基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真

黃明輝，邵向潮，張 弛，王海柱，李一泉，蔡澤祥

（1.廣東省電力調度中心，廣東 廣州 510600；2.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

隨著智能變電站建設與應用的推廣，通信網絡將貫穿整個變電站自動化系統(tǒng)，繼電保護等應用越來越依賴于通信網絡[1-4]。由于智能變電站過程層網絡的引入，智能變電站繼電保護系統(tǒng)的數據采集、傳輸、處理及輸出過程與傳統(tǒng)微機保護有很大差異，其動作性能與可靠性備受關注，由此給繼電保護的安全可靠運行帶來了挑戰(zhàn)[5-6]。

由于專業(yè)的局限性，變電站運行人員對智能變電站技術的認識和把握尚不夠深入、準確。而由于缺乏有效的分析工具，幾乎沒有針對智能變電站繼電保護等應用系統(tǒng)的性能分析與研究評估。故通過仿真軟件實現智能變電站通信網絡、IED算法及其邏輯和數據交換過程的定量仿真變得十分必要和迫切。

OPNET Modeler作為國際上一種主流而權威的仿真軟件被廣泛應用于通信網絡、設備、協(xié)議和應用的設計開發(fā)與研究領域中[7]。近年來，國內外相關研究將OPNET引入到變電站自動化系統(tǒng)的通信網絡分析中[5-14]，展現了良好的發(fā)展前景。然而，已有的研究主要停留在定性層面，主要體現在：缺少IEC 61850標準的詳細建模，不能真實描述智能變電站中的實際數據處理過程，難以進行定量分析；利用OPNET自帶模型來模擬IED，缺少IED算法與邏輯的詳細建模，難以描述IED的實際性能。

針對以上問題，基于IEC61850標準在OPNET仿真軟件上進行了過程層網絡和繼電保護IED的建模，本文提出了智能變電站繼電保護從合并單元（MU）數據采集、采樣值（SV）報文、GOOSE 報文、保護算法和保護出口的全過程建模方法，并以電流保護為例，說明了繼電保護算法邏輯的建模深度和實現機制。本文為開展智能變電站繼電保護動作性能分析評估提供了一種新的有效工具，也為智能變電站其他應用系統(tǒng)的仿真提供了成功的借鑒。

1 智能變電站繼電保護構成方式與特點

IEC61850將智能變電站分成了“三層兩網”結構，并規(guī)定采用以太網實現站級網絡和過程層網絡。傳統(tǒng)變電站綜合自動化的站級通信已基本實現網絡化，而過程層網絡仍然使用電纜硬接線來傳輸保護跳閘等信號，并未實現數據共享和網絡化。過程層網絡化是IEC61850新引入的，它徹底改變了變電站自動化系統(tǒng)的數據傳輸方式，其性能直接影響智能變電站中繼電保護等應用系統(tǒng)的性能和可靠性。

1.1 智能變電站繼電保護基本通信連接

在智能變電站通信網絡中，邏輯節(jié)點為通信的基本單元，圖1是IEC61850給出的保護功能邏輯節(jié)點的通信結構[15]，圖中包括了保護輸入、輸出信號。輸入信號有來自站控層的控制信息、同一層上其他功能信號、來自過程層MU的電壓／電流SV和智能操作箱的開關狀態(tài)量，輸出信號包括開關跳閘信號、保護閉鎖信號等。大部分的智能變電站繼電保護都是基于此通信結構設計的，其主要的IED包括：過程層的互感器、MU、智能操作箱、間隔層的繼電保護裝置、站控層的后臺主機等。

圖1 保護功能邏輯節(jié)點的通信結構Fig.1 Communication structure of logical function nodes of protection

1.2 智能變電站繼電保護過程層的基本數據流

MU按照設定的采樣率，對互感器中的電壓、電流量進行采樣，將其打包成數據幀格式，即SV報文，通過交換式以太網傳送給繼電保護裝置；繼電保護裝置根據發(fā)布者／訂閱者協(xié)議，接收處理相應的數據，基于保護判據形成出口命令發(fā)送GOOSE報文（包括開關分合、設備投退、檔位切換等）給智能操作箱，智能操作箱實施操作后將開關狀態(tài)量以GOOSE報文的形式反饋給保護裝置。

1.3 智能變電站3層通信協(xié)議

常規(guī)工業(yè)以太網一般采用TCP／IP 7層協(xié)議封裝解析報文來保證其可靠性。但是在智能變電站過程層網絡中，由于繼電保護等應用的高實時性要求，IEC61850支持直接映射到數據鏈路層。變電站中的周期性報文（如SV報文）、快速報文（如GOOSE報文）采用3層結構（如圖2所示），這樣有效地縮短了報文封裝與解析延時。

圖2 功能與框架Fig.2 Functions and framework

1.4 智能變電站繼電保護仿真要求

智能變電站過程層網絡的引入，使得繼電保護中數據采集、傳輸、處理及輸出過程發(fā)生了很大的變化，同時結合現有軟件建模的現狀，本文將從如下幾個方面對智能變電站繼電保護進行建模。

a.數據源與MU。數據的產生可以根據電氣量解析表達式通過函數發(fā)生器或通過導入故障錄波（或數值仿真）數據的方式實現；MU將獲得的原始采樣數據根據IEC61850-9-1／2裝包傳送。

b.SV與GOOSE報文。2種報文具體字段應根據IEC61850進行定義，而且發(fā)送機制不同：SV報文周期性發(fā)送，GOOSE服從心跳報文的重發(fā)機制。

c.過程層網絡及其通信協(xié)議。包括過程層網絡物理鏈路、交換機等設備建模以及IEC61850相關協(xié)議建模。

d.過程層網絡優(yōu)化機制。過程層網絡中由于數據流量較大，為保證關鍵報文傳送的實時性和可靠性，經常采用優(yōu)先級設置、虛擬局域網（VLAN）劃分等優(yōu)化機制。

e.繼電保護算法與邏輯。繼電保護裝置IED建模主要體現保護原理、算法、判據、邏輯。

2 面向繼電保護分析的過程層網絡建模

2.1 OPNET仿真軟件

OPNET是一種主流的網絡建模和仿真工具，采用面向對象的建模方法和圖形化的編輯器，其層次建模方式靈活，支持計算機網絡與通信領域的通信、設備和協(xié)議的研究。

a.網絡域：利用網絡設備模型、編輯網絡拓撲結構和設置設備屬性，來映射現實網絡。

b.節(jié)點域：實現不同功能模塊的組合，用于描述協(xié)議的層次結構，用包流線來連接各功能模塊，實現設備具體功能。

c.進程域：用有限狀態(tài)機、C語言或C++語言以及OPNET自帶的核心函數來定義節(jié)點域中各功能模塊以及模塊中事件之間的控制流。

2.2 數據源與MU的建模

仿真數據源的產生，可以有如下2種方法。

a.通過采樣點電氣量的解析表達式獲得。

以某一恒電勢電源電路發(fā)生三相短路故障為例，故障前保護安裝處的A相電壓、電流為：

其中，φ為故障前功率因數角。

故障后保護安裝處的A相電流為：

當對任意確定結構的電力系統(tǒng)根據上述方法建立其全部的故障模型后，就可以采用OPNET函數發(fā)生器產生故障數據。

b.故障錄波或仿真數據導入。為了實現更復雜電網和實際故障的分析要求，可以通過實際故障錄波或電力系統(tǒng)仿真軟件（如PSCAD／EMTDC）得到相關故障點的精確采樣數據序列文件，通過編程導入到與一次系統(tǒng)相對應節(jié)點的MU模型中，在OPNET中實現系統(tǒng)的故障仿真。以下為部分源程序：

在OPNET節(jié)點編輯域中建立MU節(jié)點模型，如圖3所示。最上層為應用層，經過接口直接到達數據鏈路層（MAC節(jié)點模塊），最后通過物理層發(fā)送給外設備。

圖3 MU節(jié)點模型Fig.3 Model of MU node

圖3中MU節(jié)點模塊的主要功能是對數據SV進行裝包，同步后發(fā)送給IED。MU應用層負責收集互感器傳送的數據。在OPNET進程域中創(chuàng)建數據包，將得到的數據按字段分別寫入包中，然后發(fā)送給數據鏈路層進行處理。以下為部分源程序：

接口模塊的主要作用是為應用層和數據鏈路層提供一個公用接口，同時給數據包加上源地址和目的地址。

數據鏈路層中，LLC子層請求發(fā)送數據時，MAC接收到LLC子層中數據，并加上相應的字段后放入緩沖區(qū)，等待發(fā)送；當進行載波偵聽發(fā)現網絡穩(wěn)定時，發(fā)送報文幀，邊發(fā)送邊進行CRC校驗；在發(fā)送過程中需進行碰撞檢測數據包的發(fā)送是否成功。

物理層中有支持 10 Mbit／s、100 Mbit／s 和 1000 Mbit／s光纖以太網接口的收發(fā)機。

2.3 繼電保護中2種報文的通信機制

原始數據 SV[16]按照 IEC61850-9-1／2 數據幀格式封裝成SV報文，其中IEC61850-9-1格式如圖4所示（不包含以太網幀間隔）。

圖4 OPNET中SV的報文幀格式Fig.4 Frame format of SV message in OPNET

在SV報文中，每個應用數據協(xié)議單元（APDU）包括1個或多個應用服務數據單元（ASDU），考慮到數據的實時性，一般只包含1個電壓／電流采樣數據集。報文長度為984 bit（26 B yte以太網報頭+4 B yte優(yōu)先權標記+8 Byte以太網類型PDU+2Byte ASN.1標記／長度+2 Byte塊的數目+46 Byte數據值+23 Byte狀態(tài)量+96 bit以太網幀間隔）[15]。封裝的報文采用發(fā)布者／訂閱者方式進行發(fā)送，具體有2種模式：基于VID的多播模式和基于MAC多播地址過濾的多播模式。SV報文是典型的周期性報文，其數據量相對穩(wěn)定，但是報文數量大，時間要求嚴格。

GOOSE仍然以組播形式發(fā)送，它以一種心跳報文的方式進行發(fā)包，如圖5所示。當數據發(fā)生變位時，裝置通過重發(fā)機制來保證數據的可靠性。當沒有GOOSE事件發(fā)生（如保護控制信息沒有發(fā)生改變）時，GOOSE報文將以固定周期重發(fā)，IEC61850給出的建議值為1 s；一旦有事件發(fā)生，發(fā)送周期變?yōu)樽钚。ㄒ话銥? ms），然后發(fā)送周期逐漸變長，直到事件狀態(tài)穩(wěn)定，發(fā)送周期重新回到設定的最大時長。

圖5 GOOSE報文的重發(fā)機制Fig.5 Re-sending mechanism of GOOSE message

2.4 過程層網絡通信鏈路和交換機

通信鏈路的任務是輸送變電站中各種業(yè)務數據流，不同的數據需要不同帶寬的鏈路來滿足其對實時性的要求。智能變電站繼電保護對報文傳輸實時性的要求較高，文獻[12]表明帶寬為 100 Mbit／s的交換式以太網能夠滿足其通信要求。OPNET模型庫中提供了豐富的鏈路模型，為此選擇100 Mbit／s的光纖以太網鏈路，其丟包率和延時等性能能夠很好地模擬工程實際中的鏈路。

過程層網絡中，交換機主要承擔著數據存儲轉發(fā)的任務。在仿真過程中，選擇OPNET模型庫中3層以太網交換機，它能夠有效地支持優(yōu)先級的設置和VLAN的劃分等。

3 繼電保護IED建模

3.1 繼電保護節(jié)點模型

繼電保護IED采用3層節(jié)點模型，分別為應用層、數據鏈路層和物理層，如圖6所示。針對繼電保護IED節(jié)點，建模的主要內容包括：SV／GOOSE報文的接收及協(xié)議解析、保護算法與邏輯、動作報文形成與發(fā)送等。

圖6 3層節(jié)點模型Fig.6 Three-layer node model

a.SV／GOOSE報文的接收及協(xié)議解析。接收機接收MU傳送的SV，此時的SV以編幀的位流形式存在，其在數據鏈路層模塊被轉換成數據幀格式，并通過接口模塊形成應用層可解析的數據，傳送到接收處理裝置。接收機同時也接收來自智能操作箱的GOOSE報文，經過與SV報文相同的協(xié)議解析后，傳送給接收處理裝置。

b.保護算法與邏輯。接收處理裝置通過SV報文，得到相應MU的電壓、電流SV，同時結合智能操作箱實時上傳的GOOSE報文，根據保護算法與邏輯得到處理結果。不同類型的保護，其算法與邏輯不同，只需根據相應的保護算法與邏輯，在接收處理裝置中進行編程。

c.動作報文形成與發(fā)送。發(fā)送處理裝置在收到來自接收處理裝置的處理結果后，形成GOOSE動作報文，封裝后發(fā)送給智能操作箱。當有變位信息時，以變周期形式重發(fā)報文。

3.2 智能操作箱及斷路器節(jié)點模型

智能操作箱同樣采用圖6的3層節(jié)點模型，其建模內容主要包括：動作報文接收及協(xié)議解析、斷路器跳合閘和開關狀態(tài)報文形成與發(fā)送等。

a.動作報文接收及協(xié)議解析。接收機接收來自繼電保護裝置的GOOSE報文，在數據鏈路層中，經過與保護裝置相同的協(xié)議解析后，傳送給接收處理裝置。

b.斷路器跳合閘。接收處理裝置在解析GOOSE報文后控制斷路器跳合閘，在跳合閘之前可加入一定的延時，來模擬斷路器的機械動作時間。

c.開關狀態(tài)報文形成與發(fā)送。發(fā)送處理裝置在收到來自接收處理裝置的處理結果后，形成GOOSE狀態(tài)報文，封裝后發(fā)送給保護裝置。

3.3 電流保護實例

本次仿真以電流保護為實例，說明建模仿真的原理和實現機制，根據電流保護算法在接收處理裝置進行編程，以下為部分源程序：

上述語句表示在SV報文中讀取A相電流，通過與電流保護整定值進行比較，如果超過整定值就置GYA_tiao字段為0（開關跳閘），否則置為1（開關合閘）。

3.3.1 電流有效值算法

電流保護的電流有效值由半波積分算法得到。

其中，S為瞬時電流絕對值的半波積分。

其中，N為1個周期的采樣點數，保護對MU采樣頻率為每周期80點，則N=80；TS為采樣周期。則電流有效值為：

3.3.2 仿真參數

圖7所示仿真實例中，電源阻抗為Xs=15.5Ω；線路電抗為x1=0.4 Ω／km，可靠系數Krel=1.3。

圖7 仿真實例Fig.7 Simulation example

主要仿真參數見表1，通信使用100 Mbit／s光纖以太網將IED連接到一個以太網交換機上。SV報文發(fā)送給保護的速率為每周期80個采樣點，報文長度按實際配置為984 bit；GOOSE報文采用的是變周期重發(fā)機制。根據不同類型報文的實時性要求，需為報文設定優(yōu)先等級，如果涉及跨間隔保護還需設定VLAN。仿真通過兩相短路故障來測試保護機制的可行性。

表1 過程層網絡仿真主要參數Tab.1 Main parameters of process-level network simulation

3.4 仿真結果分析

在過程層網絡中，報文傳輸及處理會產生一定的延時，表2為本次仿真中報文的各項延時。

表2 報文的傳輸及處理時延Tab.2 Transmission and processing delay of messages ms

a.t=0 s，線路A側20 km處發(fā)生BC兩相短路故障，電流速斷保護的整定值為Iset=2.03 kA；在采樣點數為31時，即t=7.75 ms時，BC兩相電流有效值為2.073 kA，MU形成SV報文發(fā)送給保護，經0.0748 ms（MU到交換機的鏈路時延0.0189ms+交換機時延0.002 ms+交換機到保護的鏈路時延0.0189 ms+保護時延0.035 ms），保護接收到SV報文，處理后發(fā)出GOOSE跳閘報文，在t=7.894 25 ms時，保護動作。SV和開關狀態(tài)量信息如下：

b.t=0 s，線路A側10 km處發(fā)生BC兩相短路故障，在采樣點數為26時，即t=6.5 ms時，BC兩相電流有效值為2.052 kA，由表2可知，t=6.64452ms時，保護動作。SV和開關狀態(tài)量信息如下：

可以看出，故障點距離電源點越近，故障電流越大，保護動作時間越短。因此，以上電流保護仿真模型不僅完整描述了智能變電站繼電保護的數據傳輸與處理過程和動作邏輯，而且還定量地描述了保護響應時間等動作性能。在此基礎上，可進一步研究繼電保護數據傳輸阻塞、丟包等實時性可靠性問題及應對策略，以及適應智能變電站新技術環(huán)境的繼電保護新原理與體系架構等問題。而通過導入實際故障錄波數據，還可實現故障過程及保護動作的回放，為事故分析和繼電保護評估提供了定量分析手段。

4 結論

a.基于OPNET軟件建立IEC61850通信及IED模型，可以完整地描述智能變電站過程層網絡通信環(huán)境，可以實現繼電保護等應用系統(tǒng)實際數據處理過程的定量仿真；

b.提出的智能變電站繼電保護全過程的建模方法，不僅完整描述了智能變電站繼電保護的數據傳輸與處理過程和動作邏輯，而且還定量地描述了保護響應時間等動作性能；

c.本文工作為智能變電站建模與仿真提供了新的思路和手段，為智能變電站過程層網絡及繼電保護等實時應用的定量分析提供了良好的研究平臺。