基于OPNET的智能變電站通信網絡仿真建模與性能分析

葉夏明，張 勇，莫建國，王 曉

（國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

基于OPNET的智能變電站通信網絡仿真建模與性能分析

葉夏明，張 勇，莫建國，王 曉

（國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

智能變電站的自動化程度與其通信網絡的性能密切相關，良好的網絡性能是其實現信息主動分析、智能調節、協同互動等高級應用的前提。為此，對智能變電站中的數據特征與通信網絡性能進行了深入研究。首先，對智能變電站的數據特征進行了分析和建模；而后在OPNET中實現了對MMS協議的自定義搭建；最后，對一個典型結構的智能變電站通信網絡進行了建模，仿真和分析結果驗證了所提仿真建模方法的有效性。

智能變電站；通信網絡；數據特征；仿真建模

0 引言

智能化變電站具有一次設備智能化、二次設備網絡化的突出特征，其應用與發展得到了學術界和工業界的廣泛關注[1-5]。通信網絡是智能變電站的神經系統，其性能的優劣將直接影響到智能變電站是否能將智能調節、協同互動等高級功能落到實處。當前，考慮到通信網絡可能存在信息傳輸延時和丟包等問題，智能變電站往往采取折衷的措施，如繼電保護相關的信息不通過網絡傳輸，而以光纖點對點連接的方式實現跳閘功能[6]。為此，對智能變電站中數據的特征及網絡性能進行深入研究具有重要意義。

目前，針對變電站通信網絡性能問題，國內外已經有了一些研究。文獻[7]采用動態仿真方法對站控層網絡的平均時延、最大時延等鏈路時延指標進行了分析。文獻[8]采用OPNET軟件，分別對采用環形網絡和星型網絡的智能變電站的通信性能進行了仿真分析。文獻[9]對不同節點規模、不同網絡配置和不同應用功能條件下的過程層網絡、站控層網絡的實時性能進行了仿真分析。文獻[10]分析了智能變電站中數據流的特點，進一步研究了變電站通信網絡中VLAN（虛擬局域網）的配置方法和原則，對有無VLAN的星型網絡的通信性能進行了對比研究。但是，這些研究尚存在以下幾個問題：一是仿真過程中沒有考慮MMS（制造報文規范）帶來的影響；二是部分研究在仿真過程中沒有充分考慮VLAN、優先級等技術的應用；三是部分研究僅僅關注了過程層或是站控層的通信性能。

基于上述背景，以下首先對智能變電站中的數據特征進行分析和建模；而后在OPNET中實現對MMS協議的自定義搭建；最后，利用OPNET軟件對一個典型結構的智能變電站通信網絡進行建模，仿真和分析結果驗證了所提仿真建模方法的有效性。

1 智能變電站的數據特征分析

根據系統中各類數據在產生規律上的特點，可以將聯合發電監控系統中的數據分為3類，分別是：周期性數據、隨機性數據和突發性數據[7]。

1.1 周期性數據

周期性數據由時間驅動并按照一定時間間隔觸發，其主要特點是數據穩定、連續、對實時性要求嚴格。按照IEC 61850標準的要求，若報文未能在規定時間內發送，就會被新的同類報文覆蓋；若報文未能在規定時間內到達接收方，就會被接收方舍棄[11]。因此，系統中的周期性數據是影響網絡穩態性能的主要因素。對于周期性數據，可用到達間隔時間具有一定周期性、長度為定長的周期性報文來模擬。

智能變電站中，周期性數據主要包括：過程層網絡上的采樣值和開入報文，站控層網絡和遠動網絡上的遙測/遙信報文及時間同步報文。

1.2 隨機性數據

隨機性數據由外部事件驅動，在一個時間片段內以某一概率出現一個報文，各個數據的觸發無任何相關性。隨機性數據的觸發過程可采用泊松過程模擬，此時數據觸發時間間隔服從指數分布，其概率密度函數f（t）和均值E（t）分別如式（1）和（2）所示：

式中：λ為隨機性數據在單位時間內被觸發的次數；t表示某一時刻。

智能變電站中，隨機性數據主要包括各類開出報文，如開關操作命令、保護功能連鎖、時間同步、變壓器分接頭調整、電容器投切等，其所需傳輸的數據量較小，但傳輸實時性要求較高。

1.3 突發性數據

突發性數據也是由外部事件驅動，與隨機性數據不同的是，突發性數據在第一個數據觸發后，后面會出現一組集中的報文；無數據時則出現一段空閑時間。突發性數據具有較強的時間敏感性和帶寬侵占性，是造成網絡流量抖動的主要原因。

可以用ON/OFF模型模擬突發性數據[12]。數據源在ON時段以恒定速率發送數據，在OFF時段則不發送數據，兩者的持續時間可以采用不同的分布函數表征，其概率密度函數f（t）和均值E（t）分別如式（3）和（4）所示。

式中：θ為尺度參數，表示ON至少需要持續的時間；α為形狀參數；t表示某一時刻。

智能變電站中，突發性數據主要包括故障情況下間隔層設備上傳的保護動作信息、開關變位信息、事件順序記錄等。

2 基于OPNET的仿真方法

2.1 幾種網絡分析方法的比較

網絡性能的分析方法可以分為定性分析和定量分析2種。定性分析主要依靠技術人員的經驗來大致估計網絡的結構和配置能否滿足用戶的需求。然而，智能變電站中數據種類繁多、交互復雜，僅僅依靠經驗來評估網絡的性能往往會顧此失彼，難以真實反映網絡性能。定量分析的方法主要包括現場實測、數學分析和網絡仿真等[13]。各類方法在可信度、實施成本、實現難度、是否能預測網絡性能等方面的比較如表1所示。

表1 網絡性能分析方法的比較

由表1可見，網絡仿真方法兼具可信度高、成本低、可以對網絡性能進行預測等優點，以下將采用OPNET軟件實現對通信網絡性能的仿真。

2.2 自定義MMS協議

OPNET是目前業界公認的優秀通信網絡、設施、協議的仿真及建模工具，其中定義了9種標準應用，包括：Database，FTP（文件傳輸協議），Video Conferencing等，但是并不包含MMS[14]。

OPNET允許用戶加入自定義的應用協議，但這需要同時修改多個原有的標準模塊，實現難度較大。在此根據MMS協議的交互流程，通過OPNET的任務配置器設置了一個自定義多端業務來模擬MMS協議。

MMS協議采用的是客戶機/服務器模型，其基本流程可以分為建立連接、傳送數據、拆除連接3個階段。為此，可以將基于MMS協議分解為M_ASSOCIATE，M_DATA，M_RELEASE 3個子任務，每個子任務分為若干階段[15]。各階段的參數及先后順序如圖1所示，具體配置見文獻[15]。

圖1 MMS協議各個階段的參數設置

完成MMS協議的自定義后，就可以像OPNET中的其他標準應用一樣進行應用。

3 仿真模型與結果分析

3.1 仿真模型的建立

目前，為了保證繼電保護動作的可靠性，智能變電站的保護跳閘采用“直采直跳”的模式，保護相關的信息不經過網絡傳輸。但是，隨著智能斷路器等設備的不斷成熟，以及IEC 61850等標準的進一步完善，通過網絡傳輸保護信息并實現跳閘將是智能變電站的一個發展趨勢[6]。為此，以下針對如圖2所示的典型智能變電站通信網絡進行仿真。

圖2 典型智能變電站通信網絡結構

圖2 中，MU為合并單元，ISG為智能開關柜，BPU為間隔層的保護測控單元，包括保護信息在內的所有信息都將通過網絡傳輸。整個變電站中共有10個電氣間隔，其信息通過過程層交換機和站控層交換機與站控主機進行交互。

通過合理設置VLAN可以有效減少網絡風暴的發生概率，提高通信網絡的性能，是現代通信中常用的技術手段之一。為此，按照智能變電站中的通信需求將圖2所示的通信網絡劃分為11個VLAN，具體劃分情況如表2所示。

表2 VLAN的劃分

根據通信網絡的結構以及VLAN的劃分，在OPNET軟件上搭建如圖3所示的仿真模型拓撲。其中，BAY為按電氣間隔劃分的通信子網，包含BPU，ISG，MU以及過程層交換機。

仿真模型中，采用包含完整OSI 7層協議棧的ethernet_wkstn節點模型模擬變電站中各個設備的收發信行為。

對于周期性數據或隨機性數據，采用自定義的MMS應用來模擬數據在站控層的傳輸，用OPNET自帶的Video Conferencing應用來模擬數據在過程層的傳輸。FTP服務器節點用于產生模擬故障錄波、文件傳輸等突發性業務[9]。

仿真模型中的主要參數如表3所示，其中，開入量為隨機數據，根據1.2節的分析，其概率密度函數滿足指數分布，這里用E（0.01）表示服從參數為0.01的指數分布；U（2，2.1）表示開入報文在仿真開始后的2 s到2.1 s間的某個時刻開始傳輸。這里設置不同的流量起始時間主要是為了便于觀察不同流量對網絡性能的影響。

圖3 智能變電站通信網絡仿真模型

表3 仿真模型參數設置

3.2 仿真結果分析

對于此處設置的仿真模型及仿真場景，通信網絡的延時情況如圖4中實線所示。網絡延時約為20 μs，仿真運行至20 s左右時網絡延時突然變大，這主要是因為此時FTP服務器向站控主機傳輸了大量數據。作為對比，圖4還展示了同一仿真模型在不設置VLAN情況下的網絡延時情況，如圖中虛線所示。通過對比可以發現，在網絡中設置VLAN確實可以大大減小網絡延時。

圖5展示了BAY_1中的BPU1在有、無VLAN情況下的數據接收速率。由圖可見，有VLAN的情況下，BPU1的數據接受率約為2 400 packets/s；而沒有VLAN的情況下，BPU1的數據接受率最大約為25 000 packets/s，相差了近十倍。這主要是因為通過VLAN的設置可以限制數據的廣播范圍，從而減小發生網絡風暴的概率，提升通信網絡的性能。

圖4 有無VLAN情況下的網絡時延

圖5 有無VLAN情況下BPU1的數據接收速率

4 結語

良好的通信網絡性能是實現智能變電站各類高級應用的必要條件之一，如何建立通信網絡的仿真模型并有效評估變電站通信網絡的性能是一個值得研究的課題。以上首先對智能變電站中的數據特點進行了分析和建模。然后利用OPNET的任務配置器設置了一個自定義的多端業務來模擬MMS協議。在此基礎上，對一個典型結構的智能變電站通信網絡進行了仿真分析，仿真結果證明了所提建模方法的有效性。

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（本文編輯：方明霞）

OPNET-based Simulation Modeling and Performance Analysis of Communication Network in Intelligent Substations

YE Xiaming，ZHANG Yong，MO Jianguo，WANG Xiao

（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315010，China）

The automaticity of an intelligent substation is bound up with the performance of its communication network.The realization of advanced applications such as active analysis of information，self-regulation,coordination interaction relies on a well-performed communication network.Therefore，it is urgently required to conduct an in-depth study on data characteristics and the performance of communication network in intelligent substations.Firstly，the characteristics of data in intelligent substations are analyzed and modeled.Then，the manufacturing message specification（MMS）is built up in optimized network engineering tools（OPNET）.Finally，some simulations are carried out based on a classical communication network in an intelligent substation.The simulation and analysis results show the effectiveness of the proposed simulation and modeling method.

intelligent substations；communication network；data characteristics；simulation and modeling

TP872

A

1007-1881（2016）12-0001-04

2016-10-17

葉夏明（1987），男，工程師，主要從事電網監控、調度運行工作。