陳哲

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350001）

基于OPNET的智能變電站繼電保護(hù)建模與仿真研究

陳哲

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350001）

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等現(xiàn)代高科技在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，智能變電站也得到了快速發(fā)展。使用OPENET仿真技術(shù)進(jìn)行智能變電站繼電保護(hù)功能的建模與仿真，可以適時(shí)模擬繼電保護(hù)器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、算法到輸出的模擬仿真，對(duì)有效掌控智能變電站繼電保護(hù)提供技術(shù)支撐。本文從OPNET仿真技術(shù)概述入手，研究了基于OPNET的智能變電站繼電保護(hù)建模與仿真，以供參考。

OPNET仿真；智能變電站；繼電保護(hù)；建模與仿真

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)和支撐，其地位和作用日益突顯。智能變電站是采用先進(jìn)、環(huán)保的智能設(shè)備，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)為支撐，能自動(dòng)完成信息采集、計(jì)量、檢測(cè)和保護(hù)等基本功能，并具有支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站。人工智能技術(shù)在變電站系統(tǒng)的成功運(yùn)用，也為網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的應(yīng)用提供了可能。在二次連接的電纜回路約束機(jī)制下，通過(guò)光纖和以太網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)，將變電站各種設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接，為OPNET仿真技術(shù)的應(yīng)用提供了網(wǎng)絡(luò)、信息和數(shù)據(jù)支持。OPNET仿真技術(shù)可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，幫助改進(jìn)不足之處，以便對(duì)智能變電站系統(tǒng)更好的實(shí)施保護(hù)。同時(shí)，通過(guò)OPNET仿真技術(shù)還可以設(shè)計(jì)不同的智能繼電保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)不同的智能變電站實(shí)施模擬防護(hù)，使智能變電站的繼電保護(hù)更加完善、穩(wěn)定和可靠。

1 OPNET仿真技術(shù)概述

OPNET是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，能夠?qū)?fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為進(jìn)行準(zhǔn)確分析，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以通過(guò)探頭采集數(shù)據(jù)。OPNET通過(guò)探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察或者輸出到第三方的軟件包去。OPNET結(jié)構(gòu)由三個(gè)模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫(kù)，在通信、軍事、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。OPNET仿真技術(shù)主要特點(diǎn)：①能為網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可靠的定量依據(jù)，能迅速建立和修改現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的模型并進(jìn)行仿真，非常適用于預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能。②網(wǎng)絡(luò)仿真能比較多個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案或驗(yàn)證實(shí)際方案。一個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)往往有多個(gè)不同的方案，每個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，要正確選擇就必須有參考依據(jù)，因此進(jìn)行科學(xué)的比較和取舍就成為擺在設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)課題。而網(wǎng)絡(luò)仿真能較好的解決這一難題。利用OPNET仿真技術(shù)對(duì)不同方案建模和模擬，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)配置等，以獲取網(wǎng)絡(luò)性能定量參數(shù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，為方案的比較、驗(yàn)證和最終決策提供可靠的參考依據(jù)。③OPNET管理解決方案可確保應(yīng)用程序有效執(zhí)行，系統(tǒng)容量足以支持這些應(yīng)用程序，并且網(wǎng)絡(luò)可提供實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的應(yīng)用程序功能。OPNET解決方案提供了一種用于應(yīng)用程序性能管理的端到端方法。④OPNET在及時(shí)、準(zhǔn)確了解和分析網(wǎng)絡(luò)狀況的的基礎(chǔ)上，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和規(guī)劃解決方案又在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理生命周期內(nèi)提供了一組補(bǔ)充性功能，其中包括利用預(yù)測(cè)規(guī)劃和優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)審核和更改驗(yàn)證以及快速故障排除等。⑤OPNET網(wǎng)絡(luò)研發(fā)解決方案，將高保真模型與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的可擴(kuò)展模擬技術(shù)相結(jié)合，可促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新并加快網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備的研發(fā)。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)涵蓋范圍不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平也不斷改進(jìn)和提升，對(duì)網(wǎng)絡(luò)建模和仿真提出了更高的要求。同時(shí)，智能變電站中不同變電設(shè)備在具體的設(shè)計(jì)層面表現(xiàn)形式也不同，需要根據(jù)不同仿真對(duì)象的功能特點(diǎn)選擇建模方法。在進(jìn)行智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要采取統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與實(shí)際設(shè)備相結(jié)合的方法對(duì)整個(gè)變電站系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。利用OPENET仿真技術(shù)，以變電站中的設(shè)備為對(duì)象建立繼電保護(hù)系統(tǒng)，利用通信網(wǎng)絡(luò)為繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和指令傳導(dǎo)等技術(shù)支持。OPENET仿真技術(shù)對(duì)整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試。在此過(guò)程中，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性和功能性設(shè)計(jì)，以便有效實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的繼電保護(hù)。為此，要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層次設(shè)計(jì)，并滿足智能變電站繼電保護(hù)分層機(jī)制的要求，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。同時(shí)，要注意利用OPENET技術(shù)對(duì)不同組網(wǎng)形式的繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，確保繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)，能夠切實(shí)保護(hù)智能變電站，防止安全事故的發(fā)生。[1]

2 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制下的OPNET仿真模型

以500kV變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)例。通過(guò)建立繼電保護(hù)與設(shè)備控制之間的系統(tǒng)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)的仿真模型建設(shè)。目前，國(guó)內(nèi)500kV變電站多采用3/2接線形式，要求兩套相同的繼電保護(hù)的電流、電壓、跳閘等回路都是獨(dú)立的。為此，要堅(jiān)持將智能繼電保護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)接線方式繼電保護(hù)相結(jié)合，確保智能變電站的繼電保護(hù)形成雙保險(xiǎn)形態(tài)。在此過(guò)程中，必須在相同的繼電保護(hù)回路之間建立數(shù)據(jù)通路，并以此作為繼電保護(hù)的主要形式。實(shí)踐證明，在繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，總線型網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)不適用于500kV數(shù)字化變電站的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，容易產(chǎn)生安全上的問(wèn)題，因此需要要對(duì)其他類型的網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行仿真建模。構(gòu)建OPNET模型需要分成多個(gè)不同層次，包括網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型等。

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

由半斷路器接線過(guò)程分析，可采用單串組網(wǎng)方式和間隔組網(wǎng)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。單串組網(wǎng)，就是將串內(nèi)設(shè)備統(tǒng)一由路由器來(lái)進(jìn)行管理，并在交換機(jī)和母線保護(hù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)串內(nèi)各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。間隔組網(wǎng)，就是結(jié)合斷路器與線路、變壓器的間隔聯(lián)系，將智能保護(hù)設(shè)備與兩個(gè)交換機(jī)連接，并接入主變保護(hù)系統(tǒng)和母線交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)線路的保護(hù)。需要注意的是，仿真過(guò)程中要充分考慮仿真系統(tǒng)的連接方式，注意整個(gè)連接結(jié)構(gòu)中OPNET模型的模擬接線處理方法和手段。

2.2 節(jié)點(diǎn)模型

智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)包含諸多節(jié)點(diǎn)，OPENET仿真技術(shù)可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和輸出。每個(gè)節(jié)點(diǎn)又由具有不同功能的部分組成，如數(shù)據(jù)生成部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、數(shù)據(jù)處理部分、路數(shù)選擇部分和數(shù)據(jù)傳輸部分等。規(guī)范節(jié)點(diǎn)設(shè)置過(guò)程，可通過(guò)相應(yīng)的接口達(dá)成各個(gè)環(huán)節(jié)之間的通信，使得仿真操作在高級(jí)節(jié)點(diǎn)模式作用下具有更高的系統(tǒng)規(guī)范水平，確保在不同節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)及時(shí)、有效的通信。為確保智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)和路由器有效連接，需要對(duì)接點(diǎn)的輸入和輸出內(nèi)部端口進(jìn)行明確。

2.3 數(shù)據(jù)流分析

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的通信體系，其數(shù)據(jù)流的運(yùn)行也相對(duì)復(fù)雜。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮數(shù)據(jù)流的運(yùn)行環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流包括單元下的線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線與開(kāi)關(guān)位置報(bào)文等，通過(guò)智能控制處理單元可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的傳輸，并保證不影響整個(gè)系統(tǒng)指令在內(nèi)部智能控制單元的傳輸效果。在此過(guò)程中，涉及到的主要參數(shù)為采樣周期設(shè)置，通常報(bào)文的長(zhǎng)度應(yīng)該限定在123字節(jié)以內(nèi)。為確保信息采集同步，必須將流量采集的起止時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置成同步的常數(shù)分布模式。同時(shí)，要確保周期廣播開(kāi)關(guān)在報(bào)文字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)效果，保證持續(xù)一定時(shí)間的報(bào)文長(zhǎng)度字節(jié)在從播、重發(fā)的模式下仍然可以發(fā)送系統(tǒng)控制命令。[2]

3 OPNET仿真技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 虛擬局域網(wǎng)VLAN的劃分

數(shù)字化變電站通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)對(duì)采樣值（SAV）、跳閘命令（GOOSE）等報(bào)文進(jìn)行傳輸。SAV、GOOSE報(bào)文以多播、重發(fā)模式向外發(fā)送相同數(shù)據(jù)，而智能變電站中的間隔層之間只有一些相關(guān)的IED才能進(jìn)行GOOSE報(bào)文交換。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)又可分為4個(gè)不同的VLAN虛擬局域網(wǎng)，從而減少?gòu)V播信息傳播，避免了廣播信息泛濫而堵塞網(wǎng)絡(luò)，有效提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

3.2 仿真結(jié)果分析

利用OPNE Tmodeler網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型，以工作站模擬單元合并、智能開(kāi)關(guān)操作箱、二次設(shè)備保護(hù)等，實(shí)現(xiàn)OPNET仿真技術(shù)下的模擬采樣報(bào)文和GOOSE報(bào)文的提供。并通過(guò)交換機(jī)的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)VLAN劃分，仿真第一次不劃分VLAN，第二次劃分為4個(gè)VLAN。仿真結(jié)果分析如下：①VLAN劃分與否對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有著很大影響。不劃分VLAN而直接進(jìn)行仿真，母線保護(hù)不僅收到與其相關(guān)的報(bào)文，還會(huì)收到不相干的廣播報(bào)文，負(fù)荷將是劃分VLAN時(shí)的兩倍，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和隨之而來(lái)的沖突也會(huì)隨之增加。②母線保護(hù)功能關(guān)于報(bào)文時(shí)延現(xiàn)象也與VLAN劃分密切相關(guān)。由于母線保護(hù)與多個(gè)間隔有信號(hào)聯(lián)系，因此網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和發(fā)生沖突的可能性都較大。劃分VLAN后，報(bào)文沖突隨之減少，使網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率有效提高，保證了GOOSE報(bào)文的端對(duì)端延時(shí)特性比較穩(wěn)定，減小了延遲抖動(dòng)，從而使報(bào)文傳輸實(shí)時(shí)性得到有效的提高。③各個(gè)設(shè)備在不劃分VLAN的平均時(shí)延明顯要大于劃分VLAN后的平均時(shí)延，各個(gè)設(shè)備的GOOSE報(bào)文在劃分VLAN后時(shí)延較小。[3]

3.3 電流保護(hù)實(shí)例

以智能變電站的過(guò)電流保護(hù)為例利用OPNET建立模型及仿真。根據(jù)電流保護(hù)算法來(lái)進(jìn)行編程，在SAV報(bào)文中讀取A相電流，并與電流保護(hù)整定值進(jìn)行比較。采用半波積分算法可得到電流保護(hù)的電流有效值。之后設(shè)置仿真參數(shù)，如通信使用100M光纖，GOOSE報(bào)文采用變周期重發(fā)機(jī)制等。根據(jù)不同類型報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求，設(shè)定報(bào)文優(yōu)先等級(jí)和VLAN，對(duì)兩相短路故障進(jìn)行仿真來(lái)測(cè)試保護(hù)機(jī)制的可行性。分析仿真結(jié)果可知，在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文傳輸及處理會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)。故障點(diǎn)距離電源點(diǎn)越近則故障電流越大，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間就越短。因此，電流保護(hù)仿真模型，能夠有效描述智能變電站繼電保護(hù)的數(shù)據(jù)傳輸與處理、動(dòng)作邏輯、保護(hù)響應(yīng)時(shí)間等動(dòng)作性能。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究繼電保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸阻塞、丟包等實(shí)時(shí)性可靠性問(wèn)題及應(yīng)對(duì)策略，以及適應(yīng)智能變電站新技術(shù)環(huán)境的繼電保護(hù)問(wèn)題。

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，OPENET仿真技術(shù)為智能變電站繼電保護(hù)的仿真模型提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。通過(guò)科學(xué)的仿真模擬，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)沖突，實(shí)現(xiàn)報(bào)文高效、準(zhǔn)確的傳輸，為改善智能變電控制環(huán)境下的設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、安全提供有力保證，推動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)向著信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

[1]曾麟.基于OPNET的智能變電站繼電保護(hù)建模與仿真[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2013，23：94+97.

[2]肖雪麗.關(guān)于OPNET的智能變電站繼電保護(hù)建模與仿真[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015，30：121～123.

[3]方曉潔，季夏軼，盧志剛.基于OPNET的數(shù)字化變電站繼電保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，23：137～140.

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1004-7344（2016）20-0066-02

2016-7-1