基于OPNET的智能变电站继电保护建模与仿真研究

陈哲

（国网福建省电力有限公司检修分公司 福建福州 350001）

基于OPNET的智能变电站继电保护建模与仿真研究

陈哲

（国网福建省电力有限公司检修分公司 福建福州 350001）

随着现代科技的迅猛发展，信息化、智能化、网络化等现代高科技在电力系统得到广泛应用，智能变电站也得到了快速发展。使用OPENET仿真技术进行智能变电站继电保护功能的建模与仿真，可以适时模拟继电保护器的运行状态，实现数据采集、分析、算法到输出的模拟仿真，对有效掌控智能变电站继电保护提供技术支撑。本文从OPNET仿真技术概述入手，研究了基于OPNET的智能变电站继电保护建模与仿真，以供参考。

OPNET仿真；智能变电站；继电保护；建模与仿真

随着现代科技的快速发展，智能电网也取得了长足的进步。智能变电站作为智能电网的重要节点和支撑，其地位和作用日益突显。智能变电站是采用先进、环保的智能设备，以数字化、网络化、信息化技术为支撑，能自动完成信息采集、计量、检测和保护等基本功能，并具有支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站。人工智能技术在变电站系统的成功运用，也为网络仿真技术的应用提供了可能。在二次连接的电缆回路约束机制下，通过光纤和以太网组成的通信系统，将变电站各种设备进行组网连接，为OPNET仿真技术的应用提供了网络、信息和数据支持。OPNET仿真技术可以对整个系统设计进行仿真，帮助改进不足之处，以便对智能变电站系统更好的实施保护。同时，通过OPNET仿真技术还可以设计不同的智能继电保护系统，对不同的智能变电站实施模拟防护，使智能变电站的继电保护更加完善、稳定和可靠。

1 OPNET仿真技术概述

OPNET是一个网络仿真技术软件包，能够对复杂网络的性能和行为进行准确分析，在网络模型中的任意位置都可以通过探头采集数据。OPNET通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察或者输出到第三方的软件包去。OPNET结构由三个模块组成，能为用户提供一系列的仿真模型库，在通信、军事、航空航天等领域得到了广泛应用。OPNET仿真技术主要特点：①能为网络的规划设计提供可靠的定量依据，能迅速建立和修改现有网络的模型并进行仿真，非常适用于预测网络的性能。②网络仿真能比较多个不同的设计方案或验证实际方案。一个项目设计往往有多个不同的方案，每个方案各有优缺点，要正确选择就必须有参考依据，因此进行科学的比较和取舍就成为摆在设计者面前的一个课题。而网络仿真能较好的解决这一难题。利用OPNET仿真技术对不同方案建模和模拟，如网络拓扑结构、路由设计、业务配置等，以获取网络性能定量参数和预测数据，为方案的比较、验证和最终决策提供可靠的参考依据。③OPNET管理解决方案可确保应用程序有效执行，系统容量足以支持这些应用程序，并且网络可提供实现目标的应用程序功能。OPNET解决方案提供了一种用于应用程序性能管理的端到端方法。④OPNET在及时、准确了解和分析网络状况的的基础上，其网络设计、运行和规划解决方案又在整个网络管理生命周期内提供了一组补充性功能，其中包括利用预测规划和优化、网络审核和更改验证以及快速故障排除等。⑤OPNET网络研发解决方案，将高保真模型与业内领先的可扩展模拟技术相结合，可促进技术创新并加快网络协议和设备的研发。

随着现代通信技术的不断发展，通信网络涵盖范围不断扩大，技术水平也不断改进和提升，对网络建模和仿真提出了更高的要求。同时，智能变电站中不同变电设备在具体的设计层面表现形式也不同，需要根据不同仿真对象的功能特点选择建模方法。在进行智能变电站继电保护系统设计时，需要采取统筹设计与实际设备相结合的方法对整个变电站系统进行仿真建模。利用OPENET仿真技术，以变电站中的设备为对象建立继电保护系统，利用通信网络为继电保护系统设计提供数据和指令传导等技术支持。OPENET仿真技术对整个继电保护系统进行建模和仿真，有利于实现系统设计、仿真和测试。在此过程中，必须对网络中的各个节点进行结构性和功能性设计，以便有效实现对整个系统的继电保护。为此，要结合网络技术来对整个网络结构进行深层次设计，并满足智能变电站继电保护分层机制的要求，在此基础上实现对整个系统的仿真设计。同时，要注意利用OPENET技术对不同组网形式的继电保护系统进行测试，确保继电保护系统设计科学，能够切实保护智能变电站，防止安全事故的发生。[1]

2 网络机制下的OPNET仿真模型

以500kV变电站的继电保护系统设计为实例。通过建立继电保护与设备控制之间的系统联系，实现智能变电站的网络继电保护的仿真模型建设。目前，国内500kV变电站多采用3/2接线形式，要求两套相同的继电保护的电流、电压、跳闸等回路都是独立的。为此，要坚持将智能继电保护系统与传统接线方式继电保护相结合，确保智能变电站的继电保护形成双保险形态。在此过程中，必须在相同的继电保护回路之间建立数据通路，并以此作为继电保护的主要形式。实践证明，在继电保护系统设计上，总线型网络和环形网络不适用于500kV数字化变电站的过程层网络，容易产生安全上的问题，因此需要要对其他类型的网络的可靠性进行仿真建模。构建OPNET模型需要分成多个不同层次，包括网络模型、节点模型和进程模型等。

2.1 网络模型

由半断路器接线过程分析，可采用单串组网方式和间隔组网方式进行网络组网。单串组网，就是将串内设备统一由路由器来进行管理，并在交换机和母线保护之间进行数据连接，最终实现对于整个串内各种数据的统一管理。间隔组网，就是结合断路器与线路、变压器的间隔联系，将智能保护设备与两个交换机连接，并接入主变保护系统和母线交换机，实现整体系统线路的保护。需要注意的是，仿真过程中要充分考虑仿真系统的连接方式，注意整个连接结构中OPNET模型的模拟接线处理方法和手段。

2.2 节点模型

智能变电站继电保护系统包含诸多节点，OPENET仿真技术可以对每个节点进行数据采集、处理和输出。每个节点又由具有不同功能的部分组成，如数据生成部分、数据存储部分、数据处理部分、路数选择部分和数据传输部分等。规范节点设置过程，可通过相应的接口达成各个环节之间的通信，使得仿真操作在高级节点模式作用下具有更高的系统规范水平，确保在不同节点之间实现及时、有效的通信。为确保智能变电站继电保护系统和路由器有效连接，需要对接点的输入和输出内部端口进行明确。

2.3 数据流分析

网络环境是一个复杂的通信体系，其数据流的运行也相对复杂。因此，在进行网络设计时，必须充分考虑数据流的运行环节。网络数据流包括单元下的线路保护、变压器保护、母线与开关位置报文等，通过智能控制处理单元可以实现数据文件的传输，并保证不影响整个系统指令在内部智能控制单元的传输效果。在此过程中，涉及到的主要参数为采样周期设置，通常报文的长度应该限定在123字节以内。为确保信息采集同步，必须将流量采集的起止时间节点设置成同步的常数分布模式。同时，要确保周期广播开关在报文字节的标准效果，保证持续一定时间的报文长度字节在从播、重发的模式下仍然可以发送系统控制命令。[2]

3 OPNET仿真技术的应用分析

3.1 虚拟局域网VLAN的划分

数字化变电站通过过程层网络对采样值（SAV）、跳闸命令（GOOSE）等报文进行传输。SAV、GOOSE报文以多播、重发模式向外发送相同数据，而智能变电站中的间隔层之间只有一些相关的IED才能进行GOOSE报文交换。过程层网络又可分为4个不同的VLAN虚拟局域网，从而减少广播信息传播，避免了广播信息泛滥而堵塞网络，有效提高了整个网络的传输效率。

3.2 仿真结果分析

利用OPNE Tmodeler网络设备模型，以工作站模拟单元合并、智能开关操作箱、二次设备保护等，实现OPNET仿真技术下的模拟采样报文和GOOSE报文的提供。并通过交换机的设置来实现VLAN划分，仿真第一次不划分VLAN，第二次划分为4个VLAN。仿真结果分析如下：①VLAN划分与否对网络性能有着很大影响。不划分VLAN而直接进行仿真，母线保护不仅收到与其相关的报文，还会收到不相干的广播报文，负荷将是划分VLAN时的两倍，网络负载和随之而来的冲突也会随之增加。②母线保护功能关于报文时延现象也与VLAN划分密切相关。由于母线保护与多个间隔有信号联系，因此网络负载和发生冲突的可能性都较大。划分VLAN后，报文冲突随之减少，使网络带宽利用率有效提高，保证了GOOSE报文的端对端延时特性比较稳定，减小了延迟抖动，从而使报文传输实时性得到有效的提高。③各个设备在不划分VLAN的平均时延明显要大于划分VLAN后的平均时延，各个设备的GOOSE报文在划分VLAN后时延较小。[3]

3.3 电流保护实例

以智能变电站的过电流保护为例利用OPNET建立模型及仿真。根据电流保护算法来进行编程，在SAV报文中读取A相电流，并与电流保护整定值进行比较。采用半波积分算法可得到电流保护的电流有效值。之后设置仿真参数，如通信使用100M光纤，GOOSE报文采用变周期重发机制等。根据不同类型报文的实时性要求，设定报文优先等级和VLAN，对两相短路故障进行仿真来测试保护机制的可行性。分析仿真结果可知，在过程层网络中，报文传输及处理会产生一定的延时。故障点距离电源点越近则故障电流越大，保护动作时间就越短。因此，电流保护仿真模型，能够有效描述智能变电站继电保护的数据传输与处理、动作逻辑、保护响应时间等动作性能。在此基础上，可进一步研究继电保护数据传输阻塞、丢包等实时性可靠性问题及应对策略，以及适应智能变电站新技术环境的继电保护问题。

综上所述，随着现代科技的发展，OPENET仿真技术为智能变电站继电保护的仿真模型提供了强大的技术支撑。通过科学的仿真模拟，能够有效减少网络数据冲突，实现报文高效、准确的传输，为改善智能变电控制环境下的设备运行、维护、安全提供有力保证，推动我国电力系统向着信息化、智能化、标准化方向发展。

[1]曾麟.基于OPNET的智能变电站继电保护建模与仿真[J].企业技术开发，2013，23：94+97.

[2]肖雪丽.关于OPNET的智能变电站继电保护建模与仿真[J].中国高新技术企业，2015，30：121～123.

[3]方晓洁，季夏轶，卢志刚.基于OPNET的数字化变电站继电保护通信网络仿真研究[J].电力系统保护与控制，2010，23：137～140.

TM774

A

1004-7344（2016）20-0066-02

2016-7-1