0 引言

電力數據網包括電力調度數據網和電力通信數據網（即電力綜合數據網）。電力調度數據網主要承載調度自動化、故障錄波等生產控制類業務,覆蓋各級調度機構及備調、各級直調廠站。電力通信數據網主要承載辦公自動化、企業信息化、電力營銷、視頻監控等管理信息大區業務,覆蓋電力企業各級廠站、各類辦公場所。電力數據網采用IPv4/IPv6技術體制,是基于三層MPLS VPN技術的廣域網,其帶寬容量需求大、覆蓋面要求廣、集中部署業務需縱向貫通等要求越來越高,對數據實時性也提出了越來越高的需求。同時,電力數據網雖然仍基于層次架構,但與公眾電信網絡技術發展趨勢一樣,網絡扁平化是一種技術發展趨勢,路由功能下沉是一種技術發展的必然趨勢。另一方面,以智能化、電力電子化、互動化、清潔能源消納為特征的智能電網的發展,全國跨區交直流混聯的大規模電網的形成,電源、電網、負荷、儲能的異構、交互、協同之不斷發展,電力系統安全三道防線對數據信息時空關聯性的迫切要求,也對電力數據網的實時性提出了越來越高的
需求^[1-4]。

為了縮短數據包的傳輸延時,路由表匹配查找的快速搜索方法是電力數據網需要解決的核心問題之一。電力系統內的設備/裝置的智能化識別、感知、定位、跟蹤、監控和管理等,對其MAC地址、IPv4地址或IPv6地址空間的快速查找提出了挑戰。

所以,針對MAC地址、IPv4地址或IPv6地址空間搜索查詢,探索研究快速搜索方法,是提高電力數據網實時性需要解決的核心問題之一。

IPv6在地址容量、安全性、網絡管理、移動性以及服務質量等方面相對IPv4有明顯的改進,電力數據網向IPv6演進是技術發展的必然趨勢^[5-12]。

研究成果表明,針對MAC地址、IPv4地址或IPv6地址空間搜索查詢,中點法比順序法速度更
快^[13-15]。文獻[16-17]給出,針對變電站站內網絡的IPv6地址空間搜索問題,黃金分割比比中點法更
快速。

黃金分割比也稱為斐波納契法,從數學上已證明斐波納契法是使搜索區間趨于零最快的算法,是一種優化思想。基于該思想和已有的研究成果,本文提出了一種提高電力數據網實時性的加速網絡地址空間搜索的方法,可解決支撐廣域電力系統數據時空關聯的地址空間快速搜索問題,并且可以加速地址空間搜索進而縮短數據的傳輸延時,改善電力數據網的優良性能,促進電力系統的安全性和智能化水平。

 1 技術解決方案

1.1 具體搜索算法

為了提高電力數據網的實時性,解決網絡地址空間的快速搜索問題,采用斐波納契法能保證收斂且快速地縮小搜索范圍,具體算法如下。

在電力數據網內,搜索查詢某個具體地址A_λ,假設A_λ在地址段范圍A₁至A₂內,C_xy為電力終端地址的二進制數A_x和A_y之差后轉換的十進制數,x和y為1~6的自然數,即：

 （2）

定義十進制數的中間變量B′_xy對應的二進制中間變量B_xy為：

 （4）

 （6）

圖1 網絡地址段的地址點關系Fig.1 Address points relation of network address segment

圖2 基于斐波納契法的地址段搜索算法Fig.2 Address segment searching algorithm based on Fibonacci method

在電力數據網內,針對MAC地址、IPv4地址或IPv6地址,將待搜索查詢的某個具體地址的二進制數表示為A_λ,A_λ在地址段范圍A₁至A₂內,A₁、A₂分別為待搜索查詢地址段范圍的兩個界。

在A₁至A₂地址段范圍內,搜索查詢某個具體的地址A_λ,加速地址空間搜索的方法如圖2所示,圖2中左側為具體搜索算法,右側為對應左側用坐標軸表示的地址段范圍。

1.2 校驗與調用迭代過程

依據數值關系：C₄₁/C₂₁≈0.854、C₃₁/C₂₁≈0.618、C₅₁/C₂₁≈0.382、C₆₁/C₂₁≈0.236。通過中間量C₂₁、C₃₁、C₄₁、C₅₁和C₆₁,對地址段范圍A₁至A₂間的A₃、A₄、A₅和A₆地址點進行校驗,其中,C_xy為電力終端地址的二進制數A_x和A_y之差后轉換的十進制數,x和y為1~6的自然數。通過校驗保證上述過程求得A₃、A₄、A₅、A₆的正確性,若有錯誤則需要重新計算A₃、A₄、A₅和A₆,并進行再校驗。

將上述的搜索算法和校驗過程作為子程序,通過反復調用、迭代該子程序,迅速縮小待搜索的一段地址范圍,例如A₁至A₆、A₆至A₅、A₅至A₃、A₃至A₄或A₄至A₂,最終得到二進制數A_λ,即為待搜索的某個電力設備/裝置具體的MAC地址、IPv4地址或IPv6地址對應的二進制數。

 2 模擬仿真驗證

由優選法理論可知,斐波納契法的調用迭代具有最優的數學收斂性。在保證收斂的前提下,為了提高電力數據網的實時性,針對電力數據網內的MAC地址、IPv4地址和IPv6地址空間的搜索查詢問題,計算機模擬仿真結果表明,在內存讀取訪問次數超過2次的情況下,斐波納契法的地址查找所需時間更少,中點法與斐波納契法的地址查找所需時間之比如圖3所示。尤其是對于IPv6地址空間,斐波納契法的加速搜索效果更好,進而縮短數據延時的效果更佳。起到了快速搜索數據網絡地址空間作用,能夠提高電力數據網的實時性。

圖3 地址查找所需時間之比的模擬仿真結果Fig.3 Simulation results of the ratio of search time for address space

 3 應用場景舉例

3.1 GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文的交換與轉發

目前,網絡交換機是智能化變電站自動化系統的基礎通信設備,在數據鏈路層以MAC地址尋址來完成以太網數據幀的轉發、幀過濾功能,實現智能化變電站站內4類報文（即SV、GOOSE、MMS、IEC61588）信息在過程層、間隔層和站控層設備之間實時交互。其中,GOOSE和SV報文為二層以太網報文,MMS采用三層IP報文傳輸,IEC61588報文既可以采用二層以太網報文,也可以采用三層的IP報文傳輸。

對于二層以太網報文的GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文都有低時延要求。每個GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文的標準報文格式中字頭都帶有MAC目的地址（6個字節）和MAC源地址（6個字節）,其MAC地址尋址應用本文的方法可減小GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文的交換與轉發時延。例如,具體可內置于網絡交換機,用于交換機MAC地址緩存的查詢,根據報文的目的MAC地址查MAC轉發表（L2FDB）,如果在L2FDB表中查找到該目的MAC地址,則根據現有L2FDB表,報文從相應端口發送出去;如果在L2FDB表中查找不到該目的MAC,則判斷端口的VLAN ID和報文的VLAN ID是否匹配,不匹配直接丟棄,匹配則在該VLAN內廣播。

MMS和IEC61588報文屬于三層的IP報文,其傳輸應用本文的方法,能夠加速IPv4或IPv6地址查詢選路的效率。

所以,針對GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文,應用本文方法可對網絡交換機L2FDB表及三層交換機或路由器的IPv4或IPv6地址表的搜索查詢起到優化作用,尤其是在精確地址匹配的流轉發、最長地址匹配的逐包轉發或提高路由表的學習效率等方面。

3.2電網的智能感知

電網內設備/裝置的可識別性、可感知性、可定位性以及可控制性,需要MAC或IP地址來支撐電網的智能感知要求,更好地實現智能化識別、感知、定位、跟蹤、監控和管理。應用本文的方法,對MAC或IP地址表的搜索查詢起到加速的作用,能夠平衡兼顧地址搜索的快速性與收斂性,進而縮短數據包的傳輸延時。

3.3 電網智能設備的網絡管理

隨著智能電網和智慧能源互聯網的發展,要提高電力系統的故障識別、定位、跟蹤、診斷的效率,需要根據MAC或IP地址對電網智能設備進行搜索查詢。應用本文的方法,能夠對電網智能設備故障的定位追溯起到積極的優化作用。尤其是在臨時性應用環境中,例如在調試、檢修等設備網絡拓撲動態變化比較多的情況下,能夠提高智能電網的故障識別、定位、跟蹤、診斷的速度,加快保障大電網安全的反應應對速度。

 4 結語

隨著智能電網和智慧能源互聯網的發展,電網內設備/裝置都將帶有MAC或IP地址,以便于維護和運行管理。本文提出了一種可提高電力數據網實時性的加速地址空間搜索的方法,能夠減小電力數據網的通道傳輸時延,促進大電網的安全穩定控制、廣域繼電保護控制及廣域測量監控等的技術進步,改善電力系統內設備/裝置的可識別性、可感知性、可定位性以及可控制性,提升維護和運行的自動化水平。

(編輯:鄒海彬)

參考文獻

[1] 張東霞, 姚良忠, 馬文媛. 中外智能電網發展戰略[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(31): 1-14.

ZHANG Dong-xia, YAO Liang-zhong, MA Wen-yuan.Development strategies of smart grid in China and abroad[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(31): 1-14.

[2] 苗新, 張愷, 田世明, 等. 支撐智能電網的信息通信體系[J]. 電網技術, 2009, 33(17): 8-13.

MIAO Xin, ZHANG Kai, TIAN Shi-ming, et al.Information communication system supporting smart grid[J].Power System Technology, 2009, 33(17): 8-13.

[3] IEC 61850. IEC 61850 communication networks and systems for power utility automationEC 61850. IEC 61850 communication networks and systems for power utility automation[S]. 2013.

[4] 苗新, 陳希. 電力通信網的安全體系架構[J]. 電力系統通信, 2012, 33(1