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(luò)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(dòng)化程度與其通信網(wǎng)絡(luò)的性能密切相關(guān)，良好的網(wǎng)絡(luò)性能是其實(shí)現(xiàn)信息主動(dòng)分析、智能調(diào)節(jié)、協(xié)同互動(dòng)等高級應(yīng)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(luò)性能進(jìn)行了深入研究。首先，對智能變電站的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行了分析和建模；而后在OPNET中實(shí)現(xiàn)了對MMS協(xié)議的自定義搭建；最后，對一個(gè)典型結(jié)構(gòu)的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模，仿真和分析結(jié)果驗(yàn)證了所提仿真建模方法的有效性。

智能變電站；通信網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)特征；仿真建模

0 引言

智能化變電站具有一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的突出特征，其應(yīng)用與發(fā)展得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-5]。通信網(wǎng)絡(luò)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(diào)節(jié)、協(xié)同互動(dòng)等高級功能落到實(shí)處。當(dāng)前，考慮到通信網(wǎng)絡(luò)可能存在信息傳輸延時(shí)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(hù)相關(guān)的信息不通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，而以光纖點(diǎn)對點(diǎn)連接的方式實(shí)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(luò)性能進(jìn)行深入研究具有重要意義。

目前，針對變電站通信網(wǎng)絡(luò)性能問題，國內(nèi)外已經(jīng)有了一些研究。文獻(xiàn)[7]采用動(dòng)態(tài)仿真方法對站控層網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延、最大時(shí)延等鏈路時(shí)延指標(biāo)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]采用OPNET軟件，分別對采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)的智能變電站的通信性能進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[9]對不同節(jié)點(diǎn)規(guī)模、不同網(wǎng)絡(luò)配置和不同應(yīng)用功能條件下的過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[10]分析了智能變電站中數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)，進(jìn)一步研究了變電站通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)的通信性能進(jìn)行了對比研究。但是，這些研究尚存在以下幾個(gè)問題：一是仿真過程中沒有考慮MMS（制造報(bào)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(shù)的應(yīng)用；三是部分研究僅僅關(guān)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(jìn)行分析和建模；而后在OPNET中實(shí)現(xiàn)對MMS協(xié)議的自定義搭建；最后，利用OPNET軟件對一個(gè)典型結(jié)構(gòu)的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，仿真和分析結(jié)果驗(yàn)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(chǎn)生規(guī)律上的特點(diǎn)，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(jī)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(shí)間驅(qū)動(dòng)并按照一定時(shí)間間隔觸發(fā)，其主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、對實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格。按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的要求，若報(bào)文未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送，就會(huì)被新的同類報(bào)文覆蓋；若報(bào)文未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)接收方，就會(huì)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(luò)穩(wěn)態(tài)性能的主要因素。對于周期性數(shù)據(jù)，可用到達(dá)間隔時(shí)間具有一定周期性、長度為定長的周期性報(bào)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(luò)上的采樣值和開入報(bào)文，站控層網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的遙測/遙信報(bào)文及時(shí)間同步報(bào)文。

1.2 隨機(jī)性數(shù)據(jù)

隨機(jī)性數(shù)據(jù)由外部事件驅(qū)動(dòng)，在一個(gè)時(shí)間片段內(nèi)以某一概率出現(xiàn)一個(gè)報(bào)文，各個(gè)數(shù)據(jù)的觸發(fā)無任何相關(guān)性。隨機(jī)性數(shù)據(jù)的觸發(fā)過程可采用泊松過程模擬，此時(shí)數(shù)據(jù)觸發(fā)時(shí)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(jī)性數(shù)據(jù)在單位時(shí)間內(nèi)被觸發(fā)的次數(shù)；t表示某一時(shí)刻。

智能變電站中，隨機(jī)性數(shù)據(jù)主要包括各類開出報(bào)文，如開關(guān)操作命令、保護(hù)功能連鎖、時(shí)間同步、變壓器分接頭調(diào)整、電容器投切等，其所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，但傳輸實(shí)時(shí)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(qū)動(dòng)，與隨機(jī)性數(shù)據(jù)不同的是，突發(fā)性數(shù)據(jù)在第一個(gè)數(shù)據(jù)觸發(fā)后，后面會(huì)出現(xiàn)一組集中的報(bào)文；無數(shù)據(jù)時(shí)則出現(xiàn)一段空閑時(shí)間。突發(fā)性數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的時(shí)間敏感性和帶寬侵占性，是造成網(wǎng)絡(luò)流量抖動(dòng)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(shí)段以恒定速率發(fā)送數(shù)據(jù)，在OFF時(shí)段則不發(fā)送數(shù)據(jù)，兩者的持續(xù)時(shí)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(shí)間；α為形狀參數(shù)；t表示某一時(shí)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(shè)備上傳的保護(hù)動(dòng)作信息、開關(guān)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(luò)分析方法的比較

網(wǎng)絡(luò)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(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來大致估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)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(fù)雜，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)來評估網(wǎng)絡(luò)的性能往往會(huì)顧此失彼，難以真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)性能。定量分析的方法主要包括現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)學(xué)分析和網(wǎng)絡(luò)仿真等[13]。各類方法在可信度、實(shí)施成本、實(shí)現(xiàn)難度、是否能預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能等方面的比較如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)性能分析方法的比較

由表1可見，網(wǎng)絡(luò)仿真方法兼具可信度高、成本低、可以對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行預(yù)測等優(yōu)點(diǎn)，以下將采用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)性能的仿真。

2.2 自定義MMS協(xié)議

OPNET是目前業(yè)界公認(rèn)的優(yōu)秀通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施、協(xié)議的仿真及建模工具，其中定義了9種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(yīng)用協(xié)議，但這需要同時(shí)修改多個(gè)原有的標(biāo)準(zhǔn)模塊，實(shí)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(wù)配置器設(shè)置了一個(gè)自定義多端業(yè)務(wù)來模擬MMS協(xié)議。

MMS協(xié)議采用的是客戶機(jī)/服務(wù)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(gè)階段。為此，可以將基于MMS協(xié)議分解為M_ASSOCIATE，M_DATA，M_RELEASE 3個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)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(xiàn)[15]。

圖1 MMS協(xié)議各個(gè)階段的參數(shù)設(shè)置

完成MMS協(xié)議的自定義后，就可以像OPNET中的其他標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用一樣進(jìn)行應(yīng)用。

3 仿真模型與結(jié)果分析

3.1 仿真模型的建立

目前，為了保證繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性，智能變電站的保護(hù)跳閘采用“直采直跳”的模式，保護(hù)相關(guān)的信息不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸。但是，隨著智能斷路器等設(shè)備的不斷成熟，以及IEC 61850等標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸保護(hù)信息并實(shí)現(xiàn)跳閘將是智能變電站的一個(gè)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(luò)進(jìn)行仿真。

圖2 典型智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 中，MU為合并單元，ISG為智能開關(guān)柜，BPU為間隔層的保護(hù)測控單元，包括保護(hù)信息在內(nèi)的所有信息都將通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。整個(gè)變電站中共有10個(gè)電氣間隔，其信息通過過程層交換機(jī)和站控層交換機(jī)與站控主機(jī)進(jìn)行交互。

通過合理設(shè)置VLAN可以有效減少網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生概率，提高通信網(wǎng)絡(luò)的性能，是現(xiàn)代通信中常用的技術(shù)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(luò)劃分為11個(gè)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(luò)的結(jié)構(gòu)以及VLAN的劃分，在OPNET軟件上搭建如圖3所示的仿真模型拓?fù)?。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(jī)。

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

對于周期性數(shù)據(jù)或隨機(jī)性數(shù)據(jù)，采用自定義的MMS應(yīng)用來模擬數(shù)據(jù)在站控層的傳輸，用OPNET自帶的Video Conferencing應(yīng)用來模擬數(shù)據(jù)在過程層的傳輸。FTP服務(wù)器節(jié)點(diǎn)用于產(chǎn)生模擬故障錄波、文件傳輸?shù)韧话l(fā)性業(yè)務(wù)[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(jī)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(bào)文在仿真開始后的2 s到2.1 s間的某個(gè)時(shí)刻開始傳輸。這里設(shè)置不同的流量起始時(shí)間主要是為了便于觀察不同流量對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

圖3 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型

表3 仿真模型參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

對于此處設(shè)置的仿真模型及仿真場景，通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況如圖4中實(shí)線所示。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)約為20 μs，仿真運(yùn)行至20 s左右時(shí)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)突然變大，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)FTP服務(wù)器向站控主機(jī)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(shè)置VLAN情況下的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況，如圖中虛線所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置VLAN確實(shí)可以大大減小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

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?yàn)橥ㄟ^VLAN的設(shè)置可以限制數(shù)據(jù)的廣播范圍，從而減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的概率，提升通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖4 有無VLAN情況下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

圖5 有無VLAN情況下BPU1的數(shù)據(jù)接收速率

4 結(jié)語

良好的通信網(wǎng)絡(luò)性能是實(shí)現(xiàn)智能變電站各類高級應(yīng)用的必要條件之一，如何建立通信網(wǎng)絡(luò)的仿真模型并有效評估變電站通信網(wǎng)絡(luò)的性能是一個(gè)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(diǎn)進(jìn)行了分析和建模。然后利用OPNET的任務(wù)配置器設(shè)置了一個(gè)自定義的多端業(yè)務(wù)來模擬MMS協(xié)議。在此基礎(chǔ)上，對一個(gè)典型結(jié)構(gòu)的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果證明了所提建模方法的有效性。

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（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(diào)度運(yùn)行工作。