陶冶， 張明

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引 言

電力與通信技術(shù)的飛速發(fā)展與有機結(jié)合促使基于IEC 61850通信標準的新一代智能變電站成為了未來變電站的發(fā)展方向，通信網(wǎng)絡作為智能變電站的信息交互渠道，其性能優(yōu)劣直接影響了智能變電站相關(guān)功能的可靠實現(xiàn)?；贗EC 61850對于智能變電站通信網(wǎng)絡的實時性要求，對智能變電站通信網(wǎng)絡的實時性進行分析評估具有很大的研究價值和現(xiàn)實意義。

關(guān)于變電站通信網(wǎng)絡實時性的研究，文獻[1]介紹了IEC 61850對變電站通信網(wǎng)絡報文類型的定義和性能要求的規(guī)定。文獻[2]對應用于變電站層的嵌入式以太網(wǎng)進行了實時性的仿真分析，研究了報文傳輸?shù)臋C制，歸納和概括了變電站通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流類型并建立了相應的數(shù)學模型，為后續(xù)的變電站通信網(wǎng)絡仿真研究建立了基礎(chǔ)。文獻[3]詳細分析了變電站通信網(wǎng)絡的組成結(jié)構(gòu)和報文特點，在OPNET仿真軟件中建立了間隔層與變電站層的網(wǎng)絡模型并進行了實時性研究。文獻[4-5]驗證了將以太網(wǎng)應用于過程層替代過程總線和采用交換式以太網(wǎng)來改善網(wǎng)絡性能的可行性。文獻[6]分別對變電站總線和過程總線進行了仿真分析，研究了網(wǎng)絡帶寬、合并單元采樣頻率和設(shè)備CPU使用率等因素對于報文傳輸延時的影響。文獻[7]對采用星型網(wǎng)絡拓撲的變電站通信網(wǎng)絡進行了仿真研究，分析了采樣值報文和控制報文的端到端延時。然而以上文獻都存在著數(shù)據(jù)流模型過于簡單、僅研究了三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的一層或兩層以及沒有分別討論具有不同性能要求的不同報文端到端時延的缺點。本文針對前人研究的不足，利用OPNET仿真軟件，以D2-1型中等配電智能變電站作為研究對象，建立全面完善的通信網(wǎng)絡仿真模型，從不同報文的角度詳細分析對比三種通信網(wǎng)絡拓撲的實時性，基于仿真結(jié)果提出網(wǎng)絡優(yōu)化方案，以提升智能變電站的通信網(wǎng)絡的實時性。

1 智能變電站通信網(wǎng)絡模型

智能變電站是由數(shù)字化變電站演變而來的新一代變電站，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)按功能可以分為三層：變電站層、間隔層和過程層[8]。變電站由主機、遠動接口等設(shè)備構(gòu)成，主要負責匯總?cè)緮?shù)據(jù)并且執(zhí)行對全站的各種控制功能。間隔層由測控、繼電保護等二次設(shè)備等構(gòu)成，主要負責匯總本間隔的過程層數(shù)據(jù)、執(zhí)行操作閉鎖以及一些承上啟下的功能。過程層包含合并單元、智能斷路器和智能終端等一次設(shè)備，主要負責對電壓電流等電氣量進行采集和執(zhí)行一些分合閘的功能。與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別主要體現(xiàn)在一次設(shè)備實現(xiàn)了智能化，二次設(shè)備實現(xiàn)了網(wǎng)絡化，并且使用以太網(wǎng)替代了傳統(tǒng)電纜進行全站的數(shù)據(jù)傳輸，具有高度的信息化水平。而通信網(wǎng)絡的實時性對于智能變電站就顯得尤為重要，為此，IEC 61850定義了一套量化標準，對于智能變電站通信網(wǎng)絡的實時性作了十分詳盡的規(guī)定，將變電站通信網(wǎng)絡中的所有報文根據(jù)緊急程度的不同分為七類，并分別定義了各類報文的網(wǎng)絡延時要求，其中對于快速報文和原始數(shù)據(jù)報文的實時性要求最高，端到端延時不能超過3 ms[9]。

以典型的D2-1型中等配電變電站為例，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩回進線和兩個變壓器，在低壓側(cè)有兩條母線和6條出線。因此在對該變電站進行通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)時將其通信網(wǎng)絡分成9個間隔，包含2個變壓器間隔，分別是T1，T2，1個母線間隔S1，以及6個饋線間隔，分別是F1～F6。其中每個變壓器間隔包含1個合并單元，2個智能斷路器和2個保護控制設(shè)備；母線間隔包含1個合并單元，1個智能斷路器和1個保護控制設(shè)備；每個饋線間隔包含1個合并單元，1個智能斷路器和2個保護控制設(shè)備。網(wǎng)絡中的通信介質(zhì)全部采用100 M全雙工以太網(wǎng)鏈路，中央交換機連接著站級監(jiān)控主機和服務器。在組網(wǎng)時，間隔交換機與中央交換機之間的連接方式有很多種，最普遍的鏈接方式有總線型、星型和環(huán)型結(jié)構(gòu)，將每個間隔內(nèi)的網(wǎng)絡封裝為子網(wǎng)，利用OPNET建立的三種拓撲的完整通信網(wǎng)絡模型如圖2所示。

圖1 D2-1型智能變電站的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

圖2 D2-1型智能變電站總線型、星型和環(huán)型通信網(wǎng)絡模型

在總結(jié)了許多前人的相關(guān)研究文獻之后，本文配置以下幾種報文用來比較全面地模擬智能變電站通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流。假設(shè)仿真時間為30 s，每個間隔內(nèi)的合并單元都向本間隔的保護控制設(shè)備以廣播的形式周期性發(fā)送電壓電流采樣值報文。網(wǎng)絡中所有保護控制設(shè)備和智能斷路器從5 s時開始向變電站層服務器周期性發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)信息。饋線間隔F1在10 s時發(fā)生故障，F(xiàn)1內(nèi)的保護控制設(shè)備向母線間隔內(nèi)的智能斷路器周期性地發(fā)送跳閘信號，持續(xù)3 s。智能斷路器在接收到跳閘信號之后，將會向F1內(nèi)的保護控制設(shè)備持續(xù)地返回開關(guān)動作信息，持續(xù)10 s。故障發(fā)生后，所有保護控制設(shè)備向服務器以及服務器向監(jiān)控主機發(fā)送故障錄波數(shù)據(jù)等大型文件，持續(xù)5 s。其中采樣值信息屬于原始數(shù)據(jù)報文，跳閘信號和開關(guān)動作信息屬于快速報文，這三種報文實時性要求最高，故本文重點觀測這三種報文的實時性，并以3 ms作為衡量智能變電站通信網(wǎng)絡實時性的指標，其余實時性要求不高的報文則可視為背景負載。

2 智能變電站通信網(wǎng)絡實時性仿真

分別對星型、總線型和環(huán)型三種拓撲結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡進行仿真并對比其實時性，即可從實時性角度選出最適合案例變電站的通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。圖3為三種網(wǎng)絡拓撲的饋線間隔F1內(nèi)的采樣值報文端到端延時對比，觀察發(fā)現(xiàn)星型網(wǎng)絡中F1間隔內(nèi)的采樣值報文平均端到端延時約為0.094 ms且相對穩(wěn)定，總線型網(wǎng)絡和環(huán)型網(wǎng)絡中該報文平均端到端延時約為0.101 ms和0.086 ms，并且在故障發(fā)生后產(chǎn)生持續(xù)5 s左右高達30%的網(wǎng)絡延時抖動，這是由于故障發(fā)生后有大量數(shù)據(jù)流在間隔交換機之間的公用鏈路上傳輸?？梢园l(fā)現(xiàn)三種網(wǎng)絡拓撲的采樣值報文延時都遠遠低于3 ms的原始數(shù)據(jù)報文的實時性指標。

圖3 F1間隔內(nèi)的采樣值報文的端到端延時對比

圖4 跳閘信號報文的端到端延時對比

圖5 開關(guān)動作信息報文的端到端延時對比

圖4為三種網(wǎng)絡拓撲的跳閘信號報文的端到端延時對比。星型網(wǎng)絡的跳閘信號報文平均端到端延時最低且最穩(wěn)定，為0.032 ms，環(huán)型網(wǎng)絡約為0.049 ms，總線型網(wǎng)絡則達到0.178 ms，但三種網(wǎng)絡拓撲的平均延時都遠遠滿足3 ms的實時性要求。

圖5是三種網(wǎng)絡拓撲的開關(guān)動作信息報文的端到端延時對比，環(huán)型網(wǎng)絡中開關(guān)動作信息報文平均端到端延時最低，約為0.044 ms。星型網(wǎng)絡該報文延時約為0.082 ms，其原因是此環(huán)型網(wǎng)絡中該報文無需經(jīng)過中央交換機，直接從S1間隔發(fā)送到F1間隔，省去了通過中央交換機的接收、轉(zhuǎn)發(fā)時延。總線型網(wǎng)絡中該報文的傳輸則需經(jīng)過網(wǎng)絡中所有交換機，因此導致延時最高且抖動最大，平均值達到0.180 ms，但三種拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中該報文的平均端到端時延也都滿足3 ms的實時性要求。

綜上所述，基于100 M交換式以太網(wǎng)的總線型網(wǎng)絡、星型網(wǎng)絡和環(huán)型網(wǎng)絡都遠遠滿足IEC 61850對于智能變電站通信網(wǎng)絡的實時性要求。其中：星型網(wǎng)絡提供了相對較低并且最穩(wěn)定的平均端到端延時，適合實時性要求較高的變電站；環(huán)型網(wǎng)絡和總線型網(wǎng)絡由于具有較多的交換機公用鏈路，在發(fā)生故障時由于帶寬擁塞將會引起整個網(wǎng)絡產(chǎn)生較大的延時抖動，但環(huán)型網(wǎng)絡提供了較高的可靠性，環(huán)路中任意一條鏈路發(fā)生故障都不會影響該通信網(wǎng)絡的正常運行，適合可靠性要求較高的變電站；總線型網(wǎng)絡延時高、抖動大、可靠性低，不適用于變電站通信網(wǎng)絡。

3 智能變電站通信網(wǎng)絡實時性優(yōu)化方案

圖6 優(yōu)化前后星型網(wǎng)絡中服務器到中央交換機的鏈路利用率對比

以上仿真并沒有考慮大規(guī)模的采樣值報文在全網(wǎng)范圍內(nèi)泛濫而占用大量網(wǎng)絡帶寬對網(wǎng)絡性能造成的影響。圖6是星型網(wǎng)絡中服務器與中央交換機之間的鏈路利用率，從圖中可以看出該以太網(wǎng)鏈路平均利用率達到了50%以上，故障發(fā)生后甚至達到了70%以上。研究表明，當鏈路利用率平均值達到40%以上或者有短時間持續(xù)達到70%以上時，網(wǎng)絡性能就會急劇下降[10]。導致延時增加和數(shù)據(jù)丟失等一系列嚴重問題。那么為了控制數(shù)據(jù)流量，合理調(diào)配網(wǎng)絡資源，提高網(wǎng)絡實時性，可以采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)以及為報文增加優(yōu)先級標簽的方法來優(yōu)化通信網(wǎng)絡。采用優(yōu)化方案后，鏈路利用率平均值從50%以上降低到10%以下，發(fā)生故障后的持續(xù)峰值也從70%以上降低到25%以下，屬于以太網(wǎng)鏈路利用率的正常范圍。

圖7 優(yōu)化前后F1間隔內(nèi)采樣值報文與開關(guān)動作信息報文的端到端延時對比

圖8 優(yōu)化前后跳閘信號報文的端到端延時對比

圖7為采用優(yōu)化方案前后F1間隔內(nèi)采樣值報文與開關(guān)動作信息報文的端到端延時對比，可以看出采用優(yōu)化方案后，采樣值報文的平均端到端延時降低了70%以上，實時性的提高效果十分顯著。開關(guān)動作信息報文優(yōu)化效果也很明顯，端到端延時降低了45%左右，而跳閘信號報文的端到端延時前后變化不大，如圖8所示。這是由于跳閘信號報文的數(shù)據(jù)流相比于其他報文的數(shù)據(jù)流十分渺小，并且途經(jīng)的鏈路網(wǎng)絡帶寬資源又比較充足，所以該報文的緩沖隊列很短，不存在擁塞現(xiàn)象，因此導致優(yōu)化效果不明顯。

綜上所述，采用虛擬局域網(wǎng)和報文優(yōu)先級技術(shù)的網(wǎng)絡優(yōu)化方案確實能夠顯著提高D2-1型智能變電站通信網(wǎng)絡的性能。通過合理配置虛擬局域網(wǎng)，可以避免采樣值廣播報文在網(wǎng)絡中的泛濫，從而節(jié)省大量的網(wǎng)絡帶寬，有效降低鏈路利用率，降低了網(wǎng)絡擁塞發(fā)生的風險，同時也一定程度上保障了網(wǎng)絡信息安全。而根據(jù)報文重要程度為其設(shè)置恰當?shù)膬?yōu)先級標簽，可以使得在發(fā)生故障等引起網(wǎng)絡資源緊張的情況下，實時性要求比較高的重要報文的傳輸不會被次要報文耽誤，在網(wǎng)絡中優(yōu)先發(fā)送和接收，并且優(yōu)先通過交換機，起到了合理配置網(wǎng)絡資源的作用，從而有效降低了采樣值報文、開關(guān)動作信息報文等數(shù)據(jù)流量較大的重要報文的端到端延時，提高了網(wǎng)絡的實時性。對跳閘信號報文等數(shù)據(jù)流較小的報文則沒有起到明顯的實時性優(yōu)化作用。

4 結(jié)束語

利用OPNET仿真平臺，對星型、總線型和環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的D2-1型智能變電站通信網(wǎng)絡進行了建模和仿真，并分別從不同報文的角度分析對比了三種通信網(wǎng)絡拓撲的實時性。隨后針對網(wǎng)絡鏈路利用率過高的問題提出了采用虛擬局域網(wǎng)和報文優(yōu)先級技術(shù)的網(wǎng)絡優(yōu)化方案，以星型拓撲為例，對改進后的通信網(wǎng)絡進行了仿真，并與原網(wǎng)絡進行實時性對比，有效提升了D2-1型智能變電站通信網(wǎng)絡的實時性，對于智能變電站通信網(wǎng)絡的建設(shè)具有一定的參考意義。由于使用的設(shè)備模型和故障模型較簡單，因此更復雜的模型還有待于進一步研究。