基于IEC61850的智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究①

朱龍超

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

基于IEC61850的智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能仿真研究①

朱龍超

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

為了確保智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，依據(jù)基于通信網(wǎng)絡(luò)的IEC61850變電站自動(dòng)化系統(tǒng)國際標(biāo)準(zhǔn)，以面向?qū)ο蠓抡婧碗x散事件驅(qū)動(dòng)的OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件為平臺(tái)，依次根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對SV、GOOSE報(bào)文數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，制定智能電子設(shè)備(IED)的通信協(xié)議，然后分別建立變電站分層結(jié)構(gòu)中站控層、間隔層、過程層不同IED的模型。最終應(yīng)用于IEC61850中標(biāo)準(zhǔn)的220/110kV D2-1變電站的網(wǎng)絡(luò)模型建立中，對模型的仿真結(jié)果滿足性能要求。

報(bào)文協(xié)議 變電站 網(wǎng)絡(luò)模型 智能電子設(shè)備 IEC61850 OPNET 仿真

智能電子設(shè)備(IED)越來越多地應(yīng)用于變電站的自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)。國際電工協(xié)會(huì)建立了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850，對變電站相關(guān)的IED、饋線設(shè)備的通信結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了規(guī)范，并規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)慕涌?、協(xié)議和通信時(shí)延[1～3]。因此，對基于IEC61850的變電站通信網(wǎng)絡(luò)建模與仿真，可有效分析智能變電站系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有計(jì)劃地維護(hù)和更新設(shè)備，有效地預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊和系統(tǒng)故障，保護(hù)變電站系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。筆者采用OPNET作為智能變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真的工具[4]，采用面向?qū)ο蟮慕７椒ê碗x散事件驅(qū)動(dòng)，依次對進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層和網(wǎng)絡(luò)層建模。由于OPNET的開源模型庫中包括了不同廠商的設(shè)備和多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)[5～7]。

針對IEC61850規(guī)范的要求，部分學(xué)者做了一些研究。云南大學(xué)分析了變電站3層結(jié)構(gòu)中人機(jī)交互的方式，對于不同類型數(shù)據(jù)的IED過程層處理機(jī)制分析了網(wǎng)絡(luò)性能[8]；印度國立伊斯蘭大學(xué)提出了一種基于IEC61850-9-2的變電站通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并用可靠性框圖評價(jià)了系統(tǒng)的可靠性[9]；巴格特·辛格國立大學(xué)的學(xué)者分別建立了69kV變電站星型和總線型的變電站3層結(jié)構(gòu)，并在不同的鏈路帶寬、采樣頻率、數(shù)據(jù)包大小情況下進(jìn)行了分析[10]；華中科技大學(xué)以500kV變電站內(nèi)線路間隔為研究對象，依據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)定義了保護(hù)設(shè)備、測控設(shè)備、合并單元和智能開關(guān)4種邏輯節(jié)點(diǎn)，并通過建模分析數(shù)據(jù)傳輸速率[11]；華南理工大學(xué)建立了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和節(jié)點(diǎn)模型，按照不同的權(quán)重計(jì)算綜合評價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用于珠海琴韻220/110kV變電站的網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)中[12]。

上述研究工作主要針對了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容進(jìn)行了研究，并且對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行了簡化，節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換的協(xié)議和IED的功能不夠明確。針對上述問題，筆者以O(shè)PNET為網(wǎng)絡(luò)仿真與分析平臺(tái)，首先依據(jù)IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)定義了報(bào)文的數(shù)據(jù)包格式并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行賦值，然后建立了合并單元、保護(hù)IED、斷路器IED進(jìn)程層的邏輯關(guān)系，配置相應(yīng)的交換機(jī)與鏈路參數(shù)，最后將建立的節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)用于D2-1型變電站的通信網(wǎng)絡(luò)，對模型的時(shí)延、吞吐量和網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行分析，確定變電站網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

1 IEC61850報(bào)文協(xié)議

根據(jù)IEC61850協(xié)議的要求，變電站中的信息流以報(bào)文的形式存在，按照報(bào)文的不同功能可以分為采樣值報(bào)文(SV)、變電站事件報(bào)文(GOOSE)和制造報(bào)文規(guī)范(MMS)[13,14]。根據(jù)報(bào)文的重要性，對它在網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延有明確的要求：SV報(bào)文屬于原始數(shù)據(jù)的采集，傳輸時(shí)間應(yīng)在3～10ms內(nèi)；GOOSE報(bào)文包含了重要的保護(hù)與控制信息，傳輸時(shí)間應(yīng)在3ms內(nèi)；MMS中信息的重要性和優(yōu)先級(jí)較低，傳輸時(shí)間應(yīng)在1 000ms內(nèi)。

1.1 SV報(bào)文

IEC61850-9-1/2中規(guī)定了SV報(bào)文的數(shù)據(jù)格式要求，IEC61850-9-1與IEC61850-9-2規(guī)定的包結(jié)構(gòu)中只是應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)中的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)個(gè)數(shù)分別為一個(gè)和多個(gè)，筆者采用了IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的格式，每個(gè)SV報(bào)文數(shù)據(jù)為123字節(jié)[15]。通過OPNET的包格式編輯器，可以按上述包結(jié)構(gòu)定義SV數(shù)據(jù)包格式，并儲(chǔ)存為.pk文件，在合并單元獲取原始數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用，封裝的數(shù)據(jù)包可以通過OPNET核心函數(shù)進(jìn)行賦值。

1.2 GOOSE報(bào)文

GOOSE報(bào)文的數(shù)據(jù)包格式按照ISO/IEC8802-3的幀格式封裝。在OPNET的進(jìn)程編輯器中建立過程層狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如圖1所示。主要包含了4種狀態(tài)：initial、idle、GSEManagementPdu和GoosePdu，當(dāng)產(chǎn)生初始化中斷后intial執(zhí)行出口程序轉(zhuǎn)移到idle空閑狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)條件轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)管理或數(shù)據(jù)請求狀態(tài)，執(zhí)行完后強(qiáng)制轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)。GOOSE通信模型主要是由GOOSE控制塊GoCB控制報(bào)文的傳輸方式和格式，然后由GOOSE服務(wù)來對GoCB進(jìn)行設(shè)置并發(fā)送相應(yīng)報(bào)文，主要的服務(wù)包括讀取GOOSE報(bào)文的狀態(tài)、讀取GOOSE元素序號(hào)、讀取GOOSE控制塊值、讀取GOOSE數(shù)據(jù)偏移。對于每一個(gè)GOOSE報(bào)文都含有一系列的信息與參數(shù)，例如報(bào)文存活時(shí)間、時(shí)間序列計(jì)數(shù)器、狀態(tài)改變計(jì)數(shù)器及狀態(tài)改變時(shí)間等。

圖1 GOOSE報(bào)文狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1.3 MMS報(bào)文

MMS報(bào)文是一種應(yīng)用層的協(xié)議，為設(shè)備和應(yīng)用定義了一套標(biāo)準(zhǔn)通信機(jī)制，可以靈活、方便地實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)不同廠商的IED之間的互操作，主要用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。MMS由于對報(bào)文傳輸時(shí)間的快速性要求沒有SV和GOOSE報(bào)文高，所以采用傳統(tǒng)的OSI 7層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。MMS、SV、GOOSE報(bào)文都通過各自的協(xié)議映射到基于IEC8802-3協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，實(shí)現(xiàn)流量控制、差錯(cuò)控制、數(shù)據(jù)幀同步及鏈路管理等功能。

2 變電站關(guān)鍵設(shè)備模型

2.1 合并單元

電流互感器和電壓互感器的數(shù)據(jù)值經(jīng)過轉(zhuǎn)化變?yōu)閿?shù)字量，經(jīng)過合并單元(MU)按照SV數(shù)據(jù)包格式封裝后，通過多播的方式發(fā)送到間隔層相應(yīng)的IED上。MU的數(shù)據(jù)可通過兩種方式獲得：第1種是利用OPNET中的函數(shù)發(fā)生器，根據(jù)故障前后的功率因數(shù)角不同，通過公式產(chǎn)生故障時(shí)的電流和電壓數(shù)據(jù)，然后關(guān)聯(lián)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包；第2種就是通過OPNET和電力系統(tǒng)仿真工具(如Matlab、PSCAD等)進(jìn)行聯(lián)立，從電力軟件中獲取需要的原始數(shù)據(jù)，例如使用OPNET的外部模塊接口(EMA)調(diào)用ESA_API函數(shù)與PSCAD進(jìn)行聯(lián)立，采用套接字作為數(shù)據(jù)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用與返回。

筆者在OPNET中建立的合并單元節(jié)點(diǎn)層模型如圖2所示，source_data模塊為合并單元的數(shù)據(jù)來源，通過上述方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)可以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行利用；sink模塊為包接收模塊，可以計(jì)算數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；eth_mac_intf模塊是相應(yīng)以太網(wǎng)的協(xié)議，首先對外部設(shè)備的連接狀態(tài)和單/雙工進(jìn)行判斷與識(shí)別，對單狀態(tài)進(jìn)行載波監(jiān)聽、碰撞檢測和多路檢測，對全雙工狀態(tài)則考慮采用添加優(yōu)先級(jí)標(biāo)志和VLAN的功能加強(qiáng)數(shù)據(jù)鏈路，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；hub_rx0和hub_tx0是點(diǎn)對點(diǎn)鏈路的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，與交換機(jī)中的eth_port_rx和eth_port_tx對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)MU節(jié)點(diǎn)與交換機(jī)數(shù)據(jù)的交互。

圖2 MU節(jié)點(diǎn)模型與斷路器IED節(jié)點(diǎn)模型

2.2 智能電子設(shè)備

保護(hù)和控制設(shè)備(P&C IED)對采集的SV報(bào)文進(jìn)行分析，判斷實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)，正常工作情況下，產(chǎn)生恒定速率的報(bào)文發(fā)送到工作站和服務(wù)器；故障情況下不僅向工作站發(fā)送當(dāng)前的狀態(tài)信息，還要在控制設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作信息，作用于斷路器跳閘。在OPNET中P&C IED的節(jié)點(diǎn)模型基本結(jié)構(gòu)與MU類似，均采用3層結(jié)構(gòu)，但是保護(hù)和控制設(shè)備不僅能采集SV報(bào)文，還能進(jìn)行GOOSE報(bào)文的傳遞，因此其數(shù)據(jù)接口和鏈路層協(xié)議都是經(jīng)過編譯的。斷路器IED接收GOOSE報(bào)文，根據(jù)報(bào)文信息控制智能開關(guān)來實(shí)現(xiàn)刀閘動(dòng)作而作用于線路通斷。

3 智能變電站網(wǎng)絡(luò)模型

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下的智能變電站結(jié)構(gòu)分為3層：變電站層、間隔層和過程層。依據(jù)IEC61850-1中的D2-1變電站的接線形式，在OPNET中進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證。變電站中含有兩臺(tái)220/110kV變壓器設(shè)備，220kV高壓側(cè)具有兩回路進(jìn)線，110kV側(cè)采用雙母線并且具有4回路110kV出線，線路上對不同的間隔都裝設(shè)了IED，共計(jì)11個(gè)合并單元MU, 9個(gè)保護(hù)與控制IED，11個(gè)斷路器IED。按照接線形式和智能電子設(shè)備的種類與數(shù)量，構(gòu)建了如圖3所示的智能變電站網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為110kV母聯(lián)間隔、220kV線路間隔、變壓器間隔和饋線間隔，每個(gè)間隔中含有相應(yīng)的合并單元、保護(hù)與控制IED、斷路器IED和一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕粨Q機(jī)，實(shí)現(xiàn)過程層和間隔層的數(shù)據(jù)交互。所有間隔的交換機(jī)單元都連接在核心交換機(jī)上，由核心交換機(jī)與站控層的服務(wù)器和工作站進(jìn)行交互。

圖3 智能變電站網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 仿真分析

利用OPNET中的應(yīng)用配置模塊(Application Configuration)，可以對SV報(bào)文、GOOSE報(bào)文、文件傳輸報(bào)文、狀態(tài)信息及互鎖信息等進(jìn)行定義與配置。文件配置模塊(Profile Configuration)可用于配置變電站中業(yè)務(wù)合并單元、多種IED、交換機(jī)、服務(wù)器和工作站的業(yè)務(wù)模型，使一種或多種應(yīng)用可以在節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的信息流動(dòng)。

在仿真中，對不同數(shù)據(jù)信息傳輸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其中SV報(bào)文長度為123Byte，采樣頻率為4 800Hz；GOOSE跳閘命令和狀態(tài)信息報(bào)文長度分別為50Byte和200Byte，并且采用心跳重發(fā)機(jī)制保證信息可靠傳輸；作用于短路器通斷的控制信息長度為200Byte，采樣頻率為10Hz；上傳到服務(wù)器和工作站的狀態(tài)信息大小為300KB。節(jié)點(diǎn)間采用了100Mb/s的數(shù)據(jù)鏈路，進(jìn)行1h的仿真結(jié)果如圖4所示，線路的端到端時(shí)延(ETE Delay)平均值為0.22ms，滿足了IEC61850對不同報(bào)文傳輸過程時(shí)延的要求，并且100Mb/s的鏈路滿足網(wǎng)絡(luò)對帶寬的要求，不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)高峰時(shí)由于鏈路帶寬不足而影響數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 智能變電站網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

基于OPNET仿真軟件和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，依次定義了SV、GOOSE等報(bào)文格式，建立了進(jìn)程層狀態(tài)轉(zhuǎn)移、節(jié)點(diǎn)層的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備與鏈路，形成了智能變電站3層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終對模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果滿足IEC61850對智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)性能的要求。在未來的研究中，將著重考慮變電站的原始數(shù)據(jù)來源，擬采用與電力仿真軟件聯(lián)立的方式，使仿真能體現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，提高仿真的精確度。

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ResearchonNetworkPerformanceSimulationofIntelligentSubstationBasedonIEC61850

ZHU Long-chao
(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to ensure stability of the intelligent substation communication network, having IEC61850 standard-based substation automatic system considered and taking object-oriented simulation and discrete event-driven OPNET software as platform as well as in accordance with IEC61850 standard, encapsulating SV and GOOSE packets and establishing communication protocol for intelligent electronic equipment (IED) were implemented, including the establishment of model structure of station control layer, bay layer and process layer IED models and the network model of standard 220/110kV D2-1 substation and the performance analysis.

message protocol, substation, network model, intelligent electronic device, IEC61850, OPNET, simulation

朱龍超(1993-)，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)分析和電力物理信息融合系統(tǒng)(ECPS)的研究，498010689@qq.com。

TP391.9;TM41

A

1000-3932(2017)12-1139-04

2017-08-04)