提高电力数据网实时性的网络地址空间快速搜索方法研究

0 引言

电力数据网包括电力调度数据网和电力通信数据网（即电力综合数据网）。电力调度数据网主要承载调度自动化、故障录波等生产控制类业务,覆盖各级调度机构及备调、各级直调厂站。电力通信数据网主要承载办公自动化、企业信息化、电力营销、视频监控等管理信息大区业务,覆盖电力企业各级厂站、各类办公场所。电力数据网采用IPv4/IPv6技术体制,是基于三层MPLS VPN技术的广域网,其带宽容量需求大、覆盖面要求广、集中部署业务需纵向贯通等要求越来越高,对数据实时性也提出了越来越高的需求。同时,电力数据网虽然仍基于层次架构,但与公众电信网络技术发展趋势一样,网络扁平化是一种技术发展趋势,路由功能下沉是一种技术发展的必然趋势。另一方面,以智能化、电力电子化、互动化、清洁能源消纳为特征的智能电网的发展,全国跨区交直流混联的大规模电网的形成,电源、电网、负荷、储能的异构、交互、协同之不断发展,电力系统安全三道防线对数据信息时空关联性的迫切要求,也对电力数据网的实时性提出了越来越高的
需求^[1-4]。

为了缩短数据包的传输延时,路由表匹配查找的快速搜索方法是电力数据网需要解决的核心问题之一。电力系统内的设备/装置的智能化识别、感知、定位、跟踪、监控和管理等,对其MAC地址、IPv4地址或IPv6地址空间的快速查找提出了挑战。

所以,针对MAC地址、IPv4地址或IPv6地址空间搜索查询,探索研究快速搜索方法,是提高电力数据网实时性需要解决的核心问题之一。

IPv6在地址容量、安全性、网络管理、移动性以及服务质量等方面相对IPv4有明显的改进,电力数据网向IPv6演进是技术发展的必然趋势^[5-12]。

研究成果表明,针对MAC地址、IPv4地址或IPv6地址空间搜索查询,中点法比顺序法速度更
快^[13-15]。文献[16-17]给出,针对变电站站内网络的IPv6地址空间搜索问题,黄金分割比比中点法更
快速。

黄金分割比也称为斐波纳契法,从数学上已证明斐波纳契法是使搜索区间趋于零最快的算法,是一种优化思想。基于该思想和已有的研究成果,本文提出了一种提高电力数据网实时性的加速网络地址空间搜索的方法,可解决支撑广域电力系统数据时空关联的地址空间快速搜索问题,并且可以加速地址空间搜索进而缩短数据的传输延时,改善电力数据网的优良性能,促进电力系统的安全性和智能化水平。

 1 技术解决方案

1.1 具体搜索算法

为了提高电力数据网的实时性,解决网络地址空间的快速搜索问题,采用斐波纳契法能保证收敛且快速地缩小搜索范围,具体算法如下。

在电力数据网内,搜索查询某个具体地址A_λ,假设A_λ在地址段范围A₁至A₂内,C_xy为电力终端地址的二进制数A_x和A_y之差后转换的十进制数,x和y为1~6的自然数,即：

 （2）

定义十进制数的中间变量B′_xy对应的二进制中间变量B_xy为：

 （4）

 （6）

图1 网络地址段的地址点关系Fig.1 Address points relation of network address segment

图2 基于斐波纳契法的地址段搜索算法Fig.2 Address segment searching algorithm based on Fibonacci method

在电力数据网内,针对MAC地址、IPv4地址或IPv6地址,将待搜索查询的某个具体地址的二进制数表示为A_λ,A_λ在地址段范围A₁至A₂内,A₁、A₂分别为待搜索查询地址段范围的两个界。

在A₁至A₂地址段范围内,搜索查询某个具体的地址A_λ,加速地址空间搜索的方法如图2所示,图2中左侧为具体搜索算法,右侧为对应左侧用坐标轴表示的地址段范围。

1.2 校验与调用迭代过程

依据数值关系：C₄₁/C₂₁≈0.854、C₃₁/C₂₁≈0.618、C₅₁/C₂₁≈0.382、C₆₁/C₂₁≈0.236。通过中间量C₂₁、C₃₁、C₄₁、C₅₁和C₆₁,对地址段范围A₁至A₂间的A₃、A₄、A₅和A₆地址点进行校验,其中,C_xy为电力终端地址的二进制数A_x和A_y之差后转换的十进制数,x和y为1~6的自然数。通过校验保证上述过程求得A₃、A₄、A₅、A₆的正确性,若有错误则需要重新计算A₃、A₄、A₅和A₆,并进行再校验。

将上述的搜索算法和校验过程作为子程序,通过反复调用、迭代该子程序,迅速缩小待搜索的一段地址范围,例如A₁至A₆、A₆至A₅、A₅至A₃、A₃至A₄或A₄至A₂,最终得到二进制数A_λ,即为待搜索的某个电力设备/装置具体的MAC地址、IPv4地址或IPv6地址对应的二进制数。

 2 模拟仿真验证

由优选法理论可知,斐波纳契法的调用迭代具有最优的数学收敛性。在保证收敛的前提下,为了提高电力数据网的实时性,针对电力数据网内的MAC地址、IPv4地址和IPv6地址空间的搜索查询问题,计算机模拟仿真结果表明,在内存读取访问次数超过2次的情况下,斐波纳契法的地址查找所需时间更少,中点法与斐波纳契法的地址查找所需时间之比如图3所示。尤其是对于IPv6地址空间,斐波纳契法的加速搜索效果更好,进而缩短数据延时的效果更佳。起到了快速搜索数据网络地址空间作用,能够提高电力数据网的实时性。

图3 地址查找所需时间之比的模拟仿真结果Fig.3 Simulation results of the ratio of search time for address space

 3 应用场景举例

3.1 GOOSE报文、SV报文和IEC61588报文的交换与转发

目前,网络交换机是智能化变电站自动化系统的基础通信设备,在数据链路层以MAC地址寻址来完成以太网数据帧的转发、帧过滤功能,实现智能化变电站站内4类报文（即SV、GOOSE、MMS、IEC61588）信息在过程层、间隔层和站控层设备之间实时交互。其中,GOOSE和SV报文为二层以太网报文,MMS采用三层IP报文传输,IEC61588报文既可以采用二层以太网报文,也可以采用三层的IP报文传输。

对于二层以太网报文的GOOSE报文、SV报文和IEC61588报文都有低时延要求。每个GOOSE报文、SV报文和IEC61588报文的标准报文格式中字头都带有MAC目的地址（6个字节）和MAC源地址（6个字节）,其MAC地址寻址应用本文的方法可减小GOOSE报文、SV报文和IEC61588报文的交换与转发时延。例如,具体可内置于网络交换机,用于交换机MAC地址缓存的查询,根据报文的目的MAC地址查MAC转发表（L2FDB）,如果在L2FDB表中查找到该目的MAC地址,则根据现有L2FDB表,报文从相应端口发送出去;如果在L2FDB表中查找不到该目的MAC,则判断端口的VLAN ID和报文的VLAN ID是否匹配,不匹配直接丢弃,匹配则在该VLAN内广播。

MMS和IEC61588报文属于三层的IP报文,其传输应用本文的方法,能够加速IPv4或IPv6地址查询选路的效率。

所以,针对GOOSE报文、SV报文和IEC61588报文,应用本文方法可对网络交换机L2FDB表及三层交换机或路由器的IPv4或IPv6地址表的搜索查询起到优化作用,尤其是在精确地址匹配的流转发、最长地址匹配的逐包转发或提高路由表的学习效率等方面。

3.2电网的智能感知

电网内设备/装置的可识别性、可感知性、可定位性以及可控制性,需要MAC或IP地址来支撑电网的智能感知要求,更好地实现智能化识别、感知、定位、跟踪、监控和管理。应用本文的方法,对MAC或IP地址表的搜索查询起到加速的作用,能够平衡兼顾地址搜索的快速性与收敛性,进而缩短数据包的传输延时。

3.3 电网智能设备的网络管理

随着智能电网和智慧能源互联网的发展,要提高电力系统的故障识别、定位、跟踪、诊断的效率,需要根据MAC或IP地址对电网智能设备进行搜索查询。应用本文的方法,能够对电网智能设备故障的定位追溯起到积极的优化作用。尤其是在临时性应用环境中,例如在调试、检修等设备网络拓扑动态变化比较多的情况下,能够提高智能电网的故障识别、定位、跟踪、诊断的速度,加快保障大电网安全的反应应对速度。

 4 结语

随着智能电网和智慧能源互联网的发展,电网内设备/装置都将带有MAC或IP地址,以便于维护和运行管理。本文提出了一种可提高电力数据网实时性的加速地址空间搜索的方法,能够减小电力数据网的通道传输时延,促进大电网的安全稳定控制、广域继电保护控制及广域测量监控等的技术进步,改善电力系统内设备/装置的可识别性、可感知性、可定位性以及可控制性,提升维护和运行的自动化水平。

(编辑:邹海彬)

参考文献

[1] 张东霞, 姚良忠, 马文媛. 中外智能电网发展战略[J]. 中国电机工程学报, 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, 张恺, 田世明, 等. 支撑智能电网的信息通信体系[J]. 电网技术, 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, 陈希. 电力通信网的安全体系架构[J]. 电力系统通信, 2012, 33(1