherType/Size”字段值＝整形前信号帧长度A4的十六进制值+D000。
8.减小关键业务时延风电场网络交换机输出优化系统，其特征在于，包括：
优先级确定模块，用于根据业务信号的重要程度确定所述业务信号的优先级；
所述业务信号的优先级包括：
在风力发电场网络交换机或网络交换机模块内部，IEEE 802.1p MAC层帧去除头部和尾部，留下IEEE 802.1p MAC层帧的有效负载作为被承载业务信号，所述被承载业务信号比特流经过交叉连接交换网络部件，按照业务信号的端到端的时延要求对业务信号的优先级进行排序，区分出4个并行的比特流队列，分别缓存在风力发电场网络交换机或网络交换机模块缓存器中4个并行的FIFO逻辑的高速存储器内，业务信号的端到端的时延要求，要求端到端的时延最小的业务信号优先级最高，要求端到端的时延最宽松或无要求的业务信号优先级最低，优先级由高到低分别是最高优先级的队列、次高优先级的队列、中等优先级的队列和最低优先级的队列；
对于风力发电场数据网络中的业务信号而言，最高优先级队列包含IEC 61850的GOOSE、SV信号和/或IEC60870-5-101信号；次高优先级队列包含IEC 61850的IEEE1588V2和/或IEC60870-5-103信号；中等优先级包含IEC 61850的SNTP、IEC60870-5-102信号、RS-232和/或RS-485信号；最低优先级队列包含IEC 61850的MMS和/或IEC60870-5-104信号；
信号整形模块，用于设定各所述优先级对应的所述业务信号帧长度，并将所述业务信号整形为所述业务信号帧长度的若干业务信号帧；
信号送出控制模块，用于根据业务信号的优先级，将经过整形的所述业务信号帧进行送出控制处理。
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