基于OPNET的继电保护信息系统信息流仿真方法

黄成巧

（广州供电局有限公司，广州 510000）

0 前言

继电保护信息系统作为一个对电网故障信息收集、处理和分析的平台，是电力二次系统的重要组成部分[1-2]。利用保信系统主子站间交互传输的信息流，可监视、管理和分析保护装置、故障录波器等二次设备的动作行为，有利于电网运维人员掌握电网实际故障状况，进而加快对电网故障的分析和处理，为恢复电力系统正常运行提供十分有力的支持[3-6]。

随着计算机技术、控制技术和电力通信技术的快速发展，保信系统主子站间采用网络化传输方式取代了传统的串行通信方式，解决了传统电网自动化信息一发多收和信息转发过程造成严重的延时等问题，达到实时信息全网共享效果[7-8]。该方式下的信息流成为主子站间信息交互的关键，其准确性以及有效性往往影响着保信系统的可靠性，对电网产生重大的影响。

鉴于网络化传输的信息流对二次系统的重要性，目前国内外众多的科研团队对此展开了一系列研究。文献[9]概述了由于目前智能电网的发展，保信系统的串口通信模式被改造为网络化模式，以此达到信息共享。但网络化的保信系统的信息流大小、传输模式等特性并不清晰，使该方式下保信系统存在安全隐患，故有对信息流进行仿真的必要。文献[10]指出，信息流承载着电网众多信息，其对电网的设计、设备选择、运行维护等都有重大影响，而信息流在网络中的具体流通细节、数据量等级仍处于探索阶段，有着进行仿真建模的需求。文献[11-12]指出OPNET作为主流的通信领域仿真软件，已被用来对变电站内部信息流的仿真，仿真效果很理想，但却没扩张到保信系统信息流的研究，导致该方面的研究处于空缺。

上述研究可知，目前保信系统信息流的研究并不透彻，其有研究的必要性。针对此，本文先分析了信息流仿真需求；再针对保信系统关键对象，建立相应的仿真模型；最后基于OPNET对保信系统典型的应用业务进行仿真，分析仿真结果，验证本文信息流仿真方法的正确性和可行性，为电力二次系统其他业务信息流的仿真提供借鉴。

1 保信系统信息流仿真需求分析

1.1 保信系统架构

保信系统由安装在调度机构或区控中心的主站系统、安装在厂站端的子站系统和提供信息传输用的电力调度数据网及接口设备组成，其结构如图1所示。子站系统采集和处理站内保护装置、故障录波器等设备的信息；调度数据网利用各种通信技术，建立了主子站间信息传输的通道；主站系统负责处理、分析和发布收到来自子站的信息。各部分相互配合，完成保护运行监视、电网故障监视、电网故障分析和专业管理等功能。

图1 保信系统结构图

1.2 保信系统信息流构成

保信系统承载的应用业务主要包括保护装置动作、告警、自检信息的采集和传输；保护模拟量和状态量的传输；历史动作、告警等事件查询和召唤；故障录波文件查询和召唤等。上述保信业务采用ΙEC 60870-5-103规约来传输，因此保信系统信息流即103规约的APDU（Application Protocol Data Unit）报文，其结构如图2所示，由APCΙ（Application Protocol Control Ιnformation） 和 ASDU（Application Service Data Unit）两部分构成。根据保信业务传输内容，把信息流归纳为三类：①监视功能的S格式报文；②控制功能的U格式报文；③信息传输功能的Ι格式报文。

图2 信息流结构图

1.3 仿真要素及需求分析

保信系统对电力二次系统重要性不言而喻，其信息流的特性是二次系统通信网络性能分析的基础，故需着重对其展开仿真和研究，其仿真要素可归纳为：

1）流量大小。流量是仿真时首要关注对象，涉及各种设备端口流量、链路流量等，其对系统的规划、设备选型、运维都有重大影响。

2）传输延时。延时表征信息流到达规律，着重考察信息流对信道的占用规律，同时关系到主子站能否及时收到对方的命令或上传数据，对保信系统性能有着重要影响，是一个重要的仿真要素。

3）丢包。网络中传输的每个报文都承载着主站的命令或厂站端相关信息，其具体内容与电网状况息息相关，故网络的丢包情况也是一个重点的考察内容。

目前信息流上述内容的研究仍主要依赖运行实测手段，对理论分析深度不够，更是缺乏相应的数学建模和仿真手段，导致信息流相关特性和流通细节的研究存在很大不足。在智能电网大力发展的背景下，保信系统主子站间交互的信息流数量庞大，若对信息流特性把握不够，势必会给二次系统的运维带来风险。故若能针对保信系统，建立一套足够精确且完整的信息流仿真模型，提高网络仿真的精度和速度，对研究保信系统具有重要意义。

2 OPNET的保信系统关键对象建模

保信系统关键对象由保信系统使用的通信协议、实体设备和提供信息流传输通道的调度数据网三部分组成。其中通信协议包括报文内容、交互方式、触发机制和发包规律；实体设备包含由服务器和客户端组成的终端设备、由交换机和路由器组成的交换设备以及由防火墙和加密装置组成的安全设备；调度数据网采用ΙP over SDH（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）技术体制，结合VPN（Virtual Private Network） 技 术、OSPF（Open Shortest Path First）路由技术来实现不同业务的安全分区及防护策略，保证业务能从源端准确到达目的地。

为利用OPNET实现信息流关键性能仿真，仅使用OPNET自带的标准模型显然达不到仿真需求，因此在分析保信系统通信网络特点基础上，结合OPNET建模仿真机制来构建保信系统仿真平台。本文选取OPNET自带模型参数整定和部分设备、协议自定义建模相结合的方式来对保信系统关键对象建模。

2.1 通信协议建模

协议作为信息流基本属性的表征，反映信息流格式、交互规则、组织形态、运行机制、性能需求等内容，是信息流仿真的基础。

2.1.1 报文建模

根据保信业务传输内容，把信息流归纳为三类：（1）监视功能的S格式报文；（2）控制功能的U格式报文；（3）信息传输功能的Ι格式报文。

1）监视功能报文：监视功能S格式报文只包含APDU报文的APCΙ部分，其大小固定：包含1字节启动字符、2字节APDU长度、4字节控制域，共7字节，如式（1）所示。

该类报文用于主子站间命令报文的确认，即当主子站正确收到1个或者多个APDU后发送S格式报文进行确认，属于随机性报文。

2）控制功能报文：控制功能U格式报文也只包含APDU报文的APCΙ部分，其大小和S格式报文一样，包括1字节启动字符、2字节APDU长度、4字节控制域，共7字节，如式（2）所示。

该类报文主要用于测试链路、控制启/停数据传输，在保信系统的主子站间，未使用但已建立的连接或某个时间段内没有数据传输时，将会启动测试过程发送U格式报文，其属于随机性报文。

3）信息传输功能报文：信息传输功能Ι格式报文除了包含APCΙ外，还包括携带主站与子站之间传递信息的ASDU。从图2中信息流结构可知，ASDU包含了1字节的类型标识、1字节的可变结构限定词、1字节的传送原因、2字节的ASDU公共地址和n个信息体。每个信息体包含了1字节的功能类型、1字节的信息序号、d字节的信息元素集（假设一个信息体里面有d个数目的信息元素集，d为变量）和t字节的信息体时标（若信息体时标出现t=7，否则t=0）。故Ι格式报文的大小如式（3）所示。

根据主子站间信息传输的内容，Ι格式报文的发送规律可分为以下三种：周期报文；随机报文；突发报文。

2.1.2 交互方式建模

保信系统的主站与子站的信息流交互方式可归纳为以下三类：通信链路启动过程、主站召唤过程和子站主动上送信息过程。

1）通信链路启动过程：当保信系统重启、通信链接中断后恢复通信过程都会在主站与子站之间重新启动通信链路，如图3所示。该过程就是建立TCP连接过程，然后进行总召唤。

2）主站召唤过程：当主站需要了解保护设备或故障录波器信息，包括读模拟量、读取子站配置、召唤装置故障历史信息等，才用召唤命令方式来实现。为便于用一种通信过程来描述多种业务的传输过程，本文利用103规约提供的通用服务过程为基础进行建模，其通信模型如图4所示。

图4 通用服务的通信模型

图3 通信链路启动模型

3）子站主动上送信息过程：当电网发生故障或设备装置运行异常时，保信子站把相应的动作或异常信息封装成103报文，主动上送到主站端。子站上送的信息内容主要包括：突发数据、保护动作信息、简要录波报告、故障量数据等，通信过程如图5所示。

图5 子站上送信息过程

2.1.3 发包特性及触发机制建模

保信系统信息流有三种发包特性，每种发包特性都采用特定的报文触发机制。

1）周期性发包特性：用函数constant来触发该特性，设定的参数即规定循环发送报文的固定周期时间。

2）随机性发包特性：用函数uniform来触发该特性，该函数设定的是在某一时间段内随机数，在仿真过程中随机出现的数据时刻即触发内部函数发包来实现。

3）突发性发包特性：该特性可在仿真过程中设定具体某一时刻发送数据包来实现。

2.2 实体设备建模

实体设备作为信息流产生、传递和应用的实体，其模型一方面需要体现设备功能，另一方面需要体现信息流处理机制和处理能力。

实体设备包括主子站端的服务器或路由器、交换机和调度数据网中的路由器等。OPNET自带多种上述设备模型，根据保信系统仿真需求选择相应型号的设备，再通过参数整定方式对其建模，如表1所示，其余参数均采用默认值。

表1 实体设备建模内容

2.3 调度数据网建模

2.3.1 网络结构建模

基于保信系统的纵向业务为主，横向业务较少的特点，同时考虑调度数据网运行维护的要求，采用分层结构来构建调度数据网。

1）接入层：包括发电厂、220 kV以上变电站端路由器，下接变电站站控层设备，对上采用2M链路接入SDH网络上连接到就近的汇聚层节点。。

2）汇聚层：地市级路由器组成，每2或3个聚路由器通过155M或622M链路连接在一起形成一组，每一组分别由两条链路连接到上一层路由器。

3）核心层：由省调的路由器构成，采用2GE光口互联、双设备冗余备份方式组网。

2.3.2 通信技术建模

VPN技术在OPNET中建模是基于隧道技术，通过隧道协议将在源端对原数据包添加包头重新封装，使其能在网络中传输，并能按照添加新包头的地址传输到终端设备，终端设备再拆除新包头，获得原数据包。VPN技术用于隔离保信系统的Ⅰ区和Ⅱ区业务，保证不同区的业务在传输过程中互不影响。

OSPF路由技术通过路由器之间链路来建立链路状态库，并生成最短路径树，同时利用最短路径来构造路由表。调度数据网即按照路由表在不同路由器之间传输数据包。

VPN和OSPF在OPNET中主要设置参数如表2所示。

表2 VPN和OSPF的建模内容

3 信息流仿真模型实现与分析

3.1 仿真模型实现

OPNET提供了应用业务的仿真机制，利用自带的Task Config、Application Config和Profile Config三个节点互相配合能够实现服务器和客户端之间业务的传输，可用于实现信息流的产生、传递和应用等功能。

1）Task Config。其用来模拟报文内容建模，完成对信息流模型的加载和描述。本文把在主子站间单向通信一次的过程叫做一个Phase（阶段），其描述了信息流的特征。当利用Task Config完成对所有报文内容建立后，即初步建立了完整的信息流单体模型。

2）Application Config。其用来模拟信息流交互方式，在Task Config建立好的信息流单体模型基础上实现主子站间的信息交互特性。本文把完成一种业务功能称为一个Application（应用），保信系统各种业务功能需主子站间的信息流互相配合传输来实现，在OPNET中体现为不同的phase之间互相配合。

3）Profile Config。其用来模拟保信应用业务，根据业务类型和内容，把不同的Application封装组合起来，形成保信系统主子站间完整的通信过程。

上述三个节点主要建模内容如表3所示，其余参数均采用默认值。

表3 协议模型的实现

实现协议模型后，再将其加载到服务器/客户端模型中，其过程如下：将服务器（或客户端）的实际目的地址（或源地址）与在“Application Config”模型或者“Task Config”模型中设置的目的地址（或源地址）象征名形成一一对应的映射，并为服务器（或客户端）添加其所支持的Profile类型，即实现了设备模型。

3.2 仿真及结果分析

3.2.1 场景设置

本文选择网络拓扑结构如图2所示的某供电局220 kV变电站的保信系统主子站间交互的信息流为研究对象。图中，保信主站与子站分别用服务器与客户端模型表示。

在仿真场景中，本文设置几种常用的应用：①主站的总召唤，起始时间为2 min，召唤周期为15 min，变电站内的遥信点数为1226，遥测点数为323；②主站对子站进行一系列操作，包括8 min时对子站进行定值操作，11 min时读子站配置、读模拟量、和召唤子站装置故障历史信息；③子站分别在13 min时上送突发数据、19 min时上送保护动作信息、21时 min上送简要录波报告、31 min时上送故障量数据到主站；④主站在36 min时，召唤某一时间段内的故障录波文件，文件数量为10。确定应用业务类型及配置所需参数后，依次在Task Config、Application Config和Profile Config中建立信息流大小、触发特性、发送周期以及交互模型，再加载到服务器和客户端。

3.2.2 仿真结果分析

设置仿真总时长为50 min，选择保信系统主子站间互相传输的信息流为统计量，仿真结果如图6所示。

图6 保信系统仿真结果

从图6仿真结果，可得出如下结论：

1）子站端传出的流量以总召唤与故障录波文件传输情况下的流量为主，而主站端传出的流量以总召唤与主站对子站进行的一系列操作产生的流量为主，其他各种情况下的流量相对较小，因此系统运行过程中，应避免上述几种流量较大的情况同时运行。

2）对比主子站间互相传输的流量，从主站流向子站方向的信息流远远比从子站流向主站的信息流小，这是由于主站传出的信息流来源于其下发的各种召唤命令以及对子站上传数据的确认，而子站传出的信息流包括了上传电网的异常、故障信息或故障录波文件，因此流量比较大。

3）保信系统端口流量较小。子站端传出最大流量为0.42 Mbps的总召唤流量，其次为0.24 Mbps的故障录波文件传输流量。故能够满足实际系统2M链路带宽的需求。但为了保证关键业务传输的实时性，建议把实时性要求较低且流量较大的部分业务如故障录波文件传输放到安全Ⅱ区运行，其他业务保留在安全Ⅰ区。

4 结束语

针对信息流在保信系统的重要性及目前研究所存在的不足，本文以保信系统业务为切入点，对信息流的特性及其在主子站间的交互特性展开详细的研究及建立相应的模型，并基于OPNET提出了保信系统信息流的仿真方法。最后，通过从某变电站上送到调度端的几种常用保信业务为案例来验证本文方法的正确性和可行性，为研究电力二次系统其它应用业务的传输特性提供重要的借鉴。