基于OPNET的繼電保護信息系統(tǒng)信息流仿真方法

黃成巧

（廣州供電局有限公司，廣州 510000）

0 前言

繼電保護信息系統(tǒng)作為一個對電網(wǎng)故障信息收集、處理和分析的平臺，是電力二次系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。利用保信系統(tǒng)主子站間交互傳輸?shù)男畔⒘鳎杀O(jiān)視、管理和分析保護裝置、故障錄波器等二次設(shè)備的動作行為，有利于電網(wǎng)運維人員掌握電網(wǎng)實際故障狀況，進而加快對電網(wǎng)故障的分析和處理，為恢復(fù)電力系統(tǒng)正常運行提供十分有力的支持[3-6]。

隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)和電力通信技術(shù)的快速發(fā)展，保信系統(tǒng)主子站間采用網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式取代了傳統(tǒng)的串行通信方式，解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)自動化信息一發(fā)多收和信息轉(zhuǎn)發(fā)過程造成嚴重的延時等問題，達到實時信息全網(wǎng)共享效果[7-8]。該方式下的信息流成為主子站間信息交互的關(guān)鍵，其準確性以及有效性往往影響著保信系統(tǒng)的可靠性，對電網(wǎng)產(chǎn)生重大的影響。

鑒于網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)男畔⒘鲗Χ蜗到y(tǒng)的重要性，目前國內(nèi)外眾多的科研團隊對此展開了一系列研究。文獻[9]概述了由于目前智能電網(wǎng)的發(fā)展，保信系統(tǒng)的串口通信模式被改造為網(wǎng)絡(luò)化模式，以此達到信息共享。但網(wǎng)絡(luò)化的保信系統(tǒng)的信息流大小、傳輸模式等特性并不清晰，使該方式下保信系統(tǒng)存在安全隱患，故有對信息流進行仿真的必要。文獻[10]指出，信息流承載著電網(wǎng)眾多信息，其對電網(wǎng)的設(shè)計、設(shè)備選擇、運行維護等都有重大影響，而信息流在網(wǎng)絡(luò)中的具體流通細節(jié)、數(shù)據(jù)量等級仍處于探索階段，有著進行仿真建模的需求。文獻[11-12]指出OPNET作為主流的通信領(lǐng)域仿真軟件，已被用來對變電站內(nèi)部信息流的仿真，仿真效果很理想，但卻沒擴張到保信系統(tǒng)信息流的研究，導(dǎo)致該方面的研究處于空缺。

上述研究可知，目前保信系統(tǒng)信息流的研究并不透徹，其有研究的必要性。針對此，本文先分析了信息流仿真需求；再針對保信系統(tǒng)關(guān)鍵對象，建立相應(yīng)的仿真模型；最后基于OPNET對保信系統(tǒng)典型的應(yīng)用業(yè)務(wù)進行仿真，分析仿真結(jié)果，驗證本文信息流仿真方法的正確性和可行性，為電力二次系統(tǒng)其他業(yè)務(wù)信息流的仿真提供借鑒。

1 保信系統(tǒng)信息流仿真需求分析

1.1 保信系統(tǒng)架構(gòu)

保信系統(tǒng)由安裝在調(diào)度機構(gòu)或區(qū)控中心的主站系統(tǒng)、安裝在廠站端的子站系統(tǒng)和提供信息傳輸用的電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)及接口設(shè)備組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。子站系統(tǒng)采集和處理站內(nèi)保護裝置、故障錄波器等設(shè)備的信息；調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)利用各種通信技術(shù)，建立了主子站間信息傳輸?shù)耐ǖ?；主站系統(tǒng)負責(zé)處理、分析和發(fā)布收到來自子站的信息。各部分相互配合，完成保護運行監(jiān)視、電網(wǎng)故障監(jiān)視、電網(wǎng)故障分析和專業(yè)管理等功能。

圖1 保信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 保信系統(tǒng)信息流構(gòu)成

保信系統(tǒng)承載的應(yīng)用業(yè)務(wù)主要包括保護裝置動作、告警、自檢信息的采集和傳輸；保護模擬量和狀態(tài)量的傳輸；歷史動作、告警等事件查詢和召喚；故障錄波文件查詢和召喚等。上述保信業(yè)務(wù)采用ΙEC 60870-5-103規(guī)約來傳輸，因此保信系統(tǒng)信息流即103規(guī)約的APDU（Application Protocol Data Unit）報文，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由APCΙ（Application Protocol Control Ιnformation） 和 ASDU（Application Service Data Unit）兩部分構(gòu)成。根據(jù)保信業(yè)務(wù)傳輸內(nèi)容，把信息流歸納為三類：①監(jiān)視功能的S格式報文；②控制功能的U格式報文；③信息傳輸功能的Ι格式報文。

圖2 信息流結(jié)構(gòu)圖

1.3 仿真要素及需求分析

保信系統(tǒng)對電力二次系統(tǒng)重要性不言而喻，其信息流的特性是二次系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)性能分析的基礎(chǔ)，故需著重對其展開仿真和研究，其仿真要素可歸納為：

1）流量大小。流量是仿真時首要關(guān)注對象，涉及各種設(shè)備端口流量、鏈路流量等，其對系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)備選型、運維都有重大影響。

2）傳輸延時。延時表征信息流到達規(guī)律，著重考察信息流對信道的占用規(guī)律，同時關(guān)系到主子站能否及時收到對方的命令或上傳數(shù)據(jù)，對保信系統(tǒng)性能有著重要影響，是一個重要的仿真要素。

3）丟包。網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拿總€報文都承載著主站的命令或廠站端相關(guān)信息，其具體內(nèi)容與電網(wǎng)狀況息息相關(guān)，故網(wǎng)絡(luò)的丟包情況也是一個重點的考察內(nèi)容。

目前信息流上述內(nèi)容的研究仍主要依賴運行實測手段，對理論分析深度不夠，更是缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模和仿真手段，導(dǎo)致信息流相關(guān)特性和流通細節(jié)的研究存在很大不足。在智能電網(wǎng)大力發(fā)展的背景下，保信系統(tǒng)主子站間交互的信息流數(shù)量龐大，若對信息流特性把握不夠，勢必會給二次系統(tǒng)的運維帶來風(fēng)險。故若能針對保信系統(tǒng)，建立一套足夠精確且完整的信息流仿真模型，提高網(wǎng)絡(luò)仿真的精度和速度，對研究保信系統(tǒng)具有重要意義。

2 OPNET的保信系統(tǒng)關(guān)鍵對象建模

保信系統(tǒng)關(guān)鍵對象由保信系統(tǒng)使用的通信協(xié)議、實體設(shè)備和提供信息流傳輸通道的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)三部分組成。其中通信協(xié)議包括報文內(nèi)容、交互方式、觸發(fā)機制和發(fā)包規(guī)律；實體設(shè)備包含由服務(wù)器和客戶端組成的終端設(shè)備、由交換機和路由器組成的交換設(shè)備以及由防火墻和加密裝置組成的安全設(shè)備；調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)采用ΙP over SDH（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）技術(shù)體制，結(jié)合VPN（Virtual Private Network） 技 術(shù)、OSPF（Open Shortest Path First）路由技術(shù)來實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的安全分區(qū)及防護策略，保證業(yè)務(wù)能從源端準確到達目的地。

為利用OPNET實現(xiàn)信息流關(guān)鍵性能仿真，僅使用OPNET自帶的標準模型顯然達不到仿真需求，因此在分析保信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)特點基礎(chǔ)上，結(jié)合OPNET建模仿真機制來構(gòu)建保信系統(tǒng)仿真平臺。本文選取OPNET自帶模型參數(shù)整定和部分設(shè)備、協(xié)議自定義建模相結(jié)合的方式來對保信系統(tǒng)關(guān)鍵對象建模。

2.1 通信協(xié)議建模

協(xié)議作為信息流基本屬性的表征，反映信息流格式、交互規(guī)則、組織形態(tài)、運行機制、性能需求等內(nèi)容，是信息流仿真的基礎(chǔ)。

2.1.1 報文建模

根據(jù)保信業(yè)務(wù)傳輸內(nèi)容，把信息流歸納為三類：（1）監(jiān)視功能的S格式報文；（2）控制功能的U格式報文；（3）信息傳輸功能的Ι格式報文。

1）監(jiān)視功能報文：監(jiān)視功能S格式報文只包含APDU報文的APCΙ部分，其大小固定：包含1字節(jié)啟動字符、2字節(jié)APDU長度、4字節(jié)控制域，共7字節(jié)，如式（1）所示。

該類報文用于主子站間命令報文的確認，即當主子站正確收到1個或者多個APDU后發(fā)送S格式報文進行確認，屬于隨機性報文。

2）控制功能報文：控制功能U格式報文也只包含APDU報文的APCΙ部分，其大小和S格式報文一樣，包括1字節(jié)啟動字符、2字節(jié)APDU長度、4字節(jié)控制域，共7字節(jié)，如式（2）所示。

該類報文主要用于測試鏈路、控制啟/停數(shù)據(jù)傳輸，在保信系統(tǒng)的主子站間，未使用但已建立的連接或某個時間段內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，將會啟動測試過程發(fā)送U格式報文，其屬于隨機性報文。

3）信息傳輸功能報文：信息傳輸功能Ι格式報文除了包含APCΙ外，還包括攜帶主站與子站之間傳遞信息的ASDU。從圖2中信息流結(jié)構(gòu)可知，ASDU包含了1字節(jié)的類型標識、1字節(jié)的可變結(jié)構(gòu)限定詞、1字節(jié)的傳送原因、2字節(jié)的ASDU公共地址和n個信息體。每個信息體包含了1字節(jié)的功能類型、1字節(jié)的信息序號、d字節(jié)的信息元素集（假設(shè)一個信息體里面有d個數(shù)目的信息元素集，d為變量）和t字節(jié)的信息體時標（若信息體時標出現(xiàn)t=7，否則t=0）。故Ι格式報文的大小如式（3）所示。

根據(jù)主子站間信息傳輸?shù)膬?nèi)容，Ι格式報文的發(fā)送規(guī)律可分為以下三種：周期報文；隨機報文；突發(fā)報文。

2.1.2 交互方式建模

保信系統(tǒng)的主站與子站的信息流交互方式可歸納為以下三類：通信鏈路啟動過程、主站召喚過程和子站主動上送信息過程。

1）通信鏈路啟動過程：當保信系統(tǒng)重啟、通信鏈接中斷后恢復(fù)通信過程都會在主站與子站之間重新啟動通信鏈路，如圖3所示。該過程就是建立TCP連接過程，然后進行總召喚。

2）主站召喚過程：當主站需要了解保護設(shè)備或故障錄波器信息，包括讀模擬量、讀取子站配置、召喚裝置故障歷史信息等，才用召喚命令方式來實現(xiàn)。為便于用一種通信過程來描述多種業(yè)務(wù)的傳輸過程，本文利用103規(guī)約提供的通用服務(wù)過程為基礎(chǔ)進行建模，其通信模型如圖4所示。

圖4 通用服務(wù)的通信模型

圖3 通信鏈路啟動模型

3）子站主動上送信息過程：當電網(wǎng)發(fā)生故障或設(shè)備裝置運行異常時，保信子站把相應(yīng)的動作或異常信息封裝成103報文，主動上送到主站端。子站上送的信息內(nèi)容主要包括：突發(fā)數(shù)據(jù)、保護動作信息、簡要錄波報告、故障量數(shù)據(jù)等，通信過程如圖5所示。

圖5 子站上送信息過程

2.1.3 發(fā)包特性及觸發(fā)機制建模

保信系統(tǒng)信息流有三種發(fā)包特性，每種發(fā)包特性都采用特定的報文觸發(fā)機制。

1）周期性發(fā)包特性：用函數(shù)constant來觸發(fā)該特性，設(shè)定的參數(shù)即規(guī)定循環(huán)發(fā)送報文的固定周期時間。

2）隨機性發(fā)包特性：用函數(shù)uniform來觸發(fā)該特性，該函數(shù)設(shè)定的是在某一時間段內(nèi)隨機數(shù)，在仿真過程中隨機出現(xiàn)的數(shù)據(jù)時刻即觸發(fā)內(nèi)部函數(shù)發(fā)包來實現(xiàn)。

3）突發(fā)性發(fā)包特性：該特性可在仿真過程中設(shè)定具體某一時刻發(fā)送數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)。

2.2 實體設(shè)備建模

實體設(shè)備作為信息流產(chǎn)生、傳遞和應(yīng)用的實體，其模型一方面需要體現(xiàn)設(shè)備功能，另一方面需要體現(xiàn)信息流處理機制和處理能力。

實體設(shè)備包括主子站端的服務(wù)器或路由器、交換機和調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中的路由器等。OPNET自帶多種上述設(shè)備模型，根據(jù)保信系統(tǒng)仿真需求選擇相應(yīng)型號的設(shè)備，再通過參數(shù)整定方式對其建模，如表1所示，其余參數(shù)均采用默認值。

表1 實體設(shè)備建模內(nèi)容

2.3 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)建模

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模

基于保信系統(tǒng)的縱向業(yè)務(wù)為主，橫向業(yè)務(wù)較少的特點，同時考慮調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)運行維護的要求，采用分層結(jié)構(gòu)來構(gòu)建調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1）接入層：包括發(fā)電廠、220 kV以上變電站端路由器，下接變電站站控層設(shè)備，對上采用2M鏈路接入SDH網(wǎng)絡(luò)上連接到就近的匯聚層節(jié)點。。

2）匯聚層：地市級路由器組成，每2或3個聚路由器通過155M或622M鏈路連接在一起形成一組，每一組分別由兩條鏈路連接到上一層路由器。

3）核心層：由省調(diào)的路由器構(gòu)成，采用2GE光口互聯(lián)、雙設(shè)備冗余備份方式組網(wǎng)。

2.3.2 通信技術(shù)建模

VPN技術(shù)在OPNET中建模是基于隧道技術(shù)，通過隧道協(xié)議將在源端對原數(shù)據(jù)包添加包頭重新封裝，使其能在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，并能按照添加新包頭的地址傳輸?shù)浇K端設(shè)備，終端設(shè)備再拆除新包頭，獲得原數(shù)據(jù)包。VPN技術(shù)用于隔離保信系統(tǒng)的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)業(yè)務(wù)，保證不同區(qū)的業(yè)務(wù)在傳輸過程中互不影響。

OSPF路由技術(shù)通過路由器之間鏈路來建立鏈路狀態(tài)庫，并生成最短路徑樹，同時利用最短路徑來構(gòu)造路由表。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)即按照路由表在不同路由器之間傳輸數(shù)據(jù)包。

VPN和OSPF在OPNET中主要設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表2 VPN和OSPF的建模內(nèi)容

3 信息流仿真模型實現(xiàn)與分析

3.1 仿真模型實現(xiàn)

OPNET提供了應(yīng)用業(yè)務(wù)的仿真機制，利用自帶的Task Config、Application Config和Profile Config三個節(jié)點互相配合能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器和客戶端之間業(yè)務(wù)的傳輸，可用于實現(xiàn)信息流的產(chǎn)生、傳遞和應(yīng)用等功能。

1）Task Config。其用來模擬報文內(nèi)容建模，完成對信息流模型的加載和描述。本文把在主子站間單向通信一次的過程叫做一個Phase（階段），其描述了信息流的特征。當利用Task Config完成對所有報文內(nèi)容建立后，即初步建立了完整的信息流單體模型。

2）Application Config。其用來模擬信息流交互方式，在Task Config建立好的信息流單體模型基礎(chǔ)上實現(xiàn)主子站間的信息交互特性。本文把完成一種業(yè)務(wù)功能稱為一個Application（應(yīng)用），保信系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)功能需主子站間的信息流互相配合傳輸來實現(xiàn)，在OPNET中體現(xiàn)為不同的phase之間互相配合。

3）Profile Config。其用來模擬保信應(yīng)用業(yè)務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)類型和內(nèi)容，把不同的Application封裝組合起來，形成保信系統(tǒng)主子站間完整的通信過程。

上述三個節(jié)點主要建模內(nèi)容如表3所示，其余參數(shù)均采用默認值。

表3 協(xié)議模型的實現(xiàn)

實現(xiàn)協(xié)議模型后，再將其加載到服務(wù)器/客戶端模型中，其過程如下：將服務(wù)器（或客戶端）的實際目的地址（或源地址）與在“Application Config”模型或者“Task Config”模型中設(shè)置的目的地址（或源地址）象征名形成一一對應(yīng)的映射，并為服務(wù)器（或客戶端）添加其所支持的Profile類型，即實現(xiàn)了設(shè)備模型。

3.2 仿真及結(jié)果分析

3.2.1 場景設(shè)置

本文選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示的某供電局220 kV變電站的保信系統(tǒng)主子站間交互的信息流為研究對象。圖中，保信主站與子站分別用服務(wù)器與客戶端模型表示。

在仿真場景中，本文設(shè)置幾種常用的應(yīng)用：①主站的總召喚，起始時間為2 min，召喚周期為15 min，變電站內(nèi)的遙信點數(shù)為1226，遙測點數(shù)為323；②主站對子站進行一系列操作，包括8 min時對子站進行定值操作，11 min時讀子站配置、讀模擬量、和召喚子站裝置故障歷史信息；③子站分別在13 min時上送突發(fā)數(shù)據(jù)、19 min時上送保護動作信息、21時 min上送簡要錄波報告、31 min時上送故障量數(shù)據(jù)到主站；④主站在36 min時，召喚某一時間段內(nèi)的故障錄波文件，文件數(shù)量為10。確定應(yīng)用業(yè)務(wù)類型及配置所需參數(shù)后，依次在Task Config、Application Config和Profile Config中建立信息流大小、觸發(fā)特性、發(fā)送周期以及交互模型，再加載到服務(wù)器和客戶端。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真總時長為50 min，選擇保信系統(tǒng)主子站間互相傳輸?shù)男畔⒘鳛榻y(tǒng)計量，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 保信系統(tǒng)仿真結(jié)果

從圖6仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1）子站端傳出的流量以總召喚與故障錄波文件傳輸情況下的流量為主，而主站端傳出的流量以總召喚與主站對子站進行的一系列操作產(chǎn)生的流量為主，其他各種情況下的流量相對較小，因此系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)避免上述幾種流量較大的情況同時運行。

2）對比主子站間互相傳輸?shù)牧髁?，從主站流向子站方向的信息流遠遠比從子站流向主站的信息流小，這是由于主站傳出的信息流來源于其下發(fā)的各種召喚命令以及對子站上傳數(shù)據(jù)的確認，而子站傳出的信息流包括了上傳電網(wǎng)的異常、故障信息或故障錄波文件，因此流量比較大。

3）保信系統(tǒng)端口流量較小。子站端傳出最大流量為0.42 Mbps的總召喚流量，其次為0.24 Mbps的故障錄波文件傳輸流量。故能夠滿足實際系統(tǒng)2M鏈路帶寬的需求。但為了保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶崟r性，建議把實時性要求較低且流量較大的部分業(yè)務(wù)如故障錄波文件傳輸放到安全Ⅱ區(qū)運行，其他業(yè)務(wù)保留在安全Ⅰ區(qū)。

4 結(jié)束語

針對信息流在保信系統(tǒng)的重要性及目前研究所存在的不足，本文以保信系統(tǒng)業(yè)務(wù)為切入點，對信息流的特性及其在主子站間的交互特性展開詳細的研究及建立相應(yīng)的模型，并基于OPNET提出了保信系統(tǒng)信息流的仿真方法。最后，通過從某變電站上送到調(diào)度端的幾種常用保信業(yè)務(wù)為案例來驗證本文方法的正確性和可行性，為研究電力二次系統(tǒng)其它應(yīng)用業(yè)務(wù)的傳輸特性提供重要的借鑒。