基于IEC 61850的新型數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的仿真研究

梁夏

[摘 要]IEC 61850標(biāo)準是當(dāng)前變電站廣泛使用且最新、最完善的專業(yè)標(biāo)準。它是促進變電站各項功能實現(xiàn)數(shù)字化的主要技術(shù)，可以最大限度地將變電所中的所有協(xié)議以兼容的方式進行融合，從而在變電所自動化系統(tǒng)的不同設(shè)備的可互操作性以及系統(tǒng)的兼容與維護上起到了非常重要的推動作用。

[關(guān)鍵詞]IEC 61850；數(shù)字化變電站；通信網(wǎng)絡(luò)；仿真模型

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.04.054

[中圖分類號]TM73 [文獻標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2016）04-00-02

1 變電站通信的服務(wù)模型和服務(wù)映射

IEC 61850標(biāo)準從功能上說，其是變電站的整個系統(tǒng)作為一個含有多個一次、二次設(shè)備，并且每個設(shè)備之間都能通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)信息傳遞的對象。對于一個可以促進一項或多項功能實現(xiàn)的物理設(shè)備來說，信息通信的主要方式就是通過特殊的通信協(xié)議以及設(shè)置相應(yīng)的通信接口。因此，IEC 61850標(biāo)準將ACSI、SCSM納入進來，ACSI用來對SAS當(dāng)中的IEDs之間信息傳遞行為進行描述，而SASM則是將抽象功能映射到具體協(xié)議中。

為了能進一步實現(xiàn)IEDs通信功能，IEC 61850標(biāo)準將SCSM模型定義在了第八與第九部分當(dāng)中。這兩部分內(nèi)容都是以ISO/OSI模型為創(chuàng)建基礎(chǔ)，并且運用以太網(wǎng)作為其主要的通信網(wǎng)絡(luò)的物理數(shù)據(jù)鏈路層。以下是4種ACSI映射到SCSM映射的詳細介紹。

1.1 以C/S通信模式為重點的ACSI服務(wù)向MMS映射

MMS包含中速、低速以及文件傳輸3種報文服務(wù)模式。為了可以讓不同制造供應(yīng)商的設(shè)備實現(xiàn)其可互操作性，且能將其通信協(xié)議進行統(tǒng)一管理，MMS就被應(yīng)用在對各種設(shè)備通信行為的統(tǒng)一功能上。而出于MMS本身獨有的設(shè)備可互操作性功能和依賴度較低的特點，使其在電力行業(yè)許多標(biāo)準中得到廣泛應(yīng)用。這一類型映射通常包含TCP/IP與OSI兩種傳輸協(xié)議，但是由于OSI模型非常復(fù)雜且實用性不強，只能在理論上對各種設(shè)備通信協(xié)議進行統(tǒng)一，所以TCP/IP傳輸協(xié)議能夠更好且更簡便地被運用在設(shè)備通信協(xié)議的統(tǒng)一環(huán)節(jié)上。

1.2 ISO模型應(yīng)用層和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層之間的映射

這兩者的映射主要包含變電站事件管理服務(wù)、模擬量采樣值報文和通用對象變電站事件三者的傳輸。其中，SAV、GOOSE兩種報文的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層以及會話層并沒有任何內(nèi)容，而報文則會直接從應(yīng)用層向數(shù)據(jù)鏈路層進行映射，從而有效降低報文在傳輸以及協(xié)議封解中耗費的時間，這也充分滿足了兩者對實效性的要求。盡管這類方案在報文傳輸中的安全性比較低，但實效性非常高，從而使其在實際應(yīng)用中會加入其他手段來增強安全性。

1.3 通用變電站狀態(tài)時間報文傳輸服務(wù)映射

GSSE模型與GOOSE模型相比較來說，兩者最大的區(qū)別是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型上的不同。GOOSE模型主要是對公共數(shù)據(jù)交換提供技術(shù)支持，但是由于Data-set組織范圍比較廣泛，并且其能提供相應(yīng)的方法來對數(shù)據(jù)類型進行定制，而GSSE模型只能提供變電站狀態(tài)信息。所以說，這兩種模型在概念上基本是相同的，但是在對GSSE模型定義中將UCA 2.0成果引入進來是為了實現(xiàn)GSSE模型和UCA GOOSE在報文上共同，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，GOOSE模型將會代替GSSE。

2 報文數(shù)據(jù)類型

IEC 61850標(biāo)準中定義了7種類型的報文。為更好地符合變電站自動系統(tǒng)對報文的要求，每種報文在功能上都得到了細化，其細化是根據(jù)報文功能的不同來進行劃分的，而同變電站本身的規(guī)模沒有直接的關(guān)系。對于變電站來講，并非所有通信連接都必須對同一個功能提供支持，變電站層與過程層可以依據(jù)自身需求來進行自主選擇。以下是7種報文數(shù)據(jù)類型的詳細介紹。

2.1 快速報文

快速報文通常是二進制碼，具體包含數(shù)據(jù)、命令以及簡單報文等內(nèi)容。比如：在啟動、跳閘、合閘等操作上，同時快速報文還能傳輸部分功能狀態(tài)信息；在IEDs收到快速報文以后，其需要將報文中的功能以約定的形式來進行對應(yīng)。跳閘是快速報文眾多報文中最為重要的一項內(nèi)容，其在時間上的要求要比其他快速報文更加嚴格。

2.2 中速報文

中速報文與快速報文相比，在傳輸時間上并不是非常嚴格，通常傳輸時間都在100 ms之內(nèi)，但是其比較注重報文產(chǎn)生的時間。

2.3 低速報文

低速報文在時間要求上比較寬松，只要控制在500 ms之內(nèi)就可以，但這類報文會被應(yīng)用在慢速自控以及記錄事件等內(nèi)容上的傳輸上，所以這也就要求報文中要包含時標(biāo)，而具體是否添加時標(biāo)則要根據(jù)實際情況來標(biāo)注。

2.4 原始數(shù)據(jù)報文

原始數(shù)據(jù)報文一般都不會依賴技術(shù)來實現(xiàn)其功能，也就是其會從數(shù)字傳感器、數(shù)字互感器當(dāng)中直接獲取到最原始的數(shù)據(jù)。

2.5 文件傳輸功能

文件傳輸功能類的報文一般都會應(yīng)用在傳輸較大文件上，并且文件主要是以記錄及信息用途為主，為了降低其資源占有率，需要將其數(shù)據(jù)切成若干定長的塊，同時這類數(shù)據(jù)對時間沒有要求。

3 變電站自動化系統(tǒng)仿真

3.1 OPNET的仿真特點

OPNET是一款在各領(lǐng)域得到廣泛運用的仿真工具，所以它不僅能為所研究的對象提供建模，而且本身還具有圓形界面。同時，這款工具操作非常簡便，軟件本身功能齊全、覆蓋面較廣。OPNET所能支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與特征主要體現(xiàn)在4個方面。

3.1.1 離散事件驅(qū)動

離散事件當(dāng)中的“事件”是指變電站運作過程當(dāng)中的一種變化，換句話說，只有在這種狀態(tài)下才會發(fā)生這種模擬行為，但在其余時間當(dāng)中則不會產(chǎn)生模擬行為。與時間驅(qū)動相比較來說，離散事件能有效提升計算水平，以此來實現(xiàn)進程通信行為的描述。

3.1.2 以包為單位的通信

用戶依據(jù)實際需求來對數(shù)據(jù)包開展編輯，從而在仿真當(dāng)中對其進行模擬信息傳送。

3.1.3 以事件為單位的調(diào)度

運用對調(diào)度事件的相關(guān)設(shè)置，以此來使仿真事件調(diào)度盡量與實際事件相符合。同時，用戶還能從所需網(wǎng)絡(luò)層中收集各項參數(shù)，進行數(shù)據(jù)的對比以及參數(shù)變化。

3.1.4 以層次化思路建模

OPNET運用網(wǎng)絡(luò)、進程、節(jié)點3種編輯器來充分滿足客戶對于不同結(jié)構(gòu)的需求，從而使其在拓展、進程環(huán)節(jié)上可以實現(xiàn)建模。

3.2 OPNET仿真的關(guān)鍵步驟

在OPNET軟件進行仿真當(dāng)中是需要遵循其獨有的仿真流程的，這主要包括仿真目標(biāo)、建模以及結(jié)構(gòu)搜集分析，并且在這一過程中會進行多次調(diào)整。OPNET仿真能依據(jù)用戶對仿真效果的要求，例如：結(jié)果詳細度、結(jié)果可用性等，從而對系統(tǒng)模型、輸出與輸入量進行調(diào)整，以此來得到最佳的仿真效果。用戶在對OPNET軟件的仿真流程熟悉以后，就要針對研究對象來進行建模和數(shù)據(jù)分析。從整個過程上說，具體分為4個步驟。

（1）網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)建。OPNET模型框架主要包括連接線以及各類設(shè)備等，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上還要依據(jù)其拓撲結(jié)構(gòu)來進行。

（2）流量模型的選擇。在模型框架創(chuàng)建完成之后，還必須根據(jù)要求來創(chuàng)建出流量模型。在OPNET軟件當(dāng)中的接收與發(fā)送的兩個點的流量被稱為背景路由流量；而節(jié)點與鏈路中的流量則被稱為背景利用率流量；變電站中各個站點之間的流量被稱為前景業(yè)務(wù)流量。

（3）在模型創(chuàng)建及流量模型選擇好以后，影虎需要依據(jù)仿真要求與目的來進行參數(shù)的設(shè)置。

（4）仿真過程全部完成后，還必須要對統(tǒng)計量進行分析。

3.3 依據(jù)IEC 61850標(biāo)準進行變電站模型創(chuàng)建

3.3.1 變電站模型中的設(shè)備選擇

變電站本身的類型比較多，這也就使每個變電站所具有的功能也是多樣的。比如：電壓在變電站當(dāng)中的的變化角度上說，就有升壓站與降壓站兩種。即使屬于同種類型的變壓站，也會因為間隔層中保護與控制的相關(guān)設(shè)備配置不同造成不同的效果。因此，為了可以更加精準地開展對變電站動態(tài)需求的研究，IEC 61850-1就需要根據(jù)變電站的建設(shè)規(guī)模和自身功能來劃定不同類別的變電站，而IEC 61850-5就選擇T1-1、T2-1、T2-2、D2-1這4個具有代表意義的變電站，并且依據(jù)這4種典型變電站的具體位置來對現(xiàn)實中的變電站進行分類，而此時還需要將變電站中的設(shè)計的實用性、地域性以及要符合國家相關(guān)部門規(guī)定，所以要避免設(shè)備選擇的隨意性。在變電站類型選擇上，一般的有變壓器臺數(shù)、進出線數(shù)量以及聯(lián)絡(luò)開關(guān)的個數(shù)等。本文主要研究的就是變電站對象當(dāng)中的D2-1，這一類型是中等規(guī)模的變電站，并且對其研究也具有很強的代表性，比較符合實際變電站的情況，從而使研究不會過于復(fù)雜。

變電站通信過程中所傳輸?shù)膱笪漠?dāng)中，SAV報文需要將IVM單元合并以后，再通過交換機來對保護裝置開展數(shù)據(jù)之間的傳遞。在仿真過程中經(jīng)過ethemet-station_adv節(jié)點來進行功能的實現(xiàn)，并且這一節(jié)點主要包含6個進程模塊： bursty-gen、hub_txO 、mac、hub_rxO、sink、eth_thac-intf，從而產(chǎn)生、接受、統(tǒng)計流量，并且聯(lián)系MAC層與應(yīng)用層。從報文類型上說，GOOSE報文和SAV報文都可以被稱為Video Conference，因此，可以說這個模型的節(jié)點選擇必須選擇ethemet_station_adv。

在變電站的特定環(huán)節(jié)通信服務(wù)當(dāng)中，包括TCP/IP協(xié)議，與OPNET仿真軟件在執(zhí)行過程中，主要通過ethemet_wkstn_adv本節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸仿真。同時，它也可以在信息通信間隔層中實現(xiàn)，Video Conference與FTP等業(yè)務(wù)都能進行完整體現(xiàn)，一般能對其進行保護、文件傳輸?shù)韧话l(fā)性數(shù)據(jù)傳輸或隨機性數(shù)據(jù)傳輸。

3.3.2 業(yè)務(wù)配置

所選的變電站模型的結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置設(shè)備的選擇和在OPNET軟件設(shè)備配置。變電站模式配置后，為了能實現(xiàn)變電站內(nèi)部數(shù)據(jù)流的處理工作，它需要進行業(yè)務(wù)設(shè)置。確定相關(guān)應(yīng)用程序，為了準確模擬信息通信過程中的實際有效傳輸變電站，必須將所有的數(shù)據(jù)包都歸結(jié)為周期性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的隨機性以及三種類型的突發(fā)數(shù)據(jù)，這一步驟需要在模型中以新建報文的方式實現(xiàn)。OPNET軟件中現(xiàn)有的類型應(yīng)用主要有9種，而在一般網(wǎng)絡(luò)仿真當(dāng)中只需要運用其中的一種應(yīng)用就可以實現(xiàn)。依據(jù)過去的研究經(jīng)驗，Video Conference可以應(yīng)用在周期性數(shù)據(jù)以及隨機性數(shù)據(jù)的模擬上，而突發(fā)性數(shù)據(jù)由于其信息量較大，一般都是通過FRP來對其開展模擬的。變電站的模型配置完成后，必須使用拓撲對象搜索和添加應(yīng)用程序配置模塊，從editattributes本模塊中找到應(yīng)用程序定義的部分添加周期、隨機的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)模擬包正常運用。另外，為了能更加方便地查找應(yīng)用，在對數(shù)據(jù)應(yīng)用進行定義上可用典型代表作為其名字。

3.3.3 統(tǒng)計量收集

為了可以更準確地對仿真結(jié)果開展分析，就要實現(xiàn)對收集統(tǒng)計量進行設(shè)定。從變電站通信仿真過程上來說，其重點是時延是否符合要求。如果變電站通信信息安全提出一種方案，這一方案就必須符合標(biāo)準對變電站報文的相關(guān)要求。在時延統(tǒng)計量上，通常有Ethernet-Delay、Video Conference-Packet End-to-End Delay兩種方式。Ethernet-Delay能反映出節(jié)點收到的數(shù)據(jù)包的時間延遲情況；Video Conference-Packet End-to-End Delay則反映節(jié)點從其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時的延時。如果還需要進行其他統(tǒng)計量，那么在相關(guān)設(shè)備中選取就可以。

主要參考文獻

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