变电站过程层报文分网传输性能的仿真分析

何瑞文，钟康有，陈超，谷磊

（1.广东工业大学自动化学院，广州510006；2.广东电网公司湛江供电局，湛江524000）

变电站过程层报文分网传输性能的仿真分析

何瑞文1，钟康有2，陈超1，谷磊1

（1.广东工业大学自动化学院，广州510006；2.广东电网公司湛江供电局，湛江524000）

基于IEC61850标准的变电站过程层网络是一次设备与二次设备间的信息交换桥梁，承载着各种智能电子设备IED（intelligent electric device）交换数据的实时传输任务。针对目前智能变电站采样值SMV（sampled measured value）与面向对象的变电站通用事件GOOSE（generic object oriented substation event）报文的分网传输结构，利用OPNET仿真平台建立过程层网络以及IED设备的仿真节点模型和网络模型，研究分网传输报文方式下的网络性能及其影响因素。仿真结果表明，采用100 Mbps带宽的以太网和虚拟局域网VLAN技术实现SMV和GOOSE报文分网传输时，实时性较好且时延抖动小，适于现阶段智能变电站的工程实际。

智能变电站；过程层网络；报文传输；仿真分析

智能变电站是智能电网电力流、信息流、业务流汇集的焦点，智能电网中完整、准确、及时、一致和可靠的信息采集功能，可为电力系统运行提供大范围的情境知晓和动态可视化。构建测控保护体系可以减轻电网的阻塞和瓶颈，缩小和防范系统大停电事故[1-3]。信息网络化传输实现了变电站的高度信息共享，但其实时性、安全性和可靠性直接决定了智能变电站的可用性[4]。

信息的应用模式是智能变电站有别于传统变电站的重要特点。IEC61850标准[5]为信息共享提供了技术体系的支持，实现了设备之间的互连、互通和互操作。目前智能变电站已经解决基于IED61850的设备统一建模、解析和互操作问题，而通信网络的整体性能和可扩展性还有待研究[6]。OPNET提供了一种信息流定量分析的手段。OPNET Modeler采用基于包的通信机制[7]，通过仿真包在模型中的传递来模拟实际物理网络中数据包的流动和节点设备内部的处理过程。离散事件驱动（discrete eventdriven）的仿真机制实现了进程通信的并发性和顺序性，再考虑事件发生的任意性，可以仿真通信网络中任何情况下的网络状态和行为。

本文针对目前实际智能变电站采用的过程层采样值SMV（sampled measured value）与面向对象的变电站通用事件GOOSE（generic object oriented substation event）报文分网传输结构模型，运用OPNET进行建模仿真，研究过程层通信网络的动态特性，分析网络性能的特点和适应性。

1 过程层网络系统节点模型

OPNET Modeler建模采取层次化和模块化的方式，将复杂的系统分解为不同的层次结构。OPNET提供3层建模机制：最底层为进程模型；中间层为节点模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。这3层模型和实际的网络、设备、协议层完全对应。

1.1 链路模型

根据IEC61850标准，链路的选择一般需满足表1的要求[5]，表中fz为额定频率，Hz。链路可使用的数据速率为

式中：DR为数据速率；SR为采样速率，Hz；nMU为所连接的合并单元（MU）数目；TL为最大报文长度。

表1 以太网物理层选择指南（接收节点）Tab.1Ethernet physical layer selection guide

1.2 合并单元模型

合并单元MU功能是同步采集多路电流和电压互感器输出的数字信号，并按标准格式以SMV报文形式发送给间隔层设备。此类报文是时间驱动的数据流，在规定时间内定时触发，可用产生包时间间隔固定、大小固定的周期性报文来模拟建模。

MU模型采用3层结构，星型拓扑的多接口模型如图1所示。其中MU_bursty_gen进程主要完成模拟变电站中SMV报文的产生，sink为数据包接收处理模块；eth_mac_inf模块用来实现以太网协议和算法；hub_rx和hub_tx为一对收发信机。用户可以对其配置采样率、启动时间、停止时间、数据包大小、地址、组播组地址。因为集线器（Hub）在某一端口收到信息后向所有其他端口广播，本系统建模用外接集线器来模拟多接口模型。为了表示变电站中采样值数据的同步性，参数配置中数据包产生间隔与MU实际采样频率对应，包开始发送时间设定为相同的常数分布，采用以太网帧、广播方式传输。MU采样频率为每周波80点的参数配置，如图2所示。每s发送4 000个169 B数据包。

图1 MU多接口模型Fig.1MU multi-interface model

图2 MU参数配置Fig.2MU parameters configuration

1.3 断路器智能设备模型

断路器IED主要功能是：（1）执行保护控制等装置发送的控制命令；（2）采集一次设备的开关状态信息，并按标准发送给间隔层设备。IED发送的数据包形式和MU相似，只在采样频率和数据包格式上有差别，在配置采样率、启动时间、停止时间、数据包大小、地址、组播组地址时，分布函数则和MU相似。仿真采样频率按每周波10点的参数配置，每s发送500个139 B数据包。

1.4 保护单元模型

保护单元3层模型和MU一样，当需考虑与站控层通信时，则保护单元7层模型如图3所示,保护IED模型包含GOOSE协议栈、MMS协议栈和TCP（UDP）/IP层。

图3 保护单元7层模型Fig.37-layer model of protection unit

保护单元在发生故障时发送保护动作信息（GOOSE报文），此类信息属于外部事件驱动，是突发性数据，表现出自相似性。此模型只考虑ON和OFF 2个状态，ON和OFF时段分别具有不同的分布函数，单个数据源ON状态持续时间服从重尾分布（pareto），OFF状态持续时间服从Poisson负指数分布，而无限多个该类数据源的叠加形成具有自相似特性的突发数据流[8-12]。当数据源处于ON状态时，以恒定速率产生数据，利用scripted函数自定义发包间隔来模拟重发机制；而当数据源处于OFF状态时，节点不产生任何数据。参数配置如图4所示，保护单元发送的数据包波形如图5所示。

图4 保护单元参数配置Fig.4Protection unit parameters configuration

图5 保护单元发送数据包波形Fig.5Transmitted packet waveform of protection unit

1.5 测控单元模型

测控发出的报文属于随机性数据，在任何一段时间内，数据以概率p出现一个报文，它和保护发出的数据最大的区别在于测控数据前后到达无任何相关性。本次建模用Poisson过程来近似描述，测控模型和保护单元采取相同的结构。

2 过程层SMV与GOOSE报文分网传输仿真分析

以广东电网220 kV智能变电站中过程层网络接线方案为原型[13]，其过程层网络结构如图6所示。单间隔模型对应网络结构中的1个间隔；多间隔的星型网络结构与图6完全一致，而其环形网络结构则是为了与星型网络结构进行比较设置的。

将间隔内设备按照所完成的功能分解为IEC61850标准所定义的逻辑节点，并使各逻辑节点重新组合形成过程层以太网的节点。通过对节点间交换信息和网络负载进行分析和研究，设计了相应节点模型和链路模型。信息采集采用IEC61850-9-2规定的单向多点光纤以太网，每个合并单元可向SMV网络发送采样信息。保护装置具有与智能终端通信的过程层总线接口，通过GOOSE网络和智能终端连接。信息传输满足GOOSE服务的要求，以保证故障跳闸的快速性。所有保护装置具备过程层总线接口，与各侧的智能终端配合；同时主变的每个智能终端均提供2个过程总线接口以满足网络双重化的要求，分别与主变保护通过GOOSE网络连接。

2.1 单间隔的仿真

以其中1条220 kV线路间隔为例，仿真模型如图7所示。保护配置、采集单元的设置及网络连接方式同图6，各节点参数按前述要求配置。

当链路带宽为10 BaseT时，在不同采样频率下MU到保护单元的网络时延如图8所示。由图可见，当MU采样频率为每周波40点时的最大时延为0.42 ms时，SMV和GOOSE报文分网传输时保护的突发性数据和测控的随机性数据对网络延时影响不大；当MU采样频率为每周波80点时的最大时延达到17 s时，10 BaseT网络已经不满足间隔层数据通信的实时性要求。

当带宽为100 BaseT时，假设保护单元只接收1路采样数据，取MU的采样频率为每周波80、200、400点，所得的保护点对点网络延时均约为0.38 ms，都能够满足变电站通信要求，如图9所示。假设保护单元接收多路采样数据，在每周波采样400点时的网络延时如图10所示，最高时延约达5 ms。此时100 Mbps以太网可使用的宽带不足以允许多个合并单元向同一个接收设备传送采样值。

图6 变电站过程层网络架构Fig.6Network architecture of substation process layer

图7 220kV线路间隔结构Fig.7220 kV line bay structure

图8 10BaseT带宽下的网络时延Fig.8Network delay with 10 BaseT bandwidth

图9 100BaseT带宽下的网络时延Fig.9Network delay with 100 BaseT bandwidth

图10 100BaseT带宽下每周波采样400点的网络时延Fig.10Network delay with 400 points per cycle sampling and 100 BaseT bandwidth

带宽在10 BaseT和100 BaseT下，MU采样频率为每周波80点时保护单元接收的数据流量如图11所示。同样负载情况下，在10 BaseT网络出现阻塞后，点对点的通信量与正常通信比较，流量有所降低，这表明10 BaseT网络信息传输过程中存在数据包的丢失，网络通信质量得不到保证。

2.2 多间隔的仿真

多个不同间隔组成的星型网络结构和环形网络结构分别如图12和图13所示，包括母线保护间隔、主变间隔、220 kV母联间隔、220 kV线路间隔和110 kV线路间隔。其中母线保护间隔组网方案如图14所示[13]，主变间隔接线如图15所示。

图11 相同负载不同带宽下的通信流量Fig.11Traffic with same load and different bandwidth

设合并单元的采样频率为每周波80点，对该网络模型进行通信仿真，并收集网络通信点对点数据包的时延参数。

图12 星型网络结构Fig.12Starlike network structure

图13 环形网络结构Fig.13Ring network structure

图14 母线保护间隔组网方案Fig.14Bus bar protection networking solution

图15 主变间隔接线Fig.15Main transformer bay connection

为了减少间隔间不必要的数据交换，防止交换网络的广播风暴，对网络进行虚拟局域网VLAN（virtual local area network）配置。采用基于端口划分VLAN的方式，首先以间隔为对象按功能进行划分，每种报文网设为1个VLAN网，同1个间隔同种报文传输网的交换机端口均划为同1个VLAN网；然后给各个单元配置网络地址，保护和测控装置的GOOSE报文以组播方式发送到智能单元，如在220 kV线路1个间隔内，智能单元的网络地址为204和205，则该间隔保护和测控装置组播的最小地址为204，最高地址为205。

星型网络下的网络时延如图16所示，无VLAN技术的点对点数据延时最高为0.9 ms；配置VLAN后点对点数据包的时延最高为0.055 ms。由于VLAN减少间隔间广播数据的传输，设置VLAN后网络延时明显减少，实时性更能得到保证。与单间隔网络延时（最高为0.038 ms）相比，由于间隔间存在一定量数据交换，在一定程度上增加了网络的负荷，造成网络延时有所增加，但仍在变电站数据通信所允许时间范围内。

图16 星型网络结构时延Fig.16Delay of starlike network structure

图17 不同网络拓扑的网络时延Fig.17Network delay of different network topologies

星型和环形两种组网方式仿真所得的网络点对点数据包的延时结果如图17所示。从图中可以看出，环形网络点对点数据包通信延时（最高为0.062 ms）略大于星型网络（最高为0.055 ms），这是因为变电站内各间隔的数据存在一定的通信量，特别是母线保护，必须从各个间隔获取采样数据。星型网络间隔间的数据交换经过的交换机比环网少，在星型网络中心交换机没有出现网络拥塞，还没有成为通信的瓶颈时，网络能正常地进行数据交换；而环形网络由于间隔间交换数据经过的交换机较多，通信节点间网络距离较长，使得正常时通信时延略长。

3 结语

节点的通信处理能力和网络带宽是制约网络性能的重要因素，从仿真结果来看100 M带宽的以太网可以满足实际的二次系统过程层数据通信要求。虚拟局域网VLAN技术为网络通信的实时性提供了可靠的保障。合理配置虚拟局域网多播组、报文定点传输和减少间隔内报文的无效转发可以有效地防止网络拥塞。当SMV和GOOSE报文分网传输时，报文在网络内的传输时延抖动小，突发数据对网络时延影响不大，稳定性好，适于现阶段的智能变电站工程应用。

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Simulation Analysis of Packet Transmission Performance Through Different Network in Substation Process Layer

HE Rui-wen1，ZHONG Kang-you2，CHEN Chao1，GU Lei1
（1.School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Guangdong Power Grid Corporation Zhanjiang Power Supply Bureau，Zhanjiang 524000，China）

The process level network in substation based on standard IEC61850 is the bridge to exchange information between the primary device and the secondary device，and the real-time exchange data transmission task of all kinds of the intelligent electric device（IED）is carried.The process level network as well as simulation node model and network model of all kinds of IED equipment are built by OPNET simulation software，and network performance and its influencing factors in diverse network transmission message are researched for SMV and GOOSE message transmission in divided network structure of intelligent substation at present.The simulation results show that when ethernet of 100 Mbps bandwidth and virtual LAN technology are used to achieve the SMV and GOOSE message transmission in diverse network，the good real-time and the little delay chattering，which is suitable for engineering projects in intelligent substation at the present stage.

smart substation；process layer network；packet transmission；simulation analysis

TM734

A

1003-8930（2014）09-0017-06

何瑞文（1969—），女，博士，副教授，研究方向为电力系统保护与控制，微电网运行、控制与保护。Email：rw_he@tom.com

2013-01-04；

2013-06-07

国家自然科学基金资助项目（51377026）

钟康有（1987—），男，本科，助理工程师，研究方向为电力系统自动化方面工作。Email：ky_zhong@foxmail.com

陈超（1984—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化。Email：lishiyingxiong@163.com