基于IEC61850的數(shù)字化牽引變電所綜自系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的仿真研究

陳忠革

摘 要：基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信要求，構(gòu)建了兩種可行的數(shù)字化牽引變電所通信網(wǎng)絡(luò)（CNDS）用以服務(wù)所內(nèi)的綜自系統(tǒng)（IAS）。分析了它們的網(wǎng)絡(luò)性能，并在OPNET軟件中搭建相應(yīng)的仿真模型，模擬不同的通信場(chǎng)景進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所構(gòu)建的兩種通信網(wǎng)絡(luò)均能夠滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳輸時(shí)延的要求，網(wǎng)絡(luò)性能良好。

關(guān)鍵詞：IEC61850 數(shù)字化牽引變電所 綜自系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)仿真

中圖分類號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（b）-0027-02

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為迄今為止最完善的變電站通信協(xié)議，是實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)字化和智能化的基礎(chǔ)。高速電氣化鐵路客運(yùn)專線具有速度快、節(jié)能環(huán)保和乘坐舒適的優(yōu)點(diǎn)，是鐵路客運(yùn)的必然發(fā)展趨勢(shì)。牽引變電所是高速鐵路客運(yùn)專線的核心部分，為整條線路提供電源，同時(shí)它也是電力系統(tǒng)的重要用戶之一。

顯然，高速、可靠的CNDS是完成牽引變電所綜合自動(dòng)化功能，達(dá)到牽引變電所數(shù)字化和智能化的必要前提。

1 CNDS的組建

CNDS的組建主要存在兩種主流方式，一是將過程層子網(wǎng)作為獨(dú)立部分進(jìn)行組建，與站級(jí)網(wǎng)絡(luò)分開配置，稱為獨(dú)立過程層子網(wǎng)方式，缺點(diǎn)是各功能間隔之間無法進(jìn)行信息共享，另一個(gè)是全站使用唯一的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，過程層信息得到最大程度的共享，成為全站唯一網(wǎng)絡(luò)方式。

2 獨(dú)立過程層子網(wǎng)方式下的CNDS實(shí)時(shí)性能仿真分析

2.1 過程層子網(wǎng)仿真分析

過程層子網(wǎng)上主要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文，這些報(bào)文種類較少，數(shù)據(jù)流量較為連續(xù)，且相對(duì)穩(wěn)定，所以對(duì)過程層子網(wǎng)的仿真主要考察網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)性能。

在OPNET中搭建獨(dú)立過程層子網(wǎng)的仿真模型如圖1所示。其中紅色模塊為過程層各功能間隔，如牽引變壓器間隔的子網(wǎng)連接情況。通信鏈路采用100 Mbps光纖連接。各功能間隔子網(wǎng)的仿真模型展開如圖2～圖4所示?，F(xiàn)以圖2所示的主變壓器間隔子網(wǎng)為例進(jìn)行說明如下：

（1）交換機(jī)為3Com公司的SSII型以太網(wǎng)交換機(jī)，全雙工通信，支持VLAN，所有子網(wǎng)交換機(jī)均與中心交換機(jī)相連。

（2）IED（智能電子設(shè)備）視為以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，采用ethernet_wkstn_adv節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行模擬，支持各類數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。

（3）Application Definition和Profile Definition模塊用于配置網(wǎng)絡(luò)以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)狀態(tài)，Application Definition中設(shè)置仿真參數(shù)，Profile Definition用于將設(shè)定好的通信業(yè)務(wù)配置到所在網(wǎng)絡(luò)中。其余間隔子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)配置情況同理。

過程層子網(wǎng)主要仿真參數(shù)如表1所示。開關(guān)IED以5 ms為一個(gè)周期持續(xù)不斷地進(jìn)行開入報(bào)文廣播發(fā)送；保護(hù)測(cè)控IED以1 ms為周期進(jìn)行開出報(bào)文廣播發(fā)送，持續(xù)時(shí)間為10 ms。仿真時(shí)間設(shè)置為120 s。

2.2 站級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真分析

在OPNET中搭建站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，節(jié)點(diǎn)功能名稱按高速鐵路客運(yùn)專線牽引變電所IAS配置要求確定，SCADA節(jié)點(diǎn)用于綜合監(jiān)控以及遠(yuǎn)動(dòng)的通信。FTP節(jié)點(diǎn)用于模擬大數(shù)據(jù)量的文件傳輸業(yè)務(wù)。

正常情況下的遙測(cè)/遙信數(shù)據(jù)持續(xù)通信，仿真時(shí)間設(shè)為30 s。正常情況下的控制命令由SCADA節(jié)點(diǎn)發(fā)出，設(shè)置其從10 s開始。20 s時(shí)產(chǎn)生突發(fā)性事件，各類突發(fā)性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生。

運(yùn)行仿真得到站級(jí)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文ETE Delay波形圖，站級(jí)網(wǎng)絡(luò)ETE Delay約為0.08 ms。在20s時(shí)由于突發(fā)事件的產(chǎn)生使網(wǎng)絡(luò)的ETE Delay有所波動(dòng)，約增大至0.11 ms，而后ETE Delay復(fù)歸。滿足IEC61850對(duì)快速報(bào)文傳輸時(shí)延小于4 ms的要求。

3 全站唯一網(wǎng)絡(luò)方式下的CNDS實(shí)時(shí)性能仿真分析

獨(dú)立過程層子網(wǎng)方式的CNDS對(duì)于原有設(shè)備的兼容性較好，改造較易實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)有傳統(tǒng)變電所進(jìn)行數(shù)字化改造的一種良好過渡方案。但該方式信息共享度低，或多或少地制約了變電所的數(shù)字化效能。

運(yùn)行仿真得到全站唯一網(wǎng)絡(luò)方式下CNDS報(bào)文ETE Delay波形圖，可以看出，在0～30 s內(nèi)，由于站控層和間隔層之間存在因突發(fā)事件導(dǎo)致的大量文件傳輸情況，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文ETE Delay約為0.056 ms。30 s～60 s內(nèi)，變電所處于正常運(yùn)行狀態(tài)，僅由MU節(jié)點(diǎn)發(fā)送SV報(bào)文產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量，ETE Delay約為0.048 ms。60 s時(shí)，變電所發(fā)生故障，產(chǎn)生GOOSE報(bào)文，ETE Delay增大至約為 0.054 ms。

4 結(jié)論

該文基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及牽引變電所綜自功能的要求，提出了兩種數(shù)字化牽引變電所改造過程中的通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。通過分析其各自的特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)難度，指出過程子網(wǎng)目前較易實(shí)現(xiàn)，而全站惟一網(wǎng)絡(luò)將憑借信息高度共享等優(yōu)勢(shì)成為CNDS的最終形態(tài)。利用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，依據(jù)CNDS實(shí)際承載的功能，建立了過程子網(wǎng)和站級(jí)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)仿真模型，圍繞網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和端到端延時(shí)等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，對(duì)不同組網(wǎng)方式和應(yīng)用功能下的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了考察，得出了具有普遍適用性的結(jié)論和建議，為分析解決此類問題提供了通用方法。

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