CN115883485B - 一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法 - Google Patents
一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，包括以下步骤，根据IEC61850定义的变电站通信网络业务报文传输需求确定报文传输的优先级；配置TSN交换机门控控制列表，依据SV报文的发送频率和交换机转发时间设置保护窗口和GCL循环周期；根据端口转发的各报文长度，设置交换机转发最大报文所需时间并在保护窗口前设置保护带；设置自由传输窗口，遵循优先级调度策略；根据SV报文的传输路径，下一跳交换机设置的GCL延迟一个时间间隔。本发明采用上述的一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，解决了变电站通信网络各业务共网传输在大流量情况下的实时性不确定问题，提高了关键业务流量传输的实时性，简化了网络结构。
Description
技术领域
本发明涉及电力通信网络数据流量调度技术领域，尤其是涉及一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法。
背景技术
近年来，为了满足现代各行业对数据传输的实时性需求，国内外研究者尝试采用TTEthernet，FlexRay和时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，TSN)等技术提高数据传输的实时性。其中TSN脱胎于以太网协议体系，由一组IEEE协议组成，便于在现有以太网络中进行组网。相较于传统以太网，TSN具有数据流量整形、调度和时间同步等能力，可以有效提高时间敏感业务传输的QoS，因此TSN技术在工业互联网、航空、医疗、车联网等多个领域得到了广泛的应用。
变电站是电力系统进行能量转换的关键节点。变电站自动化系统专门用于监测、控制和保护变电站及其相关馈线中的一次设备。随着IEC61850标准的推广与应用，变电站自动化系统越来越依赖变电站通信网络(Substation Communication Network，SCN)实现监控、控制和保护功能。随着变电站智能化程度的不断提高，变电站通信网络中数据业务流量的增长与关键控制业务数据传输需求的矛盾也日趋凸显，此时传统的以太网已不能满足智能变电站通信的需求，亟需引入新技术保证变电站关键控制业务数据传输的实时性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，解决了变电站通信网络各业务共网传输在大流量情况下的实时性不确定问题，提高了关键业务流量传输的实时性，简化了网络结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法,包括以下步骤：
步骤S1：根据IEC61850定义的变电站通信网络业务报文传输需求确定报文传输的优先级；
步骤S2：配置TSN交换机门控控制列表，依据SV报文的发送频率和交换机转发时间设置保护窗口和GCL循环周期；
步骤S3：根据端口转发的各报文长度，设置交换机转发最大报文所需时间并在保护窗口前设置保护带；
步骤S4：设置自由传输窗口，遵循严格优先级调度策略；
步骤S5：根据SV报文的传输路径，下一跳交换机设置的GCL延迟一个时间间隔。
优选的，步骤S1中所述业务报文属性主要包含报文的长度、周期性和发送频率。
优选的，步骤S2中所述设置GCL循环周期为SV报文的发送周期TGCL，如式(1)所示，
TGCL＝TSV (1)
式中：TSV为SV报文的最大长度；
保护窗口的长度TPW如式(2)所示；
式中：LSV为SV报文的最大长度；C为交换机端口转发速率。
优选的，步骤S3中，所述保护带长度TGB由下式求得，
式中：Lmax为交换机端口转发的所有报文的最大长度。
优选的，步骤S5中所述时间间隔Δt等于交换机转发SV报文所需时间。
式中：LSV为SV报文的最大长度；C为交换机端口转发速率。
因此，本发明采用上述的一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，具备以下有益效果：
(1)采用TSN的增强流量调度IEEE802.1Qbv协议，综合了变电站通信网络多种业务报文的传输需求，在保障关键业务流量的超低时延、超低抖动传输基础，同时满足其他各业务流量传输的实时性需求；
(2)解决了变电站通信网络各业务共网传输在大流量情况下的实时性不确定问题，提高了关键业务流量传输的实时性，简化了网络结构。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法实施例分配原理图；
图2为本发明一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法实施例中母线保护网络连接模型；
图3为本发明一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法流程图；
图4为本发明一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法实施例的TSN交换机示意图。
具体实施方式
实施例
流量调度方法原理是为周期性的采样值SV报文预留保护带宽，保障SV报文的低时延零抖动传输。剩余带宽按严格优先级的调度传输规则，保障其他时间敏感业务的低时延传输，其分配原理如图1所示。
图2为本实施例中的TSN网络模型图，本实施例使用如图2所示的由三个终端和一个TSN交换机组成的TSN网络。
如图3所示，本发明提供了一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据IEC61850定义的变电站通信网络各业务报文传输需求确定报文传输的优先级。
业务报文属性主要包含三部分，分别为报文的长度、周期性和发送频率。报文传输需求参照IEC61850标准定义的变电站通信网络报文实时性需求，如表1所示：
表1
根据不同报文对传输时延的要求，时延要求高的分配高的优先级，时延要求低的分配低的优先级。
在本实施例中各报文的发送频率和大小及分配的优先级如表2所示。
表2
步骤S2：配置TSN交换机门控控制列表，依据SV报文的发送频率和交换机转发时间设置保护窗口和GCL循环周期，在本实施例中保护窗口长度设置为25μs，GCL循环周期设置为250μs。
步骤S3：根据端口转发的各报文长度，设置交换机转发最大报文所需时间并在保护窗口前设置保护带，在本实施例中保护带长度为22.4μs。
步骤S4：设置除保护窗口和保护带外的自由传输窗口，遵循严格优先级调度策略。
自由传输窗口的实现是将除保护窗口对应优先级队列的门控外，所有门控全部打开实现的，此时的GCL应为01111111。不同优先级队列中的缓存数据遵循严格优先级的调度策略。
步骤S5：根据SV报文的传输路径，下一跳交换机设置的GCL延迟一个时间间隔，延迟的时间间隔等于交换机转发SV报文所需时间。在本实施例中下一跳交换机的GCL滞后时间为20μs。
利用网络演算方法计算该流量调度方法下个报文传输的时延边界。各报文的时延边界分布如表3所示：
表3
因此，本发明采用上述的一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，解决了变电站通信网络各业务共网传输在大流量情况下的实时性不确定问题，提高了关键业务流量传输的实时性，简化了网络结构。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据IEC61850定义的变电站通信网络业务报文传输需求确定报文传输的优先级；
步骤S2：配置TSN交换机门控控制列表，依据SV报文的发送频率和交换机转发时间设置保护窗口和GCL循环周期；
其中所述设置GCL循环周期为SV报文的发送周期TGCL，如下式所示，
TGCL＝TSV
式中：TSV为SV报文的最大长度；
保护窗口的长度TPW如下式所示，
式中：LSV为SV报文的最大长度；C为交换机端口转发速率；
步骤S3：根据端口转发的各报文长度，设置交换机转发报文所需时间并在保护窗口前设置保护带；
步骤S4：设置自由传输窗口，遵循优先级调度策略；
步骤S5：根据SV报文的传输路径，下一跳交换机设置的GCL延迟一个时间间隔。
2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，其特征在于：步骤S1中所述业务报文属性包含报文的长度、周期性和发送频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，其特征在于：步骤S3中，所述保护带长度TGB由下式求得，
式中：Lmax为交换机端口转发的所有报文的最大长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于IEEE802.1Qbv的变电站通信网络流量调度方法，其特征在于：步骤S5中所述时间间隔Δt等于交换机转发SV报文所需时间，
式中：LSV为SV报文的最大长度；C为交换机端口转发速率。
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