基于OPNET的智能變電站通信網(wǎng)絡仿真建模與性能分析

葉夏明，張 勇，莫建國，王 曉

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

基于OPNET的智能變電站通信網(wǎng)絡仿真建模與性能分析

葉夏明，張 勇，莫建國，王 曉

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

智能變電站的自動化程度與其通信網(wǎng)絡的性能密切相關，良好的網(wǎng)絡性能是其實現(xiàn)信息主動分析、智能調節(jié)、協(xié)同互動等高級應用的前提。為此，對智能變電站中的數(shù)據(jù)特征與通信網(wǎng)絡性能進行了深入研究。首先，對智能變電站的數(shù)據(jù)特征進行了分析和建模；而后在OPNET中實現(xiàn)了對MMS協(xié)議的自定義搭建；最后，對一個典型結構的智能變電站通信網(wǎng)絡進行了建模，仿真和分析結果驗證了所提仿真建模方法的有效性。

智能變電站；通信網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)特征；仿真建模

0 引言

智能化變電站具有一次設備智能化、二次設備網(wǎng)絡化的突出特征，其應用與發(fā)展得到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注[1-5]。通信網(wǎng)絡是智能變電站的神經(jīng)系統(tǒng)，其性能的優(yōu)劣將直接影響到智能變電站是否能將智能調節(jié)、協(xié)同互動等高級功能落到實處。當前，考慮到通信網(wǎng)絡可能存在信息傳輸延時和丟包等問題，智能變電站往往采取折衷的措施，如繼電保護相關的信息不通過網(wǎng)絡傳輸，而以光纖點對點連接的方式實現(xiàn)跳閘功能[6]。為此，對智能變電站中數(shù)據(jù)的特征及網(wǎng)絡性能進行深入研究具有重要意義。

目前，針對變電站通信網(wǎng)絡性能問題，國內外已經(jīng)有了一些研究。文獻[7]采用動態(tài)仿真方法對站控層網(wǎng)絡的平均時延、最大時延等鏈路時延指標進行了分析。文獻[8]采用OPNET軟件，分別對采用環(huán)形網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡的智能變電站的通信性能進行了仿真分析。文獻[9]對不同節(jié)點規(guī)模、不同網(wǎng)絡配置和不同應用功能條件下的過程層網(wǎng)絡、站控層網(wǎng)絡的實時性能進行了仿真分析。文獻[10]分析了智能變電站中數(shù)據(jù)流的特點，進一步研究了變電站通信網(wǎng)絡中VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的配置方法和原則，對有無VLAN的星型網(wǎng)絡的通信性能進行了對比研究。但是，這些研究尚存在以下幾個問題：一是仿真過程中沒有考慮MMS（制造報文規(guī)范）帶來的影響；二是部分研究在仿真過程中沒有充分考慮VLAN、優(yōu)先級等技術的應用；三是部分研究僅僅關注了過程層或是站控層的通信性能。

基于上述背景，以下首先對智能變電站中的數(shù)據(jù)特征進行分析和建模；而后在OPNET中實現(xiàn)對MMS協(xié)議的自定義搭建；最后，利用OPNET軟件對一個典型結構的智能變電站通信網(wǎng)絡進行建模，仿真和分析結果驗證了所提仿真建模方法的有效性。

1 智能變電站的數(shù)據(jù)特征分析

根據(jù)系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)在產生規(guī)律上的特點，可以將聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分為3類，分別是：周期性數(shù)據(jù)、隨機性數(shù)據(jù)和突發(fā)性數(shù)據(jù)[7]。

1.1 周期性數(shù)據(jù)

周期性數(shù)據(jù)由時間驅動并按照一定時間間隔觸發(fā)，其主要特點是數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、對實時性要求嚴格。按照IEC 61850標準的要求，若報文未能在規(guī)定時間內發(fā)送，就會被新的同類報文覆蓋；若報文未能在規(guī)定時間內到達接收方，就會被接收方舍棄[11]。因此，系統(tǒng)中的周期性數(shù)據(jù)是影響網(wǎng)絡穩(wěn)態(tài)性能的主要因素。對于周期性數(shù)據(jù)，可用到達間隔時間具有一定周期性、長度為定長的周期性報文來模擬。

智能變電站中，周期性數(shù)據(jù)主要包括：過程層網(wǎng)絡上的采樣值和開入報文，站控層網(wǎng)絡和遠動網(wǎng)絡上的遙測/遙信報文及時間同步報文。

1.2 隨機性數(shù)據(jù)

隨機性數(shù)據(jù)由外部事件驅動，在一個時間片段內以某一概率出現(xiàn)一個報文，各個數(shù)據(jù)的觸發(fā)無任何相關性。隨機性數(shù)據(jù)的觸發(fā)過程可采用泊松過程模擬，此時數(shù)據(jù)觸發(fā)時間間隔服從指數(shù)分布，其概率密度函數(shù)f（t）和均值E（t）分別如式（1）和（2）所示：

式中：λ為隨機性數(shù)據(jù)在單位時間內被觸發(fā)的次數(shù)；t表示某一時刻。

智能變電站中，隨機性數(shù)據(jù)主要包括各類開出報文，如開關操作命令、保護功能連鎖、時間同步、變壓器分接頭調整、電容器投切等，其所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，但傳輸實時性要求較高。

1.3 突發(fā)性數(shù)據(jù)

突發(fā)性數(shù)據(jù)也是由外部事件驅動，與隨機性數(shù)據(jù)不同的是，突發(fā)性數(shù)據(jù)在第一個數(shù)據(jù)觸發(fā)后，后面會出現(xiàn)一組集中的報文；無數(shù)據(jù)時則出現(xiàn)一段空閑時間。突發(fā)性數(shù)據(jù)具有較強的時間敏感性和帶寬侵占性，是造成網(wǎng)絡流量抖動的主要原因。

可以用ON/OFF模型模擬突發(fā)性數(shù)據(jù)[12]。數(shù)據(jù)源在ON時段以恒定速率發(fā)送數(shù)據(jù)，在OFF時段則不發(fā)送數(shù)據(jù)，兩者的持續(xù)時間可以采用不同的分布函數(shù)表征，其概率密度函數(shù)f（t）和均值E（t）分別如式（3）和（4）所示。

式中：θ為尺度參數(shù)，表示ON至少需要持續(xù)的時間；α為形狀參數(shù)；t表示某一時刻。

智能變電站中，突發(fā)性數(shù)據(jù)主要包括故障情況下間隔層設備上傳的保護動作信息、開關變位信息、事件順序記錄等。

2 基于OPNET的仿真方法

2.1 幾種網(wǎng)絡分析方法的比較

網(wǎng)絡性能的分析方法可以分為定性分析和定量分析2種。定性分析主要依靠技術人員的經(jīng)驗來大致估計網(wǎng)絡的結構和配置能否滿足用戶的需求。然而，智能變電站中數(shù)據(jù)種類繁多、交互復雜，僅僅依靠經(jīng)驗來評估網(wǎng)絡的性能往往會顧此失彼，難以真實反映網(wǎng)絡性能。定量分析的方法主要包括現(xiàn)場實測、數(shù)學分析和網(wǎng)絡仿真等[13]。各類方法在可信度、實施成本、實現(xiàn)難度、是否能預測網(wǎng)絡性能等方面的比較如表1所示。

表1 網(wǎng)絡性能分析方法的比較

由表1可見，網(wǎng)絡仿真方法兼具可信度高、成本低、可以對網(wǎng)絡性能進行預測等優(yōu)點，以下將采用OPNET軟件實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡性能的仿真。

2.2 自定義MMS協(xié)議

OPNET是目前業(yè)界公認的優(yōu)秀通信網(wǎng)絡、設施、協(xié)議的仿真及建模工具，其中定義了9種標準應用，包括：Database，F(xiàn)TP（文件傳輸協(xié)議），Video Conferencing等，但是并不包含MMS[14]。

OPNET允許用戶加入自定義的應用協(xié)議，但這需要同時修改多個原有的標準模塊，實現(xiàn)難度較大。在此根據(jù)MMS協(xié)議的交互流程，通過OPNET的任務配置器設置了一個自定義多端業(yè)務來模擬MMS協(xié)議。

MMS協(xié)議采用的是客戶機/服務器模型，其基本流程可以分為建立連接、傳送數(shù)據(jù)、拆除連接3個階段。為此，可以將基于MMS協(xié)議分解為M_ASSOCIATE，M_DATA，M_RELEASE 3個子任務，每個子任務分為若干階段[15]。各階段的參數(shù)及先后順序如圖1所示，具體配置見文獻[15]。

圖1 MMS協(xié)議各個階段的參數(shù)設置

完成MMS協(xié)議的自定義后，就可以像OPNET中的其他標準應用一樣進行應用。

3 仿真模型與結果分析

3.1 仿真模型的建立

目前，為了保證繼電保護動作的可靠性，智能變電站的保護跳閘采用“直采直跳”的模式，保護相關的信息不經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸。但是，隨著智能斷路器等設備的不斷成熟，以及IEC 61850等標準的進一步完善，通過網(wǎng)絡傳輸保護信息并實現(xiàn)跳閘將是智能變電站的一個發(fā)展趨勢[6]。為此，以下針對如圖2所示的典型智能變電站通信網(wǎng)絡進行仿真。

圖2 典型智能變電站通信網(wǎng)絡結構

圖2 中，MU為合并單元，ISG為智能開關柜，BPU為間隔層的保護測控單元，包括保護信息在內的所有信息都將通過網(wǎng)絡傳輸。整個變電站中共有10個電氣間隔，其信息通過過程層交換機和站控層交換機與站控主機進行交互。

通過合理設置VLAN可以有效減少網(wǎng)絡風暴的發(fā)生概率，提高通信網(wǎng)絡的性能，是現(xiàn)代通信中常用的技術手段之一。為此，按照智能變電站中的通信需求將圖2所示的通信網(wǎng)絡劃分為11個VLAN，具體劃分情況如表2所示。

表2 VLAN的劃分

根據(jù)通信網(wǎng)絡的結構以及VLAN的劃分，在OPNET軟件上搭建如圖3所示的仿真模型拓撲。其中，BAY為按電氣間隔劃分的通信子網(wǎng)，包含BPU，ISG，MU以及過程層交換機。

仿真模型中，采用包含完整OSI 7層協(xié)議棧的ethernet_wkstn節(jié)點模型模擬變電站中各個設備的收發(fā)信行為。

對于周期性數(shù)據(jù)或隨機性數(shù)據(jù)，采用自定義的MMS應用來模擬數(shù)據(jù)在站控層的傳輸，用OPNET自帶的Video Conferencing應用來模擬數(shù)據(jù)在過程層的傳輸。FTP服務器節(jié)點用于產生模擬故障錄波、文件傳輸?shù)韧话l(fā)性業(yè)務[9]。

仿真模型中的主要參數(shù)如表3所示，其中，開入量為隨機數(shù)據(jù)，根據(jù)1.2節(jié)的分析，其概率密度函數(shù)滿足指數(shù)分布，這里用E（0.01）表示服從參數(shù)為0.01的指數(shù)分布；U（2，2.1）表示開入報文在仿真開始后的2 s到2.1 s間的某個時刻開始傳輸。這里設置不同的流量起始時間主要是為了便于觀察不同流量對網(wǎng)絡性能的影響。

圖3 智能變電站通信網(wǎng)絡仿真模型

表3 仿真模型參數(shù)設置

3.2 仿真結果分析

對于此處設置的仿真模型及仿真場景，通信網(wǎng)絡的延時情況如圖4中實線所示。網(wǎng)絡延時約為20 μs，仿真運行至20 s左右時網(wǎng)絡延時突然變大，這主要是因為此時FTP服務器向站控主機傳輸了大量數(shù)據(jù)。作為對比，圖4還展示了同一仿真模型在不設置VLAN情況下的網(wǎng)絡延時情況，如圖中虛線所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡中設置VLAN確實可以大大減小網(wǎng)絡延時。

圖5展示了BAY_1中的BPU1在有、無VLAN情況下的數(shù)據(jù)接收速率。由圖可見，有VLAN的情況下，BPU1的數(shù)據(jù)接受率約為2 400 packets/s；而沒有VLAN的情況下，BPU1的數(shù)據(jù)接受率最大約為25 000 packets/s，相差了近十倍。這主要是因為通過VLAN的設置可以限制數(shù)據(jù)的廣播范圍，從而減小發(fā)生網(wǎng)絡風暴的概率，提升通信網(wǎng)絡的性能。

圖4 有無VLAN情況下的網(wǎng)絡時延

圖5 有無VLAN情況下BPU1的數(shù)據(jù)接收速率

4 結語

良好的通信網(wǎng)絡性能是實現(xiàn)智能變電站各類高級應用的必要條件之一，如何建立通信網(wǎng)絡的仿真模型并有效評估變電站通信網(wǎng)絡的性能是一個值得研究的課題。以上首先對智能變電站中的數(shù)據(jù)特點進行了分析和建模。然后利用OPNET的任務配置器設置了一個自定義的多端業(yè)務來模擬MMS協(xié)議。在此基礎上，對一個典型結構的智能變電站通信網(wǎng)絡進行了仿真分析，仿真結果證明了所提建模方法的有效性。

[1]高翔，張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關鍵技術[J].電網(wǎng)技術，2006，30（23）∶67-71.

[2]孫一民，李延新，黎強.分階段實現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的工程方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（5）∶90-93.

[3]李孟超，王允平，李獻偉，等.智能變電站及技術特點分析[J].電力系統(tǒng)保護欲控制，2010，38（18）∶59-62.

[4]童曉陽，李崗，陳德明，等.采用IEC 61850的變電站間隔層IED軟件設計方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（14）∶54-57.

[5]劉嬌，劉斯佳，王剛.智能變電站建設方案的研究[J].華東電力，2010，38（7）∶974-977.

[6]毛南平，李豐偉，龔向陽，等.地區(qū)電網(wǎng)智能變電站二次典型異常調控處理方案[M].北京：中國電力出版社，2015.

[7]吳在軍，胡敏強，杜炎森.變電站通信網(wǎng)絡實時性能仿真分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（8）∶45-49.

[8]童曉陽，廖晨淞，周立龍，等.基于IEC 61850-9-2的變電站通信網(wǎng)絡仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（2）∶69-74.

[9]竇曉波，胡敏強，吳在軍，等.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡性能仿真分析[J].電網(wǎng)技術，2008，32（17）∶98-104.

[10]張志丹，黃小慶，曹一家，等.基于虛擬局域網(wǎng)的變電站綜合數(shù)據(jù)流分析與通信網(wǎng)絡仿真[J].電網(wǎng)技術，2011，35（5）∶204-209.

[11]IEC 61850-6 Communication networks and systems in substations-part6∶Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S]. Switzerland∶InternationalElectrotechnicalCommission，2004.

[12]吳援明，寧正容，梁恩志.網(wǎng)絡自相似業(yè)務模型進展[J].通信學報，2004，25（3）∶97-104.

[13]李琪林，范榮全，肖紅.基于OPNET的GOOSE網(wǎng)仿真平臺的實現(xiàn)[J].計算機科學，2011，38（10A）∶457-458.

[14]陳敏.OPNET網(wǎng)絡仿真[M].北京：清華大學出版社，2004. [15]靳瑋瑋.基于OPNET的IEC 61850性能仿真研究[D].北京：華北電力大學，2006.

（本文編輯：方明霞）

OPNET-based Simulation Modeling and Performance Analysis of Communication Network in Intelligent Substations

YE Xiaming，ZHANG Yong，MO Jianguo，WANG Xiao

（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315010，China）

The automaticity of an intelligent substation is bound up with the performance of its communication network.The realization of advanced applications such as active analysis of information，self-regulation,coordination interaction relies on a well-performed communication network.Therefore，it is urgently required to conduct an in-depth study on data characteristics and the performance of communication network in intelligent substations.Firstly，the characteristics of data in intelligent substations are analyzed and modeled.Then，the manufacturing message specification（MMS）is built up in optimized network engineering tools（OPNET）.Finally，some simulations are carried out based on a classical communication network in an intelligent substation.The simulation and analysis results show the effectiveness of the proposed simulation and modeling method.

intelligent substations；communication network；data characteristics；simulation and modeling

TP872

A

1007-1881（2016）12-0001-04

2016-10-17

葉夏明（1987），男，工程師，主要從事電網(wǎng)監(jiān)控、調度運行工作。