优先级控制轮询在变电站通信网络中的应用

朱龙正，高宇航，杨志军，陶则恩

(1．云南大学 信息学院，云南 昆明 650091; 2．电子科技大学，四川 成都 611731)

优先级控制轮询在变电站通信网络中的应用

朱龙正1，高宇航2，杨志军1，陶则恩1

(1．云南大学 信息学院，云南 昆明 650091; 2．电子科技大学，四川 成都 611731)

变电站通信网络是变电站实现综合自动化的前提，变电站内部设备可划分成3个层次，其中第二层的数据和控制信息传送到与远方调度中心通信的站级PC机，该过程属于计算机通信网络的范畴，针对变电站通信网络的这个特点，将两级优先级控制轮询系统用在变电站通信网络中。提出了在站级PC通信接口(主节点)采用完全服务的轮询方式，第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)采用门限服务的轮询方式的新模型。完全服务的优先级比门限服务的高，对新模型进行了仿真和理论计算，得出新系统的平均时延和平均排队队长与负载之间的关系、平均时延和平均排队队长与子节点数之间的关系，这些参数对于提高变电站通信网络的性能至关重要。

变电站通信网络；轮询系统；门限服务；完全服务；平均时延；平均排队队长

0 引言

变电站综合自动化系统是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备的功能进行重新组合和优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息、数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。

按照IEC-57国际电工委员会电力系统控制欲通信技术委员会的划分，变电站内设备可以划分成3个层次，但是，一层与二层之间大多还没有真正意义上的数据通信，通信网络主要是将第二层的数据和控制信息传送到与远方调度中心通信的站级PC机。对于变电站综合系统自动化而言，采用的是总线型拓扑结构，总线型拓扑结构的网络在MAC(媒体访问控制)层又分为随机接入和受控接入两大类，本文主要讨论属于受控接入类型的轮询方式网络的性能［1］。

轮询是一类重要的理论研究模型，其研究起源可追溯到20世界50年代后期，轮询系统具有独到的接入控制盒高效的调度、查询功能，可对相应的控制模型进行有效分析，对其控制机制进行改进，在具体实践中得到了广泛应用和发展［2］。

基于不同优先级轮询系统，设计了一个新的变电站通信模型，该模型的应用对于合理配置变电站通信网络的参数，使变电站发挥最大性能提供了重要的依据［3］。

1 新的变电站通信模型

由一个NET、一个主节点h和N个子节点组成新的变电站通信模型，在这个新模型中，NET轮询地为数据包提供服务，根据通信的特点，数据包的到达过程、NET的服务时间和转换时间都是一个随机的过程。

基于不同优先级轮询策略的系统由一个站级PC通信接口(主节点)拥有高优先级h和N个第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)拥有低的优先级组成。站级PC通信接口(主节点)接受服务是以完全服务的策略，第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)接受服务以门限服务的策略，NET首先对站级PC通信接口(主节点)服务，当站级PC通信接口(主节点)空闲，而第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)不空闲，NET对第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)服务，当第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)i被完全服务之后，转而服务站级PC通信接口(主节点)h。下一步又将服务第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)i+1［4］。

变电站中涉及到通信领域中的数据流结构如图1所示，其中，1～N表示第二层设备通信接口内部的数据缓冲区(子节点)，λ1～λN代表各第二层设备上传的信息的到达率。h表示站级PC通信接口(主节点)，λh代表进入主节点的信息到达率［5］。

通过对此系统的仿真和理论研究，分别得到平均时延和平均排队队长与子节点数和负载的关系，这对研究变电站中的通信网络的优化配置等有着特殊的意义。

图1 站内通信网络数据流结构图

1.1 工作条件

①每个子节点信息分组的达到过程服从相互独立的同分布Poisson过程，其分布的概率母函数、均值和方差分别为A( z )，λ=A′(1)和A″(1)+λ-λ2，主节点h到达过程的概率母函数、均值和方差分别为Ah(z )，λh=A′h(1)和

②任意子节点队列中一个信息分组的传输服务时间服从一个相互独立、同分布的概率分布，其分布的概率母函数、均值和方差分别为B( z)，β= B′(1)和，主节点h的传输服务时间的概率母函数、均值和方差分别为Bh(z)，βh=

③NET(站点)完成相应的信息分组传输服务后，转向查询主节点的查询转换时间服从一个相互独立、同分布的概率分布，其分布的概率母函数、均值和方差分别为R( z)、γ=R＇(1)和

④所有设备的FIFO存储空间无限大，不会产生信息分组的丢失［6－7］。

1.2 概率母函数

马尔可夫链在(λhβh+Nλβ)＜1的条件下达到稳态，稳态的概率母函数定义为［8］:

队列i在tn时刻以门限服务的形式接受服务，站级PC通信接口(主节点)h在tn*时刻以完全服务的形式接受服务，队列i+1在tn+1时刻服务［9］。

tn*时刻系统的母函数是:

tn+1时刻系统母函数是:

子节点的平均排队队长为:

主节点的平均排队队长为:

子节点的平均延时为:

主节点的平均延时为:

2 仿真结果和分析

图2和图3清晰地反映了平均延时和平均排队队长随着负载的增加而不断增加，且到达某段可承载负载之后速度呈现急剧加快的现象，到达某个值时(针对N=3的情况，在负载等于0．25，到达率等于0．02时)出现不稳定情况。还可以运用该系统的稳定条件(λhβh+Nλβ)＜1，来对变电站的子节点、主节点、到达率和服务时间之间的关系进行研究，通过研究可以得到较为合理的配置。

图4和图5是子节点数N=6，到达率等于0．02时，平均时延和平均排队队长与负载之间的关系。由于在新模型中主节点使用了高优先级的完全服务，所以主节点的平均时延和平均排队队长远远低于子节点。

图6和图7是子节点数N=12，到达率等于0．02时，平均时延和平均排队队长与负载之间的关系。由于在新模型中主节点使用了高优先级的完全服务，所以主节点的平均时延和平均排队队长远远低于子节点。

从图2、图4和图6中可以看到，在相同到达率的情况下，子节点数不同，平均时延不同并随着子节点数目的增加而增大，子节点数越多平均时延越大。从图3、图5和图7中可以看到，在相同到达率的情况下，子节点数不同时，平均排队队长不同并随着子节点数目的增加而增大，子节点数越多平均时延越大。新模型中把两级优先级轮询系统应用在变电站通信系统中，主节点使用优先级高的完全服务，子节点使用优先级低的门限服务，大大降低了系统的时延和排队队长，这对于提高变电站的网络性能有很大的意义。

3 结束语

通过实验和和理论分析，可以得出平均延时和平均排队队长随着负载的增加而不断增加，且到达某段可承载负载之后速度呈现急剧加快的现象，到达某个值时出现不稳定情况。由于网络节点数的不同，它的平均时延和平均排队队长是有差异的，并随着子节点数目的不断增加，平均时延和平均排队队长也随之增大。此外，由于变电站内部通信网络对实时性要求很高，所以对平均时延特性的分析可以很好地解决实时性的问题。对网络优化问题的分析和研究，可以得出变电站内通信网络的最优网络配置等问题，当然，使用优先级服务的轮询系统，在网络的利用率和吞吐量的研究中也会有很大的优势。

［1］王峥，胡敏强，郑建勇，等．变电站轮询式通信网络的MATLAB仿真研究[J]．电力系统及其自动化学报，2001，13(5):15－18．

［2］赵东风，丁洪伟，赵一凡，等．多级门限服务轮询系统MAC离散控制协议模型分析[J]．电子学报，2010，38 (7):1495－1500．

［3］杨志军．两级优先级控制轮询系统理论及应用研究[M]．昆明:云南大学出版社，2010．

［4］Yang Z J，Zhao D F．Polling Strategy for Wireless Multimedia LANs[J]．Tsinghua Science and Technology，2006，11(5):606－610．

［5］王峥．变电站内部通信系统的研究[D]．南京:东南大学，2002:25－31．

［6］Zhao D F，Zheng S M．Waiting Time Analysis for Polling and Token Passing Scheme for Computer and Communication Systems［C］∥Proc．Of Int．Conf．on Communication Technology．Beijing，1992:155－159．

［7］Zhao D F，Ding H W，Zhao Y F，et al．An Analytical Model of a Discrete-time Polling MAC Protocol for Wireless LANs Using M-Gated Services[J]．Acta．Electronica Sinica，2010，38(7):1495－1499．

［8］Ding H W，Zhao D F，Zhao Y F．Packet Delay Analysis of Continuous-time Polling System with M-gated Services［C］∥CCTAE 2010 Chengdu，2010:408－411．

［9］Yang Z J，Zhao D F．QoS Support Polling Scheme for Multimedia Traffic in Wireless LAN MAC Protocol[J]．Tsinghua Science and Technology，2008，13(6):754－758．

Application of Priority Differentiated Polling Strategy in Substation Communication Network

ZHU Long-zheng1，GAO Yu-hang2，YANG Zhi-jun1，TAO Ze-en1
(1．School of Informatics，Yunnan University，Kunming Yunnan 650091，China; 2．University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China)

The network is very important to substation automation system．Typically the internal equipment of substation can be divided into three levels．Data and control information at the second level are transmitted to the station-level PC of remote control center．This process belongs to the category of computer communication networks．Aiming at the characteristic of substation communication network，this paper uses the gated and exhaustive services mixed polling system in substation．The station level PC communication interface has higher priority than those on communication interface internal data buffer in the second level．The exhaustive service strategy is used for the station level PC communication interface and gated service for communication interface internal data buffer in the second level．Based on experiments and theoretical calculations，this paper obtains the relationship that the mean time delay and mean queue length increase as the load increases．In addition，it also achieves the relationship that the mean time delay and mean queue length increase as the number of communication interface internal data buffer in the second layer increases．These results are crucial to the improvement of network performance in substation．

substation network;polling system;gated service;exhaustive service;mean time delay;mean queue length

TN97

A

1003－3114(2015)05－93－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.25

朱龙正，高宇航，杨志军，等．优先级控制轮询在变电站通信网络中的应用［J］．无线电通信技术，2015，41(5):93－96．

2015－05－28

朱龙正(1989―)，男，硕士研究生，主要研究方向:计算机通信与网络、无线通信和轮询系统。杨志军(1968—)，男，高级工程师/副院长，主要研究方向:计算机通信与网络、无线通信和轮询系统。