基于IEC 61850的智能配電通信網絡仿真平臺設計

孫毅, 李世豪，李彬，李德智

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

基于IEC 61850的智能配電通信網絡仿真平臺設計

孫毅1, 李世豪1，李彬1，李德智2

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

可靠性、實時性、雙向性是智能配電網通信系統必須滿足的要求。在當前智能配電網通信系統分析的基礎上，基于最新的IEC 61850標準，對智能配電網業務流量以及通信需求進行建模。在開源的多協議網絡仿真軟件 OMNeT++平臺上建立了智能配電網通信網絡仿真模型。仿真研究了在加入大量的分布式能源以及電動汽車等數據流量業務的背景下，過程層IED和站控層配電子站之間的通信交互過程，對比分析了在不同帶寬、不同業務流量背景下IED和配電子站進行信息交互過程的傳輸時延。

OMNeT++；智能配電網；IEC 61850；通信網絡；仿真平臺設計

0 引 言

隨著我國提出以通信平臺為依托，智能技術為手段的“堅強智能電網”概念，“電力流、信息流、業務流”3個指標的高度一體化要求，圍繞智能電網展開的通信平臺建立的重要性越顯突出[1-2]。智能配電網是智能電網中連接主網和面向用戶供電的重要組成部分，信息集成通過實時和非實時信息的共享和利用，成為實現智能配電網兼容、自愈、互動和優化的基礎[3]。隨著配電網的不斷發展，分布式電源以及電動汽車的出現和發展以及電能質量要求的逐步提高給配電網的運行和控制帶來了很多挑戰，因此智能配電網作為解決上述問題的主要技術方法，為配電網的技術發展指明了方向[4]。

隨著配電網的不斷發展，配電網中業務的類型也在不斷增加，伴隨而來的是大量的數據與信息。由于配電網絡中傳遞的信息量越來越大，需要設計出合適的通信系統來滿足可靠性、實時性、雙向性的要求。對于智能配電網通信系統的設計方面，國內外已經進行了相應的研究，文獻[5]研究了智能配電網信息架構的基本組成，分析了信息模型可用的國際標準；文獻[6]采用NS2對有源配電網管理系統通信網絡的延時特性進行了仿真。然而對智能配電網通信系統的研究仍有很多工作要做。此外配電網的另一個主要特點是終端數量大，分布范圍廣，需要一個統一的標準來實現設備的互操作性；允許不同廠商生產的IED設備進行信息的交換并且能夠保持系統的長期穩定性。IEC 61850標準為變電站自動化提供了統一的標準，實現了不同智能設備間的無縫接入[7]。隨著IEC 61850標準的逐漸完善，以及第二版的IEC 61850標準的出臺，IEC 61850標準已經逐漸推廣至變電站自動化外的其他領域，并將成為智能配電網信息通信體系的重要組成部分[8]。

本文首先介紹傳統配電網通信系統，并在此基礎上提出未來智能配電網的通信系統結構，其次討論IEC 61850標準在智能配電網中的應用。最后介紹一種開源的多協議網絡仿真軟件OMNeT++，并且在OMNeT++平臺上對典型配電網及其通信網絡進行建模，在不同業務流量背景下，采用不同類型的通信網絡，對配電終端和配電子站間進行數據交換的傳輸延時進行仿真。

1 智能配電網通信系統現狀及發展

當前的智能配電網系統采用了分層的結構，分別設立了配電主站、配電子站以及配電終端。配電主站處于配電自動化系統的頂層，負責整個配電網的調度、監測與控制；配電終端采集并上傳各種現場信息，執行上級系統下發的控制命令[9]。配電子站將配電終端采集的各種現場信息中轉給主站的通信處理機，將主站下發的控制命令轉發給相應的配電終端設備[10]。

隨著配電網的不斷發展與進步，大量的分布式電源的出現以及電動汽車的逐漸普及，傳統的配電網通信系統模型已經不能滿足未來智能配電網多業務的需求，需要研究新的配電網通信系統。與傳統的配電網通信系統相比，配電網通信系統的第3層不再僅僅只有配電終端，分布式電源和電動汽車的監控單元以及智能電表都可以作為終端設備，向子站傳遞用電信息。隨著業務種類的不斷增加以及信息數量的不斷增加，需要在配電子站處增設相應的控制以及管理單元，針對具體不同的業務進行相應的管理和控制，以免造成混亂。文獻[11]提出了一種如圖1所示的智能配電網通信體系結構，滿足未來智能配電網通信系統的要求。

圖1 智能配電網通信體系結構Fig.1 Communication architecture of intelligent distribution network

2 IEC 61850在智能配電網中的應用

2.1 基于IEC 61850的智能配電網結構

文獻[12]參照IEC 61850的3層模型，將智能配電網劃分為3層，即主站層、饋線層以及終端層，具體結構如圖2所示。

圖2 基于IEC 61850的配電自動化分層體系Fig.2 Distribution automation system based on IEC 61850

圖2中，主站層位于最頂層，是整個配電網的核心。饋線層從整體上實現了對一條饋線的邏輯處理功能，通常需要多個配電終端相互配合[12]。終端層位于最底層，其中包括柱上開關FTU、環網柜FTU以及配電變壓器檢測終端TTU等。

2.2 IEC 61850在配電網通信系統中的應用

IEC 61850作為一種通信協議，通過SCSM可以映射到MMS、以太網、WebService、IEC 60870-5-101/104、DNP3.0等多種協議上，具有可以使具體技術和實現方法相互獨立的優點，還可以兼容配電網原有的通信規約，做到統一整個智能配電網的通信規約，不會造成混亂。此外，IEC 61850具有全面的功能和合適的數據建模方法，在配電網業務和數據類型日益激增的條件下，仍可以建立統一的數據模型，增強了數據信息的系統化，提高了通信效率。

IEC 61850的映射方式有很多種，每一種映射對應于不同的業務類型，都有著自己的特點，因此我們需要根據智能配電網的不同業務類型，不同的需求來選擇相應的映射方式。例如配電終端與配電子站之間的信息傳遞主要考慮選擇MMS映射，然而GOOSE報文則更多地運用在配電終端與配電終端的信息傳遞中，本文主要研究MMS映射，對GOOSE報文則不做太多討論。

3 智能配電網通信系統仿真平臺的構建

本文基于第2節提出的配電自動化分層體系及IEC 61850在配電網通信系統中的應用，利用OMNeT++軟件搭建了智能配電網通信系統仿真平臺。

基于第1節提出的未來智能配電網通信系統以及IEC 61850標準，通過OMNeT++仿真軟件構建了智能配電網通信網絡模型。智能配電網通信網絡的模型如圖3所示。

圖3 智能配電網通信網絡模型Fig.3 Communication network model of intelligent distribution network

該仿真包括下列模。

(1)智能電子設備(intelligeat electronic device, IED)：其行為是在接收到服務器下發的指令后做出相應地反應，并且周期性地向服務器上傳采集到的數據。

(2)交換機：起到IED與服務器之間轉發數據的作用，具有堆棧功能。

(3)服務器：該模塊可以向IED下發連接請求等指令并動態建立處理模塊，處理IED的數據交換請求。

(4)服務器處理模塊：該模塊由服務器動態建立，負責處理IED的數據請求交換。

每一個IED周期性地與服務器進行連接，并與其交換數據。建立連接后，服務器向IED發送隨機個數的數據交換指令，然后關閉連接。服務器同一時間內可以處理多個連接請求，連接建立后，服務器便為每個連接動態建立“服務處理模塊”。本文僅關心進行數據交換時的時間延遲，因此只統計IED與服務器每次進行數據交換的傳輸延時，而不考慮建立連接與斷開連接的時間。

圖3中含有20個IED，分別對應著不同的業務類型，包括監控與數據采集(supervisory control and data acquisition, SCADA)業務、饋線自動化業務、分布式電源業務、電動汽車業務、用電信息采集業務、視頻監控業務等。

隨著智能配電網的不斷發展，配電網業務類型和數量不斷增加，因此本文還仿真了40個IED的通信系統，測試當業務種類增加時，原有的智能配電網通信系統是否還能滿足信息傳遞的實時性。

4 仿真案例及結果分析

本文用第3節搭建的仿真系統進行測試，來比較在不同的業務流量背景下，采用不同帶寬對智能配電網的IED和配電子站之間的數據交換時延進行仿真。

IEC 61850標準建模廣泛采用面向對象的方法，包括可視化圖元體系設計、可視化窗口體系設計、插件化模塊組織等。利用面向對象技術提供的各種概念和技術組織代碼，實現系統的重要功能，控制開發的復雜性。鑒于本平臺運行環境的復雜性，本項目選取了OMNeT++仿真開發平臺，滿足Client /Server 混合數據傳輸模式，既保證了數據管理軟件的易用性，也保證了規劃設計軟件的專業性和運行效率。

4.1 智能配電網數據流模型

本文依據第1節中智能配電網通信體系結構并且參考文獻[13-14]，分析了未來智能配電網的主要業務流量模型。

未來智能配電網的業務主要包括SCADA業務、饋線自動化業務、分布式電源業務、電動汽車業務、用電信息采集業務以及配電線路視頻監控業務等。本文只選取了有代表性的幾類業務，未來隨著業務種類的增加，可以在此仿真平臺上對參數進行修改，以滿足未來智能配電網更多業務類型的需求。具體業務類型以及流量大小見表1。

表1 智能配電網數據業務流量

Table 1 Intelligent distribution network data traffic

4.2 仿真平臺運行機制建模

在已有的通信架構模型上，采用OMNeT++軟件建模仿真，并設定對應的數據存儲庫用以收集仿真結果，動態模擬智能配電網通信網絡仿真平臺運行效果。側重對IEC61850中的Client/Service(客戶/服務器)方式進行建模，模擬配電子站和IED之間的建立連接、數據交換以及斷開連接的過程，主要統計每一次數據交換時的傳輸時延。

綜合智能配電網通信業務的具體需求，基于IEC 61850標準，對數據交換業務采用MMS+TCP/IP+以太網的方式，傳輸層采用TCP或UDP協議。具體的通信協議棧結構如圖4所示。

圖4 通信協議棧結構Fig.4 Structure of communication protocol stack

基于4.1節中的智能配電網各種業務的數據流模型，本文設定了低背景流量以及高背景流量2種場景，2種背景均包括上述全部業務，但低背景流量下的電動汽車、用電信息采集、視頻監控業務的數據包產生速率取較小值，高背景流量下，3種業務的數據產生速率取較大值。數據傳輸帶寬分別采用 10 Mbit/s以及100 Mbit/s來進行IED和服務器之間的數據交換,分別仿真了低流量以及中高流量背景的業務流量下，IED和服務器進行一次數據交換的傳輸時延，并將仿真的結果進行了對比分析。

本文選用OMNeT++仿真軟件，并且基于IEC 61850標準，主要仿真了智能配電網通訊方式中的Client/Server模型，包含IEDS、交換機、服務器以及服務器處理器這4個模塊，動態仿真了IED和配電子站(服務器)從建立連接到數據交換到對數據進行處理再到斷開連接的過程。其中主要的模塊Sever的流程圖如圖5所示。

圖5 Sever 模塊流程圖Fig.5 Flow chart Sever module

4.3 仿真平臺運行及結果分析

為了驗證和比較在不同IEC 61850承載下的配電網業務流量背景下，分別采用10 Mbps和100 Mbps的帶寬進行數據交換的延時能否滿足智能配電網的通信需求，本文利用第3節搭建的仿真平臺進行仿真測試。

首先對低背景流量場景進行仿真，在程序運行開始時對過程層的IED數量進行設置(即仿真不同的業務背景流量)。

在低背景業務流量場景下，將IED的數量設定為20個，分別對應了SCADA業務、饋線自動化業務、分布式電源業務、電動汽車業務、用電信息采集業務、視頻監控業務。其中電動汽車業務、用電信息采集業務和視頻監控業務的數據包產生速率取較小值。

首先Sever將會隨機向IED發送建立連接指令，發送的消息會在Swich模塊里進行排隊，再發送給IED模塊，如果此時隊列不為空，則提取下一個消息，如果隊列為空，則模擬處理時延；同時到達的其他數據包，需要將其插入隊列中。如果排隊的長度超出了隊列的最大長度，則丟包，連接將不會建立，也就因此不能進行數據交換。接收到連接建立指令的IED模塊會變成綠色，回復指令后等待服務器的連接消息，如果在一段時間以后仍收不到消息，則跳出循環。

如果IED在等待的時間里收到了Sever發送的連接消息，則變成黃色，開始進行數據交換，系統將隨機產生每一個IED和服務器進行數據交換的次數，用來模擬智能配電網在不同時間產生不同的信息量，IED將每隔一定的時間進行一次數據交換。IED會在一段時間內等待接收服務器處理過的消息以及下達的指令，如果在等待的時間內沒有收到消息，則直接斷開連接。

Sever模塊收到消息后將對消息進行判斷，判斷消息是連接請求還是數據交換請求，如果是數據交換請求，則會動態創建數據處理模塊，并且將數據發送到相應的處理模塊。數據處理模塊收到消息后，將會仿真數據處理過程，并且設置并發送數據交換應答。在對數據進行處理后，Sever模塊會將消息轉發給IED模型，本文重點關注的是從IED發送數據交換消息到接收到處理后的數據消息所產生的時間延遲。

接下來在IED和Sever完成數據交換后，Sever向IED模塊發送斷開連接指令，然后IED模塊會變成藍色。在IED回復斷開指令后，Sever將會設置和發送斷開連接消息，在IED接收到斷開連接消息后，整個連接過程結束，之后將進行下一階段的連接過程。仿真平臺仿真的結果如下所示。

(1)10 Mbps帶寬，低流量背景20 IED仿真結果如圖6所示，通過仿真結果可以看出，IED和配電子站進行一次數據交換的傳輸延時在55～75 ms，滿足饋線自動化業務快速性的需求。

(2)100 Mbps帶寬，低流量背景20 IED仿真結果如圖7所示，通過仿真結果可以看出在采用100 Mbps的帶寬進行數據交換時，傳輸延時在3.5～9.0 ms，極大地降低了傳輸延時，保證了快速性的需求。

(3)10 Mbps帶寬，低流量背景40 IED仿真結果如圖8所示，當業務數量增加到40的時候，通過仿真結果可以看出傳輸延時在52.5～75 ms。

圖6 低流量背景10 Mbps帶寬的傳輸時延Fig.6 Transmission delay of 10 Mbps bandwidth in low traffic background

圖7 低流量背景100 Mbps帶寬的傳輸時延Fig.7 Transmission delay of 100 Mbps bandwidth in low traffic background

圖8 40 IED低流量背景10 Mbps帶寬的傳輸時延Fig.8 Transmission delay of 10 Mbps bandwidth in low traffic background of 40 IED

(4)10 Mbps下低流量背景下20 IED與40 IED仿真結果對比如圖9所示，通過對比結果可以看出，20個IED的傳輸延時的曲線大部分都在40個IED傳輸延時曲線的下面，即隨著業務類型增加時，網絡變得越來越擁塞，傳輸延時也會隨之增加。

雖然時延有所提高，但是二者均能滿足快速性的需求。

圖9 10 Mbps下低流量背景20 IED與40 IED對比Fig.9 Comparison between 20 IED and 40 IED under low traffic 10 Mbps

(5)低背景流量下，20 IED，10 Mbps與100 Mbps仿真結果對比如圖10所示，通過仿真結果可以看出，在相同業務類型、業務流量背景下采用100 Mbps的帶寬可以極大地減小傳輸時延，更好地保證了饋線自動化的快速性的需求。

圖10 20 IED低流量背景10 Mbps與100 Mbps對比Fig.10 Comparison of 10 Mbps and 100 Mbps in low traffic 20 IED

(6)10 Mbps帶寬，20 IED，低流量背景與高流量背景對比仿真結果如圖11所示，通過仿真結果可以看出在高業務流量背景下，采用10 Mbps的傳輸延時在120～150 ms，傳輸延時極大增加。這是由于以太網采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測的介質控制機制，發生沖突后所有節點采用相同的退避機制，當網絡負載過重時易發生丟包，使得系統的通信性能大大降低，無法滿足快速性的需求。

圖11 10 Mbps帶寬，20 IED,低流量背景與高流量背景對比Fig.11 Low traffic background and high traffic background contrast under 10 Mbps bandwidth 20 IED

5 結 論

隨著智能配電網的不斷發展，分布式電源、電動汽車、視頻監控等更多的業務流逐漸融入智能配電網，使得配電網絡中傳遞的信息量越來越大，為了滿足智能配電網通信系統可靠性、實時性、雙向性的要求，需要對通信網絡進行測試與改進。為分析智能配電網環境下多業務流量對配電網通信系統信息交互實時性的影響，基于IEC 61850標準以及OMNeT++仿真軟件建立了智能配電網通信網絡仿真平臺。通過對業務類型、業務流量、傳輸帶寬以及堆棧存儲量的控制，分析信息傳輸的延時，可以設計出適合未來智能配電網多業務類型、高業務流量的網絡。此外通過OMNeT++仿真軟件，可以動態觀察各層之間的信息交互過程，更容易發現存在的問題，及時進行調整，為智能配電網的后續研究和開發設計提供可參考意見。

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(編輯 張媛媛)

Communication Network Simulation Platform Design of Intelligent Power Distribution Based on IEC 61850

SUN Yi1, LI Shihao1, LI Bin1, LI Dezhi2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Reliability, real-time performance and bidirection are the requirements of the communication system of intelligent distribution network. Based on the analysis of current intelligent distribution network communication system and the latest IEC 61850 standard, this paper constructs the model for the traffic and communication needs of the intelligent distribution network. We build the simulation model of the communication network in intelligent distribution network on the OMNeT++, which is an open source platform of multi protocol network simulation software. In the background of the data flow which adds a large amount of distributed energy and electric vehicle, we study the communication process between the process-level IED and the station-level distribution substation, and compare the transmission delay of IED and distribution substation under different bandwidth and traffic background.

OMNeT++; intelligent distribution network; IEC 61850; communication network; design of simulation platform

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2015AA050203)；國家自然科學基金項目(51307051)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(2014ZP03，2015ZD01)；國家電網公司科技項目(智能電網用戶行為理論與互動化模式研究)Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050203)； National Natural Science Foundation of China(51307051)； Fundamental Research Funds for the Central Universities(2014ZP03，2015ZD01)

TM 76

A

1000-7229(2016)02-0118-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.017

2015-11-22

孫毅(1972)，男，教授，主要從事電力系統通信相關技術研究工作；

李世豪(1993)，男，碩士研究生，主要從事IEC 61850在智能配電網中的應用、智能配電網的研究工作；

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要從事電力系統自動化與信息化相關技術研究工作；

李德智(1982)，男，碩士研究生，主要從事智能用電、需求響應、能效管理方面的研究工作。