基于IEC61850的智能變電站網絡性能仿真研究①

朱龍超

(東北石油大學電氣信息工程學院)

基于IEC61850的智能變電站網絡性能仿真研究①

朱龍超

(東北石油大學電氣信息工程學院)

為了確保智能變電站通信網絡的穩定性，依據基于通信網絡的IEC61850變電站自動化系統國際標準，以面向對象仿真和離散事件驅動的OPNET網絡仿真軟件為平臺，依次根據IEC61850標準對SV、GOOSE報文數據包進行封裝，制定智能電子設備(IED)的通信協議，然后分別建立變電站分層結構中站控層、間隔層、過程層不同IED的模型。最終應用于IEC61850中標準的220/110kV D2-1變電站的網絡模型建立中，對模型的仿真結果滿足性能要求。

報文協議 變電站 網絡模型 智能電子設備 IEC61850 OPNET 仿真

智能電子設備(IED)越來越多地應用于變電站的自動化系統(SAS)。國際電工協會建立了變電站自動化系統通信標準IEC61850，對變電站相關的IED、饋線設備的通信結構和數據類型進行了規范，并規定了數據鏈路傳輸的接口、協議和通信時延[1～3]。因此，對基于IEC61850的變電站通信網絡建模與仿真，可有效分析智能變電站系統的穩定性，有計劃地維護和更新設備，有效地預防網絡攻擊和系統故障，保護變電站系統的穩定運行。筆者采用OPNET作為智能變電站系統網絡仿真的工具[4]，采用面向對象的建模方法和離散事件驅動，依次對進程層、節點層和網絡層建模。由于OPNET的開源模型庫中包括了不同廠商的設備和多種標準協議，可以在其基礎上進行二次開發[5～7]。

針對IEC61850規范的要求，部分學者做了一些研究。云南大學分析了變電站3層結構中人機交互的方式，對于不同類型數據的IED過程層處理機制分析了網絡性能[8]；印度國立伊斯蘭大學提出了一種基于IEC61850-9-2的變電站通信網絡架構，并用可靠性框圖評價了系統的可靠性[9]；巴格特·辛格國立大學的學者分別建立了69kV變電站星型和總線型的變電站3層結構，并在不同的鏈路帶寬、采樣頻率、數據包大小情況下進行了分析[10]；華中科技大學以500kV變電站內線路間隔為研究對象，依據IEC61850標準詳細定義了保護設備、測控設備、合并單元和智能開關4種邏輯節點，并通過建模分析數據傳輸速率[11]；華南理工大學建立了基于IEC61850標準的協議和節點模型，按照不同的權重計算綜合評價指標，應用于珠海琴韻220/110kV變電站的網絡性能評價中[12]。

上述研究工作主要針對了IEC61850標準的部分內容進行了研究，并且對數據報文進行了簡化，節點間數據交換的協議和IED的功能不夠明確。針對上述問題，筆者以OPNET為網絡仿真與分析平臺，首先依據IEC61850-9-1標準定義了報文的數據包格式并對數據包進行賦值，然后建立了合并單元、保護IED、斷路器IED進程層的邏輯關系，配置相應的交換機與鏈路參數，最后將建立的節點模塊應用于D2-1型變電站的通信網絡，對模型的時延、吞吐量和網絡流量進行分析，確定變電站網絡的穩定性。

1 IEC61850報文協議

根據IEC61850協議的要求，變電站中的信息流以報文的形式存在，按照報文的不同功能可以分為采樣值報文(SV)、變電站事件報文(GOOSE)和制造報文規范(MMS)[13,14]。根據報文的重要性，對它在網絡中的時延有明確的要求：SV報文屬于原始數據的采集，傳輸時間應在3～10ms內；GOOSE報文包含了重要的保護與控制信息，傳輸時間應在3ms內；MMS中信息的重要性和優先級較低，傳輸時間應在1 000ms內。

1.1 SV報文

IEC61850-9-1/2中規定了SV報文的數據格式要求，IEC61850-9-1與IEC61850-9-2規定的包結構中只是應用協議數據單元(APDU)中的應用服務數據單元(ASDU)個數分別為一個和多個，筆者采用了IEC61850-9-1標準中規定的格式，每個SV報文數據為123字節[15]。通過OPNET的包格式編輯器，可以按上述包結構定義SV數據包格式，并儲存為.pk文件，在合并單元獲取原始數據時調用，封裝的數據包可以通過OPNET核心函數進行賦值。

1.2 GOOSE報文

GOOSE報文的數據包格式按照ISO/IEC8802-3的幀格式封裝。在OPNET的進程編輯器中建立過程層狀態轉移，如圖1所示。主要包含了4種狀態：initial、idle、GSEManagementPdu和GoosePdu，當產生初始化中斷后intial執行出口程序轉移到idle空閑狀態，根據不同的狀態條件轉為數據管理或數據請求狀態，執行完后強制轉為空閑狀態。GOOSE通信模型主要是由GOOSE控制塊GoCB控制報文的傳輸方式和格式，然后由GOOSE服務來對GoCB進行設置并發送相應報文，主要的服務包括讀取GOOSE報文的狀態、讀取GOOSE元素序號、讀取GOOSE控制塊值、讀取GOOSE數據偏移。對于每一個GOOSE報文都含有一系列的信息與參數，例如報文存活時間、時間序列計數器、狀態改變計數器及狀態改變時間等。

圖1 GOOSE報文狀態轉移圖

1.3 MMS報文

MMS報文是一種應用層的協議，為設備和應用定義了一套標準通信機制，可以靈活、方便地實現變電站內不同廠商的IED之間的互操作，主要用于網絡監控。MMS由于對報文傳輸時間的快速性要求沒有SV和GOOSE報文高，所以采用傳統的OSI 7層網絡結構。MMS、SV、GOOSE報文都通過各自的協議映射到基于IEC8802-3協議的數據鏈路層，實現流量控制、差錯控制、數據幀同步及鏈路管理等功能。

2 變電站關鍵設備模型

2.1 合并單元

電流互感器和電壓互感器的數據值經過轉化變為數字量，經過合并單元(MU)按照SV數據包格式封裝后，通過多播的方式發送到間隔層相應的IED上。MU的數據可通過兩種方式獲得：第1種是利用OPNET中的函數發生器，根據故障前后的功率因數角不同，通過公式產生故障時的電流和電壓數據，然后關聯相應的數據包；第2種就是通過OPNET和電力系統仿真工具(如Matlab、PSCAD等)進行聯立，從電力軟件中獲取需要的原始數據，例如使用OPNET的外部模塊接口(EMA)調用ESA_API函數與PSCAD進行聯立，采用套接字作為數據交互平臺，實現數據的調用與返回。

筆者在OPNET中建立的合并單元節點層模型如圖2所示，source_data模塊為合并單元的數據來源，通過上述方式進行關聯可以獲得相應的數據包進行利用；sink模塊為包接收模塊，可以計算數據包的傳輸時間并對數據包進行統計；eth_mac_intf模塊是相應以太網的協議，首先對外部設備的連接狀態和單/雙工進行判斷與識別，對單狀態進行載波監聽、碰撞檢測和多路檢測，對全雙工狀態則考慮采用添加優先級標志和VLAN的功能加強數據鏈路，保證數據準確性；hub_rx0和hub_tx0是點對點鏈路的接收機和發射機，與交換機中的eth_port_rx和eth_port_tx對應，實現MU節點與交換機數據的交互。

圖2 MU節點模型與斷路器IED節點模型

2.2 智能電子設備

保護和控制設備(P&C IED)對采集的SV報文進行分析，判斷實際系統的工作狀態，正常工作情況下，產生恒定速率的報文發送到工作站和服務器；故障情況下不僅向工作站發送當前的狀態信息，還要在控制設備產生相應的動作信息，作用于斷路器跳閘。在OPNET中P&C IED的節點模型基本結構與MU類似，均采用3層結構，但是保護和控制設備不僅能采集SV報文，還能進行GOOSE報文的傳遞，因此其數據接口和鏈路層協議都是經過編譯的。斷路器IED接收GOOSE報文，根據報文信息控制智能開關來實現刀閘動作而作用于線路通斷。

3 智能變電站網絡模型

IEC61850標準下的智能變電站結構分為3層：變電站層、間隔層和過程層。依據IEC61850-1中的D2-1變電站的接線形式，在OPNET中進行建模仿真驗證。變電站中含有兩臺220/110kV變壓器設備，220kV高壓側具有兩回路進線，110kV側采用雙母線并且具有4回路110kV出線，線路上對不同的間隔都裝設了IED，共計11個合并單元MU, 9個保護與控制IED，11個斷路器IED。按照接線形式和智能電子設備的種類與數量，構建了如圖3所示的智能變電站網絡層拓撲結構，將系統分為110kV母聯間隔、220kV線路間隔、變壓器間隔和饋線間隔，每個間隔中含有相應的合并單元、保護與控制IED、斷路器IED和一個進行數據傳輸的交換機，實現過程層和間隔層的數據交互。所有間隔的交換機單元都連接在核心交換機上，由核心交換機與站控層的服務器和工作站進行交互。

圖3 智能變電站網絡層拓撲結構

4 仿真分析

利用OPNET中的應用配置模塊(Application Configuration)，可以對SV報文、GOOSE報文、文件傳輸報文、狀態信息及互鎖信息等進行定義與配置。文件配置模塊(Profile Configuration)可用于配置變電站中業務合并單元、多種IED、交換機、服務器和工作站的業務模型，使一種或多種應用可以在節點中運行，從而實現節點間的信息流動。

在仿真中，對不同數據信息傳輸進行參數設置，其中SV報文長度為123Byte，采樣頻率為4 800Hz；GOOSE跳閘命令和狀態信息報文長度分別為50Byte和200Byte，并且采用心跳重發機制保證信息可靠傳輸；作用于短路器通斷的控制信息長度為200Byte，采樣頻率為10Hz；上傳到服務器和工作站的狀態信息大小為300KB。節點間采用了100Mb/s的數據鏈路，進行1h的仿真結果如圖4所示，線路的端到端時延(ETE Delay)平均值為0.22ms，滿足了IEC61850對不同報文傳輸過程時延的要求，并且100Mb/s的鏈路滿足網絡對帶寬的要求，不會在網絡高峰時由于鏈路帶寬不足而影響數據傳輸。

圖4 智能變電站網絡層拓撲結構

5 結束語

基于OPNET仿真軟件和IEC61850標準，依次定義了SV、GOOSE等報文格式，建立了進程層狀態轉移、節點層的通信協議、網絡層的設備與鏈路，形成了智能變電站3層網絡的拓撲結構，最終對模型進行仿真分析，結果滿足IEC61850對智能變電站通信網絡性能的要求。在未來的研究中，將著重考慮變電站的原始數據來源，擬采用與電力仿真軟件聯立的方式，使仿真能體現系統的動態過程，提高仿真的精確度。

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ResearchonNetworkPerformanceSimulationofIntelligentSubstationBasedonIEC61850

ZHU Long-chao
(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to ensure stability of the intelligent substation communication network, having IEC61850 standard-based substation automatic system considered and taking object-oriented simulation and discrete event-driven OPNET software as platform as well as in accordance with IEC61850 standard, encapsulating SV and GOOSE packets and establishing communication protocol for intelligent electronic equipment (IED) were implemented, including the establishment of model structure of station control layer, bay layer and process layer IED models and the network model of standard 220/110kV D2-1 substation and the performance analysis.

message protocol, substation, network model, intelligent electronic device, IEC61850, OPNET, simulation

朱龍超(1993-)，碩士研究生，從事電力系統分析和電力物理信息融合系統(ECPS)的研究，498010689@qq.com。

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1000-3932(2017)12-1139-04

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