基于OPNET的智能变电站网络性能分析

于 翰,王学斌

(1.国网甘肃省电力公司检修公司,兰州 730070;2.国网兰州供电公司,兰州 730070)



基于OPNET的智能变电站网络性能分析

于 翰1,王学斌2

(1.国网甘肃省电力公司检修公司,兰州 730070;2.国网兰州供电公司,兰州 730070)

通用面向对象的变电站事件(GOOSE) 是IEC61850系列标准中定义的变电站通用事件模型,是用于智能变电站满足IED设备之间快速交换实时数据的需求。为此,在监控网与GOOSE网合一即所谓两网合一的网络结构基础上,利用电力通信同步仿真平台(EPOCHS)进行通信网络动态仿真。通过对GOOSE及采样值(SAV) 实时性的仿真分析结果可知,全站统一式通信网络通过合理划分VLAN和设置优先级可以满足智能变电站通信网络的功能要求,研究结论可为报文优先级、网络带宽及组网的创新拓展提供理论依据。

两层一网;数据流量;VLAN;OPNET

当前智能变电站配置站控层、间隔层和过程层,以及采样值(SV)网和通用面向对象的变电站事件(GOOSE)网合一的三层两网结构[1-2]。但随着对IEC61850规约的深入研究以及电子式互感器、断路器等技术的发展,利用共网技术实现制造报文规范(MMS)与GOOSE以及SV的共网传输具有更大意义。然而,网络系统是智能变电站的神经系统,其网络通信性能决定了自动化系统的可用性,且实现网络数据最大限度共享的同时也加大了网络时延和负荷的不确定性,因此对并网后的通信网络研究很有必要[3-5]。

本文对组网结构进行优化,提出两层一网结构。首先分析变电站信息传输特性,绘制出信息流图[6];并采用220/66kV智能变电站为算例模型,通过基本的数学模型计算出所选变电站的网络信息流量和SV报文网络延时;根据计算结果对通信网络进行VLAN划分,通过OPNET软件分析网络性能,对比有无VLAN时数据流量及网络延时,验证两层一网结构的可行性[7-10]。

1 OPNET仿真机制

1.1 采用基于离散事件驱动的仿真机制

仿真开始前设定一个仿真时间T,仿真的实际时间远远小于T。这是因为OPNET仿真的时间都消耗在两个方面:一是某一决策点上网络进行决策的耗时T1;二是网络状态变化过程时长T2。在这两种时间段内反映网络性能的数据才是仿真统计分析的依据。为了仿真结果真实,这两种时间段不是连续的,是离散分布的。网络模型不变化不决策的时间段对应的实际时间都为0 s。通过以上描述可以看出

T=nT1+mT2

(1)

1.2 采用基于包的通信机制

不同领域网络传输的数据差异性较大,所以不仅对网络拓扑、节点设备建模,还要针对网络中传输的数据建模。包就是仿真建模而来的数据,用于模拟数据在网络中的传输。节点模型的内部进程模拟数据处理就是对包的处理。

1.3 采用层次化建模机制

主要体现在OPNET软件中提供NetworkEditor进行网络拓扑建模、NodeEditor进行节点设备建模和ProcessEditor进行运行程序建模。

2 组网性能理论计算及VLAN配置

2.1 报文流量及延时计算

设定annouce,Sync,Follow-Up报文发送周期为1s,delay报文发送周期为8s,且均同时发送。依据式(1),计算情况4的报文流量为

Q4=(82+64+64+72+72)×8=3408bit/s

基于以上计算,在最恶劣条件下,可以得到变电站组网流量如表1所示。

本文设定SV采样周期是80点/周、报文长度为125字节,则LSF=125×8/100=10μs,包含10个MU的网络负载η%=L×10/100=50×80×125×8×10/100=40%,L为网络带宽,可以得到SV传输的时延为10+10+5+4=29μs。

2.2 优化组网的VLAN配置

将过程层网络和站控层网络合并为一个统一

网络,采用VLAN技术。采用全站统一式的智能配电变电站通信网络为对象进行针对性研究。原因是66kV的智能配电变电站数量巨大,而且多为终端变电站,由于环形网络数据延时较长,此变电站采用星型网络结构,其中包括2个66kV进线间隔、1个66kV母线分段间隔、2个主变间隔、4个10kV馈线间隔(后期可扩展)、1个10kV母线间隔。66kV侧采用单母分段接线,10kV侧采用双母线接线,每个间隔配置1台交换机,各间隔通过中央交换机连接到站控设备和服务器。中央交换机采用三层的高性能工业级交换机,网络选择100Mbit/s带宽,综合自动化系统通信网络配置如图1所示。

图1采用全站统一式的网络传输方案,而本方案在按照间隔划分方案的基础上,实现了跨间隔与跨层划分VALN,能在实现数据共享的同时,更加有效降低网络负载,VLAN划分方案如表2所示。

VID-210-290实现站控层与间隔层跨层通信,消除了SV报文对网络负载的影响,站控设备发布的命令可以快速到达终端设备;VID-7010-7020与VID-7130-7160实现跨间隔通信,母线故障时可以进行联动,并限制其他间隔的SV报文流向母线间隔;VID-10-60、VID-70-71与VID-80-90都是面向间隔进行划分,在本间隔内通信实现“直接采样、直跳跳闸”功能,并有效降低通信延时,提高网络利用率。

间隔1故障的数据流向如图2所示。在合理划分VLAN之后,馈线间隔1故障时,馈线间隔1的保护控制IED发布跳闸命令将母联断路器和馈线间隔1的断路器跳闸,并且快速返回一个GOOSE报文,此种方案可以最大限度减少网络流量,减轻网络负载。

表1 星型网流量计算

图1 统一式通信网络配置图

VID VLAN包含的设备2站控设备和服务器210-290站控设备和服务器分别与每个间隔的保护控制IED和智能终端7010-702066kV母线间隔的MU、保护控制IED、智能终端与66kV侧每个间隔保护控制IED、智能终端7130-716010kV母线间隔的MU、保护控制IED、智能终端与10kV侧每个间隔保护控制IED、智能终端10-6066kV进线和10kV馈线各自间隔中的MU和保护控制IED、智能终端70-7166kV母线、10kV母线各自间隔中的MU和保护控制IED、智能终端80-90变压器间隔1或2中的MU、保护控制IED、智能终端

图2 间隔1故障的数据流向

2.3 OPNET仿真及对比分析

2.3.1 网络仿真参数设置

优化组网的通信网络选用星形拓扑结构,可以使用网络编辑器(Network Editor)快速铺设星形网络拓扑结构。中央交换机采用三层的工业级交换机,此类交换机具有链路汇聚功能,其他间隔交换机使用二层交换机。仿真结构图如图3所示。

由于继电保护等应用的高实时性,IEC61850 支持直接映射到数据链路层,GOOSE和SV协议栈只采用了OSI中的4层,并采用IEEE802.1Q、IEEE802.1P协议,其目的是提高可靠性和降低传输延时。MMS报文基于IEC61850-8-1标准,协议栈利用ISO的所有7层协议,这类报文传输实时性要求相对于GOOSE和SV报文要低。故在仿真设置参数时,过程层的MU和站控层的服务器可以直接取用 ethernet-station-adv 节点模型,因为它模拟的是4层协议的节点模型,省去了会话层、传输层以及网络层的高层协议开销,让其模拟合并单元产生 SV 数据报文,基本符合 IEC 61850 规定的要求。除此之外,全站所有的断路器IED、保护&控制IED等设备都由 ethernet-wkston-adv节点模型来模拟。ethernet-station-adv和ethernet-wkston-adv节点内部模型如图4所示。

图3 仿真拓扑结构

图4 四层节和七层节点模型图

仿真为避免数据集中发送影响仿真结果,设置在不同时刻发送,SV从0 s开始直到仿真结束,在5 s开始上传设备状态信息,8 s时刻设置66 kV馈线间隔1故障跳闸,从8 s到12 s之间设置为开始发送GOOSE报文,其中T0=500 ms,按T1=2 ms,T2=3 ms,…,间隔发送。11 s开始用FTP模拟站控设备到服务器之间的大文件传输。仿真数据流量配置如表3所示。GOOSE行为由 Task Config自定义的应用服务,通过多次重复业务主询实现其传输机制,采用不可靠的无连接 UDP 协议以减少网络延时。由于GOOSE报文是心跳报文,所以GOOSE 报文采用 ON/OFF 机制,发送报文的时间间隔为1 ms,其中ON 状 态 的 出 现 服 从pareto(1.1,0.000 512) 分布,并产生GOOSE报文,而 OFF 状态的出现服从参数为Poission(50)的负指数分布。文件传输采用的是TCP 协议,根据IEC 61850中的实时性要求,把GOOSE报文和跳闸报文设置为7级,可以让GOOSE报文和跳闸命令报文具有优先的发送权和接收权。按照VLAN方案进行设置,IEC61850标准规定SV报文和GOOSE报文传输时延不得超过3 ms,对其他类型报文实时性要求不高。因此,对设备状态信息和文件传输报文只是为了构成综合传输场景,以便更加真实地模拟变电站数据流,仿真主要考察有无VLAN情况下SV报文和GOOSE报文的传输时延和网络负载对比情况。

2.3.2 仿真结果分析

2.3.2.1 100 Mbit/s交互式交换机采样值仿真

模型包括10 kV母差保护、多个合并单元MU、核心交换机、各间隔交换机等,采用全站唯一星形网络母差保护直接连到核心交换机,采样值通信采用IEC61850-9-2协议,报文长度为171字节,采样频率为80点/周波,组织多路MU同时向10 kV母差保护发送采样值,仿真结果如图5所示。

表3 仿真数据流量配置

图5 母线保护采样值延时

由仿真结果可以看出:1)当采用100 Mbit/s交换式以太网时,信息传输上限约为91 Mbit/s;2)当母差保护的吞吐量小于90 Mbit/s时,网络的采样值时延可以达到SV报文传输的约束条件,且不会出现发散及丢包现象;3)如果把采样频率提高,链路利用率为91%的采样值出现发散,而低于91%的链路不会发散,则可知链路吞吐量和报文的帧大小发送频率等都会影响交换式以太网的传输性能;4)设定母差保护的MU每周期采样为80点,则需带宽为5.47 Mbit/s,而通常带宽的上限最多为16.64个MU;5)当母差保护需要较多的MU采样值时,就需要考虑采用1000 Mbit/s通信链路,并要求采用高性能的处理器用于母差保护。

2.3.2.2 馈线间隔故障时仿真结果

仿真数据:1)F1馈线出现故障;2)继电保护设备的主频为100 MHz,其背景使用率通常为0%;3)本间隔MU的采样值由保护设备接收,采样频率为80点/周波;4)本间隔断路器跳闸GOOSE报文由保护装置发送;5)当线路发生故障时保护装置向站控层的服务器上传文件(文件比例为50%)。对比有无VLAN对全站统一式通信网络延时的影响。运行OPNET仿真模型,仿真结果如图6所示。

图6 中央交换机网络负载图

图6给出了中央交换机的网络负载情况。前8s为正常状态,在划分了VLAN的网络中,可以看出在前5 s中央交换机收包率为0 packets/s,5 s后收到设备状态信息,在8 s开始由于馈线间隔1故障有GOOSE报文而有小幅度上升,11 s收到FTP文件而有一个上升。通过对比可以看出,若不划分VLAN,前5s保护控制IED会因为SV广播而收到其他间隔的SV报文,总共接收32 000 packets/s,加重交换机负载,划分VLAN后,SV报文只在本间隔传输,中央交换机不会收到其他间隔SV报文,这样可以有效减轻中央交换机负载,这可以保障实现全站统一式网络。

图7给出了故障间隔通信网络的延时对比图。在划分VLAN之后,网络延时明显减少,而且在故障时延时抖动较小,有利于保护功能的速动性和可靠性。并且在5s前在本间隔传输的仅仅为SV报文,网络延时大约为2 s,与理论计算结果符合,由此证明OPNET仿真结果是可靠的。

图7 故障间隔的网络延时

2.3.2.3 10 kV母线I间隔故障时仿真结果

仿真条件:1)10kV母线I发生故障;2)10 kV母差保护装置同时接收4个跨间隔采样值,然后向相应的4个智能断路器发送跳闸GOOSE报文,同样采用VLAN与优先级标记技术,其他仿真条件同场景1。对比有无VLAN对全站统一式通信网络延时的影响。

图8给出了中央交换机的网络负载情况。如果没有VLAN和优先级标记,中央交换机网络负载率很高而且网络性能不稳定,有形成广播风暴的危险,造成网络阻塞;在划分了VLAN的网络中母线故障后,因为有GOOSE报文出现而有小幅度上升,但是网络性能较好。

图9给出了母线间隔和其他间隔通信网络的延时对比图。没有VLAN时,报文传输延时明显比划分VLAN的要大,而且抖动十分明显,不利于保护功能的速动性和可靠性;在划分VLAN后,延时抖动较小,有利于保护快速动作,提高网络利用率,降低网络延时。

图8 中央交换机网络负载图

图9 母线间隔的网络延时

3 结 论

本文对智能变电站的全站数据流进行数学建模,进而根据不同的数据流特点设置仿真参数,利用OPNET网络仿真软件,验证了在馈线故障和母线故障这种极端情况下的通信网络性能。得出了全站统一式通信网络通过合理划分VLAN和设置优先级可以明显抑制网络风暴,降低延时抖动。并验证了两层一网结构在网络通信方面的正确性,可以满足智能变电站通信网络的功能要求。这种方案可以实现最大程度的数据共享,优越性十分明显。

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(责任编辑 侯世春)

Analysis of network performance of intelligent substation based on OPNET

YU Han1, WANG Xuebin2

(1.Maintenance Company of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China;2.Lanzhou Power Supply Company of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China)

Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) is the generic substation object model defined in IEC61850 standard, used to meet the requirements of fast exchange of real-time data between IED for intelligent substation.On the basis of the integrated network structure, which is called the unity of monitor network and GOOSE network, it used EPOCHS to make dynamic simulation of communication network.Through the analysis of GOOSE and sampled value (SAV) of real-time simulation, it shows that global unified communications network, of which VLAN and priorities are rationally set, is able to meet the functional requirements of intelligent substation communication network.Besides, the conclusions of this study can be used as message priority, innovative network bandwidth and network expansion theory.

two layers with one net;date flow;VLAN;OPNET

2016-05-12。

于 翰(1986—),男,工程师,主要研究方向为电力系统运行分析与控制。

TM63

A

2095-6843(2016)05-0389-06