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        基于OPNET仿真的智能變電站過程層通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸特性研究

        2018-07-26 01:46:46姚澤林
        機(jī)電信息 2018年21期
        關(guān)鍵詞:變電站模型

        姚澤林

        (廣州南方電力集團(tuán)科技發(fā)展有限公司,廣東廣州510000)

        0 引言

        智能變電站的設(shè)計與建設(shè)是實(shí)現(xiàn)可靠智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》,用于實(shí)現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視、控制和繼電保護(hù)三大功能,隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的制定,智能變電站實(shí)現(xiàn)了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模,實(shí)現(xiàn)了分層、分布式布置,IED設(shè)備之間的信息交互以網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)。智能變電站和傳統(tǒng)變電站的最大區(qū)別之一在于增加了過程層網(wǎng)絡(luò),將傳統(tǒng)變電站中間隔層的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量輸入/輸出等模塊下放到過程層實(shí)現(xiàn)。過程層接口構(gòu)成了一、二次設(shè)備的分界面,實(shí)現(xiàn)測量、控制、狀態(tài)檢測等功能,為跨設(shè)備、跨應(yīng)用、跨專業(yè)的變電站二次系統(tǒng)一體化奠定了基礎(chǔ)。

        本文通過OPNET進(jìn)行建模、數(shù)據(jù)采集和仿真以及結(jié)果分析,討論智能變電站過程層信息傳輸?shù)奶匦?,為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化采樣值提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        1 OPNET模型基本元件

        按IEC 61850的規(guī)定,采樣值(SAV)和開入/開出(GOOSE)沒有經(jīng)過TCP/IP層,報文直接映射到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層,故選ethernet_station_adv模型來模擬間隔層與過程層收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的通信。

        過程層與間隔層之間傳輸主要是GOOSE與SAV報文,兩種報文是網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)載。SAV與GOOSE報文都采用由應(yīng)用層直接映射到鏈路層的映射方式,根據(jù)這一特點(diǎn),該網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)可以用ethernet_station_adv節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行模擬,包括過程層MU、ISG以及間隔層保護(hù)IED等節(jié)點(diǎn)。

        ethernet_station_adv節(jié)點(diǎn)模型共包括6個進(jìn)程模塊,其中,hub_rx0用于接收數(shù)據(jù),hub_tx0用于發(fā)送數(shù)據(jù),mac實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC層協(xié)議,eth_mac_intf用于建立MAC層與應(yīng)用層之間的聯(lián)系,bursty_gen用于產(chǎn)生流量,sink用于接收流量并進(jìn)行統(tǒng)計。通過設(shè)置模型屬性,可實(shí)現(xiàn)對報文長度、發(fā)送間隔等參數(shù)的控制。

        2 智能變電站OPNET建模參數(shù)設(shè)置

        2.1 合并單元模型

        Ethernet網(wǎng)絡(luò)MAC層數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

        據(jù)此可推算出信息合并單元節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送數(shù)據(jù)的長度不少于74字節(jié)(7+1+2+2+2+56+4)。

        表1 Ethernet網(wǎng)絡(luò)MAC層數(shù)據(jù)幀格式

        根據(jù)IEC 61850 9-1標(biāo)準(zhǔn),最大報文長度為123字節(jié)。MU采樣頻率按每周波200點(diǎn)的參數(shù)配置,每秒發(fā)送10 000個數(shù)據(jù)包,每個數(shù)據(jù)包的大小為123 bytes。

        2.2 智能終端模型

        IED發(fā)送的數(shù)據(jù)包形式和MU相似,在配置采樣率、啟動時間、停止時間、數(shù)據(jù)包大小、地址、組播地址時,分布函數(shù)和MU相似。仿真采樣頻率按每周波10點(diǎn)的參數(shù)配置,每秒發(fā)送500個數(shù)據(jù)包,每個數(shù)據(jù)包大小為139 bytes。

        2.3 保護(hù)單元模型

        保護(hù)單元用于在發(fā)生故障時發(fā)送保護(hù)動作信息(GOOSE報文)。此次數(shù)據(jù)模型考慮只有ON和OFF兩個狀態(tài),單個數(shù)據(jù)源ON狀態(tài)持續(xù)時間服從重尾分布(Pareto),OFF狀態(tài)持續(xù)時間服從Poisson過程的負(fù)指數(shù)分布,而無限多個該類ON/OFF數(shù)據(jù)源的疊加就形成了具有自相似特性的突發(fā)數(shù)據(jù)流。參數(shù)配置如圖1所示。

        2.4 測控單元模型

        動作行為對于電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)的變化具有不可預(yù)見性。測控發(fā)出的報文屬于隨機(jī)性數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)以概率P出現(xiàn)一個報文,在使用OPNET進(jìn)行仿真時,本次建模采用Poisson過程來近似描述。參數(shù)配置如圖2所示。

        圖1 保護(hù)單元模型配置

        圖2 測控單元模型配置

        2.5 鏈路模型

        基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn),鏈路選擇的依據(jù)為以太網(wǎng)物理層選擇指南(接收節(jié)點(diǎn))[1]。

        鏈路的選擇滿足可使用的數(shù)據(jù)速率:

        SR×TL×nMU≤DR

        式中,DR為數(shù)據(jù)速率(10 Mbps或100 Mbps);SR為采樣速率(Hz);TL為最大報文長度(26字節(jié)以太網(wǎng)報頭+4字節(jié)優(yōu)先權(quán)標(biāo)記+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)塊數(shù)目+46字節(jié)通用數(shù)據(jù)集+23字節(jié)狀態(tài)量=111字節(jié),111字節(jié)×8位=888位,888位+96位幀間隔=984位);nMU為所連接的合并單元(MU)數(shù)目。

        2.6 交換機(jī)模型

        交換機(jī)將采用OPNET中16端口的ethernet_switch_adv元件,可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VLAN配置,減少間隔間不必要的數(shù)據(jù)交換。

        3 網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬大小對時延的影響

        從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]看,過程層主要采用星型接線來保證數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性,本文過程層IED設(shè)備的建模均采用星型模型。以變電站一條110 kV線路間隔為例,仿真模型如圖3所示,其參數(shù)按前述設(shè)置。

        圖3 110 kV線路間隔結(jié)構(gòu)圖

        當(dāng)鏈路為10BaseT時,如MU采樣頻率為每周波40點(diǎn),如圖4所示,其最大時延約為0.5 ms。

        圖4 110 kV單間隔采樣頻率每周波40點(diǎn)的時延

        但當(dāng)MU采樣頻率為每周波80點(diǎn)時,其通信網(wǎng)絡(luò)延時如圖5所示,10BaseT網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足間隔層數(shù)據(jù)通信實(shí)時性要求。為了滿足實(shí)時性要求,最好改用100BaseT的網(wǎng)絡(luò)鏈路。

        圖5 每周波80點(diǎn)的時延

        4 MU單元每周波采樣點(diǎn)數(shù)對時延的影響

        當(dāng)鏈路為100BaseT時,如圖6所示,選取MU采樣頻率為每周波50、100、200、400點(diǎn)(從下往上),得到的保護(hù)點(diǎn)對點(diǎn)最大時延均約為0.052 ms,100M帶寬滿足間隔的通信要求。

        圖6 MU為每周波50、100、200、400點(diǎn)的時延

        5 MU單元采樣的數(shù)據(jù)包大小不同對時延的影響

        在100BaseT的網(wǎng)絡(luò)鏈路下,MU單元設(shè)定為每周波采樣80點(diǎn),如圖7所示,數(shù)據(jù)包分別設(shè)置為64字節(jié)、128字節(jié)、256字節(jié)和512字節(jié)(從下往上),可以看出,隨著發(fā)送的數(shù)據(jù)包增大,時延不斷增大,時延上下波動程度也不斷增加。因此,在實(shí)際配置中應(yīng)盡量避免過大的數(shù)據(jù)包的發(fā)送,以免時延過高,而無法滿足實(shí)時性的要求。

        圖7 MU單元采樣不同大小數(shù)據(jù)包的時延

        6 結(jié)論

        本文通過對智能變電站110 kV線路SMV和GOOSE網(wǎng)合網(wǎng)信息傳輸?shù)膯伍g隔仿真分析,得到以下結(jié)論:

        (1)提高合并單元MU的采樣頻率和降低網(wǎng)絡(luò)帶寬會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信時延增大,為有效保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性,單個間隔的鏈路至少需選取100BaseT/s的鏈路。

        (2)MU單元采樣的數(shù)據(jù)包大小對時延的影響非常大。

        (3)在實(shí)際應(yīng)用中,100M帶寬的以太網(wǎng)更可以滿足智能變電站間隔層保護(hù)單元以及過程層的數(shù)據(jù)通信要求。

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