基于OPNET的數字化變電站繼電保護通信網絡仿真研究

蔣 曉，王 東，李海濤

（國網靈璧縣供電公司，安徽 靈璧 234200）

0 引 言

現代變電站繼電保護通信網絡的工程設計與實現中越來越注重設計、仿真、優化的協同作用。在變電站繼電保護通信網絡各功能模塊及其系統總體的設計中，為提高設計、制作效率并優化系統功能和特性，在進行合理的鏈路預算、原理驗證及數學分析的基礎上往往需要通過虛擬仿真軟件進行設計、優化及仿真，各種虛擬仿真軟件在變電站繼電保護通信網絡不同層次的設計與仿真應用中發揮著不同的作用。首先對變電站繼電保護通信網絡常用虛擬仿真軟件及其應用進行了分析，其次以OPNET為例按照從電路到模塊、從子系統到系統的通信工程底層到上層的思路進行了從變電站繼電保護通信網絡工程預算、工作原理、工作過程等方面的優化[1-3]。

1 基于OPNET的仿真模擬軟件概述

隨著網絡建模與仿真技術的不斷發展，單純的軟件仿真面臨安全功能建模困難、攻擊流量加載局限大、缺少應用層響應等問題，不能完全滿足網絡安全仿真的需要。為此，對基于OPNET的半實物網絡仿真方法進行研究。半實物網絡仿真環境的構建主要有兩種思路，一是結合具體的仿真需求自行開發和研制，二是基于已有網絡模擬器進行構建。目前，自行研制開發存在許多實現困難及通用性不強的問題。因此，本文將基于已有網絡模擬器進行構建。選擇OPNET軟件作為構建半實物網絡仿真的核心：一方面，OPNET憑借權威性和通用性形成了豐富的模型資源庫，并且得到了多數硬件設備廠商的認可，成為公認的功能強大的網絡模擬工具；另一方面，經過不斷地完善和改進，OPNET逐步增加并強化了對半實物仿真的支持。目前，基于OPNET的半實物仿真實現主要有3種方法，即基于HLA模塊的半實物仿真、基于自定義方法的半實物仿真以及基于SITL模塊的半實物仿真[4]。

2 變電站繼電保護通信網絡虛擬仿真軟件應用分析

2.1 電路模塊

電路模塊包括低頻電路、模擬電路、數字電路以及視頻電路等，通常可采取EWB、OPNET或ADS等軟件進行電路設計與功能仿真。

低頻電路主要包括電源穩壓電路、放大電路、濾波電路、檢波電路以及低頻調制器電路等。該類電路基本用EWB軟件、PSPICE軟件進行設計與仿真，具有很好的靜態和動態工作特性。模擬電路主要用來對模擬信號（連續變化電信號）進行測量、處理、變換、放大、傳輸以及顯示等。該類電路模塊是電子電路的基礎，主要包括放大電路、信號運算和處理電路、振蕩電路、調制和解調電路以及電源等。該類電路初期簡單設計時可用EWB軟件，后期復雜設計時可用OPNET仿真軟件進行設計與仿真，能夠得到很好的電路優化設計結果[5]。數字電路主要包括各種邏輯門電路、集成器件等，通過EWB和OPNET能夠實現很好的電路設計及其性能仿真。射頻電路的虛擬仿真軟件較為復雜，涉及到的信號頻率在100 MHz以上，常用ADS、HFSS、CST等專用射頻、微波電路設計軟件來進行電路設計及其性能仿真。

2.2 信號處理模塊

變電站繼電保護通信網絡中的模數轉換模塊一般為已模塊化的芯片，為輔助整個系統的信號處理模塊設計，可以根據芯片說明書中的電路內部圖，利用SystemView以及LabVIEW軟件實現功能模擬。調制解調模塊的設計與仿真中，OPNET與SystemView能夠發揮很好的輔助設計功能。在涉及數學計算較多的信號/圖像處理模塊以及編譯碼與算法模塊的輔助設計中，需要通過Matlab中的信號處理模塊或利用C++等軟件開發實現。

2.3 通信子系統

通信子系統中，天線系統與射頻前端系統可通過ADS、HFSS或CST軟件進行虛擬仿真。在收發子系統的仿真中，一般通過SystemView進行子系統設計及其功能仿真。此外，在Matlab軟件中，通常有專用的Simulink模塊進行子系統的輔助設計，同樣也可以用C++等計算機軟件進行開發。

2.4 系統工程應用

短距離無線變電站繼電保護通信網絡主要包括藍牙、WiFi、RFID、ZigBee等，微波變電站繼電保護通信網絡主要應用于遠距離微波中繼變電站繼電保護通信及衛星通信領域等，這兩種變電站繼電保護通信網絡均可以通過ADS、HFSS及CST等實現虛擬仿真。移動通信一般由各通信公司開發專有的4G LTE/5G NR軟件進行設計與仿真。光纖變電站繼電保護通信網絡主要包括光纖通信點到點系統中的發射機、光纖傳輸、接收機3大部分，可用專有的OptiSystem來進行系統級的光纖變電站繼電保護通信網絡設計與性能仿真[6]。

3 基于虛擬仿真的通信模塊及系統設計

3.1 通路接收機信號放大模塊

通信接收機天線所感應的信號除了有所需求的信號外，還有許多干擾信號。為了解決這個問題，通常在放大器中接入選頻網絡，這樣構成的調諧放大器不僅具有放大作用，而且還具有選頻能力。選頻網絡可以用LC諧振回路組成，小信號調諧放大器由調諧回路與晶體管組成。利用OPNET軟件設計的電路如圖1所示，其中晶體管起到放大信號的作用。R1、R5、R3為直流偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區域，使放大器工作于甲類狀態。C3為R3的旁路電容，C1、C2是輸入、輸出耦合電容。L1、C4構成諧振回路，作為放大器的集電極負載，起選頻作用。

圖1 高頻小信號放大電路模型

輸入信號頻率為465 kHz，示波器波形如圖2所示。

圖2 高頻小信號放大電路仿真波形

從圖2看出，高頻小信號諧振放大電路的輸出信號和輸入信號相位相反，輸出信號幅度大于輸入信號，可方便計算出放大倍數。

3.2 發射機通路信號放大模塊

利用選頻網絡作為負載的功率放大器是無線電發射機的重要組成部分，其作用是對高頻載波或高頻已調波進行功率放大。諧振功率放大器的基本電路由BJT、LC諧振回路、饋電電路構成。諧振功率放大電路如圖3所示，晶體管工作在丙類狀態。示波器波形如圖4所示，諧振功率放大電路的輸出信號與輸入信號相比幅度增大[7]。

圖3 諧振功率放大電路模型

圖4 諧振功率放大器仿真波形

3.3 調幅與解調電路模塊設計

以調幅（Amplitude Modulation，AM）信號的產生與檢波電路為例，用OPNET繪制的電路如圖5所示。

圖5 AM信號產生與檢波電路（二極管包絡檢波）

根據圖5，示波器XSC1用于檢測AM信號的產生，頻譜分析儀XSA1用于顯示AM的頻譜圖，示波器XSC2用于檢測檢波輸出信號。在OPNET菜單中點擊RUN功能按鈕，軟件便會自動進行仿真，然后雙擊示波器和頻譜儀便可以得到所需要的波形曲線。為了方便觀察，將示波器XSC1的時基設置為1 ms/格，示波器XSC2的時基設置為500 μs/格[8-10]。

4 結 論

通過對變電站繼電保護通信網絡中常用的虛擬仿真軟件進行闡述，按照從功能電路到工程系統的順序分析了相應的虛擬仿真軟件應用。基于OPNET軟件進行了通信電子系統中的放大電路、調制解調電路的電路設計、性能仿真，旨在為通信電子電路的優化設計提供良好的輔助設計軟件參考，以促進復雜變電站繼電保護通信網絡的設計優化更好的實現。