竇青春，王金鳳，王秀蓮，李 響

(1.遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽 110179;2.沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

隨著以太網(wǎng)技術(shù)和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與實(shí)施，以過程層數(shù)字化為主要特征的新一代數(shù)字化變電站成為目前研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［1］對基于SCSM模型的過程層網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行了仿真研究，得出簡化協(xié)議模型能有效提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)［2］分析了變電站中過程層主流的GOOSE+SAV共網(wǎng)傳輸，分別從帶寬流量、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性等方面驗(yàn)證其優(yōu)越性，又升級為三網(wǎng)合一的智能變電站網(wǎng)絡(luò)框架，為其運(yùn)維和管理提供了極大方便。

本文主要對變電站過程層的通信技術(shù)進(jìn)行分析，通過仿真研究簡化協(xié)議模型和傳統(tǒng)模型，以及不同網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下的報(bào)文傳輸時(shí)延，來有效提高報(bào)文的實(shí)時(shí)可靠傳輸。

1 基于IEC61850的數(shù)字化變電站體系結(jié)構(gòu)

IEC61850將智能變電站分成“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，三層即為邏輯上的站控層、間隔層和過程層［3］。

(1)站控層:位于變電站的頂層，包括主機(jī)與操作員站、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、對時(shí)系統(tǒng)等，主要完成對間隔、過程層設(shè)備的監(jiān)視和控制;

(2)間隔層:位于站控層和過程層之間，包括保護(hù)、測量、控制和錄波等二次裝置，實(shí)現(xiàn)作用于該間隔一次設(shè)備的功能，與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信;

(3)過程層:位于變電站最底層，典型設(shè)備包括非常規(guī)電子式互感器、智能終端(執(zhí)行單元)、合并單元等，實(shí)現(xiàn)一次電氣量采集，執(zhí)行操控命令和檢測設(shè)備狀態(tài)。

兩網(wǎng)指的是:連接變電站層和間隔層的MMS網(wǎng)以及連接間隔層和過程層的GOOSE/SMV網(wǎng)(即過程層網(wǎng)絡(luò))。MMS網(wǎng)用于站控層和間隔層設(shè)備的信息交換，主要是監(jiān)視間隔層設(shè)備和控制信息，可靠性要求較低，但數(shù)據(jù)量相對較大;GOOSE網(wǎng)主要用于過程層設(shè)備的跳閘、保護(hù)之間的信息交互、開關(guān)刀閘等開關(guān)量信息的采集;SMV網(wǎng)用于傳輸電子式互感器所產(chǎn)生的模擬量，實(shí)時(shí)性要求都較高。

2 數(shù)字化變電站過程層通信技術(shù)分析

2.1 組播通信

解決實(shí)時(shí)性問題的主要方法是采用發(fā)布者/訂閱者組播通信機(jī)制。

發(fā)布者/訂閱者的通信機(jī)制可在各通信節(jié)點(diǎn)之間形成一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源(合并單元、保護(hù)等)作為發(fā)布者，向多個(gè)接收者(即訂閱者)發(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)流量大且實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)通信場合有較大優(yōu)勢。它的重要特點(diǎn)是設(shè)置了避免發(fā)生信道沖突的緩沖區(qū)，訂閱者具有接收緩沖區(qū)而發(fā)布者具有發(fā)送緩沖區(qū)和控制緩沖區(qū)，只有最新發(fā)布的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)內(nèi)，覆蓋原來的數(shù)據(jù)。

SAV的組播通信傳輸采用多路廣播的報(bào)文驅(qū)動(dòng)方式;而GOOSE報(bào)文采用發(fā)布者/訂閱者的報(bào)文傳輸驅(qū)動(dòng)方式，發(fā)布者由事件觸發(fā)后，從數(shù)據(jù)集中收集所需數(shù)據(jù)，它具有異步傳輸和隨機(jī)性特點(diǎn)。

2.2 SCSM的簡化協(xié)議模型

IEC 61850提出特定通信服務(wù)映射(SCSM)來實(shí)現(xiàn)其定義的多種通信服務(wù)。對于過程層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)性要求最高的兩種關(guān)鍵通信服務(wù)為發(fā)送GOOSE報(bào)文服務(wù)和發(fā)送多路廣播SAV報(bào)文服務(wù)［1］。服務(wù)映射過程一般遵循MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802.3模式，但GOOSE報(bào)文和SAV報(bào)文模型的映射實(shí)現(xiàn)相對特殊，應(yīng)用層專門定義協(xié)議數(shù)據(jù)單元［Protocol Data Unit，PDU］，采用高效的ASN.1表示層編碼后，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其對應(yīng)的SCSM傳輸協(xié)議棧是在傳統(tǒng)的OSI標(biāo)準(zhǔn)7層協(xié)議棧的基礎(chǔ)上衍化而來，以提高這兩大重要報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

2.3 VLAN虛擬局域網(wǎng)

VLAN是一種將局域網(wǎng)從邏輯上劃分成不同的、相互獨(dú)立的子網(wǎng)的技術(shù)。SAV，GOOSE報(bào)文以多播、重發(fā)的形式向外發(fā)送數(shù)據(jù)，但并不是所有的IED都需要進(jìn)行報(bào)文的交互。應(yīng)用VLAN技術(shù)將需要交互報(bào)文的IED設(shè)備劃分到相同的VLAN中，有效減少網(wǎng)絡(luò)并發(fā)流量和接收設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率和安全性。

文獻(xiàn)［4］詳細(xì)闡述了VLAN的設(shè)置方法，并通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，以數(shù)據(jù)傳輸最復(fù)雜的饋線間隔故障為例，分別對采用VLAN和沒有采用VLAN的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真。結(jié)果表明劃分VLAN能夠抑制廣播泛濫，減輕交換機(jī)負(fù)載，同時(shí)有效提高報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3 基于OPNET過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性仿真

3.1 過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性構(gòu)成

過程層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)間的端到端延時(shí)大小。IEC 61850將端到端延時(shí)分為三部分:

(1)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的處理延時(shí)Ta——由兩部分組成，一是發(fā)送節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議封裝，并將報(bào)文從應(yīng)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)拷貝到以太網(wǎng)通信處理器的延時(shí)，二是報(bào)文在發(fā)送緩沖區(qū)的等待延時(shí);

(2)鏈路延時(shí)Tb——即兩節(jié)點(diǎn)在通信鏈路上的延時(shí)，包括發(fā)送、傳播和交換延時(shí);假定一個(gè)報(bào)文從發(fā)送節(jié)點(diǎn)IED1傳輸?shù)浇邮展?jié)點(diǎn)IED2，經(jīng)過j個(gè)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)和k條通信鏈路，則有

式中:α表示發(fā)送時(shí)延，是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)在通信鏈路上開始發(fā)送報(bào)文的第一個(gè)比特至發(fā)送完最后一個(gè)比特所需的時(shí)間，取決于報(bào)文長度和數(shù)據(jù)傳輸速率;β表示傳播時(shí)延，是指發(fā)送節(jié)點(diǎn)在通信鏈路上發(fā)送第一個(gè)比特時(shí)刻至該比特到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，取決于傳輸距離和傳播速度;γ表示交換時(shí)延，是指網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)(如交換機(jī))接收到報(bào)文時(shí)刻至開始發(fā)送該報(bào)文的時(shí)延，主要取決于交換機(jī)處理器交換數(shù)據(jù)包到達(dá)相關(guān)輸出端口的速率。

(3)目的節(jié)點(diǎn)的接收延時(shí)Tc——也由兩部分組成，一是報(bào)文在目的節(jié)點(diǎn)的通信處理器的接收緩沖區(qū)的等待延時(shí)，二是接收節(jié)點(diǎn)對報(bào)文進(jìn)行協(xié)議拆封，去除報(bào)頭，數(shù)據(jù)重新拼裝，通知目的任務(wù)報(bào)文到達(dá)和應(yīng)用數(shù)據(jù)拷貝的延時(shí)。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)示意圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型及數(shù)據(jù)分析

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

圖3為某220KV變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)模型，共包括9個(gè)間隔。本文針對其變壓器間隔內(nèi)的報(bào)文實(shí)時(shí)性傳輸進(jìn)行仿真研究。

OPNET Modeler提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型，本文選用工作站模型來模擬MU、ST和保護(hù)測控等變電站二次設(shè)備，并用10Mbit/s或100 Mbit/s光纖將其連接在由多個(gè)交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)上。利用Video Conference業(yè)務(wù)來模擬SAV和GOOSE 報(bào)文［6］。

圖3 變電站過程層網(wǎng)絡(luò)模型

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

(1)SAV數(shù)據(jù)分析

合并單元按照預(yù)定的采樣速率同步采樣一個(gè)間隔內(nèi)的7路交流電流，5路交流電壓信號，然后對采樣后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，按照IEC61850-9-2的幀格式生成數(shù)據(jù)包，設(shè)其采樣周期為200點(diǎn)/s。

SV報(bào)文的最大報(bào)文長度計(jì)算為26字節(jié)以太網(wǎng)報(bào)頭+4字節(jié)CRC+8字節(jié)以太網(wǎng)型PDU+2字節(jié)ASN.1標(biāo)記/長度+2字節(jié)塊的數(shù)目+應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的編碼(n個(gè)ASDU)數(shù)據(jù)，ASDU的編碼=2字節(jié)+4字節(jié)svID+2字節(jié)+24字節(jié)Dataset路徑+2字節(jié)+2字節(jié)SmpCnt采樣序號+2字節(jié)+2字節(jié)ConfRev+2字節(jié)+1字節(jié)SmpSynch+2字節(jié)+2n字節(jié)(n個(gè)通道+2n=296字節(jié)(12路算);APDU的編碼(n個(gè)點(diǎn)ASDU)長度=11字節(jié)+n個(gè)點(diǎn)ASDU的編碼=11+1×69=80字節(jié)×8bits=640位。簡單情況下，上式采用一個(gè)ASDU構(gòu)成一個(gè)APDU的方式。一個(gè)SV報(bào)文長度為:TL122×8bits=976位，則合并單元的仿真流量為:10000×976=9.76Mb/s;形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，周期性地傳送到過程層網(wǎng)絡(luò)。

(2)GOOSE數(shù)據(jù)分析

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，GOOSE報(bào)文采用變時(shí)間間隔的重傳發(fā)送機(jī)制:無事件發(fā)生時(shí)，以較長的時(shí)間間隔(1024ms)重復(fù)傳輸;當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，以較短的時(shí)間間隔(lms，2ms，4ms，…)重復(fù)傳輸，時(shí)間間隔逐漸增大，直至1024ms恢復(fù)至初始狀態(tài)。它包括保護(hù)控制單元的跳閘控制命令和智能終端的位置狀態(tài)信息。具體業(yè)務(wù)配置如表1所示。

表1 仿真中的OPNET業(yè)務(wù)模型配置

上述仿真條件和參數(shù)配置，最壞情況下的總線負(fù)載略大于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的207Mbit/s中等規(guī)模變電站的總線負(fù)載要求，可認(rèn)為仿真條件和參數(shù)配置與實(shí)際基本相符，其結(jié)果具有實(shí)際意義。

3.3 仿真結(jié)果

圖4、圖5為具體仿真結(jié)果。其中對于客戶端/服務(wù)器的發(fā)送/接收延時(shí)主要取決于業(yè)務(wù)配置的報(bào)文長度和傳輸速率;子網(wǎng)內(nèi)鏈路的傳輸速率為10Mbps，外網(wǎng)鏈路的傳輸速率因負(fù)載較重則為100Mbps;交換機(jī)的端口數(shù)根據(jù)所連接設(shè)備決定，每個(gè)端口的speed可自動(dòng)配置，因?yàn)檫@個(gè)屬性不影響流量分析和離散事件的仿真行為，只要設(shè)置Packet Service Rate為500000packets/s，即處理速度。

仿真場景:場景1:利用SCSM模型所構(gòu)建的設(shè)備構(gòu)成網(wǎng)絡(luò);場景2:利用傳統(tǒng)OSI七層模型來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并設(shè)置各設(shè)備應(yīng)用層的通信行為，即關(guān)鍵報(bào)文發(fā)送的時(shí)間間隔、大小以及報(bào)文的發(fā)送/接收情況與場景1相同，仿真結(jié)果分別如圖4、5所示。

圖4 SCSM模型下的報(bào)文傳輸時(shí)延

圖5 OSI傳統(tǒng)模型下的報(bào)文傳輸時(shí)延

顯然，SCSM模型下的報(bào)文傳輸時(shí)延小于傳統(tǒng)模型。對于SCSM模型，其在進(jìn)行通信過程中經(jīng)過的協(xié)議棧層數(shù)較少，報(bào)文長度的增幅也較小，使得場景1中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相對于場景2也較輕。同時(shí)，通信框架的簡化也使得交換機(jī)對報(bào)文的處理速度有所增加，使得該場景的關(guān)鍵報(bào)文延時(shí)維持在0.025ms左右，滿足IEC 61850規(guī)定的過程層關(guān)鍵報(bào)文延時(shí)小于4ms的實(shí)時(shí)性要求。

3.4 網(wǎng)絡(luò)帶寬和負(fù)載對實(shí)時(shí)性的影響

網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與設(shè)備數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等因素密切相關(guān)。

在數(shù)據(jù)包傳輸間隔和大小不變的前提下，對不同網(wǎng)絡(luò)帶寬對報(bào)文傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行仿真，網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化通過設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)背景流量(CPU Background Utilization)來模擬。具體設(shè)置如下:0～300s，CPU Background Utilization 為 10%;300～600s，CPU Background Utilization為 30%;600～900s，CPU Background Utilization為 50%;900s以后，CPU Background Utilization為 90%。仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，隨著背景利用率的增加，網(wǎng)絡(luò)帶寬的減小，報(bào)文端到端延時(shí)逐漸增大，嚴(yán)重影響變電站過程層這兩種關(guān)鍵報(bào)文的實(shí)時(shí)性傳輸，進(jìn)而影響故障時(shí)刻設(shè)備的實(shí)時(shí)和有效動(dòng)作。

圖6 網(wǎng)絡(luò)帶寬對報(bào)文實(shí)時(shí)性影響

同時(shí)針對不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下，對報(bào)文的端到端延時(shí)進(jìn)行仿真研究。其中報(bào)文發(fā)送間隔Incoming Stream Interarrival Time 為 0.01s，服從指數(shù)分布;報(bào)文大小分別設(shè)為122byte、1024byte和11024byte。仿真結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性除了受網(wǎng)絡(luò)帶寬影響外，還跟網(wǎng)絡(luò)負(fù)載密切相關(guān)，隨著負(fù)載的增大，延時(shí)越來越大，到最后可能出現(xiàn)因阻塞而不能傳輸?shù)膰?yán)重后果。所以，合理劃分VLAN，將整體的龐大網(wǎng)絡(luò)劃分開，對減少網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的可靠實(shí)時(shí)傳輸具有重大意義。

圖7 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性的影響

4 結(jié)束語

基于OPNET對某變電站的變壓器間隔進(jìn)行建模仿真，通過IEC61850中對過程層網(wǎng)絡(luò)特殊報(bào)文的特定通信服務(wù)映射(SCSM)，分析設(shè)備的簡化協(xié)議模型——即SCSM模型。由于SCSM模型在通信過程中經(jīng)過的協(xié)議棧層數(shù)較少，報(bào)文長度的幅值也較小，通信框架的簡化也使得交換機(jī)對報(bào)文的處理速度增加，與傳統(tǒng)模型相比，SCSM模型更能滿足報(bào)文的實(shí)時(shí)傳輸。結(jié)果顯示，此推論是正確的，在符合IEC61850規(guī)定的前提下，SCSM模型的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)要小于傳統(tǒng)模型，有效提高了關(guān)鍵報(bào)文的可靠性與實(shí)時(shí)性。

［1］陳志光，張延旭，曾耿輝，等.變電站過程層網(wǎng)絡(luò)特定通信服務(wù)映射(SCSM)及其對實(shí)時(shí)性的影響分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(21):97 －98.

［2］朱全聰，蘇杰，趙永輝，等.智能變電站三網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析與研究［J］.機(jī)電信息，2012，36(354):2－4.

［3］高會(huì)生，靳瑋瑋.基于OPNET的變電站端到端通信實(shí)時(shí)性仿真研究［J］.繼電器，2006，34(19):35－36.

［4］秦川紅，王寧，任宏達(dá)，等.采用虛擬局域網(wǎng)的數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)通信仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(2):127 －130.

［5］宋園果，舒勤，賀含峰.數(shù)字化變電站過程層通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性仿真分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，25(2):1 －4.

［6］徐鐵峰.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)仿真及其可靠性研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2012.