數(shù)字化變電站過程層通信網(wǎng)絡(luò)實時性仿真分析

宋園果，舒勤，賀含峰

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；2.四川省電力公司科技信通部，成都 610041）

數(shù)字化變電站過程層通信網(wǎng)絡(luò)實時性仿真分析

宋園果1，舒勤1，賀含峰2

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；2.四川省電力公司科技信通部，成都 610041）

闡述了基于IEC 61850的數(shù)字化變電站的三層結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵功能技術(shù)。對數(shù)字化變電站過程層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了分析，并對基于IEC 61850-9-2的SV報文及GOOSE報文進(jìn)行流量大小分析，結(jié)合某數(shù)字化變電站工程采用OPNET仿真軟件對變電站過程層IED設(shè)備的端到端延時進(jìn)行了仿真，并以間隔為單位采用VLAN技術(shù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，交換式以太網(wǎng)完全能滿足過程層的網(wǎng)絡(luò)通信，而且采用VLAN技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)通信的實時性。

數(shù)字化變電站；過程層；端到端延時；OPNET；IEC 61850-9-2

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、光電技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展，非常規(guī)電子式互感器，智能設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，數(shù)字化變電站通信中采用以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，取消傳統(tǒng)的“硬接線”已成為一種趨勢。數(shù)字化變電站自動化功能之間的邏輯配合關(guān)系建立在信息交換的基礎(chǔ)上，以太網(wǎng)技術(shù)中的時延不確定性是對數(shù)字化變電站通信影響最為嚴(yán)重的問題之一。本文將數(shù)字化變電站間隔內(nèi)的物理設(shè)備按功能分為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中邏輯節(jié)點，對邏輯節(jié)點的端到端時延進(jìn)行分析，最后用OPNET軟件對網(wǎng)絡(luò)的實時性進(jìn)行了仿真驗證。

1 過程層以太網(wǎng)的時延不確定性

數(shù)字化變電站過程層的通信采用的是交換式以太網(wǎng)技術(shù)，它很好地解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的CSMA/CD協(xié)議的沖突問題，而且交換式以太網(wǎng)支持并行傳輸數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，支持優(yōu)先級技術(shù)，確保重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

時延不確定性定義為不能保證數(shù)據(jù)包報文在可預(yù)測的時間內(nèi)可靠的傳輸。本文所說的時延是變電站中端到端的時延，即一個邏輯節(jié)點從發(fā)送數(shù)據(jù)包的時刻算起直到此數(shù)據(jù)包被相應(yīng)的邏輯節(jié)點接收為止。如果數(shù)據(jù)包丟失，則將其延時算作無窮大。以太網(wǎng)通信的實質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點為了滿足某種應(yīng)用按照某個或某些協(xié)議產(chǎn)生數(shù)據(jù)報文，然后經(jīng)TCP/IP各層協(xié)議封裝后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)接收節(jié)點，然后接收節(jié)點再逐層次的進(jìn)行解析完成某種通信功能，在此過程就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)時延。一般的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中對時延的要求不是特別嚴(yán)格，保證傳輸?shù)目煽啃约纯?。然而?shù)字化變電站中時延不確定性一直是很重要的問題，不僅要求報文的完整可靠，更對實時性、對延時提出了更高的要求，例如面向通用對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）報文傳輸延時一般不超過4 ms，采樣值報文傳輸時間一般在3～10 ms之間[1]。

數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)承載了多種報文信息，出現(xiàn)報文延時的原因大多如下。

（1）由于過程層中有很多的數(shù)據(jù)信息，如采樣值信息、GOOSE信息、系統(tǒng)配置信息、同步定時信息等，眾多信息的碰撞，重發(fā)難免會導(dǎo)致報文的收發(fā)的延時，甚至丟失。下文介紹的虛擬局域網(wǎng)技術(shù)可以很好的解決這一問題。

（2）由于過程層網(wǎng)絡(luò)中使用的交換機(jī)或路由器的輸入、輸出緩沖區(qū)不同，處理報文速率的差異，當(dāng)報文到達(dá)速率超過了交換機(jī)的處理能力時，報文就會進(jìn)入排隊，緩沖狀態(tài)，這時報文就會產(chǎn)生很大的延時。

（3）過程層網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備對報文的接收處理能力也對報文時延有很大影響。

2 數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)模型及報文

數(shù)字化變電站的數(shù)據(jù)采集數(shù)字化，系統(tǒng)分層分布化，結(jié)構(gòu)更加緊湊，建模實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，其通信采用國際通用的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850將數(shù)字化變電物理上的一次設(shè)備，二次設(shè)備，從邏輯上分為了三個層次——變電站層，間隔層，過程層，如圖1所示。

由于一次設(shè)備智能化，變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備之間的結(jié)合更加緊密。數(shù)字化變電站繼承并進(jìn)一步發(fā)展了分層分布式變電站的結(jié)構(gòu)特點，主要功能就是將變電站的一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)作為數(shù)字化的對象，對獲取的信息按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換[2]。

圖1 數(shù)字化變電站的三層結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Three-layer structure model of digital substation

2.1 三個層次的簡介

變電站層直接與遠(yuǎn)方運行中心，調(diào)度控制中心相連，接收電網(wǎng)調(diào)度或者運行中心的控制命令對間隔層實施閉鎖操作以及其他控制功能；通過高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)，并刷新實時數(shù)據(jù)庫，同時將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度或者控制中心。

間隔層主要表現(xiàn)為對象的統(tǒng)一建模、通信信息的分層、通信接口的抽象化和自描述規(guī)范等技術(shù)的應(yīng)用；實現(xiàn)對變電站層和過程層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

過程層直接與智能化的一次設(shè)備相連接，是一次設(shè)備與二次設(shè)備的接合面。使用了電子式互感器代替了傳統(tǒng)的電磁式互感器，直接采集數(shù)字量，動態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，絕緣和抗飽和性能也比較好[3]。

2.2 SV報文、GOOSE報文

在數(shù)字化變電站中變電站層與間隔層已實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信，由于過程層直接與一次設(shè)備相連需要采集多種實時數(shù)據(jù)，往間隔層傳送的數(shù)據(jù)種類比較多，突發(fā)數(shù)據(jù)量大，包括采樣值量SV（sampled value）報文和面向通用對象的變電站事件（GOOSE報文）等，SV報文和GOOSE報文在應(yīng)用層生成應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU（application service data unit）后不經(jīng)過TCP/IP層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，以減少高層協(xié)議處理帶來的時延，它們都有很高的實時性要求，應(yīng)用以太網(wǎng)能否完全滿足變電站實時性的要求還有相當(dāng)多問題。

目前大多采樣值數(shù)據(jù)依據(jù)IEC61850-9-2通信協(xié)議，是測控、保護(hù)、監(jiān)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。IEC61850-9-2通信協(xié)議支持采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸，支持?jǐn)?shù)字化變電站“數(shù)據(jù)一處采集、全站共享”的基本要求；采用IEC61850-9-2協(xié)議的SV報文可與GOOSE報文共用一個網(wǎng)絡(luò)，相比IEC61850-9-1點對點+ GOOSE網(wǎng)光纖連接數(shù)量大為減少，解決了傳統(tǒng)變電站的復(fù)雜硬接線問題[4]。

GOOSE報文即通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录笪?，它是一類控制信息，如控制器發(fā)給執(zhí)行器（如斷路器）的保護(hù)出口動作信息和測控信息等，采用發(fā)布者/訂閱者機(jī)制來傳輸數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)由事件驅(qū)動，具有突發(fā)性，在一次設(shè)備發(fā)生故障時會大量出現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)基本負(fù)載造成沖擊，實時性要求最高。IEC 61850-5規(guī)定G00SE報文傳輸延遲不得超過4 ms[5]。

此外，過程層通信中還有一些隨機(jī)的數(shù)據(jù)，如互感器產(chǎn)生的電磁干擾，IEC61588時間同步報文，配置信息等。

3 虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

虛擬局域網(wǎng)VLAN（virtual local area network）解決了交換機(jī)在局域網(wǎng)互連時無法限制廣播風(fēng)暴的問題，在不增加硬件的基礎(chǔ)上就可以把一個局域網(wǎng)LAN（local area network）劃分成多個邏輯的LAN，每個VLAN就是一個廣播域，不同的VLAN之間不能直接互通，這樣廣播域就被限制到一個VLAN內(nèi)，節(jié)省了帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)的處理能力，而且增強(qiáng)了局域網(wǎng)的安全性，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和維護(hù)更加方便靈活。在數(shù)字化變電站過程層的通信中。

SV、GOOSE報文是以多播，重發(fā)的形式向外發(fā)送數(shù)據(jù)，并不是所有的智能電子設(shè)備IED（intelligent electronic device）都需要進(jìn)行報文的交互，應(yīng)用VLAN技術(shù)將需要交互報文的相關(guān)IED設(shè)備劃分到不同的VLAN中，有效減少網(wǎng)絡(luò)并發(fā)流量和接收設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)，解決因廣播信息的泛濫而造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，提高網(wǎng)絡(luò)通信效率和安全性。劃分VLAN后也避免了大量的過程層采樣值數(shù)據(jù)對GOOSE報文產(chǎn)生不利影響，提高GOOSE報文的可靠性，降低時延，減少GOOSE報文的丟失[6]。從下文的仿真中也可以看到劃分了VLAN比沒有劃分VLAN的通信情況要好的多。

4 通信系統(tǒng)的分析和計算機(jī)仿真

OPNET仿真軟件支持面向?qū)ο蟮慕?，提供圖形化的仿真界面，提供了網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點層和進(jìn)程層的三層建模機(jī)制，采用離散事件驅(qū)動的仿真方案，利用包通信方式進(jìn)行交互，從而實現(xiàn)了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)建模仿真工作[7]。

4.1 仿真網(wǎng)絡(luò)建模

采用OPNET對數(shù)字化變電站中的過程層網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行建模仿真，并應(yīng)用VLAN技術(shù)將過程層網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個不同的虛擬局域網(wǎng)，減少了VLAN中的廣播信息，解決了因廣播信息的泛濫而造成的網(wǎng)絡(luò)堵塞，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率[8]。

以某220 kV數(shù)字化變電站為例，此數(shù)字化變電站有220kV、110kV兩個等級，主接線為220kV內(nèi)橋。220 kV測控裝置14臺（10出線、3個母聯(lián)分段、母線）；220 kV保護(hù)裝置15臺（10出線、3個母聯(lián)分段、1母差、1錄波）；合并單元13臺（10出線、母線電壓、#1、#2主變高壓側(cè)）；就地智能單元（斷路器，智能開關(guān)等）22臺（10出線、3個母聯(lián)分段、3個母線PT、#1、#2主變高壓側(cè)、低壓側(cè)、本體）。過程層網(wǎng)絡(luò)采用全站統(tǒng)一的星形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 全站的星形結(jié)構(gòu)Fig.2 Star topology of substation

本文以過程層網(wǎng)絡(luò)的一個線路間隔為例建立OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)模型。此間隔包含一個交換機(jī)、一個合并單元、2個控制器（間隔控制器，間隔保護(hù)）、2個執(zhí)行器（斷路器，智能開關(guān)）

圖3 過程層網(wǎng)絡(luò)間隔模型Fig.3Network bay model of process layer

如圖3所示。信息發(fā)送為：保護(hù)單元、測控單元、斷路器按仿真參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)包大小和發(fā)送間隔分別向交換機(jī)廣播信息，信息接收為：測控裝置接收斷路器，智能開關(guān)的信息；保護(hù)裝置接收斷路器，智能開關(guān)的信息；斷路器，智能開關(guān)接收保護(hù)單元、測控單元的信息；合并單元器接收斷路器，智能開關(guān)的狀態(tài)信息。

4.2 IEC 61850報文長度及流量分析

4.2.1 采樣值數(shù)據(jù)

合并單元按照預(yù)定的采樣速率同步采樣一個間隔內(nèi)的7路交流電流，5路交流電壓信號，然后對采樣后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，按照IEC61850-9-2的幀格式生成數(shù)據(jù)包，設(shè)其采樣周期為200點/s。

SV報文的最大報文長度計算為26字節(jié)以太網(wǎng)報頭（含4字節(jié)優(yōu)先權(quán)標(biāo)記）+4字節(jié)CRC+8字節(jié)以太網(wǎng)型PDU+2字節(jié)ASN.1標(biāo)記/長度+2字節(jié)塊的數(shù)目+應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU（application protocol data unit）的編碼（n個ASDU）數(shù)據(jù)，ASDU的編碼=2字節(jié)+4字節(jié)svID+2字節(jié)+24字節(jié)Dataset路徑+2字節(jié)+2字節(jié)SmpCnt采樣序號+2字節(jié)+2字節(jié)ConfRev+2字節(jié)+1字節(jié)SmpSynch+2字節(jié)+2n字節(jié)（n個通道采樣值數(shù)據(jù)）=45+2n=69字節(jié)（12路算）；APDU的編碼（n個點ASDU）長度=11字節(jié)+n個點ASDU的編碼=11+1×69=80字節(jié)×8bits=640位，為了簡單情況下，上式中采用一個ASDU構(gòu)成一個APDU的方式。一個SV報文長度為：TL=122×8bits=976位，則合并單元的仿真流量為：10 000×976=9.76 Mb/s。SV報文形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，周期性的傳遞數(shù)據(jù)到過程層網(wǎng)絡(luò)[9]。

4.2.2 GOOSE報文

由GOOSE網(wǎng)報文傳輸機(jī)制，在正常狀況下，變電站各智能設(shè)備發(fā)送GOOSE報文間隔為1 s。當(dāng)出現(xiàn)故障時，智能設(shè)備以1 ms、2 ms、4 ms、8 ms間隔發(fā)送緊急報文。其中保護(hù)裝置主要傳送跳閘命令，GOOSE報文大小230 Bytes；測控單元發(fā)送控制命令，GOOSE報文大小為91 Bytes；斷路器、智能開關(guān)位置及狀態(tài)信息，傳向間隔層設(shè)備，GOOSE報文大小為152 Bytes。

4.3 仿真參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

根據(jù)目前的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，仿真中采用全雙工通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)報文傳輸采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP（user datagram protocol）協(xié)議。采用IEC61850-9-2規(guī)約的采樣值網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)流很大，合并單元的數(shù)據(jù)量可能達(dá)到幾十Mb/s，因此采用按間隔劃分的VLAN技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)帶寬選定為100 Mb/s。仿真時間為100 s。SV報文大小服從指數(shù)分布，均值為122 Bytes，包到達(dá)時間服從均值為0.000 1 s的指數(shù)分布，即流量為：10 000×122×8=9.76 Mb/s。在仿真時間為3 s時，測控設(shè)備向斷路器發(fā)送第一個GOOSE報文，分別間隔2 ms后發(fā)送兩個GOOSE報文，然后以1 s為間隔持續(xù)發(fā)送GOOSE報文直到仿真結(jié)束。

圖4～圖10（注：以下7張圖片中的數(shù)字坐標(biāo)為仿真曲線最后一點的數(shù)值）是過程層以太網(wǎng)中SV數(shù)據(jù)包的端到端延時ETE delay（end-to-end delay）。由于合并單元、測控、保護(hù)設(shè)備的采樣速率是恒定的，因此他們發(fā)送和接收到的SV報文的流量也是近似恒定的，其端到端延時相對恒定，從圖4與圖5以及圖6與圖7的對比中可以看出，劃分VLAN對IED設(shè)備的端到端延時有明顯的改善，由于IEC61850-9-2采樣值數(shù)據(jù)量比較大劃分VLAN后減少了報文之間才沖突，更好地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，也可以看出無論是否采用了VLAN技術(shù)IED設(shè)備的端到端延時也滿足IEC91850規(guī)約的要求。

圖4 未劃分VLAN的保護(hù)設(shè)備的端到端延時Fig.4 ETE delay of protective device without VLAN

圖5 劃分VLAN的保護(hù)設(shè)備的端到端延時Fig.5 ETE delay of protective device in VLAN

圖8和圖9是測控設(shè)備向智能斷路器發(fā)送的GOOSE報文端到端延時，其中前者沒有化分VLAN，后者劃分了VLAN。仿真從3 s時開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，由于剛剛開始的時候數(shù)據(jù)包發(fā)送時間間隔很小（2 ms）導(dǎo)致最大時延分別達(dá)到0.034 725 ms和0.031 59 ms，此后包間隔為1 s，時延減小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后劃分VLAN延時要比沒有劃分的小，延時抖動較小，提高了報文傳輸?shù)膶崟r性。

圖6 未劃分VLAN的測控設(shè)備的端到端延時Fig.6 ETE delay of TT&C equipment without VLAN

圖7 劃分VLAN的測控設(shè)備的端到端延時Fig.7 ETE delay of TT&C equipment in VLAN

圖8 未劃分VLAN的GOOSE報文的端到端延時Fig.8 ETE delay of GOOSE packets without VLAN

圖9 劃分VLAN GOOSE報文的端到端延時Fig.9 ETE delay of GOOSE packets in VLAN

對于過程層中的隨機(jī)數(shù)據(jù)，干擾信號流量以及文件傳輸，本文采用設(shè)置鏈路的背景利用率來模擬。本文采用OPNET中的OC1_1hour_bps模型產(chǎn)生50 Mb/s的流量來模擬文件傳輸，電磁干擾，背景干擾等流量。此時GOOSE報文的端到端延時如圖10所示。從圖中可以看出端到端延時基本上在0.015～0.030 ms之間，但是由于鏈路上大量數(shù)據(jù)的傳輸對GOOSE報文的傳輸產(chǎn)生了影響，使其抖動劇烈，且最高時延達(dá)到0.067 56 ms，但是考慮到GOOSE報文的發(fā)送機(jī)制，其第一個報文的延時為0.030 9仍然滿足實時性要求。

圖10 帶電磁背景干擾的GOOSE報文延時Fig.10ETE delay of GOOSE packets with electromagnetic interference background

5 結(jié)語

本文通過對數(shù)字化變電站過程層的介紹，重點對采用以太網(wǎng)技術(shù)的過程層網(wǎng)絡(luò)延時進(jìn)行了分析。在介紹過程層數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上，建立了SV報文和GOOSE報文的流量模型，并采用OPNET仿真軟件對其端到端的延時進(jìn)行了劃分VLAN和不劃分VLAN兩種情形的仿真分析，仿真結(jié)果表明，雖然以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時具有一定的不確定性，但其端到端延時仍在IEC61850協(xié)議的要求范圍內(nèi)，能合理的應(yīng)用到數(shù)字化變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)通信中。過程層網(wǎng)絡(luò)延時仿真是數(shù)字化變電站全站建模的一部分，對全網(wǎng)進(jìn)行建模的方法可參考，借鑒以上方法思路。

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[9]DL/T 860.92-2006，變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第9-2部分：特定通信服務(wù)映射（SCSM）映射到ISO/IEC 8802-3的采樣值[S].

Communication Network Real-time Performance Simulation Analysis Based on Process Layer of Digital Substation

SONG Yuan-guo1，SHU Qin1，HE Han-feng2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Sichuan Electric Power Technology ICT Ministry，Chengdu 610041，China）

The three-layer communication structure and key technology of digital substation based on IEC 61850 is introduced.The data of process layer of digital substation is analyzed，and the flow of SV packets and GOOSE packets on the basis of IEC 61850-9-2 is analyzed.Combined with a digitized substation project，the OPNET software is used to simulate the IED device end-to-end delay of process layer of digital substation，and the VLAN technology is used to make a comparative analysis in bay.The results show that the switched ethernet can satisfy the network communication of process layer in the digital substation and the VLAN technology can improve the real-time performance of network communication.

digital substation；process layer；end-to-end delay；OPNET；IEC 61850-9-2

TM76

A

1003-8930（2013）02-0071-06

宋園果（1987—）男，碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代信號處理。Email：songyuanguo2006@163.com

2011-11-18；

2012-03-13

四川省科技支撐計劃項目（2009GZ0155）；四川省電力公司科技項目（09h0913）

舒勤（1958—），男，教授，研究方向為現(xiàn)代信號處理。Email：shuchin@163.com

賀含峰（1973—），男，碩士，高級工程師，研究方向為智能電網(wǎng)。Email：hh-he@tom.com