基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真研究

陳哲

（國網福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350001）

基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真研究

陳哲

（國網福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350001）

隨著現代科技的迅猛發展，信息化、智能化、網絡化等現代高科技在電力系統得到廣泛應用，智能變電站也得到了快速發展。使用OPENET仿真技術進行智能變電站繼電保護功能的建模與仿真，可以適時模擬繼電保護器的運行狀態，實現數據采集、分析、算法到輸出的模擬仿真，對有效掌控智能變電站繼電保護提供技術支撐。本文從OPNET仿真技術概述入手，研究了基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真，以供參考。

OPNET仿真；智能變電站；繼電保護；建模與仿真

隨著現代科技的快速發展，智能電網也取得了長足的進步。智能變電站作為智能電網的重要節點和支撐，其地位和作用日益突顯。智能變電站是采用先進、環保的智能設備，以數字化、網絡化、信息化技術為支撐，能自動完成信息采集、計量、檢測和保護等基本功能，并具有支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策和協同互動等高級功能的變電站。人工智能技術在變電站系統的成功運用，也為網絡仿真技術的應用提供了可能。在二次連接的電纜回路約束機制下，通過光纖和以太網組成的通信系統，將變電站各種設備進行組網連接，為OPNET仿真技術的應用提供了網絡、信息和數據支持。OPNET仿真技術可以對整個系統設計進行仿真，幫助改進不足之處，以便對智能變電站系統更好的實施保護。同時，通過OPNET仿真技術還可以設計不同的智能繼電保護系統，對不同的智能變電站實施模擬防護，使智能變電站的繼電保護更加完善、穩定和可靠。

1 OPNET仿真技術概述

OPNET是一個網絡仿真技術軟件包，能夠對復雜網絡的性能和行為進行準確分析，在網絡模型中的任意位置都可以通過探頭采集數據。OPNET通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數字方式觀察或者輸出到第三方的軟件包去。OPNET結構由三個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在通信、軍事、航空航天等領域得到了廣泛應用。OPNET仿真技術主要特點：①能為網絡的規劃設計提供可靠的定量依據，能迅速建立和修改現有網絡的模型并進行仿真，非常適用于預測網絡的性能。②網絡仿真能比較多個不同的設計方案或驗證實際方案。一個項目設計往往有多個不同的方案，每個方案各有優缺點，要正確選擇就必須有參考依據，因此進行科學的比較和取舍就成為擺在設計者面前的一個課題。而網絡仿真能較好的解決這一難題。利用OPNET仿真技術對不同方案建模和模擬，如網絡拓撲結構、路由設計、業務配置等，以獲取網絡性能定量參數和預測數據，為方案的比較、驗證和最終決策提供可靠的參考依據。③OPNET管理解決方案可確保應用程序有效執行，系統容量足以支持這些應用程序，并且網絡可提供實現目標的應用程序功能。OPNET解決方案提供了一種用于應用程序性能管理的端到端方法。④OPNET在及時、準確了解和分析網絡狀況的的基礎上，其網絡設計、運行和規劃解決方案又在整個網絡管理生命周期內提供了一組補充性功能，其中包括利用預測規劃和優化、網絡審核和更改驗證以及快速故障排除等。⑤OPNET網絡研發解決方案，將高保真模型與業內領先的可擴展模擬技術相結合，可促進技術創新并加快網絡協議和設備的研發。

隨著現代通信技術的不斷發展，通信網絡涵蓋范圍不斷擴大，技術水平也不斷改進和提升，對網絡建模和仿真提出了更高的要求。同時，智能變電站中不同變電設備在具體的設計層面表現形式也不同，需要根據不同仿真對象的功能特點選擇建模方法。在進行智能變電站繼電保護系統設計時，需要采取統籌設計與實際設備相結合的方法對整個變電站系統進行仿真建模。利用OPENET仿真技術，以變電站中的設備為對象建立繼電保護系統，利用通信網絡為繼電保護系統設計提供數據和指令傳導等技術支持。OPENET仿真技術對整個繼電保護系統進行建模和仿真，有利于實現系統設計、仿真和測試。在此過程中，必須對網絡中的各個節點進行結構性和功能性設計，以便有效實現對整個系統的繼電保護。為此，要結合網絡技術來對整個網絡結構進行深層次設計，并滿足智能變電站繼電保護分層機制的要求，在此基礎上實現對整個系統的仿真設計。同時，要注意利用OPENET技術對不同組網形式的繼電保護系統進行測試，確保繼電保護系統設計科學，能夠切實保護智能變電站，防止安全事故的發生。[1]

2 網絡機制下的OPNET仿真模型

以500kV變電站的繼電保護系統設計為實例。通過建立繼電保護與設備控制之間的系統聯系，實現智能變電站的網絡繼電保護的仿真模型建設。目前，國內500kV變電站多采用3/2接線形式，要求兩套相同的繼電保護的電流、電壓、跳閘等回路都是獨立的。為此，要堅持將智能繼電保護系統與傳統接線方式繼電保護相結合，確保智能變電站的繼電保護形成雙保險形態。在此過程中，必須在相同的繼電保護回路之間建立數據通路，并以此作為繼電保護的主要形式。實踐證明，在繼電保護系統設計上，總線型網絡和環形網絡不適用于500kV數字化變電站的過程層網絡，容易產生安全上的問題，因此需要要對其他類型的網絡的可靠性進行仿真建模。構建OPNET模型需要分成多個不同層次，包括網絡模型、節點模型和進程模型等。

2.1 網絡模型

由半斷路器接線過程分析，可采用單串組網方式和間隔組網方式進行網絡組網。單串組網，就是將串內設備統一由路由器來進行管理，并在交換機和母線保護之間進行數據連接，最終實現對于整個串內各種數據的統一管理。間隔組網，就是結合斷路器與線路、變壓器的間隔聯系，將智能保護設備與兩個交換機連接，并接入主變保護系統和母線交換機，實現整體系統線路的保護。需要注意的是，仿真過程中要充分考慮仿真系統的連接方式，注意整個連接結構中OPNET模型的模擬接線處理方法和手段。

2.2 節點模型

智能變電站繼電保護系統包含諸多節點，OPENET仿真技術可以對每個節點進行數據采集、處理和輸出。每個節點又由具有不同功能的部分組成，如數據生成部分、數據存儲部分、數據處理部分、路數選擇部分和數據傳輸部分等。規范節點設置過程，可通過相應的接口達成各個環節之間的通信，使得仿真操作在高級節點模式作用下具有更高的系統規范水平，確保在不同節點之間實現及時、有效的通信。為確保智能變電站繼電保護系統和路由器有效連接，需要對接點的輸入和輸出內部端口進行明確。

2.3 數據流分析

網絡環境是一個復雜的通信體系，其數據流的運行也相對復雜。因此，在進行網絡設計時，必須充分考慮數據流的運行環節。網絡數據流包括單元下的線路保護、變壓器保護、母線與開關位置報文等，通過智能控制處理單元可以實現數據文件的傳輸，并保證不影響整個系統指令在內部智能控制單元的傳輸效果。在此過程中，涉及到的主要參數為采樣周期設置，通常報文的長度應該限定在123字節以內。為確保信息采集同步，必須將流量采集的起止時間節點設置成同步的常數分布模式。同時，要確保周期廣播開關在報文字節的標準效果，保證持續一定時間的報文長度字節在從播、重發的模式下仍然可以發送系統控制命令。[2]

3 OPNET仿真技術的應用分析

3.1 虛擬局域網VLAN的劃分

數字化變電站通過過程層網絡對采樣值（SAV）、跳閘命令（GOOSE）等報文進行傳輸。SAV、GOOSE報文以多播、重發模式向外發送相同數據，而智能變電站中的間隔層之間只有一些相關的IED才能進行GOOSE報文交換。過程層網絡又可分為4個不同的VLAN虛擬局域網，從而減少廣播信息傳播，避免了廣播信息泛濫而堵塞網絡，有效提高了整個網絡的傳輸效率。

3.2 仿真結果分析

利用OPNE Tmodeler網絡設備模型，以工作站模擬單元合并、智能開關操作箱、二次設備保護等，實現OPNET仿真技術下的模擬采樣報文和GOOSE報文的提供。并通過交換機的設置來實現VLAN劃分，仿真第一次不劃分VLAN，第二次劃分為4個VLAN。仿真結果分析如下：①VLAN劃分與否對網絡性能有著很大影響。不劃分VLAN而直接進行仿真，母線保護不僅收到與其相關的報文，還會收到不相干的廣播報文，負荷將是劃分VLAN時的兩倍，網絡負載和隨之而來的沖突也會隨之增加。②母線保護功能關于報文時延現象也與VLAN劃分密切相關。由于母線保護與多個間隔有信號聯系，因此網絡負載和發生沖突的可能性都較大。劃分VLAN后，報文沖突隨之減少，使網絡帶寬利用率有效提高，保證了GOOSE報文的端對端延時特性比較穩定，減小了延遲抖動，從而使報文傳輸實時性得到有效的提高。③各個設備在不劃分VLAN的平均時延明顯要大于劃分VLAN后的平均時延，各個設備的GOOSE報文在劃分VLAN后時延較小。[3]

3.3 電流保護實例

以智能變電站的過電流保護為例利用OPNET建立模型及仿真。根據電流保護算法來進行編程，在SAV報文中讀取A相電流，并與電流保護整定值進行比較。采用半波積分算法可得到電流保護的電流有效值。之后設置仿真參數，如通信使用100M光纖，GOOSE報文采用變周期重發機制等。根據不同類型報文的實時性要求，設定報文優先等級和VLAN，對兩相短路故障進行仿真來測試保護機制的可行性。分析仿真結果可知，在過程層網絡中，報文傳輸及處理會產生一定的延時。故障點距離電源點越近則故障電流越大，保護動作時間就越短。因此，電流保護仿真模型，能夠有效描述智能變電站繼電保護的數據傳輸與處理、動作邏輯、保護響應時間等動作性能。在此基礎上，可進一步研究繼電保護數據傳輸阻塞、丟包等實時性可靠性問題及應對策略，以及適應智能變電站新技術環境的繼電保護問題。

綜上所述，隨著現代科技的發展，OPENET仿真技術為智能變電站繼電保護的仿真模型提供了強大的技術支撐。通過科學的仿真模擬，能夠有效減少網絡數據沖突，實現報文高效、準確的傳輸，為改善智能變電控制環境下的設備運行、維護、安全提供有力保證，推動我國電力系統向著信息化、智能化、標準化方向發展。

[1]曾麟.基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真[J].企業技術開發，2013，23：94+97.

[2]肖雪麗.關于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真[J].中國高新技術企業，2015，30：121～123.

[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，2010，23：137～140.

TM774

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1004-7344（2016）20-0066-02

2016-7-1