基于OPNET Modeler的数字化 变电站过程层网络实时性分析

朱峥, 李帅虎

(1.全球能源互联网发展合作组织,北京 100031;2.全球能源互联网集团有限公司,北京 100031; 3.长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082;4.湘潭大学 自动化与电子信息学院,湖南 湘潭 411105)

0 引 言

数字化变电站过程层网络是IEC61850[1-3］标准新引入的概念,承载着GOOSE报文和SV报文的传输任务,其实时性直接影响继电保护等应用的性能。本文采用OPNET Modeler[4-6］构建基于IEC61850 SCSM模型的过程层网络,与基于OSI模型的过程层网络的实时性能对比,分析基于IEC61850 SCSM模型的过程层网络在星型和环型等不同的组网方式下,采用优先级标签、VLAN等不同传输策略的实时性表现。

1 影响过程层网络实时性的关键因素

1.1 传输协议

基于TCP/IP和IEC61850 SCSM模型协议不同在于:在报文封装和解析过程中,前者需要从物理层到应用层共7层,而后者只需要从应用层-数据联络层-物理层3层协议,大大减少了传输时间。

1.2 网络负载

以太网采用载波多路侦听/碰撞监测(CSMA/CD)机制,节点以监听方式发送和接收数据。在发生故障情况下,过程层网络负载产生突发性数据流,网络负载加剧;电网正常运行时,由于保护、计量和故障录波的采样频率不同,形成的数据量不尽相同,相关节点不同拓扑结构将对网络负载产生不同的影响。

1.3 组网方式

过程层网络的组网架构是由交换机的连接方式以及IED设备与交换机的连接方式决定的。不同组网结构,一方面影响传输路径,另一方面映射网络流量分布。过程层网络典型的组网方式分为星型结构和环形结构。

2 基于OPNET Modeler的过程层建模

2.1 自定义建模

1) 业务自定义建模

数据包在TCP/IP各层协议进出情况如图1所示。receiver表示接收机,transmitter表示发送机,箭头表示数据包流向,其他各模块表示各层协议及相关计算模块。业务自定义建模构建自定义协议各模块的逻辑联系及数据流。

图1 TCP/IP协议

2) 状态机

OPNET Modeler使用状态机机制描述各层协议的内涵,用自定义来反映各状态发生的动作以及相互转换行为,如图2所示。

图2 状态机

3) 自定义函数

图3 IEC61850 SCSM模型

用户既可调用OPNET Modeler函数库已定义好的函数,也可自定义任意功能函数。

2.2 IEC61850 SCSM在OPNET中的建模

建立IEC61850 SCSM模型,并定义数据包的流向,如图3所示。报文自应用层直接映射至mac层,省略了IP地址解析过程;根据MMS在MMS Application模块中定义应用层协议,并编写传输延时计算函数;MMS Application协议模块实现过程层报文到MMS的映射;在mac和eth_mac_inf模块中定义MAC协议;src为数据源模块,数据生成函数根据过程层节点的不同应用选择;在receiver和transmitter中定义收发机的速率和支持的数据包格式。

3 过程层网络实时性分析

3.1 IEC61850 SCSM模型与OSI模型

仿真周期为120 s,链路采用10M光纤。保护用采样数据,报文内容包含9路信号,分别是三相电压及电流、中性点电压及电流和母线电压,每路信号16位,采样率为2.4 kb/s;计量采样和录波采样的采样率分别为6.4 kb/s和10 kb/s。根据标准IEC 60044-8,用户数据帧选用FT3格式,则数据长度为56字节。智能开关柜ISG以5 ms的周期广播开关量状态,报文长度设定为230字节。保护装置节点采用ON/OFF函数,包大小和到达间隔均服从指数分布,均值分别为32字节和0.1 ms,在60 s开始广播报文。取单间隔作为研究对象,采用传统以太网OSI模型及TCP/IP协议建立过程层网络,运行仿真;采用IEC 61850 SCSM模型建立过程层网络,运行仿真;采用十个间隔数据进行仿真,其余设置不变。

仿真结果见图4。采用单间隔仿真时,网络负载较轻,IEC 61850 SCSM模型实时性要略微优于传统以太网OSI模型;采用十个间隔仿真时,基于传统以太网OSI模型的过程层网络平均传输延时远高于4 ms的上限,不适用于过程层网络,而基于IEC 61850 SCSM模型的过程层网络平均延时小于4 ms,适合用于过程层网络;IEC 61850 SCSM模型与传统以太网OSI模型的平均传输延时将跟随网络负载的加重而扩大。

图4 IEC 61850 SCSM模型 与OSI模型平均传输延时

3.2 星型网络与环形网络

采用十个间隔节点数据,节点数据流与3.1节一致;仿真周期为120 s,链路采用100M光纤。仿真结果如图5所示。在前60 s,星型网络的传输延时要略低于环形网络,但相差不大;在后60 s,星型网络的的传输延时要略高于环形网络。分析其原因可知,从60 s开始,保护装置节点开始广播报文,网络的负载增大。报文在星形网络传输只要经过3个交换机节点,在环形网络传输则经过2～5个交换机节点不等。因此在负载较轻时,星型网络中心交换点未发生碰撞时,传输延时更小。当网络负载增大,星型网络中心交换节点负载超过37%时,中心交换机发生碰撞,星型网络传输延时增大。

图5 星型网络与环形 网络平均传输延时

3.3 传输优化策略

过程层网络传输优化策略主要有IEEE 802.1p/Q、VLAN技术。IEEE802.1p/Q是指在MAC层协议帧头中加入优先级字段来区分不同业务的处理优先级别,帧头结构如表1所示。VLAN是根据不同需求的节点进行对物理LAN进行划分,使得每个VLAN含有相同的逻辑功能和属性。采用IEC 61850 SCSM模型构建过程层网络,仿真周期为120 s,链路采用100M光纤;按照IEEE 802.1p/Q标记报文优先级——保护类GOOSE、SV、一般GOOSE、其他报文优先级分别为6、4、2、1;采用VLAN按照相关信息交互的原则将节点分组。分组示例如图6所示。

表1 IEEE802.1p/Q数据帧格式

图6 仿真模型VLAN划分

图7为采用和未采用传输优化策略的仿真结果。可见传输优化策略能有效分散网络负载,降低传输延时,充分发挥每个交换机的传输能力。

图7 采用和未采用传输优化 策略的网络平均延时

4 结束语

综上可知,基于IEC 61850 SCSM模型的过程层网络满足快速报文传输延时≤4 ms 的要求,能实际满足数字化变电站中继电保护等对实时性要求较高的应用。经过仿真验证,IEC 61850 SCSM模型的实时性优于传统以太网OSI模型,而且两者的差异随着网络负载的增加而扩大。在不同网络负载情况下,星形和环形网络实时性能不同,当网络负载较轻时,星型网络实时性较优。当网络负载较重时,环形网络实时性能较优。为进一步优化传输时长,可采用优先级标签、VLAN及组播技术等传输优化策略,能有效降低过程层网络传输延时,分散网络负载。基于过程层网络的实时性分析可在新建数字化变电站或传统变电站数字化改造工程中,在过程层网络测试、继电保护等应用的延时测试,以及传输时限优化策略等提供重要参考借鉴。