CN117857360B - 基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法及系统，涉及智能变电站通信技术领域，方法包括：生成智能变电站流量集合；设置非保护流量优先级分配方案；建立变电站通信时延分析模型；将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略；本发明将智能变电站通信网络带宽分配问题形式化，基于CBS机制中信用变化率分配变电站各流量传输带宽；提出了智能变电站通信网络带宽分配算法用于确定带宽分配策略，提出变电站网络通信的初始带宽分配计算方法以及发生GOOSE广播风暴时调整带宽值方法，使得MMS流量在GOOSE广播风暴情况下具有更好的时延性能。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站通信技术领域，尤其涉及一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法及系统。
背景技术
随着电力公司为客户提供有性能保证的服务需求不断增长，智能电网的建设成为电力系统发展的关键。智能变电站作为智能电网的重要节点，有时延保证的高性能内部通信网络是其发展的基础。为保证变电站的标准化通信，目前变电站使用IEC 61850统一通信标准。IEC 61850是变电站自动化系统的唯一的国际标准，其规范了数据的命名、数据定义、设备的自描述特征、设备行为和通用配置语言。CBS机制是AVB时代定义的经典调度方法，利用CBS机制的信用特性进行流量带宽分配并与TAS等机制结合，可以解决变电站通信网络中不确定的GOOSE广播风暴问题，以降低竞争流量之间的互相干扰。然而以往CBS内信用变化率普遍是基于经验设置，每跳的延迟可高达250us，在GOOSE广播风暴发生时这个延迟会更高，这样的时延性能对智能变电站网络来说是不能接受的。
目前TSN协议标准中没有明确指出带宽分配的计算方法，预留带宽值多数采用经验值。同时，分配的带宽值会被长期占用，在智能变电站这种周期性流量与突发性流量相结合的网络中，可能导致带宽通道浪费以及MMS流量过期现象。
发明内容
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：如何在变电站的带宽预留与确定过程中设置有效的带宽分配算法，保障流量传输的实时性。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法，包括：
根据智能变电站各类型流量信息，生成智能变电站流量集合；
基于智能变电站各类型流量时延需求，设置非保护流量优先级分配方案；
基于网络演算模型到达曲线与服务曲线以及恒定比特率限制机制，建立变电站通信时延分析模型；
基于变电站通信时延分析模型，将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；
基于形式化的带宽分配问题，调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略。
作为基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的一种优选方案，其中：
所述生成智能变电站流量集合包括：
设变电站中一个调度周期内全部帧集合为，包括周期性采样值SMV流量，周期与非周期性结合的跳闸命令GOOSE 1A、开关位置变化GOOSE 1B以及MMS流量；将网络中每一帧的结构定义为/>，其中/>为数据帧周期，/>为数据帧过期时间，未在过期时间前得到传输的帧视为过期帧，/>为帧类型，帧类型包括SMV、GOOSE 1A、GOOSE 1B、MMS和BE，/>为通信系统内帧优先级，/>为数据帧长度，/>为流量触发类型，流量触发类型包括时间触发与事件触发。
作为基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的一种优选方案，其中：
所述设置非保护流量优先级分配方案包括：
将跳闸命令细化为GOOSE 1A，优先级设为7；
将开关位置变化信息细化为GOOSE 1B，优先级设为6；
将设备状态信息、时间同步信息和文件传输信息的优先级统一设为5；
将与IEC 61850标准本身不直接相关的协议优先级设置为0~4。
作为基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的一种优选方案，其中：
所述建立变电站通信时延分析模型包括：
使变电站通信网络的流量到达曲线满足：
；
式中，为时间变量，/>为流量/>的流量到达速率，/>表示网络中的最大突发，取/>为最大帧长度/>；
分析变电站GOOSE流量与MMS流量的传输特征，将GOOSE流量的流量到达曲线表示为：
；
其中，表示时间触发GOOSE报文的流量到达速率，/>表示事件触发GOOSE报文的流量到达速率；
对于MMS流量，设流量按固定频率到达传输端口，将MMS流量的流量到达曲线表示为：
；
其中，表示MMS报文的流量到达速率；
变电站通信网络的流量服务曲线用于描述网络的流量转发能力，表示为：
；
式中，为服务速率，/>为服务系统的时延值；
将GOOSE流量与MMS流量的idleSlope形式化为：
；
式中，为GOOSE流量的信用值累积速率，/>为GOOSE流量发送时的信用值降低速率，/>为MMS流量的信用值累积速率，/>为MMS流量的信用值降低速率，/>为逻辑可分配带宽；
将GOOSE流量的服务曲线中的服务速率和初始延迟/>分别表示为：
；
式中，为总带宽，/>为SMV保护流量到达速率，/>为SMV保护流量帧长度；为SMV保护流量在TAS机制下的超周期；
将MMS流量的服务曲线中的服务速率和初始延迟/>分别表示为：
；
式中，为高优先级流量帧长度，/>为相同优先级流量帧长度。
作为基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的一种优选方案，其中：
所述将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件包括：
将带宽分配目标设置为通信网络内全部流量的加权平均时延最小，其中，权重由各流量的优先级决定，则总体时延优化目标为：
；
式中，为GOOSE流量或MMS流量的权重，等于各流量优先级；/>等于变电站到达曲线与服务曲线的最大水平距离，形式化为：
；
确保为受CBS机制控制的GOOSE流量与MMS流量分配的逻辑带宽不超过75%，约束表示为：
；
确保GOOSE流量与MMS流量能够受CBS机制调度，约束表示为：
；
确保预留带宽需要大于流量到达速率，约束表示为：
；
式中，为流量的触发类型，包括时间触发与事件触发，/>表示触发类型为/>的流量/>的流量到达速率；
确保各种类型流量在经CBS机制调度后，最坏情况下时延要满足各自的时延需求，约束表示为：
；
式中，表示流量/>的帧过期时间。
作为基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的一种优选方案，其中：
所述调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略包括：
基于网络演算时延评估模型，根据变电站通信时延分析模型建立智能变电站网络通信带宽分配模型，所述智能变电站网络通信带宽分配模型包括流量到达曲线与结合CBS机制的流量服务曲线；
根据形式化问题的约束条件建立有约束条件的带宽分配优化模型，初始化各类型流量优先级。
作为基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的一种优选方案，其中：
所述调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略还包括：
在智能变电站流量稳定的场景下，根据带宽分配优化模型以及相应约束条件计算得到GOOSE与MMS流量的带宽分配值；
输出带宽参数并设置CBS参数，变电站通信网络在TAS机制与CBS机制的流量调度下进行传输；判断是否发生GOOSE广播风暴现象，若未发生则继续在原计算带宽下进行流量传输；
在GOOSE广播风暴的突发场景下，判断是否存在MMS流量过期问题，若不存在则继续按初始分配的带宽进行传输；若存在，则降低GOOSE复制帧的优先级，若事件触发的GOOSE预警原始帧优先级为x，接下来的第一帧复制帧优先级降为x-1，第二帧优先级降为x-2，以此类推直到降低到0为止；基于调整后的帧和优先级，重新计算带宽分配值并输出；
依据网络中GOOSE流量到达速率判断GOOSE网络风暴是否停止，若未停止，继续按调整优先级后得到的带宽进行流量传输，若已停止，则将传输带宽恢复为初始带宽分配值。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的系统，包括：
初始化模块，用于根据智能变电站各类型流量信息，生成智能变电站流量集合；
流量分析模块，用于基于智能变电站各类型流量时延需求，设置非保护流量优先级分配方案；
时延模型构建模块，用于基于网络演算模型到达曲线与服务曲线以及恒定比特率限制机制，建立变电站通信时延分析模型；
形式化模块，用于基于变电站通信时延分析模型，将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；
带宽分配模块，用于基于形式化的带宽分配问题，调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括：
存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任一实施例所述的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法。
本发明的有益效果：本发明提出了基于信用整形和网络演算模型的带宽分配模型：首先提出智能变电站非保护流量优先级分配；其次提出智能变电站中基于网络演算的流量到达曲线；然后提出了网络演算模型结合CBS机制的服务曲线；将智能变电站通信网络带宽分配问题形式化，以智能变电站网络总体通信时延最小化为目标，基于CBS机制中信用变化率分配变电站各流量传输带宽；提出了智能变电站通信网络带宽分配算法用于确定带宽分配策略，基于智能变电站网络通信带宽分配模型，提出变电站网络通信的初始带宽分配计算方法以及发生GOOSE广播风暴时调整带宽值方法，使得MMS流量在GOOSE广播风暴情况下具有更好的时延性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1 是本发明第一个实施例所述的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的整体流程图；
图2是本发明第一个实施例所述的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的基于CBS机制进行流量调度示意图；
图3是本发明第一个实施例所述的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的网络演算模型示意图；
图4是本发明第一个实施例所述的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的智能变电站带宽分配策略流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1-图4，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法，如图1所示，包括：
S1：根据智能变电站各类型流量信息，生成智能变电站流量集合；
具体的，所述生成智能变电站流量集合包括：
设变电站中一个调度周期内全部帧集合为，包括周期性采样值SMV流量，周期与非周期性结合的跳闸命令GOOSE 1A、开关位置变化GOOSE 1B以及MMS流量；将网络中每一帧的结构定义为/>，其中/>为数据帧周期，/>为数据帧过期时间，未在过期时间前得到传输的帧视为过期帧，/>为帧类型，帧类型包括SMV、GOOSE 1A、GOOSE 1B、MMS和BE，/>为通信系统内帧优先级，/>为数据帧长度，/>为流量触发类型，流量触发类型包括时间触发与事件触发。
S2：基于智能变电站各类型流量时延需求，设置非保护流量优先级分配方案；
具体的，所述设置非保护流量优先级分配方案包括：
将跳闸命令细化为GOOSE 1A，优先级设为7；
将开关位置变化信息细化为GOOSE 1B，优先级设为6；
将设备状态信息、时间同步信息和文件传输信息的优先级统一设为5；
将与IEC 61850标准本身不直接相关的协议优先级设置为0~4。
应说明的是，变电站GOOSE流量主要包含跳闸命令与开关位置变化信息，跳闸命令对时延的要求极高，将其细化为GOOSE 1A。跳闸命令一般产生于故障发生后，是与继电保护直接相关的业务分组，其传输时间是继电保护装置整体动作时间的一部分，直接影响着变电站对异常状况的处理速度。因此，跳闸命令的优先级应最高，设为7。
开关位置变化信息的时延要求很高，仅次于跳闸命令，将其细化为GOOSE 1B。开关位置变化信息同跳闸命令一样，一般产生于故障发生后，在断路器成功跳开后，需要通过该分组迅速告知上层设备，以便站控层和保护控制设备知晓现场情况，避免重复发送命令。因此，开关位置变化信息的优先级应次之，设为 6。
MMS流量包含多种类型信息，其中设备状态信息对时延要求不高，属于正常运行时的常规业务，流量较稳定。文件传输信息无具体时延要求，并且文件传输信息主要包含日常运行日记、故障记录和故障日志文件等，对一次设备和二次设备的影响较小，如果发生冲突应优先保证其他业务分组。将设备状态信息、时间同步信息和文件传输信息的优先级统一设为5。
此外，变电站网络中还存在与IEC 61850标准本身不直接相关的协议（例如，FTP，SNMP等），对应网络中的最大努力（Best-Effort，BE）流，主要用于网络管理与监测，没有具体时延需求，将优先级设置为0~4。智能变电站中用于传输采样值信息的SMV流量在保护时隙传输，不受CBS机制的控制，故不在本方法的考虑范围内。
S3：基于网络演算模型到达曲线与服务曲线以及恒定比特率限制机制，建立变电站通信时延分析模型；
如图2所示，纵坐标信用无单位，表示数值，图2展示了基于CBS的流量传输与信用变化过程。其中A和B代表两类流量，A的传输优先级高于B，故A类流量具有较高的idleslope和较低的sendslope。首先，在0时刻A0和B0帧到达传输端口，此时一帧BE类流量还在传输过程中，A0和B0未得到传输权，它们的信用值分别以相应的idleslope增加。当BE帧完成传输后，传输权被更高优先级的A类流量获得，在A类流量的传输过程中，其信用值以它的sendslope速率降低。可以发现，当A类流量的信用值低于0时并没有停止传输。这是因为CBS机制为保证帧传输的完整性，在传输完当前帧后再转换传输权。此后B类流量获得传输权并开始传输，其信用值相应降低。
如图3所示，为网络演算模型，图中最大时延等于到达曲线/>与服务曲线/>的最大水平距离。
具体的，所述建立变电站通信时延分析模型包括：
使变电站通信网络的流量到达曲线满足：
；
式中，为时间变量，/>为流量/>的流量到达速率，/>表示网络中的最大突发，取/>为最大帧长度/>；
分析变电站GOOSE流量与MMS流量的传输特征，将GOOSE流量的流量到达曲线表示为：
；
其中，表示时间触发GOOSE报文的流量到达速率，/>表示事件触发GOOSE报文的流量到达速率；
对于MMS流量，设流量按固定频率到达传输端口，将MMS流量的流量到达曲线表示为：
；
其中，表示MMS报文的流量到达速率；
变电站通信网络的流量服务曲线用于描述网络的流量转发能力，表示为：
；
式中，为服务速率，/>为服务系统的时延值；
将GOOSE流量与MMS流量的idleSlope形式化为：
；
式中，为GOOSE流量的信用值累积速率，/>为GOOSE流量发送时的信用值降低速率，/>为MMS流量的信用值累积速率，/>为MMS流量的信用值降低速率，/>为逻辑可分配带宽；
将GOOSE流量的服务曲线中的服务速率和初始延迟/>分别表示为：
；
式中，为总带宽，/>为SMV保护流量到达速率，/>为SMV保护流量帧长度；为SMV保护流量在TAS机制下的超周期；
将MMS流量的服务曲线中的服务速率和初始延迟/>分别表示为：
；
式中，为高优先级流量帧长度，/>为相同优先级流量帧长度。
应说明的是，对于GOOSE流量，包含时间触发与事件触发两种触发模式，时间触发的GOOSE报文有稳定的流量到达速率。对于事件触发GOOSE流量，当终端设备有故障发生时，设备会立即发送一帧事件触发流量帧，并在时间间隔后连续发送两帧复制报文，随后再以/>时间间隔连续发送两帧复制报文，通常/>，以此类推。可见，事件触发型GOOSE报文的到达速率/>不会超过/>，本实施例取最大值/>作为事件触发GOOSE流量的到达速率。
还应说明的是，CBS（Credit-based Shaping，基于信用的整形）机制为每类流量维护一个可变的信用值（Credit），当此类流量的信用值为非负时，才允许在链路上进行传输。在传输过程中，流量的信用值以sendslope的速率减少，在信用值降低到负值且传输完当前帧后，此类流量将失去传输权，链路转而传输其他信用值非负的流量类。同时，在此类流量的新帧到达传输端口且未获得传输权时间内，该类流量的信用值将以idleslope的速率增加。CBS中流量的idleSlope可看作分配给该类流量的带宽。
考虑保证智能变电站SMV流量传输的确定性，需结合TSN技术的TAS（Time AwareShaper，时间感知整形器）机制进行流量调度，在TAS保护窗口开启的过程中，GOOSE和MMS流量的信用值不会发生任何变化。两种流量都受到SMV保护性报文的影响，由于GOOSE流量的优先级最高，初始延迟最多受到保护窗口和一个其他的帧的影响，而MMS流量优先级较低，还受到高优先级以及同优先级流量的影响。
S4：基于变电站通信时延分析模型，将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；
具体的，所述将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件包括：
将带宽分配目标设置为通信网络内全部流量的加权平均时延最小，其中，权重由各流量的优先级决定，则总体时延优化目标为：
；
式中，为GOOSE流量或MMS流量的权重，等于各流量优先级；/>等于变电站到达曲线与服务曲线的最大水平距离，形式化为：
；
进一步的，联立上述公式，得到总体时延优化目标：
；
其中，为流量/>的服务速率，/>为流量/>的到达速率，/>与/>分别表示GOOSE流量和MMS流量的优先级，/>为实际带宽，/>表示到达传输端口的信息量，/>表示GOOSE流量到达速率，稳定状态下取时间触发到达速率/>，GOOSE广播风暴发生时取为到达速率上限即/>。
确保为受CBS机制控制的GOOSE流量与MMS流量分配的逻辑带宽不超过75%，约束表示为：
；
确保GOOSE流量与MMS流量能够受CBS机制调度，约束表示为：
；
确保预留带宽需要大于流量到达速率，约束表示为：
；
式中，为流量的触发类型，包括时间触发与事件触发，/>表示触发类型为/>的流量/>的流量到达速率；
确保各种类型流量在经CBS机制调度后，最坏情况下时延要满足各自的时延需求，约束表示为：
；
式中，表示流量/>的帧过期时间。
S5：基于形式化的带宽分配问题，调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略。
具体的，所述调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略包括：
基于网络演算时延评估模型，根据变电站通信时延分析模型建立智能变电站网络通信带宽分配模型，所述智能变电站网络通信带宽分配模型包括流量到达曲线与结合CBS机制的流量服务曲线；
如图4所示，根据形式化问题的约束条件建立有约束条件的带宽分配优化模型，初始化各类型流量优先级。
更进一步的，在智能变电站流量稳定的场景下，根据带宽分配优化模型以及相应约束条件计算得到GOOSE与MMS流量的带宽分配值；
输出带宽参数并设置CBS参数，变电站通信网络在TAS机制与CBS机制的流量调度下进行传输；判断是否发生GOOSE广播风暴现象，若未发生则继续在原计算带宽下进行流量传输；
在GOOSE广播风暴的突发场景下，判断是否存在MMS流量过期问题，若不存在则继续按初始分配的带宽进行传输；若存在，则降低GOOSE复制帧的优先级，若事件触发的GOOSE预警原始帧优先级为x，接下来的第一帧复制帧优先级降为x-1，第二帧优先级降为x-2，以此类推直到降低到0为止；基于调整后的帧和优先级，重新计算带宽分配值并输出；
依据网络中GOOSE流量到达速率判断GOOSE网络风暴是否停止，若未停止，继续按调整优先级后得到的带宽进行流量传输，若已停止，则将传输带宽恢复为初始带宽分配值。
应说明的是，如事件触发的GOOSE预警原始帧优先级为7，接下来的第一帧复制帧优先级降为6，第二帧优先级降为5，以此类推直到降低到0为止；基于调整后的帧和优先级，重新计算带宽分配值并输出。
上述为本实施例的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的示意性方案。需要说明的是，基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配系统的技术方案与上述基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的技术方案属于同一构思，本实施例中基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配系统的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的技术方案的描述。
本实施例中基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配系统，包括：
初始化模块，用于根据智能变电站各类型流量信息，生成智能变电站流量集合；
流量分析模块，用于基于智能变电站各类型流量时延需求，设置非保护流量优先级分配方案；
时延模型构建模块，用于基于网络演算模型到达曲线与服务曲线以及恒定比特率限制机制，建立变电站通信时延分析模型；
形式化模块，用于基于变电站通信时延分析模型，将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；
带宽分配模块，用于基于形式化的带宽分配问题，调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略。
本实施例还提供一种计算设备，适用于基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的情况，包括：
存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法。
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法。
本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。
实施例2
参照表1，为本发明的一个实施例，提供了一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法，为了验证本发明的有益效果，通过仿真实验进行科学论证。
本实施例中，设变电站中一个调度周期内全部帧集合，包括周期性采样值SMV流量，周期与非周期性结合的跳闸命令GOOSE 1A、开关位置变化GOOSE 1B以及MMS流量。网络中每一帧/>的结构定义为/>，其中/>为数据帧周期，/>为数据帧过期时间，未在过期时间前得到传输的帧视为过期帧，/>为帧类型（包括SMV、GOOSE1A、GOOSE 1B、MMS和BE），/>为通信系统内帧优先级，/>为数据帧长度，/>为流量触发类型（包括时间触发与事件触发）。
本实施例中稳定状态下GOOSE流量的到达时间间隔为500ms，广播风暴状态下GOOSE流量到达时间间隔取最小间隔为1ms，即GOOSE流量的到达速率分别为2Hz和1000Hz，MMS流量的到达时间间隔为500ms，即MMS流量的到达速率为2Hz，网络最大突发取最大帧长度524Byte，GOOSE的同优先级最大帧长为185Byte，MMS的高优先级、同优先级最大帧长分别为185Byte和524Byte，SMV流量到达速率为0.25ms，TAS机制占用逻辑带宽设置为总带宽的40%，链路总带宽为100Mbps，所有受TSN调度的时间敏感流量最大占用75％的总逻辑带宽上限，从而为BE流量的正常传输提供一定的带宽保证。各流量优先级按表1所述方案分配。
表1 非保护流量优先级分配方案
首先在GOOSE流量在稳定传输状态下计算形式化的带宽分配问题，得到满足约束的带宽分配方案为GOOSE流量占用总带宽为33.06Mbps，根据时延需求，GOOSE 1A与GOOSE 1B分别占用27.55Mbps和5.51Mbps，MMS流量占用总带宽为1.94Mbps，SMV流量由TAS机制保护占用带宽为40Mbps，BE流量以及网络中其他类型流量占用剩余带宽为25Mbps。
在GOOSE广播风暴场景下，判断是否存在MMS流量过期问题，若不存在即，则继续按初始分配的带宽进行传输。
若存在流量过期现象即，则降低GOOSE复制帧的优先级，事件触发的GOOSE预警原始帧优先级为7，接下来的第一帧复制帧优级降为6，第二帧优先级降为5，以此类推直到降低到0为止。基于调整后的帧和优先级，重新计算带宽分配方案为GOOSE流量占用总带宽为29.62Mbps，其中GOOSE 1A与GOOSE 1B分别占用24.68Mbps和4.94Mbps，MMS流量占用总带宽为5.38Mbps，SMV流量由TAS机制保护占用带宽为40Mbps，BE流量以及网络中其他类型流量占用剩余带宽为25Mbps。
依据网络中GOOSE流量到达速率判断GOOSE网络风暴是否停止，若未停止继续按调整优先级后得到的带宽进行流量传输，若已停止则将传输带宽恢复为初始带宽分配值。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法，其特征在于，包括：
根据智能变电站各类型流量信息，生成智能变电站流量集合；
所述生成智能变电站流量集合包括：
设变电站中一个调度周期内全部帧集合为F，包括周期性采样值SMV流量，周期与非周期性结合的跳闸命令GOOSE 1A、开关位置变化GOOSE 1B以及MMS流量；将网络中每一帧f∈F的结构定义为f＝<T,d,type,p,s,e>，其中T为数据帧周期，d为数据帧过期时间，未在过期时间前得到传输的帧视为过期帧，type为帧类型，帧类型包括SMV、GOOSE 1A、GOOSE 1B、MMS和BE，p为通信系统内帧优先级，s为数据帧长度，e为流量触发类型，流量触发类型包括时间触发与事件触发；
基于智能变电站各类型流量时延需求，设置非保护流量优先级分配方案；
所述设置非保护流量优先级分配方案包括：
将跳闸命令细化为GOOSE 1A，优先级设为7；
将开关位置变化信息细化为GOOSE 1B，优先级设为6；
将设备状态信息、时间同步信息和文件传输信息的优先级统一设为5；
将与IEC 61850标准本身不直接相关的协议优先级设置为0～4；
基于网络演算模型到达曲线与服务曲线以及恒定比特率限制机制，建立变电站通信时延分析模型；
所述建立变电站通信时延分析模型包括：
使变电站通信网络的流量到达曲线满足：
ατ(t)＝ρτt+στ
式中，t为时间变量，ρτ为流量τ的流量到达速率，στ表示网络中的最大突发，取στ为最大帧长度Lmax；
分析变电站GOOSE流量与MMS流量的传输特征，将GOOSE流量的流量到达曲线表示为：
其中，表示时间触发GOOSE报文的流量到达速率，/>表示事件触发GOOSE报文的流量到达速率；
对于MMS流量，设流量按固定频率到达传输端口，将MMS流量的流量到达曲线表示为：
αMMS(t)＝ρMMSt+στ
其中，ρMMS表示MMS报文的流量到达速率；
变电站通信网络的流量服务曲线用于描述网络的流量转发能力，表示为：
式中，R为服务速率，T为服务系统的时延值；
将GOOSE流量与MMS流量的idleSlope形式化为：
式中，IGOOSE为GOOSE流量的信用值累积速率，SGOOSE为GOOSE流量发送时的信用值降低速率，IMMS为MMS流量的信用值累积速率，SMMS为MMS流量的信用值降低速率，LR为逻辑可分配带宽；
将GOOSE流量的服务曲线中的服务速率RGOOSE和初始延迟TGOOSE分别表示为：
式中，BR为总带宽，ρSMV为SMV保护流量到达速率，σSMV为SMV保护流量帧长度；
将MMS流量的服务曲线中的服务速率RMMS和初始延迟TMMS分别表示为：
式中，为高优先级流量帧长度，/>为相同优先级流量帧长度；
基于变电站通信时延分析模型，将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；
所述将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件包括：
将带宽分配目标设置为通信网络内全部流量的加权平均时延最小，其中，权重由各流量的优先级决定，则总体时延优化目标为：
式中，等于变电站到达曲线与服务曲线的最大水平距离，形式化为：
Dworse＝supd(d:α(t)＝β(t+d))
确保为受CBS机制控制的GOOSE流量与MMS流量分配的逻辑带宽不超过75％，约束表示为：
0≤Ri≤0.75LR i∈{GOOSE,MMS}
确保GOOSE流量与MMS流量能够受CBS机制调度，约束表示为：
RGOOSE+RMMS＝LR
确保预留带宽需要大于流量到达速率，约束表示为：
式中，e为流量的触发类型，包括时间触发与事件触发，表示触发类型为e的流量i的流量到达速率；
确保各种类型流量在经CBS机制调度后，最坏情况下时延要满足各自的时延需求，约束表示为：
式中，表示流量i的帧过期时间；
基于形式化的带宽分配问题，调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略；
所述调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略包括：
基于网络演算时延评估模型，根据变电站通信时延分析模型建立智能变电站网络通信带宽分配模型，所述智能变电站网络通信带宽分配模型包括流量到达曲线与结合CBS机制的流量服务曲线；
根据形式化问题的约束条件建立有约束条件的带宽分配优化模型，初始化各类型流量优先级；
在智能变电站流量稳定的场景下，根据带宽分配优化模型以及相应约束条件计算得到GOOSE与MMS流量的带宽分配值；
输出带宽参数并设置CBS参数，变电站通信网络在TAS机制与CBS机制的流量调度下进行传输；判断是否发生GOOSE广播风暴现象，若未发生则继续在原计算带宽下进行流量传输；
在GOOSE广播风暴的突发场景下，判断是否存在MMS流量过期问题，若不存在则继续按初始分配的带宽进行传输；若存在，则降低GOOSE复制帧的优先级，若事件触发的GOOSE预警原始帧优先级为x，接下来的第一帧复制帧优先级降为x-1，第二帧优先级降为x-2，以此类推直到降低到0为止；基于调整后的帧和优先级，重新计算带宽分配值并输出；
依据网络中GOOSE流量到达速率判断GOOSE网络风暴是否停止，若未停止，继续按调整优先级后得到的带宽进行流量传输，若已停止，则将传输带宽恢复为初始带宽分配值。
2.一种采用如权利要求1所述基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的系统，其特征在于，包括：
初始化模块，用于根据智能变电站各类型流量信息，生成智能变电站流量集合；
所述生成智能变电站流量集合包括：
设变电站中一个调度周期内全部帧集合为F，包括周期性采样值SMV流量，周期与非周期性结合的跳闸命令GOOSE 1A、开关位置变化GOOSE 1B以及MMS流量；将网络中每一帧f∈F的结构定义为f＝<T,d,type,p,s,e>，其中T为数据帧周期，d为数据帧过期时间，未在过期时间前得到传输的帧视为过期帧，type为帧类型，帧类型包括SMV、GOOSE 1A、GOOSE 1B、MMS和BE，p为通信系统内帧优先级，s为数据帧长度，e为流量触发类型，流量触发类型包括时间触发与事件触发；
流量分析模块，用于基于智能变电站各类型流量时延需求，设置非保护流量优先级分配方案；
所述设置非保护流量优先级分配方案包括：
将跳闸命令细化为GOOSE 1A，优先级设为7；
将开关位置变化信息细化为GOOSE 1B，优先级设为6；
将设备状态信息、时间同步信息和文件传输信息的优先级统一设为5；
将与IEC 61850标准本身不直接相关的协议优先级设置为0～4；
时延模型构建模块，用于基于网络演算模型到达曲线与服务曲线以及恒定比特率限制机制，建立变电站通信时延分析模型；
所述建立变电站通信时延分析模型包括：
使变电站通信网络的流量到达曲线满足：
ατ(t)＝ρτt+στ
式中，t为时间变量，ρτ为流量τ的流量到达速率，στ表示网络中的最大突发，取στ为最大帧长度Lmax；
分析变电站GOOSE流量与MMS流量的传输特征，将GOOSE流量的流量到达曲线表示为：
其中，表示时间触发GOOSE报文的流量到达速率，/>表示事件触发GOOSE报文的流量到达速率；
对于MMS流量，设流量按固定频率到达传输端口，将MMS流量的流量到达曲线表示为：
αMMS(t)＝ρMMSt+στ
其中，ρMMS表示MMS报文的流量到达速率；
变电站通信网络的流量服务曲线用于描述网络的流量转发能力，表示为：
式中，R为服务速率，T为服务系统的时延值；
将GOOSE流量与MMS流量的idleSlope形式化为：
式中，IGOOSE为GOOSE流量的信用值累积速率，SGOOSE为GOOSE流量发送时的信用值降低速率，IMMS为MMS流量的信用值累积速率，SMMS为MMS流量的信用值降低速率，LR为逻辑可分配带宽；
将GOOSE流量的服务曲线中的服务速率RGOOSE和初始延迟TGOOSE分别表示为：
式中，BR为总带宽，ρSMV为SMV保护流量到达速率，σSMV为SMV保护流量帧长度；
将MMS流量的服务曲线中的服务速率RMMS和初始延迟TMMS分别表示为：
式中，为高优先级流量帧长度，/>为相同优先级流量帧长度；
形式化模块，用于基于变电站通信时延分析模型，将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件；
所述将变电站带宽分配问题形式化，分析形式化问题的约束条件包括：
将带宽分配目标设置为通信网络内全部流量的加权平均时延最小，其中，权重由各流量的优先级决定，则总体时延优化目标为：
式中，等于变电站到达曲线与服务曲线的最大水平距离，形式化为：
Dworse＝supd(d:α(t)＝β(t+d))
确保为受CBS机制控制的GOOSE流量与MMS流量分配的逻辑带宽不超过75％，约束表示为：
0≤Ri≤0.75LR i∈{GOOSE,MMS}
确保GOOSE流量与MMS流量能够受CBS机制调度，约束表示为：
RGOOSE+RMMS＝LR
确保预留带宽需要大于流量到达速率，约束表示为：
式中，e为流量的触发类型，包括时间触发与事件触发，表示触发类型为e的流量i的流量到达速率；
确保各种类型流量在经CBS机制调度后，最坏情况下时延要满足各自的时延需求，约束表示为：
式中，表示流量i的帧过期时间；
带宽分配模块，用于基于形式化的带宽分配问题，调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略；
所述调用基于加权平均时延最小化的带宽算法，确定智能变电站带宽分配策略包括：
基于网络演算时延评估模型，根据变电站通信时延分析模型建立智能变电站网络通信带宽分配模型，所述智能变电站网络通信带宽分配模型包括流量到达曲线与结合CBS机制的流量服务曲线；
根据形式化问题的约束条件建立有约束条件的带宽分配优化模型，初始化各类型流量优先级；
在智能变电站流量稳定的场景下，根据带宽分配优化模型以及相应约束条件计算得到GOOSE与MMS流量的带宽分配值；
输出带宽参数并设置CBS参数，变电站通信网络在TAS机制与CBS机制的流量调度下进行传输；判断是否发生GOOSE广播风暴现象，若未发生则继续在原计算带宽下进行流量传输；
在GOOSE广播风暴的突发场景下，判断是否存在MMS流量过期问题，若不存在则继续按初始分配的带宽进行传输；若存在，则降低GOOSE复制帧的优先级，若事件触发的GOOSE预警原始帧优先级为x，接下来的第一帧复制帧优先级降为x-1，第二帧优先级降为x-2，以此类推直到降低到0为止；基于调整后的帧和优先级，重新计算带宽分配值并输出；
依据网络中GOOSE流量到达速率判断GOOSE网络风暴是否停止，若未停止，继续按调整优先级后得到的带宽进行流量传输，若已停止，则将传输带宽恢复为初始带宽分配值。
3.一种计算设备，包括：
存储器和处理器；
所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1所述基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现权利要求1所述基于信用整形和网络演算的变电站带宽分配方法的步骤。
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