基于IEC 61850的新型数字化变电站通信网络的仿真研究

梁夏

[摘 要]IEC 61850标准是当前变电站广泛使用且最新、最完善的专业标准。它是促进变电站各项功能实现数字化的主要技术，可以最大限度地将变电所中的所有协议以兼容的方式进行融合，从而在变电所自动化系统的不同设备的可互操作性以及系统的兼容与维护上起到了非常重要的推动作用。

[关键词]IEC 61850；数字化变电站；通信网络；仿真模型

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.04.054

[中图分类号]TM73 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2016）04-00-02

1 变电站通信的服务模型和服务映射

IEC 61850标准从功能上说，其是变电站的整个系统作为一个含有多个一次、二次设备，并且每个设备之间都能通过网络来实现信息传递的对象。对于一个可以促进一项或多项功能实现的物理设备来说，信息通信的主要方式就是通过特殊的通信协议以及设置相应的通信接口。因此，IEC 61850标准将ACSI、SCSM纳入进来，ACSI用来对SAS当中的IEDs之间信息传递行为进行描述，而SASM则是将抽象功能映射到具体协议中。

为了能进一步实现IEDs通信功能，IEC 61850标准将SCSM模型定义在了第八与第九部分当中。这两部分内容都是以ISO/OSI模型为创建基础，并且运用以太网作为其主要的通信网络的物理数据链路层。以下是4种ACSI映射到SCSM映射的详细介绍。

1.1 以C/S通信模式为重点的ACSI服务向MMS映射

MMS包含中速、低速以及文件传输3种报文服务模式。为了可以让不同制造供应商的设备实现其可互操作性，且能将其通信协议进行统一管理，MMS就被应用在对各种设备通信行为的统一功能上。而出于MMS本身独有的设备可互操作性功能和依赖度较低的特点，使其在电力行业许多标准中得到广泛应用。这一类型映射通常包含TCP/IP与OSI两种传输协议，但是由于OSI模型非常复杂且实用性不强，只能在理论上对各种设备通信协议进行统一，所以TCP/IP传输协议能够更好且更简便地被运用在设备通信协议的统一环节上。

1.2 ISO模型应用层和以太网数据链路层之间的映射

这两者的映射主要包含变电站事件管理服务、模拟量采样值报文和通用对象变电站事件三者的传输。其中，SAV、GOOSE两种报文的传输层、网络层以及会话层并没有任何内容，而报文则会直接从应用层向数据链路层进行映射，从而有效降低报文在传输以及协议封解中耗费的时间，这也充分满足了两者对实效性的要求。尽管这类方案在报文传输中的安全性比较低，但实效性非常高，从而使其在实际应用中会加入其他手段来增强安全性。

1.3 通用变电站状态时间报文传输服务映射

GSSE模型与GOOSE模型相比较来说，两者最大的区别是所传输的数据类型上的不同。GOOSE模型主要是对公共数据交换提供技术支持，但是由于Data-set组织范围比较广泛，并且其能提供相应的方法来对数据类型进行定制，而GSSE模型只能提供变电站状态信息。所以说，这两种模型在概念上基本是相同的，但是在对GSSE模型定义中将UCA 2.0成果引入进来是为了实现GSSE模型和UCA GOOSE在报文上共同，而随着技术的不断发展，GOOSE模型将会代替GSSE。

2 报文数据类型

IEC 61850标准中定义了7种类型的报文。为更好地符合变电站自动系统对报文的要求，每种报文在功能上都得到了细化，其细化是根据报文功能的不同来进行划分的，而同变电站本身的规模没有直接的关系。对于变电站来讲，并非所有通信连接都必须对同一个功能提供支持，变电站层与过程层可以依据自身需求来进行自主选择。以下是7种报文数据类型的详细介绍。

2.1 快速报文

快速报文通常是二进制码，具体包含数据、命令以及简单报文等内容。比如：在启动、跳闸、合闸等操作上，同时快速报文还能传输部分功能状态信息；在IEDs收到快速报文以后，其需要将报文中的功能以约定的形式来进行对应。跳闸是快速报文众多报文中最为重要的一项内容，其在时间上的要求要比其他快速报文更加严格。

2.2 中速报文

中速报文与快速报文相比，在传输时间上并不是非常严格，通常传输时间都在100 ms之内，但是其比较注重报文产生的时间。

2.3 低速报文

低速报文在时间要求上比较宽松，只要控制在500 ms之内就可以，但这类报文会被应用在慢速自控以及记录事件等内容上的传输上，所以这也就要求报文中要包含时标，而具体是否添加时标则要根据实际情况来标注。

2.4 原始数据报文

原始数据报文一般都不会依赖技术来实现其功能，也就是其会从数字传感器、数字互感器当中直接获取到最原始的数据。

2.5 文件传输功能

文件传输功能类的报文一般都会应用在传输较大文件上，并且文件主要是以记录及信息用途为主，为了降低其资源占有率，需要将其数据切成若干定长的块，同时这类数据对时间没有要求。

3 变电站自动化系统仿真

3.1 OPNET的仿真特点

OPNET是一款在各领域得到广泛运用的仿真工具，所以它不仅能为所研究的对象提供建模，而且本身还具有圆形界面。同时，这款工具操作非常简便，软件本身功能齐全、覆盖面较广。OPNET所能支持的网络协议与特征主要体现在4个方面。

3.1.1 离散事件驱动

离散事件当中的“事件”是指变电站运作过程当中的一种变化，换句话说，只有在这种状态下才会发生这种模拟行为，但在其余时间当中则不会产生模拟行为。与时间驱动相比较来说，离散事件能有效提升计算水平，以此来实现进程通信行为的描述。

3.1.2 以包为单位的通信

用户依据实际需求来对数据包开展编辑，从而在仿真当中对其进行模拟信息传送。

3.1.3 以事件为单位的调度

运用对调度事件的相关设置，以此来使仿真事件调度尽量与实际事件相符合。同时，用户还能从所需网络层中收集各项参数，进行数据的对比以及参数变化。

3.1.4 以层次化思路建模

OPNET运用网络、进程、节点3种编辑器来充分满足客户对于不同结构的需求，从而使其在拓展、进程环节上可以实现建模。

3.2 OPNET仿真的关键步骤

在OPNET软件进行仿真当中是需要遵循其独有的仿真流程的，这主要包括仿真目标、建模以及结构搜集分析，并且在这一过程中会进行多次调整。OPNET仿真能依据用户对仿真效果的要求，例如：结果详细度、结果可用性等，从而对系统模型、输出与输入量进行调整，以此来得到最佳的仿真效果。用户在对OPNET软件的仿真流程熟悉以后，就要针对研究对象来进行建模和数据分析。从整个过程上说，具体分为4个步骤。

（1）网络模型的创建。OPNET模型框架主要包括连接线以及各类设备等，在结构的设计上还要依据其拓扑结构来进行。

（2）流量模型的选择。在模型框架创建完成之后，还必须根据要求来创建出流量模型。在OPNET软件当中的接收与发送的两个点的流量被称为背景路由流量；而节点与链路中的流量则被称为背景利用率流量；变电站中各个站点之间的流量被称为前景业务流量。

（3）在模型创建及流量模型选择好以后，影虎需要依据仿真要求与目的来进行参数的设置。

（4）仿真过程全部完成后，还必须要对统计量进行分析。

3.3 依据IEC 61850标准进行变电站模型创建

3.3.1 变电站模型中的设备选择

变电站本身的类型比较多，这也就使每个变电站所具有的功能也是多样的。比如：电压在变电站当中的的变化角度上说，就有升压站与降压站两种。即使属于同种类型的变压站，也会因为间隔层中保护与控制的相关设备配置不同造成不同的效果。因此，为了可以更加精准地开展对变电站动态需求的研究，IEC 61850-1就需要根据变电站的建设规模和自身功能来划定不同类别的变电站，而IEC 61850-5就选择T1-1、T2-1、T2-2、D2-1这4个具有代表意义的变电站，并且依据这4种典型变电站的具体位置来对现实中的变电站进行分类，而此时还需要将变电站中的设计的实用性、地域性以及要符合国家相关部门规定，所以要避免设备选择的随意性。在变电站类型选择上，一般的有变压器台数、进出线数量以及联络开关的个数等。本文主要研究的就是变电站对象当中的D2-1，这一类型是中等规模的变电站，并且对其研究也具有很强的代表性，比较符合实际变电站的情况，从而使研究不会过于复杂。

变电站通信过程中所传输的报文当中，SAV报文需要将IVM单元合并以后，再通过交换机来对保护装置开展数据之间的传递。在仿真过程中经过ethemet-station_adv节点来进行功能的实现，并且这一节点主要包含6个进程模块： bursty-gen、hub_txO 、mac、hub_rxO、sink、eth_thac-intf，从而产生、接受、统计流量，并且联系MAC层与应用层。从报文类型上说，GOOSE报文和SAV报文都可以被称为Video Conference，因此，可以说这个模型的节点选择必须选择ethemet_station_adv。

在变电站的特定环节通信服务当中，包括TCP/IP协议，与OPNET仿真软件在执行过程中，主要通过ethemet_wkstn_adv本节点的数据传输仿真。同时，它也可以在信息通信间隔层中实现，Video Conference与FTP等业务都能进行完整体现，一般能对其进行保护、文件传输等突发性数据传输或随机性数据传输。

3.3.2 业务配置

所选的变电站模型的结构，需要设置设备的选择和在OPNET软件设备配置。变电站模式配置后，为了能实现变电站内部数据流的处理工作，它需要进行业务设置。确定相关应用程序，为了准确模拟信息通信过程中的实际有效传输变电站，必须将所有的数据包都归结为周期性数据、数据的随机性以及三种类型的突发数据，这一步骤需要在模型中以新建报文的方式实现。OPNET软件中现有的类型应用主要有9种，而在一般网络仿真当中只需要运用其中的一种应用就可以实现。依据过去的研究经验，Video Conference可以应用在周期性数据以及随机性数据的模拟上，而突发性数据由于其信息量较大，一般都是通过FRP来对其开展模拟的。变电站的模型配置完成后，必须使用拓扑对象搜索和添加应用程序配置模块，从editattributes本模块中找到应用程序定义的部分添加周期、随机的应用程序数据，以实现模拟包正常运用。另外，为了能更加方便地查找应用，在对数据应用进行定义上可用典型代表作为其名字。

3.3.3 统计量收集

为了可以更准确地对仿真结果开展分析，就要实现对收集统计量进行设定。从变电站通信仿真过程上来说，其重点是时延是否符合要求。如果变电站通信信息安全提出一种方案，这一方案就必须符合标准对变电站报文的相关要求。在时延统计量上，通常有Ethernet-Delay、Video Conference-Packet End-to-End Delay两种方式。Ethernet-Delay能反映出节点收到的数据包的时间延迟情况；Video Conference-Packet End-to-End Delay则反映节点从其他节点发送数据包时的延时。如果还需要进行其他统计量，那么在相关设备中选取就可以。

主要参考文献

[1]张志丹，黄小庆，曹一家，等.基于虚拟局域网的变电站综合数据流分析与通信网络仿真[J].电网技术，2011（5）.

[2]段斌，刘念，王键，黄生龙.基于PKI/PMI的变电站自动化系统访问安全管理[J].电力系统自动化，2005（23）.