1、- 1 -基于 CAN 网采用滑动窗口技术传输电网故障信息的方案实现唐喜 1 孟岩 1(北京四方继保护自动化股份有限公司研发中心 北京 100085)摘要：针对 CAN(Controller Area Network)网传输智能电子设备 IED(Intelligent Electronic Device，以下简称 IED)信息速度慢的现状，提出基于 CAN网结构采用滑动窗口技术实现 IED内部各通信插件之间信息交换的方法，将以太网 TCP/IP协议中的“一问多答” 、 “断点续传”等先进技术应用到 CAN网，可使IED大量的描述信息准确、快速交换，尤其是 IED长时间故障录波后，可快速上传到分
2、析终端进行故障诊断，缓解 IED嵌入式系统的缓冲压力，提高 IED长时间故障录波次数，满足国内外市场对 IED 连续故障录波能力的高要求。对比试验发现，与传统的“停止-等待协议”相比， “滑动窗口协议”传输电网故障信息更加高效，同时“滑动窗口协议”配置灵活，通过设变窗口尺寸，即可兼容“停止-等待协议” 。此技术也可用于 IED其它信息要求快速交换的场合。关键词：IED； 滑动窗口； 停止-等待协议； 嵌入式系统0 引言电力行业正在飞速发展，电力系统不断壮大，快速、准确定位电网故障显得尤为重要，从而用户对 IED故障录波 1能力要求也不断提高，迫使各大 IED生产厂家不断推出新的硬件、软件平台，
3、随着近几年电子工业的发展，硬件不断网络化，软件网络化也有了新的进展，但出于对 IED实时性的特殊要求，保护软件直接借用TCP/IP协议 2显然不能满足快速性要求，为此需要采用简单、可靠协议，通常各 IED生产厂家对 IED内部各插件之间的通信协议均是自己制订，没有统一的标准，在对故障录波能力要求不高的情况下，都可以满足要求。但随着国内外市场对 IED故障录波能力要求的不断提高，传统的软件协议已不能满足要求。故障录波存储容量、传输速度、打印速度等已成为衡量 IED能力的一个重要指标。以往电网出现大扰动时，故障复杂，再加上连续故障，大多数IED的故障录波并不理想，有的因为故障录波超过存储容量，更多
4、的还是因为 IED嵌入式系统 3缓冲受限，故障录波后不能及时存储、上传至远方，造成录波数据丢失，即使不丢失，想及时查看故障波形也需要等待好长时间，原因就在于大多数 IED对于录波处理采用传统的“停止-等待协议”4，不能满足录波容量大、快速传输的要求，成为 IED录波处理能力的瓶颈。本文提出的滑动窗口技术可以打破此瓶颈，提高 IED录波处理能力的性能指标，并给出基于 CAN网的实现方案及对比试验。1 原理CAN5属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性
5、包括： 低成本 极高的总线利用率 很远的数据传输距离(长达10Km) 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s） 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 6 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 - 2 - 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息CAN网上对于一些简单应用，可以采用“停止-等待协议” ，即传统意义上的“一问一答式协议” ，(主要流程如图 1所示)。但对于数据量大、实时性要求高的场合，“停止-等待协议”不能满足要求，本文提出“滑动窗口协议” ，对比二者原理上的优缺点后，即可以发现“滑动窗口协
6、议”的优势。1.1 停止-等待协议停止-等待(stop-and-wait)的思想：发送方传输一帧之后，在传输下一帧之前等待一个确认。如果在某段时间之后确认没有到达，则发送方超时，重发原始帧。介绍两个专有名词：确认（acknowledgement）和超时（timeout）确认 4（简称 ACK）：协议发给它的对等实体的一个小的控制帧，告知它已收到刚才的帧。控制帧是一个无任何数据的头部，但是一个协议也可以将一个 ACK捎带在一个恰好要发向对方的数据帧上。发送方收到一个确认，表明帧发送成功。如果发送方在合理的一段时间后未收到确认，那么它重发（retransmit）原始帧。等待一段合理的时间的这个动作
7、称为超时 4（timeout）使用确认和超时实现可靠传输的策略有时称为自动请求重发（Automatic Repeat Request，ARQ） 。发送端 接收端帧 0A C K 0帧 1A C K 1帧 NA C K N 时间线图 1 停止-等待协议正常情况下的流程图Fig. 1 Stop-wait protocol flow chart under normal conditions上述可以发现停止-等待算法的主要缺点：允许发送方每次在链路上只有一个未确认的帧，这可能远远低于链路的容量。1.2 滑动窗口协议滑动窗口 2(slide window)技术主要用于信息流量控制,协调改善发送端和接收
8、端的工作速度, 广泛使用于 Internet和其它网络之间的通信,一个好的实现既可以提高网络通信的数据流量，同时又能提高通信质量和解决拥塞控制问题。简要描述一下该算法:1、将需要传递的信息编码为一个有序的帧序列；2、发送方设置一个滑动窗口（缓冲区） ，该窗口大小为最大发送帧数（N） 。该缓冲区采用先进先出队列机制，首先发送 N帧信息，每帧都有一个定时器，当超时还没有收到接收方的应答帧时，则重发该帧；3、接收方设置一接收队列，对接收到的每帧入队列。如果该帧是编号最小的帧，则发送该帧收到的应答帧给发送方；4、发送方如果收到接收方的某帧的应答消息，则判断，如果是队列的第一个帧，则该帧出列。队列空出一
9、位，再发送一帧，否则记录其为可出列标记。利用滑动窗口算法原理，可以保证数据在有序发送的情况下，顺利达到接收方。- 3 -(1)窗口机制滑动窗口协议的基本原理就是在任意时刻，发送方都维持了一个连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口和接收窗口的序号的上下界不一定要一样，甚至大小也可以不同。不同的滑动窗口协议窗口大小一般不同。发送方窗口内的序列号代表了那些已经被发送，但是还没有被确认的帧，或者是那些可以被发送的帧。下面举一个例子（假设发送窗口尺寸为 2帧，接收窗口尺寸为 1帧） 。初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合
10、。接收方 0号窗口打开，等待接收 0号帧。发送方打开 0号窗口，表示已发出 0帧但尚确认返回信息。此时接收窗口状态不变。发送方打开 0、1 号窗口，表示 0、1 号帧均在等待确认之列。至此，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变。接收方已收到 0号帧，0 号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收 1号帧。此时发送窗口状态不变。发送方收到接收方发来的 0号帧确认返回信息，关闭 0号窗口，表示从重发表中删除 0号帧。此时接收窗口状态仍不变。发送方继续发送 2号帧，2 号窗口打开，表示 2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗
11、口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态仍不变。接收方已收到 1号帧，1 号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收 2号帧。此时发送窗口状态不变。发送方收到接收方发来的 1号帧收毕的确认信息，关闭 1号窗口，表示从重发表中删除 1号帧。此时接收窗口状态仍不变。若从滑动窗口的观点来统一看待 1比特滑动窗口、后退 n及选择重传三种协议，它们的差别仅在于各自窗口尺寸的大小不同而已。1 比特滑动窗口协议：发送窗口=1帧，接收窗口=1 帧；后退 n协议：发窗口1帧，接收窗口1 帧；选择重传协议：发送窗口1 帧,接收窗口1 帧。(2) 1比特滑动窗口协议 1
12、3当发送窗口和接收窗口的大小固定为 1时，滑动窗口协议退化为停等协议（stopandwait） 。该协议规定发送方每发送一帧后就要停下来，等待接收方已正确接收的确认（acknowledgement）返回后才能继续发送下一帧。由于接收方需要判断接收到的帧是新发的帧还是重新发送的帧，因此发送方要为每一个帧加一个序号。由于停等协议规定只有一帧完全发送成功后才能发送新的帧，因而只用一比特来编号就够了。(3) 后退 n协议由于停等协议要为每一个帧进行确认后才继续发送下一帧，大大降低了信道利用率，因此又提出了后退 n协议。后退 n协议中，发送方在发完一个数据帧后，不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据
13、帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内未收到确认帧，就要重发相应的数据帧。如：当发送方发送了 N个帧后，若发现该 N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。从这里不难看出，后退 n协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错） ，这种做法又使传送效率降低。由此可见，若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续测协议不一定优于
14、停止-等待协议。此协议中的发送窗口的大小为 k帧，接收窗口仍是 1帧。- 4 -(4) 选择重传协议 14在后退 n协议中，接收方若发现错误帧就不再接收后续的帧，即使是正确到达的帧，这显然是一种浪费。另一种效率更高的策略是当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。这种方法称为选择重发(SELECTICE REPEAT)。显然，选择重发减少了浪费，但要求接收方有足够大的缓冲区空间。利用滑动窗口算法原理，可以
15、保证一堆数据在有序发送的情况下，顺利的达到接收方。滑动窗口技术具备以下优缺点：优点：a)滑动窗口有利于提高带宽利用率，传输效率高b)滑动窗口使主机在等待确认消息的同时，可以发送多个字节或数据包c)滑动窗口的大小以字节数表示d)滑动窗口的大小在连接建立阶段指定e)滑动窗口的大小随数据的发送而变化f)滑动窗口可以提供流量控制缺点：控制复杂。2 应用实现系统平台架构如图 2 所示，系统主要由两大部分组成，一部分是电网故障信息采集及处理单元，由保护插件负责；另一个部分为电网故障信息管理单元，由信息管理插件负责。系统采用双 CAN网 7结构，一个 CAN网用于与信息管理插件实时通信 8，另一个 CAN网
16、用于与开入、开出插件实时通信，总线不出芯片 2，有利于保护装置的高可靠性。大容量的故障录波，可以保存不少于 24次事故录波。完整的事件记录和动作报告，可保存不少于 2000条动作报告和2000次操作记录，停电不丢失。后台终端信息管理插件人机对话 M M I显示打印机C T / P T交流插件 nC P U 保护插件 nD I n开入插件D O n开出插件P O WE R 电源插件C T / P T交流插件 1C P U保护插件 1D I 1开入插件D O 1开出插件I E D 设备内部通信架构光 / 电以太网C A N 总线数据网控制网4 8 5 网C A N 总线P C 终端C A N 总线
17、图 2 系统通信平台 9架构Fig. 2 Structure of system communication软件主要结构体实现：滑动窗口数据传输结构体：typedef struct _SLIDEWIN_TRANSMIT/以下为主控方信息bool bIsUsedFlag;/是否使用滑动窗口技术传输WORD wStBarNo; /起始条序号BYTE BStSubBarNo; /起始子条序号WORD wWinSize; /窗口尺寸WORD wMaxFrmLen;/最大帧长度/以下是被控方信息WORD wRealWinSize;/由被控方实际上送的窗口尺寸int nRealBarNum; /由被控方实
18、际上送的实际报文数bool bIsStartTimeOut; /是否启动超时定时器的处理StruSlideWinTransmit;IED通信平台 15：所有 CAN总线部分均采用滑动窗口协议传输，其通信流程如图 3所示：- 5 -信息管理插件 保护 C P U 插件 时间线发送方确认帧序号 1帧序号 N帧序号 N + 1确认帧序号 N + N窗口尺寸窗口尺寸窗口尺寸若发现帧序号 1 N 中有丢失 ，则确认帧中含事丢失帧的起始序号 ， 发送方收到确认帧后 ，从丢失的帧序号起开始重新传送接收方图 3 IED内部滑动数据窗传输流程Fig. 3 Flow chart of slide window c
19、ommunication in the IED3 对比试验通过以上的算法论述及应用实现，决定通过网络对比试验 10来验证采用“滑动窗口协议”的优势。 试验方法：通过改变滑动窗口尺寸测试录波数据传输时间(单位:秒)，采用多次试验取平均值的算法。试验条件： 数据包大小：90K CAN网速率：1M试验内容：通过测试仪模拟 “距离 I、II、III 段保护出口” 11动作实验，使 IED产生一次故障录波数据，通过定时器记录故障录波传输时间，针对同一次故障录波，改变窗口尺寸，重复多次试验,取平均值，如表 1所示。试验次数窗口尺寸(帧)1 2 3 4 5平均值(秒)1 25 26 26 26 25 25.
20、62 20 21 21 21 21 20.83 18 18 19 19 18 18.44 15 15 16 16 15 15.45 13 14 13 13 14 13.46 10 10 9 9 10 9.67 5 4 5 4 5 4.6表 1 录波数据传输速度对比试验Table 1 Contrast test of record data transmission改变窗口尺寸，故障录波传输时间变化曲线图如图 4所示。滑 动 窗 口 尺 寸 与 录 波 传 输 时 间 关 系0510152025301 2 3 4 5 6 7窗 口 尺 寸 (帧 )录波传输时间(秒)系 列 1图 4 滑动窗口尺寸
21、与录波传输时间关系图Fig. 4 Relation between slide window size and record transmission time由图 4 可以发现，随着窗口尺寸的不断加大，故障录波传输时间不断缩小。当窗口尺寸为 1 帧时， “滑动窗口协议”即退化为“停止-等待协议”。由此说明，“滑动窗口协议”的优势相当明显，录波传输速度有数倍的提升。4 结语1) 滑动窗口技术在 CAN 网上的应用，解决了 IED 各插件之间大数据量通信的核心问题，充分发挥硬件资源优势，传输效率高，通过对比试验发现，此技术应用在电网故障录波信息传输时，优势更加明显，突破了嵌入式系统资源不平衡带来
22、的通信瓶颈，为电网故障诊断带来极大便利，同时此技术也可用于其它大数据包通信的场合；2) 滑动窗口技术实现复杂，针对 IED 内部实现部分，目前还未有统一的协议标准，仅个别 IED 厂家使用此技术，待试运行一段时间后，可大面积推广。3) 通过对滑动窗口算法原理的分析，可以- 6 -将该算法应用在如下场景：A 系统需要给 B 系统发送大量的资料，这些资料需要拆分为 M 次才能发送完成，考虑到网络流量问题，不能一次性的就全部把 M 个数据块发送给 B 系统。较好的处理方式是设置符合网络流量大小的值 N，作为 A 系统一次发送的数据块个数。 N 作为滑动窗口的长度。采用滑动窗口算法来完成 A、B 系统
23、的数据发送，考虑到发送的数据可以是无序（既数据没有先后之分）的情况。需要对该算法略加修改，即发送队列中的任何一个数据块如果收到应答信息，队列都向前滑动一格，并允许立即发送一个新的数据块。就可以很好的解决这个问题。参考文献：1 王梅义.电网继电保护应用M.北京；中国电力出版社，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 网络原理与技术M北京 清华大学出版社 19933 桑楠 嵌入式系统原理及
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