0 引言

電力數(shù)據(jù)網(wǎng)包括電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)（即電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)）。電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)主要承載調(diào)度自動化、故障錄波等生產(chǎn)控制類業(yè)務(wù),覆蓋各級調(diào)度機構(gòu)及備調(diào)、各級直調(diào)廠站。電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)主要承載辦公自動化、企業(yè)信息化、電力營銷、視頻監(jiān)控等管理信息大區(qū)業(yè)務(wù),覆蓋電力企業(yè)各級廠站、各類辦公場所。電力數(shù)據(jù)網(wǎng)采用IPv4/IPv6技術(shù)體制,是基于三層MPLS VPN技術(shù)的廣域網(wǎng),其帶寬容量需求大、覆蓋面要求廣、集中部署業(yè)務(wù)需縱向貫通等要求越來越高,對數(shù)據(jù)實時性也提出了越來越高的需求。同時,電力數(shù)據(jù)網(wǎng)雖然仍基于層次架構(gòu),但與公眾電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢一樣,網(wǎng)絡(luò)扁平化是一種技術(shù)發(fā)展趨勢,路由功能下沉是一種技術(shù)發(fā)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(wǎng)的發(fā)展,全國跨區(qū)交直流混聯(lián)的大規(guī)模電網(wǎng)的形成,電源、電網(wǎng)、負荷、儲能的異構(gòu)、交互、協(xié)同之不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)安全三道防線對數(shù)據(jù)信息時空關(guān)聯(lián)性的迫切要求,也對電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時性提出了越來越高的
需求^[1-4]。

為了縮短數(shù)據(jù)包的傳輸延時,路由表匹配查找的快速搜索方法是電力數(shù)據(jù)網(wǎng)需要解決的核心問題之一。電力系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備/裝置的智能化識別、感知、定位、跟蹤、監(jiān)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(zhàn)。

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(shù)據(jù)網(wǎng)實時性需要解決的核心問題之一。

IPv6在地址容量、安全性、網(wǎng)絡(luò)管理、移動性以及服務(wù)質(zhì)量等方面相對IPv4有明顯的改進,電力數(shù)據(jù)網(wǎng)向IPv6演進是技術(shù)發(fā)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(nèi)網(wǎng)絡(luò)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(shù)學(xué)上已證明斐波納契法是使搜索區(qū)間趨于零最快的算法,是一種優(yōu)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(shù)據(jù)網(wǎng)實時性的加速網(wǎng)絡(luò)地址空間搜索的方法,可解決支撐廣域電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)時空關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)的傳輸延時,改善電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的優(yōu)良性能,促進電力系統(tǒng)的安全性和智能化水平。

 1 技術(shù)解決方案

1.1 具體搜索算法

為了提高電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時性,解決網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi),搜索查詢某個具體地址A_λ,假設(shè)A_λ在地址段范圍A₁至A₂內(nèi),C_xy為電力終端地址的二進制數(shù)A_x和A_y之差后轉(zhuǎn)換的十進制數(shù),x和y為1~6的自然數(shù),即：

 （2）

定義十進制數(shù)的中間變量B′_xy對應(yīng)的二進制中間變量B_xy為：

 （4）

 （6）

圖1 網(wǎng)絡(luò)地址段的地址點關(guān)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(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi),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(shù)表示為A_λ,A_λ在地址段范圍A₁至A₂內(nèi),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(nèi),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(cè)為具體搜索算法,右側(cè)為對應(yīng)左側(cè)用坐標軸表示的地址段范圍。

1.2 校驗與調(diào)用迭代過程

依據(jù)數(shù)值關(guān)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(shù)A_x和A_y之差后轉(zhuǎn)換的十進制數(shù),x和y為1~6的自然數(shù)。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(fù)調(diào)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(shù)A_λ,即為待搜索的某個電力設(shè)備/裝置具體的MAC地址、IPv4地址或IPv6地址對應(yīng)的二進制數(shù)。

 2 模擬仿真驗證

由優(yōu)選法理論可知,斐波納契法的調(diào)用迭代具有最優(yōu)的數(shù)學(xué)收斂性。在保證收斂的前提下,為了提高電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時性,針對電力數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)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(jié)果表明,在內(nèi)存讀取訪問次數(shù)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(shù)據(jù)延時的效果更佳。起到了快速搜索數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址空間作用,能夠提高電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的實時性。

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

 3 應(yīng)用場景舉例

3.1 GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文的交換與轉(zhuǎn)發(fā)

目前,網(wǎng)絡(luò)交換機是智能化變電站自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)通信設(shè)備,在數(shù)據(jù)鏈路層以MAC地址尋址來完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)、幀過濾功能,實現(xiàn)智能化變電站站內(nèi)4類報文（即SV、GOOSE、MMS、IEC61588）信息在過程層、間隔層和站控層設(shè)備之間實時交互。其中,GOOSE和SV報文為二層以太網(wǎng)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(wǎng)報文,也可以采用三層的IP報文傳輸。

對于二層以太網(wǎng)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(jié)）和MAC源地址（6個字節(jié)）,其MAC地址尋址應(yīng)用本文的方法可減小GOOSE報文、SV報文和IEC61588報文的交換與轉(zhuǎn)發(fā)時延。例如,具體可內(nèi)置于網(wǎng)絡(luò)交換機,用于交換機MAC地址緩存的查詢,根據(jù)報文的目的MAC地址查MAC轉(zhuǎn)發(fā)表（L2FDB）,如果在L2FDB表中查找到該目的MAC地址,則根據(jù)現(xiàn)有L2FDB表,報文從相應(yīng)端口發(fā)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(nèi)廣播。

MMS和IEC61588報文屬于三層的IP報文,其傳輸應(yīng)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(yīng)用本文方法可對網(wǎng)絡(luò)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(yōu)化作用,尤其是在精確地址匹配的流轉(zhuǎn)發(fā)、最長地址匹配的逐包轉(zhuǎn)發(fā)或提高路由表的學(xué)習(xí)效率等方面。

3.2電網(wǎng)的智能感知

電網(wǎng)內(nèi)設(shè)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(wǎng)的智能感知要求,更好地實現(xiàn)智能化識別、感知、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。應(yīng)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(shù)據(jù)包的傳輸延時。

3.3 電網(wǎng)智能設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理

隨著智能電網(wǎng)和智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,要提高電力系統(tǒng)的故障識別、定位、跟蹤、診斷的效率,需要根據(jù)MAC或IP地址對電網(wǎng)智能設(shè)備進行搜索查詢。應(yīng)用本文的方法,能夠?qū)﹄娋W(wǎng)智能設(shè)備故障的定位追溯起到積極的優(yōu)化作用。尤其是在臨時性應(yīng)用環(huán)境中,例如在調(diào)試、檢修等設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化比較多的情況下,能夠提高智能電網(wǎng)的故障識別、定位、跟蹤、診斷的速度,加快保障大電網(wǎng)安全的反應(yīng)應(yīng)對速度。

 4 結(jié)語

隨著智能電網(wǎng)和智慧能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,電網(wǎng)內(nèi)設(shè)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(shù)據(jù)網(wǎng)實時性的加速地址空間搜索的方法,能夠減小電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的通道傳輸時延,促進大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制、廣域繼電保護控制及廣域測量監(jiān)控等的技術(shù)進步,改善電力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)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(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 中國電機工程學(xué)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(wǎng)的信息通信體系[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 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(wǎng)的安全體系架構(gòu)[J]. 電力系統(tǒng)通信, 2012, 33(1