基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真研究

陳哲

（國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350001）

基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真研究

陳哲

（國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350001）

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，信息化、智能化、網(wǎng)絡化等現(xiàn)代高科技在電力系統(tǒng)得到廣泛應用，智能變電站也得到了快速發(fā)展。使用OPENET仿真技術進行智能變電站繼電保護功能的建模與仿真，可以適時模擬繼電保護器的運行狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、算法到輸出的模擬仿真，對有效掌控智能變電站繼電保護提供技術支撐。本文從OPNET仿真技術概述入手，研究了基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真，以供參考。

OPNET仿真；智能變電站；繼電保護；建模與仿真

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)也取得了長足的進步。智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要節(jié)點和支撐，其地位和作用日益突顯。智能變電站是采用先進、環(huán)保的智能設備，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化技術為支撐，能自動完成信息采集、計量、檢測和保護等基本功能，并具有支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策和協(xié)同互動等高級功能的變電站。人工智能技術在變電站系統(tǒng)的成功運用，也為網(wǎng)絡仿真技術的應用提供了可能。在二次連接的電纜回路約束機制下，通過光纖和以太網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)，將變電站各種設備進行組網(wǎng)連接，為OPNET仿真技術的應用提供了網(wǎng)絡、信息和數(shù)據(jù)支持。OPNET仿真技術可以對整個系統(tǒng)設計進行仿真，幫助改進不足之處，以便對智能變電站系統(tǒng)更好的實施保護。同時，通過OPNET仿真技術還可以設計不同的智能繼電保護系統(tǒng)，對不同的智能變電站實施模擬防護，使智能變電站的繼電保護更加完善、穩(wěn)定和可靠。

1 OPNET仿真技術概述

OPNET是一個網(wǎng)絡仿真技術軟件包，能夠?qū)碗s網(wǎng)絡的性能和行為進行準確分析，在網(wǎng)絡模型中的任意位置都可以通過探頭采集數(shù)據(jù)。OPNET通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察或者輸出到第三方的軟件包去。OPNET結構由三個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在通信、軍事、航空航天等領域得到了廣泛應用。OPNET仿真技術主要特點：①能為網(wǎng)絡的規(guī)劃設計提供可靠的定量依據(jù)，能迅速建立和修改現(xiàn)有網(wǎng)絡的模型并進行仿真，非常適用于預測網(wǎng)絡的性能。②網(wǎng)絡仿真能比較多個不同的設計方案或驗證實際方案。一個項目設計往往有多個不同的方案，每個方案各有優(yōu)缺點，要正確選擇就必須有參考依據(jù)，因此進行科學的比較和取舍就成為擺在設計者面前的一個課題。而網(wǎng)絡仿真能較好的解決這一難題。利用OPNET仿真技術對不同方案建模和模擬，如網(wǎng)絡拓撲結構、路由設計、業(yè)務配置等，以獲取網(wǎng)絡性能定量參數(shù)和預測數(shù)據(jù)，為方案的比較、驗證和最終決策提供可靠的參考依據(jù)。③OPNET管理解決方案可確保應用程序有效執(zhí)行，系統(tǒng)容量足以支持這些應用程序，并且網(wǎng)絡可提供實現(xiàn)目標的應用程序功能。OPNET解決方案提供了一種用于應用程序性能管理的端到端方法。④OPNET在及時、準確了解和分析網(wǎng)絡狀況的的基礎上，其網(wǎng)絡設計、運行和規(guī)劃解決方案又在整個網(wǎng)絡管理生命周期內(nèi)提供了一組補充性功能，其中包括利用預測規(guī)劃和優(yōu)化、網(wǎng)絡審核和更改驗證以及快速故障排除等。⑤OPNET網(wǎng)絡研發(fā)解決方案，將高保真模型與業(yè)內(nèi)領先的可擴展模擬技術相結合，可促進技術創(chuàng)新并加快網(wǎng)絡協(xié)議和設備的研發(fā)。

隨著現(xiàn)代通信技術的不斷發(fā)展，通信網(wǎng)絡涵蓋范圍不斷擴大，技術水平也不斷改進和提升，對網(wǎng)絡建模和仿真提出了更高的要求。同時，智能變電站中不同變電設備在具體的設計層面表現(xiàn)形式也不同，需要根據(jù)不同仿真對象的功能特點選擇建模方法。在進行智能變電站繼電保護系統(tǒng)設計時，需要采取統(tǒng)籌設計與實際設備相結合的方法對整個變電站系統(tǒng)進行仿真建模。利用OPENET仿真技術，以變電站中的設備為對象建立繼電保護系統(tǒng)，利用通信網(wǎng)絡為繼電保護系統(tǒng)設計提供數(shù)據(jù)和指令傳導等技術支持。OPENET仿真技術對整個繼電保護系統(tǒng)進行建模和仿真，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)設計、仿真和測試。在此過程中，必須對網(wǎng)絡中的各個節(jié)點進行結構性和功能性設計，以便有效實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的繼電保護。為此，要結合網(wǎng)絡技術來對整個網(wǎng)絡結構進行深層次設計，并滿足智能變電站繼電保護分層機制的要求，在此基礎上實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的仿真設計。同時，要注意利用OPENET技術對不同組網(wǎng)形式的繼電保護系統(tǒng)進行測試，確保繼電保護系統(tǒng)設計科學，能夠切實保護智能變電站，防止安全事故的發(fā)生。[1]

2 網(wǎng)絡機制下的OPNET仿真模型

以500kV變電站的繼電保護系統(tǒng)設計為實例。通過建立繼電保護與設備控制之間的系統(tǒng)聯(lián)系，實現(xiàn)智能變電站的網(wǎng)絡繼電保護的仿真模型建設。目前，國內(nèi)500kV變電站多采用3/2接線形式，要求兩套相同的繼電保護的電流、電壓、跳閘等回路都是獨立的。為此，要堅持將智能繼電保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)接線方式繼電保護相結合，確保智能變電站的繼電保護形成雙保險形態(tài)。在此過程中，必須在相同的繼電保護回路之間建立數(shù)據(jù)通路，并以此作為繼電保護的主要形式。實踐證明，在繼電保護系統(tǒng)設計上，總線型網(wǎng)絡和環(huán)形網(wǎng)絡不適用于500kV數(shù)字化變電站的過程層網(wǎng)絡，容易產(chǎn)生安全上的問題，因此需要要對其他類型的網(wǎng)絡的可靠性進行仿真建模。構建OPNET模型需要分成多個不同層次，包括網(wǎng)絡模型、節(jié)點模型和進程模型等。

2.1 網(wǎng)絡模型

由半斷路器接線過程分析，可采用單串組網(wǎng)方式和間隔組網(wǎng)方式進行網(wǎng)絡組網(wǎng)。單串組網(wǎng)，就是將串內(nèi)設備統(tǒng)一由路由器來進行管理，并在交換機和母線保護之間進行數(shù)據(jù)連接，最終實現(xiàn)對于整個串內(nèi)各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。間隔組網(wǎng)，就是結合斷路器與線路、變壓器的間隔聯(lián)系，將智能保護設備與兩個交換機連接，并接入主變保護系統(tǒng)和母線交換機，實現(xiàn)整體系統(tǒng)線路的保護。需要注意的是，仿真過程中要充分考慮仿真系統(tǒng)的連接方式，注意整個連接結構中OPNET模型的模擬接線處理方法和手段。

2.2 節(jié)點模型

智能變電站繼電保護系統(tǒng)包含諸多節(jié)點，OPENET仿真技術可以對每個節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集、處理和輸出。每個節(jié)點又由具有不同功能的部分組成，如數(shù)據(jù)生成部分、數(shù)據(jù)存儲部分、數(shù)據(jù)處理部分、路數(shù)選擇部分和數(shù)據(jù)傳輸部分等。規(guī)范節(jié)點設置過程，可通過相應的接口達成各個環(huán)節(jié)之間的通信，使得仿真操作在高級節(jié)點模式作用下具有更高的系統(tǒng)規(guī)范水平，確保在不同節(jié)點之間實現(xiàn)及時、有效的通信。為確保智能變電站繼電保護系統(tǒng)和路由器有效連接，需要對接點的輸入和輸出內(nèi)部端口進行明確。

2.3 數(shù)據(jù)流分析

網(wǎng)絡環(huán)境是一個復雜的通信體系，其數(shù)據(jù)流的運行也相對復雜。因此，在進行網(wǎng)絡設計時，必須充分考慮數(shù)據(jù)流的運行環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流包括單元下的線路保護、變壓器保護、母線與開關位置報文等，通過智能控制處理單元可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的傳輸，并保證不影響整個系統(tǒng)指令在內(nèi)部智能控制單元的傳輸效果。在此過程中，涉及到的主要參數(shù)為采樣周期設置，通常報文的長度應該限定在123字節(jié)以內(nèi)。為確保信息采集同步，必須將流量采集的起止時間節(jié)點設置成同步的常數(shù)分布模式。同時，要確保周期廣播開關在報文字節(jié)的標準效果，保證持續(xù)一定時間的報文長度字節(jié)在從播、重發(fā)的模式下仍然可以發(fā)送系統(tǒng)控制命令。[2]

3 OPNET仿真技術的應用分析

3.1 虛擬局域網(wǎng)VLAN的劃分

數(shù)字化變電站通過過程層網(wǎng)絡對采樣值（SAV）、跳閘命令（GOOSE）等報文進行傳輸。SAV、GOOSE報文以多播、重發(fā)模式向外發(fā)送相同數(shù)據(jù)，而智能變電站中的間隔層之間只有一些相關的IED才能進行GOOSE報文交換。過程層網(wǎng)絡又可分為4個不同的VLAN虛擬局域網(wǎng)，從而減少廣播信息傳播，避免了廣播信息泛濫而堵塞網(wǎng)絡，有效提高了整個網(wǎng)絡的傳輸效率。

3.2 仿真結果分析

利用OPNE Tmodeler網(wǎng)絡設備模型，以工作站模擬單元合并、智能開關操作箱、二次設備保護等，實現(xiàn)OPNET仿真技術下的模擬采樣報文和GOOSE報文的提供。并通過交換機的設置來實現(xiàn)VLAN劃分，仿真第一次不劃分VLAN，第二次劃分為4個VLAN。仿真結果分析如下：①VLAN劃分與否對網(wǎng)絡性能有著很大影響。不劃分VLAN而直接進行仿真，母線保護不僅收到與其相關的報文，還會收到不相干的廣播報文，負荷將是劃分VLAN時的兩倍，網(wǎng)絡負載和隨之而來的沖突也會隨之增加。②母線保護功能關于報文時延現(xiàn)象也與VLAN劃分密切相關。由于母線保護與多個間隔有信號聯(lián)系，因此網(wǎng)絡負載和發(fā)生沖突的可能性都較大。劃分VLAN后，報文沖突隨之減少，使網(wǎng)絡帶寬利用率有效提高，保證了GOOSE報文的端對端延時特性比較穩(wěn)定，減小了延遲抖動，從而使報文傳輸實時性得到有效的提高。③各個設備在不劃分VLAN的平均時延明顯要大于劃分VLAN后的平均時延，各個設備的GOOSE報文在劃分VLAN后時延較小。[3]

3.3 電流保護實例

以智能變電站的過電流保護為例利用OPNET建立模型及仿真。根據(jù)電流保護算法來進行編程，在SAV報文中讀取A相電流，并與電流保護整定值進行比較。采用半波積分算法可得到電流保護的電流有效值。之后設置仿真參數(shù)，如通信使用100M光纖，GOOSE報文采用變周期重發(fā)機制等。根據(jù)不同類型報文的實時性要求，設定報文優(yōu)先等級和VLAN，對兩相短路故障進行仿真來測試保護機制的可行性。分析仿真結果可知，在過程層網(wǎng)絡中，報文傳輸及處理會產(chǎn)生一定的延時。故障點距離電源點越近則故障電流越大，保護動作時間就越短。因此，電流保護仿真模型，能夠有效描述智能變電站繼電保護的數(shù)據(jù)傳輸與處理、動作邏輯、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(shù)據(jù)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)境的繼電保護問題。

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，OPENET仿真技術為智能變電站繼電保護的仿真模型提供了強大的技術支撐。通過科學的仿真模擬，能夠有效減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)沖突，實現(xiàn)報文高效、準確的傳輸，為改善智能變電控制環(huán)境下的設備運行、維護、安全提供有力保證，推動我國電力系統(tǒng)向著信息化、智能化、標準化方向發(fā)展。

[1]曾麟.基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真[J].企業(yè)技術開發(fā)，2013，23：94+97.

[2]肖雪麗.關于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真[J].中國高新技術企業(yè)，2015，30：121～123.

[3]方曉潔，季夏軼，盧志剛.基于OPNET的數(shù)字化變電站繼電保護通信網(wǎng)絡仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，23：137～140.

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1004-7344（2016）20-0066-02

2016-7-1