引用本文

袁凯, 李俊娥, 刘开培, 陆秋余, 倪明, 罗剑波. 一种基于UDP的电力广域保护系统可靠通信方法. 自动化学报, 2021, 47(7): 1598−1609 doi: 10.16383/j.aas.c180641

Yuan Kai, Li Jun-E, Liu Kai-Pei, Lu Qiu-Yu, Ni Ming, Luo Jian-Bo. A reliability communication approach for power wide area protection system based on UDP. Acta Automatica Sinica, 2021, 47(7): 1598−1609 doi: 10.16383/j.aas.c180641

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180641

关键词

电力广域保护，网络通信，纠错，实时性，可靠性 

摘要

电力广域保护系统从点到点通信逐步走向网络化通信, 如何在拥塞状态下保障业务的实时性和可靠性, 成为亟待解决的问题. 针对传输控制协议(Transmission control protocol, TCP)不能保障实时性以及用户数据报协议(User datagram protocol, UDP)不能保障可靠性的问题, 本文提出一种联合应用层纠错、检错和重发机制的UDP传输方案, 在提供低时延传输服务的同时也能保障报文的可靠性. 考虑到算法的复杂性, 选择本原BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)码作为纠错编码算法, 设计了编码分组方法, 并通过实验验证了分组方法的正确性; 对增加纠错机制后的报文实时性进行了理论分析和仿真验证; 为了解决突发误码和丢包情况下的可靠性问题, 进一步设计了应用层检错和重发机制, 并分析了时延. 分析表明, 在应用层增加本文所设计的纠错、检错和重发机制后增加的时延几乎可以忽略不计. 最后给出了所提方法的联合应用算法, 并进行了可靠性分析, 结果表明本文方案的可靠性高于其他UDP传输方案.

文章导读

电力广域保护系统的测量数据上传、执行报文下发以及各个区域之间的信息交换需要可靠与实时的通信保障[1-3], 否则可能导致执行单元发生拒动或者误动, 威胁电力系统的安全稳定运行[4-7]. 目前电网大多采用点对点的信息传输方式, 这种传输方式投资大, 不能适应大规模的广域保护系统应用需求. 采用基于TCP/IP协议的交换网实现互联电网的广域信息交换是未来电网保护与控制的必然发展趋势.

广域保护与控制系统的通信范围广、通信距离长, 其通信网络受到攻击的可能性大, 容易出现拥塞状态. 传输控制协议 (Transmission control protocol, TCP)通过确认与超时重传机制为应用程序提供可靠的传输服务, 但其拥塞控制机制可能导致报文时延增加. 用户数据报协议 (User datagram protocol, UDP)没有拥塞控制机制, 无论网络拥塞与否, 都按照源站自身的能力以不变的速率发送报文, 且大量的UDP报文发送到信道上, 会进一步抑制TCP的发送速率, 从而具有信道资源抢占能力[8-9].

实时、可靠的通信系统是广域保护系统的基础[10-11]. 传统的关于电力广域保护系统通信实时性与可靠性保障方法的研究, 主要采用优化网络拓扑结构、基于多协议标签交换 (Multi-protocol label switching, MPLS)的流量工程[12-13]与路由优化[12, 14]、针对不同优先级业务优化队列调度算法[15]、基于区分服务体系结构模型的服务质量保障[13, 15]等方法. 如果传输层仍然使用TCP协议, 这些方法并不能解决同一数据流路径上拥塞和出错重传带来的时延问题.

有学者初步提出了基于UDP传输可靠性要求高的工业控制报文. 文献[16]提出了基于UDP传输协议的面向通用对象的变电站事件 (Generic object oriented substation event, GOOSE)报文广域互联实时通信, 但对可靠性保障只给出了应用层报文重传的机制和增加冗余信道的建议措施, 且存在如下不足: 所设计的报文重传时间间隔较大, 稳定状态时的重传时间间隔为小于60 s, 可选20 s, 不能保证报文丢失或出错时的业务实时性, 虽然事件发生后缩短了重传间隔, 但多次重传仍然会超时; 冗余信道将极大增加投资成本, 且不能避免攻击引发的报文丢失和出错问题. 文献[17]提出基于UDP协议传输局域网广域测量系统 (Wide area measurement system, WAMS)数据和在应用层增加重发机制和实时插值机制来保障UDP传输可靠性的策略, 但是, 其重传是基于数据缺失检查和请求应答机制实现的, 和TCP类似, 多次重传会导致时延超出实时性要求; 而实时插值机制针对同步向量测量单元 (Phasor measurement unit, PMU)数据特点提出, 并不适用于所有的应用. 总之, 上述文献均未很好解决使用UDP传输时通信业务的可靠性保障问题. 目前为止, 未见将纠错、检错和重发机制联合用于实际通信的研究.

电力广域保护控制通信体系依照分层分布的设计原则进行构建[18-20]. 广域保护系统的业务报文主要包括两大类: 测量数据上传报文和控制命令下发报文. 广域保护与控制系统的动作时间(测量数据上传和控制命令下发的动作时延)范围在100 ms到100 s之间, 具体时延要求与业务类型、电网规模、元件位置有关[21]. 以失步保护为例, 其测量数据上传和控制命令下发的通信时延之和不能超过370 ms[22-23].

本文针对TCP不能保障实时性而UDP不能保障可靠性的问题, 提出一种基于UDP传输的应用层纠错、检错和重发机制, 以保障电力控制报文的实时性与可靠性, 为广域保护与控制系统走向IP网络通信提供参考.

图 1  纠错算法实验程序流程图

图 2  一个省级电力调度数据网络结构

图 3  网络畅通时采用TCP和UDP的业务最大时延

当电力广域保护系统的通信网络拥塞时, 报文采用TCP传输协议的时延会急剧增加, 而已有UDP传输方案不能保证报文的可靠性, 因此, 本文提出了一种新的广域保护系统通信实时性与可靠性保障方案, 该方案在传输层采用UDP协议来保障报文的实时性, 通过联合采用应用层纠错与检错机制、和报文快速重发机制来保证报文的可靠性. 针对电力广域保护通信业务特点, 本文选择本原BCH码作为纠错编译码算法, 并设计了分组方法; 给出了检错和重发的建议方案; 设计了UDP传输下的检错、纠错与重发机制的联合应用算法. 理论分析和仿真结果表明, 本文方案在网络拥塞时仍能保障绝大多数电力广域保护业务的实时性, 且可靠性高于TCP传输方案及其他UDP传输方案. 在实际应用中, 可以进一步联合传统实时性与可靠性保障方法, 优化网络和业务系统结构, 最终实现对所有业务的实时性和可靠性保障.

本文设计的纠错译码算法只是一种实现方法, 在应用中, 也可以按照实际信道的误码率、算法的复杂性和通信设备的计算能力权衡考虑来设计适用的纠错算法. 本文工作也可为其他工业控制系统参考.

作者简介

袁凯

武汉大学电气与自动化学院博士研究生. 主要研究方向为智能电网通信QoS保障与可靠性分析.E-mail: aishen890523@126.com

李俊娥

武汉大学国家网络安全学院/空天信息安全与可信计算教育部重点实验室教授. 2004年获得武汉大学计算机应用技术专业博士学位. 主要研究方向为网络体系结构, 网络安全, 信息物理系统和电力工业控制安全. 本文通信作者.E-mail: jeli@whu.edu.cn

刘开培

武汉大学电气与自动化学院教授. 2001年获武汉大学计算机应用技术专业博士学位. 主要研究方向为直流输电, 可再生能源和智能电网, 电能质量和数据分析.E-mail: kpliu@whu.edu.cn

陆秋余

武汉大学国家网络安全学院硕士研究生. 主要研究方向为智能电网通信QoS保障和网络安全. E-mail: luqiuyu_0623@163.com

倪明

国电南瑞科技股份有限公司研究员级高级工程师, 电网规划分析首席专家. 1996年获得东南大学电气工程博士学位. 主要研究方向为信息物理电力系统, 电力系统安全稳定控制. E-mail: ni-ming@sgepri.sgcc.com.cn

罗剑波

南瑞集团有限公司/国家电网电力科学研究院研究员级高级工程师. 主要研究方向为电网安全稳定分析, 综合防御与控制.E-mail: luojianbo@sgepri.sgcc.com.cn