黃成巧
(廣州供電局有限公司,廣州 510000)
繼電保護(hù)信息系統(tǒng)作為一個(gè)對(duì)電網(wǎng)故障信息收集、處理和分析的平臺(tái),是電力二次系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。利用保信系統(tǒng)主子站間交互傳輸?shù)男畔⒘?,可監(jiān)視、管理和分析保護(hù)裝置、故障錄波器等二次設(shè)備的動(dòng)作行為,有利于電網(wǎng)運(yùn)維人員掌握電網(wǎng)實(shí)際故障狀況,進(jìn)而加快對(duì)電網(wǎng)故障的分析和處理,為恢復(fù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行提供十分有力的支持[3-6]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和電力通信技術(shù)的快速發(fā)展,保信系統(tǒng)主子站間采用網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式取代了傳統(tǒng)的串行通信方式,解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)自動(dòng)化信息一發(fā)多收和信息轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程造成嚴(yán)重的延時(shí)等問題,達(dá)到實(shí)時(shí)信息全網(wǎng)共享效果[7-8]。該方式下的信息流成為主子站間信息交互的關(guān)鍵,其準(zhǔn)確性以及有效性往往影響著保信系統(tǒng)的可靠性,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生重大的影響。
鑒于網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)男畔⒘鲗?duì)二次系統(tǒng)的重要性,目前國(guó)內(nèi)外眾多的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)此展開了一系列研究。文獻(xiàn)[9]概述了由于目前智能電網(wǎng)的發(fā)展,保信系統(tǒng)的串口通信模式被改造為網(wǎng)絡(luò)化模式,以此達(dá)到信息共享。但網(wǎng)絡(luò)化的保信系統(tǒng)的信息流大小、傳輸模式等特性并不清晰,使該方式下保信系統(tǒng)存在安全隱患,故有對(duì)信息流進(jìn)行仿真的必要。文獻(xiàn)[10]指出,信息流承載著電網(wǎng)眾多信息,其對(duì)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、運(yùn)行維護(hù)等都有重大影響,而信息流在網(wǎng)絡(luò)中的具體流通細(xì)節(jié)、數(shù)據(jù)量等級(jí)仍處于探索階段,有著進(jìn)行仿真建模的需求。文獻(xiàn)[11-12]指出OPNET作為主流的通信領(lǐng)域仿真軟件,已被用來(lái)對(duì)變電站內(nèi)部信息流的仿真,仿真效果很理想,但卻沒擴(kuò)張到保信系統(tǒng)信息流的研究,導(dǎo)致該方面的研究處于空缺。
上述研究可知,目前保信系統(tǒng)信息流的研究并不透徹,其有研究的必要性。針對(duì)此,本文先分析了信息流仿真需求;再針對(duì)保信系統(tǒng)關(guān)鍵對(duì)象,建立相應(yīng)的仿真模型;最后基于OPNET對(duì)保信系統(tǒng)典型的應(yīng)用業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真,分析仿真結(jié)果,驗(yàn)證本文信息流仿真方法的正確性和可行性,為電力二次系統(tǒng)其他業(yè)務(wù)信息流的仿真提供借鑒。
保信系統(tǒng)由安裝在調(diào)度機(jī)構(gòu)或區(qū)控中心的主站系統(tǒng)、安裝在廠站端的子站系統(tǒng)和提供信息傳輸用的電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)及接口設(shè)備組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。子站系統(tǒng)采集和處理站內(nèi)保護(hù)裝置、故障錄波器等設(shè)備的信息;調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)利用各種通信技術(shù),建立了主子站間信息傳輸?shù)耐ǖ?;主站系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理、分析和發(fā)布收到來(lái)自子站的信息。各部分相互配合,完成保護(hù)運(yùn)行監(jiān)視、電網(wǎng)故障監(jiān)視、電網(wǎng)故障分析和專業(yè)管理等功能。
圖1 保信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
保信系統(tǒng)承載的應(yīng)用業(yè)務(wù)主要包括保護(hù)裝置動(dòng)作、告警、自檢信息的采集和傳輸;保護(hù)模擬量和狀態(tài)量的傳輸;歷史動(dòng)作、告警等事件查詢和召喚;故障錄波文件查詢和召喚等。上述保信業(yè)務(wù)采用ΙEC 60870-5-103規(guī)約來(lái)傳輸,因此保信系統(tǒng)信息流即103規(guī)約的APDU(Application Protocol Data Unit)報(bào)文,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,由APCΙ(Application Protocol Control Ιnformation) 和 ASDU(Application Service Data Unit)兩部分構(gòu)成。根據(jù)保信業(yè)務(wù)傳輸內(nèi)容,把信息流歸納為三類:①監(jiān)視功能的S格式報(bào)文;②控制功能的U格式報(bào)文;③信息傳輸功能的Ι格式報(bào)文。
圖2 信息流結(jié)構(gòu)圖
保信系統(tǒng)對(duì)電力二次系統(tǒng)重要性不言而喻,其信息流的特性是二次系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)性能分析的基礎(chǔ),故需著重對(duì)其展開仿真和研究,其仿真要素可歸納為:
1)流量大小。流量是仿真時(shí)首要關(guān)注對(duì)象,涉及各種設(shè)備端口流量、鏈路流量等,其對(duì)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)備選型、運(yùn)維都有重大影響。
2)傳輸延時(shí)。延時(shí)表征信息流到達(dá)規(guī)律,著重考察信息流對(duì)信道的占用規(guī)律,同時(shí)關(guān)系到主子站能否及時(shí)收到對(duì)方的命令或上傳數(shù)據(jù),對(duì)保信系統(tǒng)性能有著重要影響,是一個(gè)重要的仿真要素。
3)丟包。網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拿總€(gè)報(bào)文都承載著主站的命令或廠站端相關(guān)信息,其具體內(nèi)容與電網(wǎng)狀況息息相關(guān),故網(wǎng)絡(luò)的丟包情況也是一個(gè)重點(diǎn)的考察內(nèi)容。
目前信息流上述內(nèi)容的研究仍主要依賴運(yùn)行實(shí)測(cè)手段,對(duì)理論分析深度不夠,更是缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模和仿真手段,導(dǎo)致信息流相關(guān)特性和流通細(xì)節(jié)的研究存在很大不足。在智能電網(wǎng)大力發(fā)展的背景下,保信系統(tǒng)主子站間交互的信息流數(shù)量龐大,若對(duì)信息流特性把握不夠,勢(shì)必會(huì)給二次系統(tǒng)的運(yùn)維帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。故若能針對(duì)保信系統(tǒng),建立一套足夠精確且完整的信息流仿真模型,提高網(wǎng)絡(luò)仿真的精度和速度,對(duì)研究保信系統(tǒng)具有重要意義。
保信系統(tǒng)關(guān)鍵對(duì)象由保信系統(tǒng)使用的通信協(xié)議、實(shí)體設(shè)備和提供信息流傳輸通道的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)三部分組成。其中通信協(xié)議包括報(bào)文內(nèi)容、交互方式、觸發(fā)機(jī)制和發(fā)包規(guī)律;實(shí)體設(shè)備包含由服務(wù)器和客戶端組成的終端設(shè)備、由交換機(jī)和路由器組成的交換設(shè)備以及由防火墻和加密裝置組成的安全設(shè)備;調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)采用ΙP over SDH(Synchronous Digital Hierarchy,SDH)技術(shù)體制,結(jié)合VPN(Virtual Private Network) 技 術(shù)、OSPF(Open Shortest Path First)路由技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的安全分區(qū)及防護(hù)策略,保證業(yè)務(wù)能從源端準(zhǔn)確到達(dá)目的地。
為利用OPNET實(shí)現(xiàn)信息流關(guān)鍵性能仿真,僅使用OPNET自帶的標(biāo)準(zhǔn)模型顯然達(dá)不到仿真需求,因此在分析保信系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)基礎(chǔ)上,結(jié)合OPNET建模仿真機(jī)制來(lái)構(gòu)建保信系統(tǒng)仿真平臺(tái)。本文選取OPNET自帶模型參數(shù)整定和部分設(shè)備、協(xié)議自定義建模相結(jié)合的方式來(lái)對(duì)保信系統(tǒng)關(guān)鍵對(duì)象建模。
協(xié)議作為信息流基本屬性的表征,反映信息流格式、交互規(guī)則、組織形態(tài)、運(yùn)行機(jī)制、性能需求等內(nèi)容,是信息流仿真的基礎(chǔ)。
2.1.1 報(bào)文建模
根據(jù)保信業(yè)務(wù)傳輸內(nèi)容,把信息流歸納為三類:(1)監(jiān)視功能的S格式報(bào)文;(2)控制功能的U格式報(bào)文;(3)信息傳輸功能的Ι格式報(bào)文。
1)監(jiān)視功能報(bào)文:監(jiān)視功能S格式報(bào)文只包含APDU報(bào)文的APCΙ部分,其大小固定:包含1字節(jié)啟動(dòng)字符、2字節(jié)APDU長(zhǎng)度、4字節(jié)控制域,共7字節(jié),如式(1)所示。
該類報(bào)文用于主子站間命令報(bào)文的確認(rèn),即當(dāng)主子站正確收到1個(gè)或者多個(gè)APDU后發(fā)送S格式報(bào)文進(jìn)行確認(rèn),屬于隨機(jī)性報(bào)文。
2)控制功能報(bào)文:控制功能U格式報(bào)文也只包含APDU報(bào)文的APCΙ部分,其大小和S格式報(bào)文一樣,包括1字節(jié)啟動(dòng)字符、2字節(jié)APDU長(zhǎng)度、4字節(jié)控制域,共7字節(jié),如式(2)所示。
該類報(bào)文主要用于測(cè)試鏈路、控制啟/停數(shù)據(jù)傳輸,在保信系統(tǒng)的主子站間,未使用但已建立的連接或某個(gè)時(shí)間段內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí),將會(huì)啟動(dòng)測(cè)試過(guò)程發(fā)送U格式報(bào)文,其屬于隨機(jī)性報(bào)文。
3)信息傳輸功能報(bào)文:信息傳輸功能Ι格式報(bào)文除了包含APCΙ外,還包括攜帶主站與子站之間傳遞信息的ASDU。從圖2中信息流結(jié)構(gòu)可知,ASDU包含了1字節(jié)的類型標(biāo)識(shí)、1字節(jié)的可變結(jié)構(gòu)限定詞、1字節(jié)的傳送原因、2字節(jié)的ASDU公共地址和n個(gè)信息體。每個(gè)信息體包含了1字節(jié)的功能類型、1字節(jié)的信息序號(hào)、d字節(jié)的信息元素集(假設(shè)一個(gè)信息體里面有d個(gè)數(shù)目的信息元素集,d為變量)和t字節(jié)的信息體時(shí)標(biāo)(若信息體時(shí)標(biāo)出現(xiàn)t=7,否則t=0)。故Ι格式報(bào)文的大小如式(3)所示。
根據(jù)主子站間信息傳輸?shù)膬?nèi)容,Ι格式報(bào)文的發(fā)送規(guī)律可分為以下三種:周期報(bào)文;隨機(jī)報(bào)文;突發(fā)報(bào)文。
2.1.2 交互方式建模
保信系統(tǒng)的主站與子站的信息流交互方式可歸納為以下三類:通信鏈路啟動(dòng)過(guò)程、主站召喚過(guò)程和子站主動(dòng)上送信息過(guò)程。
1)通信鏈路啟動(dòng)過(guò)程:當(dāng)保信系統(tǒng)重啟、通信鏈接中斷后恢復(fù)通信過(guò)程都會(huì)在主站與子站之間重新啟動(dòng)通信鏈路,如圖3所示。該過(guò)程就是建立TCP連接過(guò)程,然后進(jìn)行總召喚。
2)主站召喚過(guò)程:當(dāng)主站需要了解保護(hù)設(shè)備或故障錄波器信息,包括讀模擬量、讀取子站配置、召喚裝置故障歷史信息等,才用召喚命令方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。為便于用一種通信過(guò)程來(lái)描述多種業(yè)務(wù)的傳輸過(guò)程,本文利用103規(guī)約提供的通用服務(wù)過(guò)程為基礎(chǔ)進(jìn)行建模,其通信模型如圖4所示。
圖4 通用服務(wù)的通信模型
圖3 通信鏈路啟動(dòng)模型
3)子站主動(dòng)上送信息過(guò)程:當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或設(shè)備裝置運(yùn)行異常時(shí),保信子站把相應(yīng)的動(dòng)作或異常信息封裝成103報(bào)文,主動(dòng)上送到主站端。子站上送的信息內(nèi)容主要包括:突發(fā)數(shù)據(jù)、保護(hù)動(dòng)作信息、簡(jiǎn)要錄波報(bào)告、故障量數(shù)據(jù)等,通信過(guò)程如圖5所示。
圖5 子站上送信息過(guò)程
2.1.3 發(fā)包特性及觸發(fā)機(jī)制建模
保信系統(tǒng)信息流有三種發(fā)包特性,每種發(fā)包特性都采用特定的報(bào)文觸發(fā)機(jī)制。
1)周期性發(fā)包特性:用函數(shù)constant來(lái)觸發(fā)該特性,設(shè)定的參數(shù)即規(guī)定循環(huán)發(fā)送報(bào)文的固定周期時(shí)間。
2)隨機(jī)性發(fā)包特性:用函數(shù)uniform來(lái)觸發(fā)該特性,該函數(shù)設(shè)定的是在某一時(shí)間段內(nèi)隨機(jī)數(shù),在仿真過(guò)程中隨機(jī)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)時(shí)刻即觸發(fā)內(nèi)部函數(shù)發(fā)包來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3)突發(fā)性發(fā)包特性:該特性可在仿真過(guò)程中設(shè)定具體某一時(shí)刻發(fā)送數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)體設(shè)備作為信息流產(chǎn)生、傳遞和應(yīng)用的實(shí)體,其模型一方面需要體現(xiàn)設(shè)備功能,另一方面需要體現(xiàn)信息流處理機(jī)制和處理能力。
實(shí)體設(shè)備包括主子站端的服務(wù)器或路由器、交換機(jī)和調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中的路由器等。OPNET自帶多種上述設(shè)備模型,根據(jù)保信系統(tǒng)仿真需求選擇相應(yīng)型號(hào)的設(shè)備,再通過(guò)參數(shù)整定方式對(duì)其建模,如表1所示,其余參數(shù)均采用默認(rèn)值。
表1 實(shí)體設(shè)備建模內(nèi)容
2.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模
基于保信系統(tǒng)的縱向業(yè)務(wù)為主,橫向業(yè)務(wù)較少的特點(diǎn),同時(shí)考慮調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的要求,采用分層結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。
1)接入層:包括發(fā)電廠、220 kV以上變電站端路由器,下接變電站站控層設(shè)備,對(duì)上采用2M鏈路接入SDH網(wǎng)絡(luò)上連接到就近的匯聚層節(jié)點(diǎn)。。
2)匯聚層:地市級(jí)路由器組成,每2或3個(gè)聚路由器通過(guò)155M或622M鏈路連接在一起形成一組,每一組分別由兩條鏈路連接到上一層路由器。
3)核心層:由省調(diào)的路由器構(gòu)成,采用2GE光口互聯(lián)、雙設(shè)備冗余備份方式組網(wǎng)。
2.3.2 通信技術(shù)建模
VPN技術(shù)在OPNET中建模是基于隧道技術(shù),通過(guò)隧道協(xié)議將在源端對(duì)原數(shù)據(jù)包添加包頭重新封裝,使其能在網(wǎng)絡(luò)中傳輸,并能按照添加新包頭的地址傳輸?shù)浇K端設(shè)備,終端設(shè)備再拆除新包頭,獲得原數(shù)據(jù)包。VPN技術(shù)用于隔離保信系統(tǒng)的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)業(yè)務(wù),保證不同區(qū)的業(yè)務(wù)在傳輸過(guò)程中互不影響。
OSPF路由技術(shù)通過(guò)路由器之間鏈路來(lái)建立鏈路狀態(tài)庫(kù),并生成最短路徑樹,同時(shí)利用最短路徑來(lái)構(gòu)造路由表。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)即按照路由表在不同路由器之間傳輸數(shù)據(jù)包。
VPN和OSPF在OPNET中主要設(shè)置參數(shù)如表2所示。
表2 VPN和OSPF的建模內(nèi)容
OPNET提供了應(yīng)用業(yè)務(wù)的仿真機(jī)制,利用自帶的Task Config、Application Config和Profile Config三個(gè)節(jié)點(diǎn)互相配合能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器和客戶端之間業(yè)務(wù)的傳輸,可用于實(shí)現(xiàn)信息流的產(chǎn)生、傳遞和應(yīng)用等功能。
1)Task Config。其用來(lái)模擬報(bào)文內(nèi)容建模,完成對(duì)信息流模型的加載和描述。本文把在主子站間單向通信一次的過(guò)程叫做一個(gè)Phase(階段),其描述了信息流的特征。當(dāng)利用Task Config完成對(duì)所有報(bào)文內(nèi)容建立后,即初步建立了完整的信息流單體模型。
2)Application Config。其用來(lái)模擬信息流交互方式,在Task Config建立好的信息流單體模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)主子站間的信息交互特性。本文把完成一種業(yè)務(wù)功能稱為一個(gè)Application(應(yīng)用),保信系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)功能需主子站間的信息流互相配合傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn),在OPNET中體現(xiàn)為不同的phase之間互相配合。
3)Profile Config。其用來(lái)模擬保信應(yīng)用業(yè)務(wù),根據(jù)業(yè)務(wù)類型和內(nèi)容,把不同的Application封裝組合起來(lái),形成保信系統(tǒng)主子站間完整的通信過(guò)程。
上述三個(gè)節(jié)點(diǎn)主要建模內(nèi)容如表3所示,其余參數(shù)均采用默認(rèn)值。
表3 協(xié)議模型的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)協(xié)議模型后,再將其加載到服務(wù)器/客戶端模型中,其過(guò)程如下:將服務(wù)器(或客戶端)的實(shí)際目的地址(或源地址)與在“Application Config”模型或者“Task Config”模型中設(shè)置的目的地址(或源地址)象征名形成一一對(duì)應(yīng)的映射,并為服務(wù)器(或客戶端)添加其所支持的Profile類型,即實(shí)現(xiàn)了設(shè)備模型。
3.2.1 場(chǎng)景設(shè)置
本文選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示的某供電局220 kV變電站的保信系統(tǒng)主子站間交互的信息流為研究對(duì)象。圖中,保信主站與子站分別用服務(wù)器與客戶端模型表示。
在仿真場(chǎng)景中,本文設(shè)置幾種常用的應(yīng)用:①主站的總召喚,起始時(shí)間為2 min,召喚周期為15 min,變電站內(nèi)的遙信點(diǎn)數(shù)為1226,遙測(cè)點(diǎn)數(shù)為323;②主站對(duì)子站進(jìn)行一系列操作,包括8 min時(shí)對(duì)子站進(jìn)行定值操作,11 min時(shí)讀子站配置、讀模擬量、和召喚子站裝置故障歷史信息;③子站分別在13 min時(shí)上送突發(fā)數(shù)據(jù)、19 min時(shí)上送保護(hù)動(dòng)作信息、21時(shí) min上送簡(jiǎn)要錄波報(bào)告、31 min時(shí)上送故障量數(shù)據(jù)到主站;④主站在36 min時(shí),召喚某一時(shí)間段內(nèi)的故障錄波文件,文件數(shù)量為10。確定應(yīng)用業(yè)務(wù)類型及配置所需參數(shù)后,依次在Task Config、Application Config和Profile Config中建立信息流大小、觸發(fā)特性、發(fā)送周期以及交互模型,再加載到服務(wù)器和客戶端。
3.2.2 仿真結(jié)果分析
設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)為50 min,選擇保信系統(tǒng)主子站間互相傳輸?shù)男畔⒘鳛榻y(tǒng)計(jì)量,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 保信系統(tǒng)仿真結(jié)果
從圖6仿真結(jié)果,可得出如下結(jié)論:
1)子站端傳出的流量以總召喚與故障錄波文件傳輸情況下的流量為主,而主站端傳出的流量以總召喚與主站對(duì)子站進(jìn)行的一系列操作產(chǎn)生的流量為主,其他各種情況下的流量相對(duì)較小,因此系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)避免上述幾種流量較大的情況同時(shí)運(yùn)行。
2)對(duì)比主子站間互相傳輸?shù)牧髁?,從主站流向子站方向的信息流遠(yuǎn)遠(yuǎn)比從子站流向主站的信息流小,這是由于主站傳出的信息流來(lái)源于其下發(fā)的各種召喚命令以及對(duì)子站上傳數(shù)據(jù)的確認(rèn),而子站傳出的信息流包括了上傳電網(wǎng)的異常、故障信息或故障錄波文件,因此流量比較大。
3)保信系統(tǒng)端口流量較小。子站端傳出最大流量為0.42 Mbps的總召喚流量,其次為0.24 Mbps的故障錄波文件傳輸流量。故能夠滿足實(shí)際系統(tǒng)2M鏈路帶寬的需求。但為了保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,建議把實(shí)時(shí)性要求較低且流量較大的部分業(yè)務(wù)如故障錄波文件傳輸放到安全Ⅱ區(qū)運(yùn)行,其他業(yè)務(wù)保留在安全Ⅰ區(qū)。
針對(duì)信息流在保信系統(tǒng)的重要性及目前研究所存在的不足,本文以保信系統(tǒng)業(yè)務(wù)為切入點(diǎn),對(duì)信息流的特性及其在主子站間的交互特性展開詳細(xì)的研究及建立相應(yīng)的模型,并基于OPNET提出了保信系統(tǒng)信息流的仿真方法。最后,通過(guò)從某變電站上送到調(diào)度端的幾種常用保信業(yè)務(wù)為案例來(lái)驗(yàn)證本文方法的正確性和可行性,為研究電力二次系統(tǒng)其它應(yīng)用業(yè)務(wù)的傳輸特性提供重要的借鑒。