基于OPNET的智能变电站通信网络仿真建模与性能分析

叶夏明，张 勇，莫建国，王 晓

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315010）

基于OPNET的智能变电站通信网络仿真建模与性能分析

叶夏明，张 勇，莫建国，王 晓

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315010）

智能变电站的自动化程度与其通信网络的性能密切相关，良好的网络性能是其实现信息主动分析、智能调节、协同互动等高级应用的前提。为此，对智能变电站中的数据特征与通信网络性能进行了深入研究。首先，对智能变电站的数据特征进行了分析和建模；而后在OPNET中实现了对MMS协议的自定义搭建；最后，对一个典型结构的智能变电站通信网络进行了建模，仿真和分析结果验证了所提仿真建模方法的有效性。

智能变电站；通信网络；数据特征；仿真建模

0 引言

智能化变电站具有一次设备智能化、二次设备网络化的突出特征，其应用与发展得到了学术界和工业界的广泛关注[1-5]。通信网络是智能变电站的神经系统，其性能的优劣将直接影响到智能变电站是否能将智能调节、协同互动等高级功能落到实处。当前，考虑到通信网络可能存在信息传输延时和丢包等问题，智能变电站往往采取折衷的措施，如继电保护相关的信息不通过网络传输，而以光纤点对点连接的方式实现跳闸功能[6]。为此，对智能变电站中数据的特征及网络性能进行深入研究具有重要意义。

目前，针对变电站通信网络性能问题，国内外已经有了一些研究。文献[7]采用动态仿真方法对站控层网络的平均时延、最大时延等链路时延指标进行了分析。文献[8]采用OPNET软件，分别对采用环形网络和星型网络的智能变电站的通信性能进行了仿真分析。文献[9]对不同节点规模、不同网络配置和不同应用功能条件下的过程层网络、站控层网络的实时性能进行了仿真分析。文献[10]分析了智能变电站中数据流的特点，进一步研究了变电站通信网络中VLAN（虚拟局域网）的配置方法和原则，对有无VLAN的星型网络的通信性能进行了对比研究。但是，这些研究尚存在以下几个问题：一是仿真过程中没有考虑MMS（制造报文规范）带来的影响；二是部分研究在仿真过程中没有充分考虑VLAN、优先级等技术的应用；三是部分研究仅仅关注了过程层或是站控层的通信性能。

基于上述背景，以下首先对智能变电站中的数据特征进行分析和建模；而后在OPNET中实现对MMS协议的自定义搭建；最后，利用OPNET软件对一个典型结构的智能变电站通信网络进行建模，仿真和分析结果验证了所提仿真建模方法的有效性。

1 智能变电站的数据特征分析

根据系统中各类数据在产生规律上的特点，可以将联合发电监控系统中的数据分为3类，分别是：周期性数据、随机性数据和突发性数据[7]。

1.1 周期性数据

周期性数据由时间驱动并按照一定时间间隔触发，其主要特点是数据稳定、连续、对实时性要求严格。按照IEC 61850标准的要求，若报文未能在规定时间内发送，就会被新的同类报文覆盖；若报文未能在规定时间内到达接收方，就会被接收方舍弃[11]。因此，系统中的周期性数据是影响网络稳态性能的主要因素。对于周期性数据，可用到达间隔时间具有一定周期性、长度为定长的周期性报文来模拟。

智能变电站中，周期性数据主要包括：过程层网络上的采样值和开入报文，站控层网络和远动网络上的遥测/遥信报文及时间同步报文。

1.2 随机性数据

随机性数据由外部事件驱动，在一个时间片段内以某一概率出现一个报文，各个数据的触发无任何相关性。随机性数据的触发过程可采用泊松过程模拟，此时数据触发时间间隔服从指数分布，其概率密度函数f（t）和均值E（t）分别如式（1）和（2）所示：

式中：λ为随机性数据在单位时间内被触发的次数；t表示某一时刻。

智能变电站中，随机性数据主要包括各类开出报文，如开关操作命令、保护功能连锁、时间同步、变压器分接头调整、电容器投切等，其所需传输的数据量较小，但传输实时性要求较高。

1.3 突发性数据

突发性数据也是由外部事件驱动，与随机性数据不同的是，突发性数据在第一个数据触发后，后面会出现一组集中的报文；无数据时则出现一段空闲时间。突发性数据具有较强的时间敏感性和带宽侵占性，是造成网络流量抖动的主要原因。

可以用ON/OFF模型模拟突发性数据[12]。数据源在ON时段以恒定速率发送数据，在OFF时段则不发送数据，两者的持续时间可以采用不同的分布函数表征，其概率密度函数f（t）和均值E（t）分别如式（3）和（4）所示。

式中：θ为尺度参数，表示ON至少需要持续的时间；α为形状参数；t表示某一时刻。

智能变电站中，突发性数据主要包括故障情况下间隔层设备上传的保护动作信息、开关变位信息、事件顺序记录等。

2 基于OPNET的仿真方法

2.1 几种网络分析方法的比较

网络性能的分析方法可以分为定性分析和定量分析2种。定性分析主要依靠技术人员的经验来大致估计网络的结构和配置能否满足用户的需求。然而，智能变电站中数据种类繁多、交互复杂，仅仅依靠经验来评估网络的性能往往会顾此失彼，难以真实反映网络性能。定量分析的方法主要包括现场实测、数学分析和网络仿真等[13]。各类方法在可信度、实施成本、实现难度、是否能预测网络性能等方面的比较如表1所示。

表1 网络性能分析方法的比较

由表1可见，网络仿真方法兼具可信度高、成本低、可以对网络性能进行预测等优点，以下将采用OPNET软件实现对通信网络性能的仿真。

2.2 自定义MMS协议

OPNET是目前业界公认的优秀通信网络、设施、协议的仿真及建模工具，其中定义了9种标准应用，包括：Database，FTP（文件传输协议），Video Conferencing等，但是并不包含MMS[14]。

OPNET允许用户加入自定义的应用协议，但这需要同时修改多个原有的标准模块，实现难度较大。在此根据MMS协议的交互流程，通过OPNET的任务配置器设置了一个自定义多端业务来模拟MMS协议。

MMS协议采用的是客户机/服务器模型，其基本流程可以分为建立连接、传送数据、拆除连接3个阶段。为此，可以将基于MMS协议分解为M_ASSOCIATE，M_DATA，M_RELEASE 3个子任务，每个子任务分为若干阶段[15]。各阶段的参数及先后顺序如图1所示，具体配置见文献[15]。

图1 MMS协议各个阶段的参数设置

完成MMS协议的自定义后，就可以像OPNET中的其他标准应用一样进行应用。

3 仿真模型与结果分析

3.1 仿真模型的建立

目前，为了保证继电保护动作的可靠性，智能变电站的保护跳闸采用“直采直跳”的模式，保护相关的信息不经过网络传输。但是，随着智能断路器等设备的不断成熟，以及IEC 61850等标准的进一步完善，通过网络传输保护信息并实现跳闸将是智能变电站的一个发展趋势[6]。为此，以下针对如图2所示的典型智能变电站通信网络进行仿真。

图2 典型智能变电站通信网络结构

图2 中，MU为合并单元，ISG为智能开关柜，BPU为间隔层的保护测控单元，包括保护信息在内的所有信息都将通过网络传输。整个变电站中共有10个电气间隔，其信息通过过程层交换机和站控层交换机与站控主机进行交互。

通过合理设置VLAN可以有效减少网络风暴的发生概率，提高通信网络的性能，是现代通信中常用的技术手段之一。为此，按照智能变电站中的通信需求将图2所示的通信网络划分为11个VLAN，具体划分情况如表2所示。

表2 VLAN的划分

根据通信网络的结构以及VLAN的划分，在OPNET软件上搭建如图3所示的仿真模型拓扑。其中，BAY为按电气间隔划分的通信子网，包含BPU，ISG，MU以及过程层交换机。

仿真模型中，采用包含完整OSI 7层协议栈的ethernet_wkstn节点模型模拟变电站中各个设备的收发信行为。

对于周期性数据或随机性数据，采用自定义的MMS应用来模拟数据在站控层的传输，用OPNET自带的Video Conferencing应用来模拟数据在过程层的传输。FTP服务器节点用于产生模拟故障录波、文件传输等突发性业务[9]。

仿真模型中的主要参数如表3所示，其中，开入量为随机数据，根据1.2节的分析，其概率密度函数满足指数分布，这里用E（0.01）表示服从参数为0.01的指数分布；U（2，2.1）表示开入报文在仿真开始后的2 s到2.1 s间的某个时刻开始传输。这里设置不同的流量起始时间主要是为了便于观察不同流量对网络性能的影响。

图3 智能变电站通信网络仿真模型

表3 仿真模型参数设置

3.2 仿真结果分析

对于此处设置的仿真模型及仿真场景，通信网络的延时情况如图4中实线所示。网络延时约为20 μs，仿真运行至20 s左右时网络延时突然变大，这主要是因为此时FTP服务器向站控主机传输了大量数据。作为对比，图4还展示了同一仿真模型在不设置VLAN情况下的网络延时情况，如图中虚线所示。通过对比可以发现，在网络中设置VLAN确实可以大大减小网络延时。

图5展示了BAY_1中的BPU1在有、无VLAN情况下的数据接收速率。由图可见，有VLAN的情况下，BPU1的数据接受率约为2 400 packets/s；而没有VLAN的情况下，BPU1的数据接受率最大约为25 000 packets/s，相差了近十倍。这主要是因为通过VLAN的设置可以限制数据的广播范围，从而减小发生网络风暴的概率，提升通信网络的性能。

图4 有无VLAN情况下的网络时延

图5 有无VLAN情况下BPU1的数据接收速率

4 结语

良好的通信网络性能是实现智能变电站各类高级应用的必要条件之一，如何建立通信网络的仿真模型并有效评估变电站通信网络的性能是一个值得研究的课题。以上首先对智能变电站中的数据特点进行了分析和建模。然后利用OPNET的任务配置器设置了一个自定义的多端业务来模拟MMS协议。在此基础上，对一个典型结构的智能变电站通信网络进行了仿真分析，仿真结果证明了所提建模方法的有效性。

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（本文编辑：方明霞）

OPNET-based Simulation Modeling and Performance Analysis of Communication Network in Intelligent Substations

YE Xiaming，ZHANG Yong，MO Jianguo，WANG Xiao

（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315010，China）

The automaticity of an intelligent substation is bound up with the performance of its communication network.The realization of advanced applications such as active analysis of information，self-regulation,coordination interaction relies on a well-performed communication network.Therefore，it is urgently required to conduct an in-depth study on data characteristics and the performance of communication network in intelligent substations.Firstly，the characteristics of data in intelligent substations are analyzed and modeled.Then，the manufacturing message specification（MMS）is built up in optimized network engineering tools（OPNET）.Finally，some simulations are carried out based on a classical communication network in an intelligent substation.The simulation and analysis results show the effectiveness of the proposed simulation and modeling method.

intelligent substations；communication network；data characteristics；simulation and modeling

TP872

A

1007-1881（2016）12-0001-04

2016-10-17

叶夏明（1987），男，工程师，主要从事电网监控、调度运行工作。