OPNET仿真在電力綜合數據網中的應用

張華芳子，戚銀城，武軍娜，劉明軍，楊 迪

(華北電力大學電子與通信工程系，河北保定 071003)

OPNET仿真在電力綜合數據網中的應用

張華芳子，戚銀城，武軍娜，劉明軍，楊 迪

(華北電力大學電子與通信工程系，河北保定 071003)

介紹了OPNET的性能特點和仿真建模過程，通過分析電力綜合數據網的結構，給出了OPNET應用于電力綜合數據網仿真的建模過程，包括網絡的建造、業務的模擬和統計量的搜集，最后運行仿真給出了網絡吞吐量、時延和響應時間的仿真結果達到了設計指標。

OPNET;綜合數據網;拓撲結構;網絡仿真

隨著網絡通信技術的高速發展，電力系統各種業務交叉融合，使得電力系統需要一個高速的通信網絡來支撐各種業務的管理和監控，以保證電網管理的可靠性與穩定性。

通常驗證網絡性能的方法有實際試驗和建模仿真，目前已經有很多對電網通信的建模仿真研究。文獻［1］對變電站內部通信系統和廣域通信網絡系統進行了仿真研究，文獻［2］對3層式廣域保護系統需要傳輸的消息種類以及各類消息對通信系統的要求做出了分析，并使用OPNET對關鍵信息傳輸進行了仿真，文獻［3］根據數字化變電站不同間隔中的合并單元、控制設備、保護之間的聯系，建立OPNET網絡仿真模型。這些仿真研究大多集中在對變電站和廣域通信的研究上，因此，通過網絡仿真軟件對電力系統綜合數據網進行仿真研究具有一定意義。

OPNET網絡仿真軟件作為網絡規劃仿真及分析工具的高端產品，在通信和計算機網絡領域被廣泛認可。在國內，對OPNET軟件的應用研究還處于起步階段，將OPNET仿真軟件應用于電力通信領域的研究也正逐漸地被學者所重視。文中對OPNET仿真軟件的仿真流程和特點進行了介紹，搭建了電力綜合數據網的仿真模型，并對加入電力系統典型業務之后的模型進行了仿真結果分析。

1 OPNET仿真軟件

1.1 OPNET特點介紹

OPNET公司起源于麻省理工大學，到目前已經擁有 Modeler、ITGuru、SPGuru、WDMGuru 等系列產品。在OPNET各種產品中，OPNET Modeler幾乎包含了其他產品所有的功能，將各仿真研究階段所需的工具相結合，采用離散事件驅動的仿真機理，支持面向對象的建模方式，提供多種編輯器幫助用戶完成網絡建模和仿真運行。

OPNET Modeler的主要性能特點如下:

(1)建模環境層次化。軟件提供了3層建模機制，最底層是進程(Process)模型，以有限狀態機、C或C++以及OPNET自帶的核心函數實現各種協議算法。其次是節點(Node)模型，由相應的協議模塊組成，能反映設備軟硬件的特性。最上層利用各種網絡設備模型，形象地映射現實網絡。通過3層模型與實際協議、設備、網絡的完全對應，全面反應出網絡的相關特性。

(2)采用面向對象的建模方式。(Object－oriented Modeling)。每一類節點開始均采用相同的節點模型，再針對不同的對象設置特定的參數。

(3)基于事件出發的有限狀態機建模，避免了以時間出發，而是以事件出發來建模，提高了計算效率。

1.2 OPNET建模及仿真過程

建模過程就是將實際的系統映射到仿真的環境中，但是由于實際系統與仿真環境之間不可能全面對應，因此在建模時需要從某一個方面去模擬實際系統的行為，將那些不重要的方面忽略或者簡化。

使用Modeler進行仿真的過程分為以下幾個步驟［6］:

(1)配置網絡拓撲(Topology)。確定模型需要解決的問題，從而創建原始終的模型。OPNET提供了大量的編輯器來進行建模，與3層建模機制相對應，OPNET中涉及的編輯器有定義或改變網絡拓撲模型的項目編輯器、針對數據流模型的節點編輯器和針對控制流模型的進程編輯器。

(2)配置業務(Traffic)。當網絡拓撲確定之后，應該對網絡中的具體元件進行業務的配置。在OPNET中，提供了兩種類型的業務建模:精細業務建模和背景業務建模［5］。精細業務是基于數據包的業務，OPNET采用離散事件仿真機制，使每個數據包都經過這個協議棧，對各種業務可以獲得精確的描述，缺點是仿真需要耗費大量的時間和內存;背景業務則是通過引入延時來影響業務本身的性能而并不是每個數據包被精細地處理，能加快仿真的速度。

(3)收集結果統計量(Statistics)。OPNET提供兩種類型的統計量:矢量統計量(Vector)和標量統計量(Scalar)，矢量統計量又可分為全局統計量(Global Statistics)和本地統計量(Local Statistics)。全局統計量主要針對整個網絡的性能，本地統計量只反映單個模塊的性能。

(4)運行仿真(Simulation)。確定了所有需要收集的統計量之后需要運行仿真才能得到統計量數據。OPNET擁有一套高效的仿真引擎和內存管理系統，配合其集成化的調試工具，使其擁有真正一流的仿真效率和速度。

(5)發布結果和拓撲報告(Report)。OPNET集成的分析工具能夠直觀地顯示仿真結果，能夠實時生動地顯示模型動態行為，還提供了一個圖形化的數據處理和收集環境。用戶可將探針插入一個模型的任何一點以收集、顯示統計數據或輸出給其他軟件包。

2 綜合數據網仿真模型

隨著智能電網建設進程的快速推進，電力系統對數據、視頻、語音、生產MIS等業務的需求不斷增大，電力綜合數據通信網也越來越重要。文中主要對電力綜合數據網的建模和仿真進行了研究，以典型的3層式網絡結構為基礎，對電力系統綜合數據網的網絡結構和傳輸的業務進行了抽象和濃縮，從而在OPNET軟件上，構建了電力綜合數據網的仿真模型。

電力綜合數據網因其規模通常采用分層式結構，由一個服務器、兩個核心交換機、多個匯聚交換機及多個接入交換機、數百個工作站或客戶端組成，并且，地區不同網絡結構也不盡相同。針對大型網絡結構進行完整的仿真，只是簡要地介紹了OPNET仿真工具應用于電力綜合數據網的仿真過程以及能夠實現的目標。仿真模型建立如圖1所示。

圖1 綜合數據網結構模型

核心層交換機一般位于某市供電局內，為保證核心層的可靠性，一般設置兩個高性能的交換機。而匯聚層、接入層交換機一般代表著位于其他的供電所、變電站和縣供電局，監控的數據最后都要上傳至核心層的服務器。

在網絡拓撲建模中，服務器選用ethernet_server_adv，與核心服務器1相連，核心層與匯聚層的3層交換機均采用Cisco_6509_ae48_ge16_adv，客戶端選用ethernet_station_adv。文中核心層放置了兩臺3層交換機以保證網絡的健壯性，其余station命名的均為匯聚層交換機，subnet則是接入層的交換機，接入層是各個復雜偏遠的小站點，在這里不做討論。綜合數據網的數據隨著業務發展的需要會越來越大，因此鏈路速率越高越好。圖中核心交換機1與服務器之間的鏈路是1 000 Mbit·s－1的，其余交換機之間以及客戶端與交換機之間的鏈路也為1 000 Mbit·s－1。

利用OPNET仿真評估網絡的性能，關鍵在于業務建模的準確性，仿真的業務源必須能夠正確反映實際業務的統計特性。電力綜合數據網主要承載變電站圖像監控、高清會議電視、通信電源監控、軟交換、變電站錄音以及通信網管等數據業務。因此，可以利用軟件本身的業務來模擬綜合數據網中應該有的業務量，文中采用精確業務建模方式。

OPNET已經定義了9種應用:Custom、Database、Email、Ftp、Http、Print、Remote Login、Video Conferencing以及Voice。一般所需的引用都可以在這9中應用中找到來模擬仿真。綜合數據網內的數據流有多種，包括周期性數據、隨機性數據和突發性數據。針對仿真需要，這里選擇 Video Conference、FTP、E － mail、Voice和Database五種典型業務，并對其進行配置。

業務的配置，一般分為4個步驟:配置應用、配置業務主詢、配置服務器和配置工作站。

(1)設定應用參數，文中設定了Video Conference、Email、Ftp、Voice和 Database 5種業務。其中 Video Conference的參數配置如圖2所示。Email設置中的變動Email Size為constant(2000000)，FTP的 File Size也改為 constant(2000000)，Voice選擇 PCM Quality Speech，Database選擇為 Mediun Load。

圖2 Video Conference的參數配置

(2)業務主詢的設定如圖3所示。

圖3 業務主詢的設定

StartTime開始時間設定為在100～110 s之間隨機選擇一個時間點，作為初始化的預留時間，不同的業務主詢開始時間會稍微錯開，Duration設定為仿真結束才終止，Repeatability設置為仿真就加載一次，Operation Mode指應用運行模式，設置為同時加載模式以便5種業務同時進行仿真。

(3)配置服務器支持的應用。核心交換機1連接著唯一的一個服務器，支持所有的5種業務。

圖4 服務器業務配置

(4)設定客戶端業務主詢。對于每個名稱為node的客戶端，配置為都支持Video Conference業務;名稱為other的客戶端則配置另外4種業務。

(5)配置完所有的業務參數之后，對網絡仿真的結果統計量進行搜集，然后運行仿真。在電力綜合數據網中，網絡的時延、丟包率、鏈路利用率、業務響應時間等都是比較重要的指標。網絡指標的不穩定將直接影響所承載的業務。由于網絡中承載的業務大多屬于匯聚型業務。核心節點的失效將引起整個業務系統癱瘓。設置搜集的統計量有:

3 仿真結果分析

設定仿真時間設為600 s，此時系統的仿真運行結果已經穩定。

圖5給出了一些鏈路的吞吐量(Throughoutput)，從上往下依次是核心交換機1與服務器、node_9與station_7、other_4與station_8以及station_8與station_5之間相連鏈路的吞吐量。每個客戶端所產生的Video Conference的流量一致，說明也可以通過此來模擬變電站間隔層單元內的定時數據，其他4類業務的數據量，用于模擬突發性的數據上傳和下載行為。

圖5 鏈路吞吐量曲線

同樣，通過仿真可見整個以太網的時延以及各個鏈路端到端的時延，也能看見各個業務的相應時間，如圖6所示。整個以太網的延時不超過0.5 ms，而鏈路的延時則約為0.01 ms，網絡的實時性較好。

圖6 時延和相應時間曲線

通過OPNET仿真，可以有選擇地采用指標進行研究。電力綜合數據網的規模通常較大，各個站點位置分布不均勻，加之網絡結構不合理，鏈路一旦失效將會對整個網絡的性能造成較大的影響。因此，利用OPNET仿真軟件對模擬的網絡結構進行仿真和分析，找出負載大、利用率高的鏈路，以對整個網絡進行優化仿真，當仿真結果達到了滿意的指標之后，再從實際對網絡進行改造。

4 結束語

應用OPNET仿真軟件，對電力綜合數據網的網絡模型構造、業務模擬和仿真結果等多方面進行了介紹和分析。目前電力系統主要是對變電站內部通信系統和廣域保護網絡的仿真。文中在學習了OPNET軟件的基礎上，將OPNET應用與電力綜合數據網中的可能性做出了分析，但是還存在許多亟待解決問題。

［1］廖晨淞，童曉陽，王曉茹.OPNET仿真及其在電力系統通信研究中的應用［J］.電氣應用，2010，29(9):52 －56.

［2］徐天奇，尹項根，游大海，等.3層式廣域保護系統通信網絡［J］.電力系統自動化，2008，16(32):28 －33.

［3］方曉潔，季夏軼，盧志剛.基于OPNET的數字化變電站繼電保護通信網絡仿真研究［J］.電力系統保護與控制，2010，23(38):137 －140.

［4］宮麗寧，徐玉斌，牟肖光.基于OPNET的交換式以太網實時性仿真分析［J］.工業控制計算機，2008，21(4):60－61.

［5］甄力，劉克.基于OPNET Modeler的以太網性能的仿真研究［J］.工業控制計算機，2008，21(9):35 －36.

［6］陳敏.OPNET仿真［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］竇曉波，胡敏強，吳在軍，等.數字化變電站通信網絡性能仿真分析［J］.電網技術，2008，32(17):98－104.

Application of OPNET in Power Integrated Data Communications Network

ZHANG Huafangzi，QI Yincheng，WU Junna，LIU Mingjun，YANG Di
(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

This paper analyzes the characteristics and modeling process of OPNET.Then it analyzes the structure of the power integrated data communications network and gives the simulation modeling process of how to use OPNET for it，including the establishment of the network，simulation of services and collection of statistics.Finally it gives the simulation results of network throughput，delay and responding time.The simulation results meet the design index.

OPNET;integrated data communications network;topology;network simulation

TN915

A

1007－7820(2012)08－135－04

2012-02-29

張華芳子(1989—)，女，碩士研究生。研究方向:電力系統通信。戚銀城(1968—)，男，博士，教授。研究方向:信息系統與信息安全。武軍娜(1986—)，女，碩士研究生。研究方向:智能信息處理。