基于OPNET仿真的智能變電站過程層通信網絡信息傳輸特性研究

姚澤林

（廣州南方電力集團科技發展有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

智能變電站的設計與建設是實現可靠智能電網的重要環節。IEC 61850標準《變電站通信網絡和系統》，用于實現變電站自動化系統要求實現的監視、控制和繼電保護三大功能，隨著IEC 61850標準的制定，智能變電站實現了IEC 61850標準的統一信息建模，實現了分層、分布式布置，IED設備之間的信息交互以網絡方式實現。智能變電站和傳統變電站的最大區別之一在于增加了過程層網絡，將傳統變電站中間隔層的數據采集、開關量輸入/輸出等模塊下放到過程層實現。過程層接口構成了一、二次設備的分界面，實現測量、控制、狀態檢測等功能，為跨設備、跨應用、跨專業的變電站二次系統一體化奠定了基礎。

本文通過OPNET進行建模、數據采集和仿真以及結果分析，討論智能變電站過程層信息傳輸的特性，為智能變電站網絡化采樣值提供了試驗數據。

1 OPNET模型基本元件

按IEC 61850的規定，采樣值（SAV）和開入/開出（GOOSE）沒有經過TCP/IP層，報文直接映射到以太網的數據鏈路層，故選ethernet_station_adv模型來模擬間隔層與過程層收發節點之間的通信。

過程層與間隔層之間傳輸主要是GOOSE與SAV報文，兩種報文是網絡主要負載。SAV與GOOSE報文都采用由應用層直接映射到鏈路層的映射方式，根據這一特點，該網絡的發送節點和接收節點可以用ethernet_station_adv節點模型進行模擬，包括過程層MU、ISG以及間隔層保護IED等節點。

ethernet_station_adv節點模型共包括6個進程模塊，其中，hub_rx0用于接收數據，hub_tx0用于發送數據，mac實現以太網MAC層協議，eth_mac_intf用于建立MAC層與應用層之間的聯系，bursty_gen用于產生流量，sink用于接收流量并進行統計。通過設置模型屬性，可實現對報文長度、發送間隔等參數的控制。

2 智能變電站OPNET建模參數設置

2.1 合并單元模型

Ethernet網絡MAC層數據幀格式如表1所示。

據此可推算出信息合并單元節點每次發送數據的長度不少于74字節（7+1+2+2+2+56+4）。

表1 Ethernet網絡MAC層數據幀格式

根據IEC 61850 9-1標準，最大報文長度為123字節。MU采樣頻率按每周波200點的參數配置，每秒發送10 000個數據包，每個數據包的大小為123 bytes。

2.2 智能終端模型

IED發送的數據包形式和MU相似，在配置采樣率、啟動時間、停止時間、數據包大小、地址、組播地址時，分布函數和MU相似。仿真采樣頻率按每周波10點的參數配置，每秒發送500個數據包，每個數據包大小為139 bytes。

2.3 保護單元模型

保護單元用于在發生故障時發送保護動作信息（GOOSE報文）。此次數據模型考慮只有ON和OFF兩個狀態，單個數據源ON狀態持續時間服從重尾分布（Pareto），OFF狀態持續時間服從Poisson過程的負指數分布，而無限多個該類ON/OFF數據源的疊加就形成了具有自相似特性的突發數據流。參數配置如圖1所示。

2.4 測控單元模型

動作行為對于電網運行結構的變化具有不可預見性。測控發出的報文屬于隨機性數據，數據以概率P出現一個報文，在使用OPNET進行仿真時，本次建模采用Poisson過程來近似描述。參數配置如圖2所示。

圖1 保護單元模型配置

圖2 測控單元模型配置

2.5 鏈路模型

基于IEC 61850標準，鏈路選擇的依據為以太網物理層選擇指南（接收節點）[1]。

鏈路的選擇滿足可使用的數據速率：

SR×TL×nMU≤DR

式中，DR為數據速率（10 Mbps或100 Mbps）；SR為采樣速率（Hz）；TL為最大報文長度（26字節以太網報頭+4字節優先權標記+8字節以太網型PDU+2字節ASN.1標記/長度+2字節塊數目+46字節通用數據集+23字節狀態量=111字節，111字節×8位=888位，888位+96位幀間隔=984位）；nMU為所連接的合并單元（MU）數目。

2.6 交換機模型

交換機將采用OPNET中16端口的ethernet_switch_adv元件，可對網絡進行VLAN配置，減少間隔間不必要的數據交換。

3 網絡鏈路帶寬大小對時延的影響

從拓撲結構[2]看，過程層主要采用星型接線來保證數據傳輸實時性，本文過程層IED設備的建模均采用星型模型。以變電站一條110 kV線路間隔為例，仿真模型如圖3所示，其參數按前述設置。

圖3 110 kV線路間隔結構圖

當鏈路為10BaseT時，如MU采樣頻率為每周波40點，如圖4所示，其最大時延約為0.5 ms。

圖4 110 kV單間隔采樣頻率每周波40點的時延

但當MU采樣頻率為每周波80點時，其通信網絡延時如圖5所示，10BaseT網絡已經不能滿足間隔層數據通信實時性要求。為了滿足實時性要求，最好改用100BaseT的網絡鏈路。

圖5 每周波80點的時延

4 MU單元每周波采樣點數對時延的影響

當鏈路為100BaseT時，如圖6所示，選取MU采樣頻率為每周波50、100、200、400點（從下往上），得到的保護點對點最大時延均約為0.052 ms，100M帶寬滿足間隔的通信要求。

圖6 MU為每周波50、100、200、400點的時延

5 MU單元采樣的數據包大小不同對時延的影響

在100BaseT的網絡鏈路下，MU單元設定為每周波采樣80點，如圖7所示，數據包分別設置為64字節、128字節、256字節和512字節（從下往上），可以看出，隨著發送的數據包增大，時延不斷增大，時延上下波動程度也不斷增加。因此，在實際配置中應盡量避免過大的數據包的發送，以免時延過高，而無法滿足實時性的要求。

圖7 MU單元采樣不同大小數據包的時延

6 結論

本文通過對智能變電站110 kV線路SMV和GOOSE網合網信息傳輸的單間隔仿真分析，得到以下結論：

（1）提高合并單元MU的采樣頻率和降低網絡帶寬會導致網絡通信時延增大，為有效保證網絡通信的實時性，單個間隔的鏈路至少需選取100BaseT/s的鏈路。

（2）MU單元采樣的數據包大小對時延的影響非常大。

（3）在實際應用中，100M帶寬的以太網更可以滿足智能變電站間隔層保護單元以及過程層的數據通信要求。