OPNET在微網(wǎng)通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用*

韋幸幸，張有兵，謝路耀，楊曉東

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州 310023)

0 引 言

清潔無污染的可再生能源的使用在一定程度上能緩解由于能源短缺和氣候變暖等帶來的一系列問題，微網(wǎng)作為發(fā)展可再生能源的有效形式以及建設(shè)智能電網(wǎng)的有效組成部分已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

微網(wǎng)的通信系統(tǒng)是支撐微網(wǎng)正常運(yùn)行的必要條件，在微網(wǎng)運(yùn)行過程中會產(chǎn)生各種通信業(yè)務(wù)，隨著微網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大化和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，各種業(yè)務(wù)會交叉融合，勢必會影響微網(wǎng)的性能，因此，微網(wǎng)的通信系統(tǒng)性能能否滿足微網(wǎng)的要求成為亟待研究的問題。

一般情況下，研究網(wǎng)絡(luò)性能的方法有3種［1］:基于實(shí)際測量的方法、基于數(shù)學(xué)理論分析的方法和基于網(wǎng)絡(luò)仿真分析的方法。目前基于網(wǎng)絡(luò)仿真來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)性能的研究已有很多，這些研究多集中在變電站和配電網(wǎng)等領(lǐng)域［2－4］，對微網(wǎng)通信網(wǎng)性能的研究相對比較少。研究中使用較多的仿真軟件是OPNET(Optimized Network Engineering Tool)，利用該軟件能對微網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備以及通信業(yè)務(wù)等進(jìn)行研究，從而可快速、直觀地對網(wǎng)絡(luò)的性能及各種業(yè)務(wù)流的性能作出評價。本研究對OPNET軟件特點(diǎn)和通信業(yè)務(wù)建模流程進(jìn)行簡要介紹，闡述微網(wǎng)的概念，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)分析其結(jié)構(gòu)以及微網(wǎng)中的通信業(yè)務(wù)，利用OPNET搭建微網(wǎng)通信網(wǎng)仿真模型，并對微網(wǎng)主要通信業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)及分析。

1 OPNET仿真軟件

1.1OPNET 介紹

OPNET是由美國MIL3公司開發(fā)的商用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，現(xiàn)在包含 Modeler、IT Guru、SP Guru 和 WDM Guru等產(chǎn)品，而OPNET Modeler是其核心產(chǎn)品。OPNET Modeler提供3層建模機(jī)制，分別為進(jìn)程級(Process Level)、節(jié)點(diǎn)級(Node Level)和網(wǎng)絡(luò)級(Network Level)，3層模型與實(shí)際的協(xié)議、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)完全對應(yīng)，來全面反映網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。通過采用離散事件驅(qū)動(Discrete Event Driven)的仿真機(jī)理，基于事件觸發(fā)的有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine，F(xiàn)SM)來幫助用戶完成建模和仿真。OPNET的一般建模步驟如下［5］:

(1)構(gòu)建通信網(wǎng)拓?fù)?

(2)為拓?fù)渲械拿總€節(jié)點(diǎn)加載通信業(yè)務(wù);

(3)選擇相應(yīng)的統(tǒng)計參數(shù);

(4)設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真;

(5)統(tǒng)計與分析結(jié)果。

1.2 OPNET業(yè)務(wù)建模方法

OPNET14.5提供的業(yè)務(wù)建模方法有兩種:明確業(yè)務(wù)建模和背景業(yè)務(wù)建模［6－7］。

1.2.1 明確業(yè)務(wù)建模

明確業(yè)務(wù)建模是以數(shù)據(jù)包為單位模擬每個包的相關(guān)事件，精確到每個包的業(yè)務(wù)建模為仿真網(wǎng)絡(luò)行為提供了非常精確的結(jié)果。明確業(yè)務(wù)建模能在應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和底層3個層次上進(jìn)行業(yè)務(wù)配置。OPNET提供了8種標(biāo)準(zhǔn)的端到端業(yè)務(wù)，如Email和Video Conferencing等，配置標(biāo)準(zhǔn)的端到端業(yè)務(wù)依據(jù)以下步驟進(jìn)行:

(1)定義應(yīng)用;

(2)設(shè)定業(yè)務(wù)主詢;

(3)配置服務(wù)器支持的應(yīng)用;

(4)設(shè)定客戶端業(yè)務(wù)主詢。

當(dāng)OPNET提供的8種標(biāo)準(zhǔn)的端到端業(yè)務(wù)不能滿足要求時，用戶也可以根據(jù)需求自定義業(yè)務(wù)，這種自定義業(yè)務(wù)的建模方式是最有用和靈活的建模方式，但是相對比較復(fù)雜。配置自定義業(yè)務(wù)根據(jù)以下步驟進(jìn)行:

(1)利用Task Definition分階段來定義業(yè)務(wù);

(2)把定義好的業(yè)務(wù)添加到Application Definition中;

(3)設(shè)定業(yè)務(wù)主詢;

(4)配置服務(wù)器支持的應(yīng)用;

(5)設(shè)定客戶端業(yè)務(wù)主詢。

1.2.2 背景業(yè)務(wù)建模

在利用背景業(yè)務(wù)進(jìn)行建模的時候，背景業(yè)務(wù)流不會產(chǎn)生離散的仿真事件，但是會以延時的形式來影響實(shí)際業(yè)務(wù)的性能，進(jìn)而影響統(tǒng)計結(jié)果以體現(xiàn)背景業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的影響。配置背景業(yè)務(wù)一般通過以下兩種方式進(jìn)行:

(1)設(shè)置鏈路背景負(fù)載的方式。通常在某兩個節(jié)點(diǎn)之間的鏈路上設(shè)置背景負(fù)載，在具體應(yīng)用時以背景利用率Traffic Mix(%)的形式給出，背景利用率代表流量占鏈路總帶寬的百分比，若Traffic Mix(%)設(shè)定為All Background，則全部為背景流量，若Traffic Mix(%)設(shè)定為40%，則40%是背景流量，而剩余的60%則作為精確流量從應(yīng)用層發(fā)送出去。

(2)采用應(yīng)用需求/業(yè)務(wù)流的方式。利用OPNET中提供的Application Demand/Traffic Flow對象連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜我鈨蓚€節(jié)點(diǎn)，從而來模擬這兩個節(jié)點(diǎn)之間的背景業(yè)務(wù)流。

2 微網(wǎng)的概念及結(jié)構(gòu)

2.1 微網(wǎng)概念

微網(wǎng)是本世紀(jì)初提出的一個新概念，到目前為止，美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(CERTS，Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)和歐盟微網(wǎng)項(xiàng)目(European Commission Project Microgrids)等機(jī)構(gòu)以及日本、加拿大等國都對其作出了定義［8－10］，概括來說，微網(wǎng)是集可再生能源、負(fù)載、儲能裝置和控制系統(tǒng)的小型發(fā)配電系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理，既能與上級大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在發(fā)生故障時孤島運(yùn)行，它可作為配電網(wǎng)的電源和負(fù)荷，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。

2.2 微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示［11］。圖1中，微網(wǎng)通過變壓器與配電網(wǎng)相連，微網(wǎng)采用分層的方式運(yùn)行，RMU為遠(yuǎn)端管理單元，MGCC為微網(wǎng)中央控制器，MC為微電源控制器，LC為負(fù)荷控制器，SC為儲能裝置控制器。DG為分布式電源，可以是太陽能光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等，儲能單元可以是蓄電池、超級電容器和超導(dǎo)儲能等，負(fù)荷可以是電動機(jī)負(fù)荷和熱負(fù)荷等。各個單元通過電力電子接口分別接入微網(wǎng)。圖1中有3條饋線A、B和C，呈放射狀結(jié)構(gòu)，饋線A和饋線C上安裝有多個重要負(fù)荷、DG和儲能單元等，饋線B上為非重要負(fù)荷，特殊情況下可以將其切斷，停止對非重要負(fù)荷供電。

圖1 微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

2.3 微網(wǎng)通信業(yè)務(wù)分析

IEC61850根據(jù)變電站自動化系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制、保護(hù)和監(jiān)控功能將其分為變電站層、間隔層和過程層，微網(wǎng)中的通信業(yè)務(wù)也大致分為保護(hù)和控制業(yè)務(wù)等，目前已有關(guān)于基于 IEC61850 的微網(wǎng)的研究［12－14］，本研究依據(jù)IEC61850對變電站的分層將微網(wǎng)通信系統(tǒng)分為RMU、MGCC和MC/LC/SC 3層，變電站與微網(wǎng)通信映射圖如圖2所示。

圖2 變電站與微網(wǎng)通信映射圖

圖2中，RMU與MGCC之間依據(jù)制造報文規(guī)范(MMS，Manufacturing Message Specification)通信，涉及的通信業(yè)務(wù)主要是文件傳輸業(yè)務(wù);MGCC與MC/LC/SC之間采用面向?qū)ο蟮耐ㄓ米冸娬緦ο笫录?GOOSE，Generic Object Oriented Substation Event)或者采樣值(SMV，Sampled Measured Value)通信，涉及的通信業(yè)務(wù)主要是保護(hù)和控制業(yè)務(wù);MC/LC/SC與DG和負(fù)荷之間采用GOOSE通信，通信業(yè)務(wù)主要是事件報告報文。

3 OPNET在微網(wǎng)通信業(yè)務(wù)仿真中的應(yīng)用

3.1 微網(wǎng)的OPNET建模

在利用 OPNET對微網(wǎng)進(jìn)行建模時，RMU選用ethernet_server_adv，MGCC 和各種控制器(LC、MC 和SC)選用 eth4_slip_multihomes_server，負(fù)荷、DG 以及儲能單元選用ethernet_station_adv，所有交換機(jī)都選用ethernet16_switch_adv。

圖3 微網(wǎng)OPNET網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 微網(wǎng)中通信業(yè)務(wù)建模

微網(wǎng)的文件傳輸業(yè)務(wù)采用FTP業(yè)務(wù)建模，其數(shù)據(jù)長度為512 KB，數(shù)據(jù)到達(dá)間隔為360 s［15］。保護(hù)和控制業(yè)務(wù)報文長度為100 Bytes，報文到達(dá)間隔為2 ms;事件報告報文長度為 230 Bytes，報文間隔為 1 ms［3］，保護(hù)和控制業(yè)務(wù)是雙向流動的業(yè)務(wù)，采用雙向Video Conferencing業(yè)務(wù)建模，時間報告采用單向Video Conferencing業(yè)務(wù)建模。分別設(shè)置保護(hù)和控制業(yè)務(wù)、事件報告以及文件傳輸業(yè)務(wù)的優(yōu)先級為7、3和0，數(shù)值越大優(yōu)先級越高。以保護(hù)和控制業(yè)務(wù)為例，Video Conferencing主要參數(shù)配置如下:

微網(wǎng)中涉及的業(yè)務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止保護(hù)和控制業(yè)務(wù)、文件傳輸和事件報告3種，其他的通信業(yè)務(wù)可以采用背景業(yè)務(wù)建模的方式來模擬，本研究采用加載應(yīng)用需求的方式。其參數(shù)配置如下:

3.3 運(yùn)行結(jié)果及仿真分析

依據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，跳閘命令報文屬于快速報文，其傳輸延時不得超過3 ms;事件報告報文屬于中速報文，其傳輸延時不得超過100 ms，一般情況下都可滿足需要;文件傳輸報文的傳輸延時則不做要求［16］。文中保護(hù)和控制業(yè)務(wù)屬于快速報文，因此本研究只考察保護(hù)和控制業(yè)務(wù)的延時是否滿足要求。在微網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的整體通信性能、某一種重要業(yè)務(wù)的響應(yīng)時間以及某個節(jié)點(diǎn)的延時等都是比較重要的統(tǒng)計指標(biāo)，因此本研究設(shè)置的統(tǒng)計量有:

(1)Global Statistics—Ethernet—Delay(sec)

Global Statistics—Video Conferencing—Packet Endto－End Delay(sec)

(2)Node Statistics—Ethernet—Delay(sec)

本研究設(shè)定仿真時間為600 s，前100 s作為設(shè)備初始化時間，所有的業(yè)務(wù)都在100 s～110 s之間加載，微網(wǎng)的鏈路采用10 Mbit/s和100 Mbit/s兩種。微網(wǎng)的通信延時、保護(hù)和控制業(yè)務(wù)延時分別如圖4、圖5所示。

圖4 微網(wǎng)通信延時圖

由圖4可以看出，鏈路帶寬為10 Mbit/s時微網(wǎng)最大的整體延時僅為0.9 ms，完全滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求，鏈路帶寬提高到100 Mbit/s時其性能更好。

圖5 保護(hù)和控制業(yè)務(wù)延時圖

由圖5可知，鏈路在帶寬為10 Mbit/s時保護(hù)和控制業(yè)務(wù)的最大延時接近1 ms，雖然其延時沒有超過極限3 ms，但在仿真中發(fā)現(xiàn)當(dāng)微網(wǎng)中業(yè)務(wù)流增加到一定程度時，其延時可能會發(fā)散，鏈路采用10 Mbit/s將會影響其通信的性能，而鏈路帶寬升級至100 Mbit/s時最大時延時不足0.2 ms，因此，在實(shí)際應(yīng)用中針對本研究規(guī)模的微網(wǎng)宜采用速率為100 Mbit/s的帶寬。

在微網(wǎng)中，分布式發(fā)電單元、儲能單元和負(fù)荷等節(jié)點(diǎn)的延時也是比較重要的統(tǒng)計指標(biāo)，本研究選取饋線A的儲能單元、饋線B的Load2和饋線C的DG2作為研究對象來統(tǒng)計延時情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各節(jié)點(diǎn)延時圖

由圖6可知，在鏈路帶寬為10 Mbit/s時分布式發(fā)電設(shè)備的延時達(dá)到了1.8 ms，在突發(fā)情況或者數(shù)據(jù)流增大時可能不能滿足微網(wǎng)通信延時的要求，這種情況下帶寬為100 Mbit/s時節(jié)點(diǎn)的實(shí)時性能更好，相對能滿足通信需求。

4 結(jié)束語

本研究對OPNET軟件及其業(yè)務(wù)建模的步驟作了簡要介紹，闡述了微網(wǎng)的概念，構(gòu)建了微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，并把變電站自動化系統(tǒng)的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到微網(wǎng)中來分析微網(wǎng)的通信業(yè)務(wù)，然后利用OPNET構(gòu)建微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用明確業(yè)務(wù)和背景業(yè)務(wù)建模相結(jié)合的方式對微網(wǎng)中的主要通信業(yè)務(wù)進(jìn)行建模，并分析了微網(wǎng)的整體延時、保護(hù)和控制業(yè)務(wù)延時以及各節(jié)點(diǎn)的延時，仿真結(jié)果表明，在鏈路帶寬為100 Mbit/s時微網(wǎng)的全局實(shí)時性能、保護(hù)和控制業(yè)務(wù)以及各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時性能都比較理想，這對微網(wǎng)通信系統(tǒng)帶寬的選擇以及其他業(yè)務(wù)的建模提供了一定的參考。

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