基于OPNET仿真的智能變電站過程層通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸特性研究

姚澤林

（廣州南方電力集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

智能變電站的設(shè)計(jì)與建設(shè)是實(shí)現(xiàn)可靠智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》，用于實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視、控制和繼電保護(hù)三大功能，隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的制定，智能變電站實(shí)現(xiàn)了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模，實(shí)現(xiàn)了分層、分布式布置，IED設(shè)備之間的信息交互以網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)。智能變電站和傳統(tǒng)變電站的最大區(qū)別之一在于增加了過程層網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)變電站中間隔層的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量輸入/輸出等模塊下放到過程層實(shí)現(xiàn)。過程層接口構(gòu)成了一、二次設(shè)備的分界面，實(shí)現(xiàn)測量、控制、狀態(tài)檢測等功能，為跨設(shè)備、跨應(yīng)用、跨專業(yè)的變電站二次系統(tǒng)一體化奠定了基礎(chǔ)。

本文通過OPNET進(jìn)行建模、數(shù)據(jù)采集和仿真以及結(jié)果分析，討論智能變電站過程層信息傳輸?shù)奶匦?，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化采樣值提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 OPNET模型基本元件

按IEC 61850的規(guī)定，采樣值（SAV）和開入/開出（GOOSE）沒有經(jīng)過TCP/IP層，報(bào)文直接映射到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層，故選ethernet_station_adv模型來模擬間隔層與過程層收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的通信。

過程層與間隔層之間傳輸主要是GOOSE與SAV報(bào)文，兩種報(bào)文是網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)載。SAV與GOOSE報(bào)文都采用由應(yīng)用層直接映射到鏈路層的映射方式，根據(jù)這一特點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)可以用ethernet_station_adv節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行模擬，包括過程層MU、ISG以及間隔層保護(hù)IED等節(jié)點(diǎn)。

ethernet_station_adv節(jié)點(diǎn)模型共包括6個(gè)進(jìn)程模塊，其中，hub_rx0用于接收數(shù)據(jù)，hub_tx0用于發(fā)送數(shù)據(jù)，mac實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)MAC層協(xié)議，eth_mac_intf用于建立MAC層與應(yīng)用層之間的聯(lián)系，bursty_gen用于產(chǎn)生流量，sink用于接收流量并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過設(shè)置模型屬性，可實(shí)現(xiàn)對報(bào)文長度、發(fā)送間隔等參數(shù)的控制。

2 智能變電站OPNET建模參數(shù)設(shè)置

2.1 合并單元模型

Ethernet網(wǎng)絡(luò)MAC層數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

據(jù)此可推算出信息合并單元節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送數(shù)據(jù)的長度不少于74字節(jié)（7+1+2+2+2+56+4）。

表1 Ethernet網(wǎng)絡(luò)MAC層數(shù)據(jù)幀格式

根據(jù)IEC 61850 9-1標(biāo)準(zhǔn)，最大報(bào)文長度為123字節(jié)。MU采樣頻率按每周波200點(diǎn)的參數(shù)配置，每秒發(fā)送10 000個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為123 bytes。

2.2 智能終端模型

IED發(fā)送的數(shù)據(jù)包形式和MU相似，在配置采樣率、啟動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間、數(shù)據(jù)包大小、地址、組播地址時(shí)，分布函數(shù)和MU相似。仿真采樣頻率按每周波10點(diǎn)的參數(shù)配置，每秒發(fā)送500個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為139 bytes。

2.3 保護(hù)單元模型

保護(hù)單元用于在發(fā)生故障時(shí)發(fā)送保護(hù)動(dòng)作信息（GOOSE報(bào)文）。此次數(shù)據(jù)模型考慮只有ON和OFF兩個(gè)狀態(tài)，單個(gè)數(shù)據(jù)源ON狀態(tài)持續(xù)時(shí)間服從重尾分布（Pareto），OFF狀態(tài)持續(xù)時(shí)間服從Poisson過程的負(fù)指數(shù)分布，而無限多個(gè)該類ON/OFF數(shù)據(jù)源的疊加就形成了具有自相似特性的突發(fā)數(shù)據(jù)流。參數(shù)配置如圖1所示。

2.4 測控單元模型

動(dòng)作行為對于電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)的變化具有不可預(yù)見性。測控發(fā)出的報(bào)文屬于隨機(jī)性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以概率P出現(xiàn)一個(gè)報(bào)文，在使用OPNET進(jìn)行仿真時(shí)，本次建模采用Poisson過程來近似描述。參數(shù)配置如圖2所示。

圖1 保護(hù)單元模型配置

圖2 測控單元模型配置

2.5 鏈路模型

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，鏈路選擇的依據(jù)為以太網(wǎng)物理層選擇指南（接收節(jié)點(diǎn)）[1]。

鏈路的選擇滿足可使用的數(shù)據(jù)速率：

SR×TL×nMU≤DR

式中，DR為數(shù)據(jù)速率（10 Mbps或100 Mbps）；SR為采樣速率（Hz）；TL為最大報(bào)文長度（26字節(jié)以太網(wǎng)報(bào)頭+4字節(jié)優(yōu)先權(quán)標(biāo)記+8字節(jié)以太網(wǎng)型PDU+2字節(jié)ASN.1標(biāo)記/長度+2字節(jié)塊數(shù)目+46字節(jié)通用數(shù)據(jù)集+23字節(jié)狀態(tài)量=111字節(jié)，111字節(jié)×8位=888位，888位+96位幀間隔=984位）；nMU為所連接的合并單元（MU）數(shù)目。

2.6 交換機(jī)模型

交換機(jī)將采用OPNET中16端口的ethernet_switch_adv元件，可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行VLAN配置，減少間隔間不必要的數(shù)據(jù)交換。

3 網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬大小對時(shí)延的影響

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]看，過程層主要采用星型接線來保證數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，本文過程層IED設(shè)備的建模均采用星型模型。以變電站一條110 kV線路間隔為例，仿真模型如圖3所示，其參數(shù)按前述設(shè)置。

圖3 110 kV線路間隔結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)鏈路為10BaseT時(shí)，如MU采樣頻率為每周波40點(diǎn)，如圖4所示，其最大時(shí)延約為0.5 ms。

圖4 110 kV單間隔采樣頻率每周波40點(diǎn)的時(shí)延

但當(dāng)MU采樣頻率為每周波80點(diǎn)時(shí)，其通信網(wǎng)絡(luò)延時(shí)如圖5所示，10BaseT網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足間隔層數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性要求。為了滿足實(shí)時(shí)性要求，最好改用100BaseT的網(wǎng)絡(luò)鏈路。

圖5 每周波80點(diǎn)的時(shí)延

4 MU單元每周波采樣點(diǎn)數(shù)對時(shí)延的影響

當(dāng)鏈路為100BaseT時(shí)，如圖6所示，選取MU采樣頻率為每周波50、100、200、400點(diǎn)（從下往上），得到的保護(hù)點(diǎn)對點(diǎn)最大時(shí)延均約為0.052 ms，100M帶寬滿足間隔的通信要求。

圖6 MU為每周波50、100、200、400點(diǎn)的時(shí)延

5 MU單元采樣的數(shù)據(jù)包大小不同對時(shí)延的影響

在100BaseT的網(wǎng)絡(luò)鏈路下，MU單元設(shè)定為每周波采樣80點(diǎn)，如圖7所示，數(shù)據(jù)包分別設(shè)置為64字節(jié)、128字節(jié)、256字節(jié)和512字節(jié)（從下往上），可以看出，隨著發(fā)送的數(shù)據(jù)包增大，時(shí)延不斷增大，時(shí)延上下波動(dòng)程度也不斷增加。因此，在實(shí)際配置中應(yīng)盡量避免過大的數(shù)據(jù)包的發(fā)送，以免時(shí)延過高，而無法滿足實(shí)時(shí)性的要求。

圖7 MU單元采樣不同大小數(shù)據(jù)包的時(shí)延

6 結(jié)論

本文通過對智能變電站110 kV線路SMV和GOOSE網(wǎng)合網(wǎng)信息傳輸?shù)膯伍g隔仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）提高合并單元MU的采樣頻率和降低網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延增大，為有效保證網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性，單個(gè)間隔的鏈路至少需選取100BaseT/s的鏈路。

（2）MU單元采樣的數(shù)據(jù)包大小對時(shí)延的影響非常大。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，100M帶寬的以太網(wǎng)更可以滿足智能變電站間隔層保護(hù)單元以及過程層的數(shù)據(jù)通信要求。