基于OPNET Modeler的變電站層通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能仿真

汪哲民，張 帆

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。近年來隨著變電站自動(dòng)化的功能變得越來越強(qiáng)大，所有功能的實(shí)現(xiàn)都需要依靠通信網(wǎng)絡(luò)，都需要快速通信和數(shù)據(jù)共享，這對(duì)站內(nèi)通信提出了更高的技術(shù)要求。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的幾種網(wǎng)絡(luò)通信模式各有特點(diǎn)，但各種協(xié)議統(tǒng)一到以太網(wǎng)上是網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的一大趨勢(shì)[1]。

變電站自動(dòng)化設(shè)備大多建立在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的通信，變電站自動(dòng)化設(shè)備都需要具備直接的以太網(wǎng)接口。目前以太網(wǎng)應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的最大問題是網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性的問題，且對(duì)變電站以太網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性的研究大多建立在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，對(duì)于由基于嵌入式系統(tǒng)的變電站自動(dòng)化設(shè)備組建的變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性研究較少，而且缺乏具體的、量化的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析。因此，針對(duì)嵌入式以太網(wǎng)在變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性研究具有現(xiàn)實(shí)性和必要性。本文基于嵌入式以太網(wǎng)，對(duì)變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)和實(shí)時(shí)性進(jìn)行了研究。

1 時(shí)延構(gòu)成分析

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能大多由分布于不同物理設(shè)備的兩個(gè)或多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)文協(xié)調(diào)完成。例如，物理設(shè)備IED1的功能A把報(bào)文發(fā)送到位于物理設(shè)備IED2中的功能B，報(bào)文傳輸過程如圖1所示[2]。

在報(bào)文傳輸時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功能A將待發(fā)送報(bào)文按幀格式封裝，通過系統(tǒng)調(diào)用功能將報(bào)文發(fā)送至操作系統(tǒng)。報(bào)文首先要經(jīng)過高層協(xié)議進(jìn)行分層處理，然后調(diào)用MAC層的以太網(wǎng)控制器(NIC)驅(qū)動(dòng)程序的發(fā)送模塊。在NIC的發(fā)送模塊中，將要發(fā)送的報(bào)文傳送到NIC的發(fā)送緩沖區(qū)。最后，報(bào)文按照串行次序通過物理層的通信接口發(fā)送出去。

圖1 變電站報(bào)文傳輸過程

與發(fā)送節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，接收節(jié)點(diǎn)也需要類似的過程。報(bào)文到達(dá)時(shí)，首先由NIC產(chǎn)生中斷信號(hào)觸發(fā)CPU中斷，CPU響應(yīng)中斷后進(jìn)入中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，將報(bào)文從MAC層NIC的接收緩沖區(qū)復(fù)制到內(nèi)核空間，并同時(shí)產(chǎn)生高層協(xié)議處理任務(wù)。然后，操作系統(tǒng)調(diào)用高層協(xié)議處理任務(wù)，由該任務(wù)將報(bào)文從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間。最后，功能B從用戶空間提取報(bào)文。

從上述過程可以看到，報(bào)文傳輸過程的實(shí)質(zhì)是由發(fā)送節(jié)點(diǎn)的某功能產(chǎn)生發(fā)送報(bào)文，經(jīng)過各層協(xié)議的封裝解析并通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的某功能，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延就是在這個(gè)過程中產(chǎn)生的。根據(jù)時(shí)延的產(chǎn)生過程和影響因素的特征，將報(bào)文的端到端時(shí)延分成三部分：發(fā)送處理延遲τ1、網(wǎng)絡(luò)鏈路延遲 τ2及接收處理延遲 τ3。

發(fā)送處理延遲τ1是以發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功能A將應(yīng)用數(shù)據(jù)交給協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)議封裝開始，到通信控制器實(shí)際開始報(bào)文發(fā)送之間所經(jīng)歷的延遲。接收處理延遲τ3是從接收節(jié)點(diǎn)的通信控制器開始報(bào)文接收，到協(xié)議棧進(jìn)行協(xié)議拆封并最終將應(yīng)用數(shù)據(jù)提交給端系統(tǒng)的功能B之間的延遲?？梢钥闯觯?、τ3與通信控制器的性能、操作系統(tǒng)的性能以及所采用的通信協(xié)議的性能有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用合適的微處理器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及高效的通信協(xié)議。

鏈路延遲τ2是報(bào)文從發(fā)送節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口，到達(dá)最終的接收節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口期間所經(jīng)歷的全部延遲，主要包括傳輸時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和傳播時(shí)延。τ2的大小主要取決于通信網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制方法、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?bào)文的長(zhǎng)度以及傳輸?shù)木嚯x等因素。其中，排隊(duì)時(shí)延是造成網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不確定的主要因素。

2 OPNET Modeler的應(yīng)用

OPNET公司起源于麻省理工學(xué)院 (MIT)，1986年成立，1987年OPNET公司發(fā)布了其第一個(gè)商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化工具，使得具有可預(yù)測(cè)性的網(wǎng)絡(luò)性能管理和仿真成為可能。OPNET公司1998年進(jìn)入中國(guó)，并快速發(fā)展。由于OPNET公司其出眾的技術(shù)而成為了當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的智能化網(wǎng)絡(luò)仿真、分析、管理解決方案的提供商。本文使用OPNET公司的第一個(gè)商業(yè)化產(chǎn)品——OPNET Modeler，它是當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)環(huán)境，以其無與倫比的靈活性應(yīng)用于設(shè)計(jì)和研究通信網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、設(shè)備中。OPNET Modeler為開發(fā)人員提供了建模、仿真以及分析的集成環(huán)境，大大減輕了編程和數(shù)據(jù)分析的工作量[3]。

OPNET Modeler為通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的建模及性能評(píng)估提供了一個(gè)綜合的開發(fā)環(huán)境和分析平臺(tái)。OPNET Modeler由許多工具組成，每一個(gè)工具關(guān)注建模任務(wù)的一個(gè)具體方面，對(duì)應(yīng)于項(xiàng)目建模和仿真流程的三個(gè)階段：規(guī)范說明階段、數(shù)據(jù)收集階段、仿真分析階段。這些工具也可劃分為三個(gè)主要類別：規(guī)范說明工具、數(shù)據(jù)收集工具和仿真分析工具。項(xiàng)目建模和仿真流程的三個(gè)階段按序執(zhí)行，通常形成一個(gè)環(huán)，在這個(gè)環(huán)中規(guī)范說明實(shí)際上被分為兩部分：初始化定義和重定義。初始化定義執(zhí)行后進(jìn)入環(huán)中循環(huán)，經(jīng)過數(shù)據(jù)收集、仿真及分析，最后回到規(guī)范說明的重定義部分繼續(xù)循環(huán)。其項(xiàng)目仿真流程如圖2所示。

圖2 OPNET Modeler項(xiàng)目仿真流程圖

3 站級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型的建立

站級(jí)網(wǎng)絡(luò)在多數(shù)時(shí)間里只有報(bào)告報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低，但保護(hù)動(dòng)作、控制等隨機(jī)事件和突發(fā)事件發(fā)生后會(huì)產(chǎn)生事件報(bào)告、控制命令、變位信息及文件傳輸?shù)葓?bào)文，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷短時(shí)增大[4]。站級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱?bào)文除了具有周期性和隨機(jī)性的特點(diǎn)外，還具有突發(fā)性數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)。

考慮到站級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信，因此，站級(jí)網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文應(yīng)該能在Internet上傳輸，這樣就要求各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的高層協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議。本文的各種仿真節(jié)點(diǎn)模型均基于OPNET Modeler的TCP/IP模板來建立，站級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本模型如圖3所示。

站級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型的建立以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中的D2型配電變電站為例[5]。大多數(shù)D2變電站內(nèi)的總元件數(shù)多于5個(gè)，少于20個(gè)。一個(gè)典型的D2型變電站一般有兩路為輸電電壓等級(jí)的進(jìn)線，兩臺(tái)主變電站，低壓側(cè)有兩段及以上的母線，若干條最高電壓等級(jí)不超過35 kV的饋出線路。本文選擇20個(gè)IED構(gòu)成間隔層設(shè)備和一個(gè)監(jiān)控主機(jī)(圖4中的SCADA)。又因站級(jí)網(wǎng)絡(luò)包含突發(fā)性數(shù)據(jù)流，因此本文采用一個(gè)文件傳輸協(xié)議FTP(File Transfer Protocol)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)來模擬產(chǎn)生故障錄波、文件、定值等大量突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[6]，并通過應(yīng)用配置和配置描述兩個(gè)模塊來設(shè)置應(yīng)用層業(yè)務(wù)。

根據(jù)變電站的實(shí)際情況，本文選擇網(wǎng)絡(luò)的基本參數(shù)有：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)半徑為500 m，網(wǎng)絡(luò)帶寬為10 Mb/s，中間節(jié)點(diǎn)選擇交換機(jī)，構(gòu)成的站級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖4所示。

圖3 站級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本模型

圖4 站級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真模型

圖4中的各節(jié)點(diǎn)具體通信行為如下：

(1)間隔層設(shè)備節(jié)點(diǎn)，即圖中的 IED_1～I(xiàn)ED_20。這些設(shè)備主要向監(jiān)控主機(jī)傳輸一些報(bào)告類型的報(bào)文，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為周期性數(shù)據(jù)流?？紤]到報(bào)文增加了上層協(xié)議的封裝，報(bào)文的長(zhǎng)度取512 B，報(bào)文到達(dá)的時(shí)間間隔取 20 ms。

(2)監(jiān)控主機(jī)節(jié)點(diǎn)，即圖中的SCADA。監(jiān)控主機(jī)向IED_1～I(xiàn)ED_10隨機(jī)發(fā)送控制報(bào)文，應(yīng)用層數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為256 B，報(bào)文到達(dá)為泊松到達(dá)，到達(dá)時(shí)間間隔服從λ=0.01 s的指數(shù)分布。

(3)F TP服務(wù)器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)傳送的FTP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，用來模擬間隔層設(shè)備向變電站層設(shè)備上傳的突發(fā)性數(shù)據(jù)流。本文模擬10個(gè)IED的突發(fā)性數(shù)據(jù)流，報(bào)文長(zhǎng)度服從1 024 B的常數(shù)分布。根據(jù)ON/OFF數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)，取ON狀態(tài)持續(xù)時(shí)間服從Pareto分布，其參數(shù)為k=1 ms， α=1.2。OFF狀態(tài)持續(xù)時(shí)間服從參數(shù)λ=0.01s的指數(shù)分布。

4 仿真結(jié)果

建立的仿真節(jié)點(diǎn)模型采用完整的TCP/IP協(xié)議棧，考慮到TCP/IP協(xié)議棧較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延包含報(bào)文在發(fā)送和接收端處理時(shí)間的端到端延時(shí)。經(jīng)過仿真得到的站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的端到端信息傳遞時(shí)延的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仿真結(jié)果

從圖5可以看到，隨著大量突發(fā)性和隨機(jī)性數(shù)據(jù)流的加入，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延在1.6 ms～1.7 ms之間，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延產(chǎn)生一定的波動(dòng)，同時(shí)站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延比過程網(wǎng)絡(luò)的鏈路時(shí)延要高出很多。也可以看出，除了網(wǎng)絡(luò)本身，端節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)議棧的處理能力也是影響通信性能的重要因素?？紤]到間隔層設(shè)備大多采用嵌入式系統(tǒng)，對(duì)協(xié)議封裝和拆封的開銷不能忽略，在滿足系統(tǒng)開放性的基礎(chǔ)上，采用精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧是必要的選擇。

依據(jù)變電站站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際要求，在對(duì)各間隔層設(shè)備模型協(xié)議棧進(jìn)行裁剪的基礎(chǔ)上，對(duì)端對(duì)端傳遞時(shí)延進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。比較圖5和圖6可以看出，經(jīng)過裁剪的TCP/IP協(xié)議的嵌入式以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的端對(duì)端傳遞時(shí)延要比裁剪前時(shí)延要減少0.3 ms左右。

本文對(duì)變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)延構(gòu)成進(jìn)行了分析，采用動(dòng)態(tài)仿真軟件OPNET Modeler對(duì)電站嵌入式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立了變電站通信網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，具體研究了變電站層嵌入式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，研究結(jié)果證明了嵌入式以太網(wǎng)在變電站網(wǎng)絡(luò)通信中的可行性。

圖6 應(yīng)用裁剪TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仿真結(jié)果

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