[论文解读] Evaluation of Time-Critical Communications for IEC 61850-Substation Network Architecture

Ahmed Altaher, Stéphane Mocanu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文使用GOOSE消息评估IEC 61850变电站网络中的端到端延迟，采用SPAN和TAP网络监控工具测量实时通信延迟。研究结果表明，通过合理的网络配置，变电站自动化系统可实现亚毫秒级延迟，满足智能电网关键保护系统的要求。

ABSTRACT

Present-day developments, in electrical power transmission and distribution, require considerations of the status quo. In other meaning, international regulations enforce increasing of reliability and reducing of environment impact, correspondingly they motivate developing of dependable systems. Power grids especially intelligent (smart grids) ones become industrial solutions that follow standardized development. The International standardization, in the field of power transmission and distribution, improve technology influences. The rise of dedicated standards for SAS (Substation Automation Systems) communications, such as the leading International Electro-technical Commission standard IEC 61850, enforces modern technological trends in this field. Within this standard, a constraint of low ETE (End-to-End) latency should be respected, and time-critical status transmission must be achieved. This experimental study emphasis on IEC 61850 SAS communication standard, e.g. IEC 61850 GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events), to implement an investigational method to determine the protection communication delay. This method observes GOOSE behaviour by adopting monitoring and analysis capabilities. It is observed by using network test equipment, i.e. SPAN (Switch Port Analyser) and TAP (Test Access Point) devices, with on-the-shelf available hardware and software solutions.

研究动机与目标

• 在真实条件下评估基于IEC 61850的变电站自动化系统（SAS）的端到端（E2E）延迟。
• 评估GOOSE（通用对象型变电站事件）消息在时间关键保护应用中的性能。
• 验证使用标准工业硬件和网络监控工具实现亚毫秒延迟的可行性。
• 识别影响真实变电站环境中GOOSE传输延迟的网络配置因素。

提出的方法

• 本研究使用SPAN（交换机端口分析器）和TAP（测试接入点）设备监控物理变电站网络中GOOSE消息的传输。
• 利用现成硬件和软件工具捕获并分析网络流量，以测量往返延迟和端到端延迟。
• 在真实变电站环境中，在IED（IEDs）之间生成并传输GOOSE消息，以模拟保护事件场景。
• 在多种网络路径和配置下收集延迟测量数据，以评估一致性和性能。
• 实验设置复现了典型的变电站网络架构，包括冗余和非冗余拓扑。
• 数据分析聚焦于抖动、平均延迟和最大延迟，以评估实时通信性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实IEC 61850变电站网络中，GOOSE消息的实际端到端延迟是多少？
• RQ2 网络配置和拓扑如何影响GOOSE消息传输延迟？
• RQ3 标准工业监控工具（SPAN/TAP）能否准确捕获并测量时间关键的变电站通信？
• RQ4 在正常和网络负载压力条件下，观察到的最大和平均延迟分别是多少？
• RQ5 网络基础设施在多大程度上支持保护系统所需亚毫秒响应时间？

主要发现

• 在合理配置的变电站网络中，本研究实现了稳定的端到端GOOSE消息延迟低于1毫秒。
• 在所有测试配置中观察到的最大延迟保持在0.8毫秒以内，满足IEC 61850对时间关键保护的要求。
• 基于SPAN和TAP的监控能够准确可靠地测量GOOSE消息的时序，且未引入显著开销。
• 网络冗余和适当的VLAN分段有助于实现稳定且可预测的延迟性能。
• 消息传输的抖动极小，标准差低于0.1毫秒，表明具有高度的时间确定性。
• 结果证实，现代IEC 61850兼容的变电站网络可使用标准工业设备可靠支持实时保护功能。