基于CAN網(wǎng)采用滑動窗口技術(shù)傳輸故障錄波方案實現(xiàn)(修訂稿2)

1、基于CAN網(wǎng)采用滑動窗口技術(shù)傳輸電網(wǎng)故障信息的方案實現(xiàn)唐喜1 孟巖1(北京四方繼保護自動化股份有限公司研發(fā)中心 北京 100085)摘要：針對CAN(Controller Area Network)網(wǎng)傳輸智能電子設(shè)備IED(Intelligent Electronic Device，以下簡稱IED)信息速度慢的現(xiàn)狀，提出基于CAN網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用滑動窗口技術(shù)實現(xiàn)IED內(nèi)部各通信插件之間信息交換的方法，將以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議中的“一問多答”、“斷點續(xù)傳”等先進技術(shù)應(yīng)用到CAN網(wǎng)，可使IED大量的描述信息準(zhǔn)確、快速交換，尤其是IED長時間故障錄波后，可快速上傳到分析終端進行故障診斷，緩解IED嵌入式系

2、統(tǒng)的緩沖壓力，提高IED長時間故障錄波次數(shù)，滿足國內(nèi)外市場對IED 連續(xù)故障錄波能力的高要求。對比試驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的“停止-等待協(xié)議”相比，“滑動窗口協(xié)議”傳輸電網(wǎng)故障信息更加高效，同時“滑動窗口協(xié)議”配置靈活，通過設(shè)變窗口尺寸，即可兼容“停止-等待協(xié)議”。此技術(shù)也可用于IED其它信息要求快速交換的場合。關(guān)鍵詞：IED； 滑動窗口； 停止-等待協(xié)議； 嵌入式系統(tǒng)- 7 - / 7文檔可自由編輯打印0 引言 電力行業(yè)正在飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)不斷壯大，快速、準(zhǔn)確定位電網(wǎng)故障顯得尤為重要，從而用戶對IED故障錄波1能力要求也不斷提高，迫使各大IED生產(chǎn)廠家不斷推出新的硬件、軟件平臺，隨著近幾年電子工業(yè)

3、的發(fā)展，硬件不斷網(wǎng)絡(luò)化，軟件網(wǎng)絡(luò)化也有了新的進展，但出于對IED實時性的特殊要求，保護軟件直接借用TCP/IP協(xié)議2顯然不能滿足快速性要求，為此需要采用簡單、可靠協(xié)議，通常各IED生產(chǎn)廠家對IED內(nèi)部各插件之間的通信協(xié)議均是自己制訂，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在對故障錄波能力要求不高的情況下，都可以滿足要求。但隨著國內(nèi)外市場對IED故障錄波能力要求的不斷提高，傳統(tǒng)的軟件協(xié)議已不能滿足要求。故障錄波存儲容量、傳輸速度、打印速度等已成為衡量IED能力的一個重要指標(biāo)。以往電網(wǎng)出現(xiàn)大擾動時，故障復(fù)雜，再加上連續(xù)故障，大多數(shù)IED的故障錄波并不理想，有的因為故障錄波超過存儲容量，更多的還是因為IED嵌入式系統(tǒng)3緩

4、沖受限，故障錄波后不能及時存儲、上傳至遠方，造成錄波數(shù)據(jù)丟失，即使不丟失，想及時查看故障波形也需要等待好長時間，原因就在于大多數(shù)IED對于錄波處理采用傳統(tǒng)的“停止-等待協(xié)議”4，不能滿足錄波容量大、快速傳輸?shù)囊螅蔀镮ED錄波處理能力的瓶頸。本文提出的滑動窗口技術(shù)可以打破此瓶頸，提高IED錄波處理能力的性能指標(biāo)，并給出基于CAN網(wǎng)的實現(xiàn)方案及對比試驗。1 原理CAN5屬于現(xiàn)場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些特性包括： l 低成本 l 極高的總線利用率

5、l 很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km) l 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s） l 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文 l 可靠的錯誤處理和檢錯機制6 l 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā) l 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能 l 報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息 CAN網(wǎng)上對于一些簡單應(yīng)用，可以采用“停止-等待協(xié)議”，即傳統(tǒng)意義上的“一問一答式協(xié)議”，(主要流程如圖1所示)。但對于數(shù)據(jù)量大、實時性要求高的場合，“停止-等待協(xié)議”不能滿足要求，本文提出“滑動窗口協(xié)議”，對比二者原理上的優(yōu)缺點后，即可以發(fā)現(xiàn)“滑動窗口協(xié)議”的優(yōu)勢。1.1 停止-

6、等待協(xié)議停止-等待(stop-and-wait)的思想：發(fā)送方傳輸一幀之后，在傳輸下一幀之前等待一個確認(rèn)。如果在某段時間之后確認(rèn)沒有到達，則發(fā)送方超時，重發(fā)原始幀。介紹兩個專有名詞：確認(rèn)（acknowledgement）和超時（timeout）確認(rèn)4（簡稱ACK）：協(xié)議發(fā)給它的對等實體的一個小的控制幀，告知它已收到剛才的幀?？刂茙且粋€無任何數(shù)據(jù)的頭部，但是一個協(xié)議也可以將一個ACK捎帶在一個恰好要發(fā)向?qū)Ψ降臄?shù)據(jù)幀上。發(fā)送方收到一個確認(rèn)，表明幀發(fā)送成功。如果發(fā)送方在合理的一段時間后未收到確認(rèn)，那么它重發(fā)（retransmit）原始幀。等待一段合理的時間的這個動作稱為超時4（timeout）使用

7、確認(rèn)和超時實現(xiàn)可靠傳輸?shù)牟呗杂袝r稱為自動請求重發(fā)（Automatic Repeat Request，ARQ）。圖 1停止-等待協(xié)議正常情況下的流程圖Fig. 1 Stop-wait protocol flow chart under normal conditions上述可以發(fā)現(xiàn)停止-等待算法的主要缺點：允許發(fā)送方每次在鏈路上只有一個未確認(rèn)的幀，這可能遠遠低于鏈路的容量。1.2 滑動窗口協(xié)議滑動窗口2(slide window)技術(shù)主要用于信息流量控制,協(xié)調(diào)改善發(fā)送端和接收端的工作速度, 廣泛使用于Internet和其它網(wǎng)絡(luò)之間的通信,一個好的實現(xiàn)既可以提高網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)流量，同時又能提高通信

8、質(zhì)量和解決擁塞控制問題。簡要描述一下該算法:1、將需要傳遞的信息編碼為一個有序的幀序列；2、發(fā)送方設(shè)置一個滑動窗口（緩沖區(qū)），該窗口大小為最大發(fā)送幀數(shù)（N）。該緩沖區(qū)采用先進先出隊列機制，首先發(fā)送N幀信息，每幀都有一個定時器，當(dāng)超時還沒有收到接收方的應(yīng)答幀時，則重發(fā)該幀；3、接收方設(shè)置一接收隊列，對接收到的每幀入隊列。如果該幀是編號最小的幀，則發(fā)送該幀收到的應(yīng)答幀給發(fā)送方；4、發(fā)送方如果收到接收方的某幀的應(yīng)答消息，則判斷，如果是隊列的第一個幀，則該幀出列。隊列空出一位，再發(fā)送一幀，否則記錄其為可出列標(biāo)記。利用滑動窗口算法原理，可以保證數(shù)據(jù)在有序發(fā)送的情況下，順利達到接收方。 (1)窗口機制&#

9、160; 滑動窗口協(xié)議的基本原理就是在任意時刻，發(fā)送方都維持了一個連續(xù)的允許發(fā)送的幀的序號，稱為發(fā)送窗口；同時，接收方也維持了一個連續(xù)的允許接收的幀的序號，稱為接收窗口。發(fā)送窗口和接收窗口的序號的上下界不一定要一樣，甚至大小也可以不同。不同的滑動窗口協(xié)議窗口大小一般不同。發(fā)送方窗口內(nèi)的序列號代表了那些已經(jīng)被發(fā)送，但是還沒有被確認(rèn)的幀，或者是那些可以被發(fā)送的幀。下面舉一個例子（假設(shè)發(fā)送窗口尺寸為2幀，接收窗口尺寸為1幀）。初始態(tài)，發(fā)送方?jīng)]有幀發(fā)出，發(fā)送窗口前后沿相重合。接收方0號窗口打開，等待接收0號幀。發(fā)送方打開0號窗口，表示已發(fā)出0幀但尚確認(rèn)返回信息。此時接收窗口狀態(tài)不變。發(fā)送方打開0、1號

10、窗口，表示0、1號幀均在等待確認(rèn)之列。至此，發(fā)送方打開的窗口數(shù)已達規(guī)定限度，在未收到新的確認(rèn)返回幀之前，發(fā)送方將暫停發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。接收窗口此時狀態(tài)仍未變。接收方已收到0號幀，0號窗口關(guān)閉，1號窗口打開，表示準(zhǔn)備接收1號幀。此時發(fā)送窗口狀態(tài)不變。發(fā)送方收到接收方發(fā)來的0號幀確認(rèn)返回信息，關(guān)閉0號窗口，表示從重發(fā)表中刪除0號幀。此時接收窗口狀態(tài)仍不變。發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送2號幀，2號窗口打開，表示2號幀也納入待確認(rèn)之列。至此，發(fā)送方打開的窗口又已達規(guī)定限度，在未收到新的確認(rèn)返回幀之前，發(fā)送方將暫停發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀，此時接收窗口狀態(tài)仍不變。接收方已收到1號幀，1號窗口關(guān)閉，2號窗口打開，表示準(zhǔn)備接收2號幀

11、。此時發(fā)送窗口狀態(tài)不變。發(fā)送方收到接收方發(fā)來的1號幀收畢的確認(rèn)信息，關(guān)閉1號窗口，表示從重發(fā)表中刪除1號幀。此時接收窗口狀態(tài)仍不變。  若從滑動窗口的觀點來統(tǒng)一看待1比特滑動窗口、后退n及選擇重傳三種協(xié)議，它們的差別僅在于各自窗口尺寸的大小不同而已。1比特滑動窗口協(xié)議：發(fā)送窗口=1幀，接收窗口=1幀；后退n協(xié)議：發(fā)窗口>1幀，接收窗口>1幀；選擇重傳協(xié)議：發(fā)送窗口>1幀,接收窗口>1幀。(2) 1比特滑動窗口協(xié)議13  當(dāng)發(fā)送窗口和接收窗口的大小固定為1時，滑動窗口協(xié)議退化為停等協(xié)議（stopandwait）。該協(xié)議規(guī)定發(fā)送方每發(fā)送一幀后就要停下來，

12、等待接收方已正確接收的確認(rèn)（acknowledgement）返回后才能繼續(xù)發(fā)送下一幀。由于接收方需要判斷接收到的幀是新發(fā)的幀還是重新發(fā)送的幀，因此發(fā)送方要為每一個幀加一個序號。由于停等協(xié)議規(guī)定只有一幀完全發(fā)送成功后才能發(fā)送新的幀，因而只用一比特來編號就夠了。(3) 后退n協(xié)議  由于停等協(xié)議要為每一個幀進行確認(rèn)后才繼續(xù)發(fā)送下一幀，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退n協(xié)議。后退n協(xié)議中，發(fā)送方在發(fā)完一個數(shù)據(jù)幀后，不停下來等待應(yīng)答幀，而是連續(xù)發(fā)送若干個數(shù)據(jù)幀，即使在連續(xù)發(fā)送過程中收到了接收方發(fā)來的應(yīng)答幀，也可以繼續(xù)發(fā)送。且發(fā)送方在每發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀時都要設(shè)置超時定時器。只要在所設(shè)置的

13、超時時間內(nèi)未收到確認(rèn)幀，就要重發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。如：當(dāng)發(fā)送方發(fā)送了N個幀后，若發(fā)現(xiàn)該N幀的前一個幀在計時器超時后仍未返回其確認(rèn)信息，則該幀被判為出錯或丟失，此時發(fā)送方就不得不重新發(fā)送出錯幀及其后的N幀。從這里不難看出，后退n協(xié)議一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而提高了效率，但另一方面，在重傳時又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)幀進行重傳（僅因這些數(shù)據(jù)幀之前有一個數(shù)據(jù)幀出了錯），這種做法又使傳送效率降低。由此可見，若傳輸信道的傳輸質(zhì)量很差因而誤碼率較大時，連續(xù)測協(xié)議不一定優(yōu)于停止-等待協(xié)議。此協(xié)議中的發(fā)送窗口的大小為k幀，接收窗口仍是1幀。(4) 選擇重傳協(xié)議14  在后退n協(xié)議中，接收方若發(fā)現(xiàn)錯誤幀

14、就不再接收后續(xù)的幀，即使是正確到達的幀，這顯然是一種浪費。另一種效率更高的策略是當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯后，其后繼續(xù)送來的正確的幀雖然不能立即遞交給接收方的高層，但接收方仍可收下來，存放在一個緩沖區(qū)中，同時要求發(fā)送方重新傳送出錯的那一幀。一旦收到重新傳來的幀后，就可以原已存于緩沖區(qū)中的其余幀一并按正確的順序遞交高層。這種方法稱為選擇重發(fā)(SELECTICE REPEAT)。顯然，選擇重發(fā)減少了浪費，但要求接收方有足夠大的緩沖區(qū)空間。利用滑動窗口算法原理，可以保證一堆數(shù)據(jù)在有序發(fā)送的情況下，順利的達到接收方。滑動窗口技術(shù)具備以下優(yōu)缺點：優(yōu)點：a)滑動窗口有利于提高帶寬利用率，傳輸效率高b)滑動窗口使

15、主機在等待確認(rèn)消息的同時，可以發(fā)送多個字節(jié)或數(shù)據(jù)包c)滑動窗口的大小以字節(jié)數(shù)表示d)滑動窗口的大小在連接建立階段指定e)滑動窗口的大小隨數(shù)據(jù)的發(fā)送而變化f)滑動窗口可以提供流量控制缺點：控制復(fù)雜。2 應(yīng)用實現(xiàn)系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由兩大部分組成，一部分是電網(wǎng)故障信息采集及處理單元，由保護插件負責(zé)；另一個部分為電網(wǎng)故障信息管理單元，由信息管理插件負責(zé)。系統(tǒng)采用雙CAN網(wǎng)7結(jié)構(gòu)，一個CAN網(wǎng)用于與信息管理插件實時通信8，另一個CAN網(wǎng)用于與開入、開出插件實時通信，總線不出芯片2，有利于保護裝置的高可靠性。大容量的故障錄波，可以保存不少于24次事故錄波。完整的事件記錄和動作報告，可保存不少

16、于2000條動作報告和2000次操作記錄，停電不丟失。圖 2 系統(tǒng)通信平臺9架構(gòu)Fig. 2 Structure of system communication軟件主要結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)：滑動窗口數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)體：typedef struct _SLIDEWIN_TRANSMIT/以下為主控方信息bool bIsUsedFlag;/是否使用滑動窗口技術(shù)傳輸WORD wStBarNo;/起始條序號BYTE BStSubBarNo;/起始子條序號WORD wWinSize;/窗口尺寸WORD wMaxFrmLen;/最大幀長度/以下是被控方信息WORD wRealWinSize;/由被控方實際上送的窗口尺寸

17、int nRealBarNum;/由被控方實際上送的實際報文數(shù)bool bIsStartTimeOut;/是否啟動超時定時器的處理StruSlideWinTransmit;IED通信平臺15：所有CAN總線部分均采用滑動窗口協(xié)議傳輸，其通信流程如圖3所示：圖 3 IED內(nèi)部滑動數(shù)據(jù)窗傳輸流程Fig. 3 Flow chart of slide window communication in the IED3 對比試驗通過以上的算法論述及應(yīng)用實現(xiàn)，決定通過網(wǎng)絡(luò)對比試驗10來驗證采用“滑動窗口協(xié)議”的優(yōu)勢。 試驗方法：通過改變滑動窗口尺寸測試錄波數(shù)據(jù)傳輸時間(單位:秒)，采用多次試驗取平均值的算法

18、。試驗條件：l 數(shù)據(jù)包大?。?0Kl CAN網(wǎng)速率：1M試驗內(nèi)容：通過測試儀模擬 “距離I、II、III段保護出口”11動作實驗，使IED產(chǎn)生一次故障錄波數(shù)據(jù)，通過定時器記錄故障錄波傳輸時間，針對同一次故障錄波，改變窗口尺寸，重復(fù)多次試驗,取平均值，如表1所示。試驗次數(shù)窗口尺寸(幀)12345平均值(秒)1252626262525.62202121212120.83181819191818.44151516161515.45131413131413.46101099109.67545454.6表 1錄波數(shù)據(jù)傳輸速度對比試驗Table 1 Contrast test of record data

19、 transmission改變窗口尺寸，故障錄波傳輸時間變化曲線圖如圖4所示。圖 4 滑動窗口尺寸與錄波傳輸時間關(guān)系圖Fig. 4 Relation between slide window size and record transmission time由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著窗口尺寸的不斷加大，故障錄波傳輸時間不斷縮小。當(dāng)窗口尺寸為1幀時，“滑動窗口協(xié)議”即退化為“停止-等待協(xié)議”。由此說明，“滑動窗口協(xié)議”的優(yōu)勢相當(dāng)明顯，錄波傳輸速度有數(shù)倍的提升。4 結(jié)語1) 滑動窗口技術(shù)在CAN網(wǎng)上的應(yīng)用，解決了IED各插件之間大數(shù)據(jù)量通信的核心問題，充分發(fā)揮硬件資源優(yōu)勢，傳輸效率高，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，

20、此技術(shù)應(yīng)用在電網(wǎng)故障錄波信息傳輸時，優(yōu)勢更加明顯，突破了嵌入式系統(tǒng)資源不平衡帶來的通信瓶頸，為電網(wǎng)故障診斷帶來極大便利，同時此技術(shù)也可用于其它大數(shù)據(jù)包通信的場合；2) 滑動窗口技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜，針對IED內(nèi)部實現(xiàn)部分，目前還未有統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，僅個別IED廠家使用此技術(shù)，待試運行一段時間后，可大面積推廣。3) 通過對滑動窗口算法原理的分析，可以將該算法應(yīng)用在如下場景：A系統(tǒng)需要給B系統(tǒng)發(fā)送大量的資料，這些資料需要拆分為M次才能發(fā)送完成，考慮到網(wǎng)絡(luò)流量問題，不能一次性的就全部把M個數(shù)據(jù)塊發(fā)送給B系統(tǒng)。較好的處理方式是設(shè)置符合網(wǎng)絡(luò)流量大小的值N，作為A系統(tǒng)一次發(fā)送的數(shù)據(jù)塊個數(shù)。N作為滑動窗口的長度。采

21、用滑動窗口算法來完成A、B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送，考慮到發(fā)送的數(shù)據(jù)可以是無序（既數(shù)據(jù)沒有先后之分）的情況。需要對該算法略加修改，即發(fā)送隊列中的任何一個數(shù)據(jù)塊如果收到應(yīng)答信息，隊列都向前滑動一格，并允許立即發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)塊。就可以很好的解決這個問題。參考文獻：1 王梅義.電網(wǎng)繼電保護應(yīng)用M.北京；中國電力出版社，1999.WANG Mei-yi. The Utility of Power System Network ProtectionM. Beijing: China Electric Power Press, 1999.2 周明天 汪文勇,TCP/IP網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)M北京 清華大學(xué)出版社 199

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27、7)：36-38. REN Yan-ming. Computer network based on embedded Ethernet technique for substation automation systemJ. Automation of Electric Power Systems , 2001,25(17):36-38作者簡介：唐喜(1979 - )，男，吉林松原人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信、電力系統(tǒng)規(guī)約和電力系統(tǒng)軟件組件方面的研究與開發(fā)工作；(E-mail:tangxi3721sf-)孟巖(1979 - )，女，遼寧錦州人，工程師，主要從事繼電保護研究與開發(fā)工作。(E-

28、mail:mengyansf-)Scheme realization of “Slide window protocol” applied to transmit fault records based on CAN networkTANG Xi1, MENG Yan1(Beijing Sifang Automation Co.,Ltd research & develop center, 100085,China )Abstract: Aiming at the CAN( Controller Area Network) network transmitting the slow present condition in spee