基于OPNET的數(shù)字化變電站繼電保護通信網(wǎng)絡仿真研究

蔣 曉，王 東，李海濤

（國網(wǎng)靈璧縣供電公司，安徽 靈璧 234200）

0 引 言

現(xiàn)代變電站繼電保護通信網(wǎng)絡的工程設計與實現(xiàn)中越來越注重設計、仿真、優(yōu)化的協(xié)同作用。在變電站繼電保護通信網(wǎng)絡各功能模塊及其系統(tǒng)總體的設計中，為提高設計、制作效率并優(yōu)化系統(tǒng)功能和特性，在進行合理的鏈路預算、原理驗證及數(shù)學分析的基礎上往往需要通過虛擬仿真軟件進行設計、優(yōu)化及仿真，各種虛擬仿真軟件在變電站繼電保護通信網(wǎng)絡不同層次的設計與仿真應用中發(fā)揮著不同的作用。首先對變電站繼電保護通信網(wǎng)絡常用虛擬仿真軟件及其應用進行了分析，其次以OPNET為例按照從電路到模塊、從子系統(tǒng)到系統(tǒng)的通信工程底層到上層的思路進行了從變電站繼電保護通信網(wǎng)絡工程預算、工作原理、工作過程等方面的優(yōu)化[1-3]。

1 基于OPNET的仿真模擬軟件概述

隨著網(wǎng)絡建模與仿真技術的不斷發(fā)展，單純的軟件仿真面臨安全功能建模困難、攻擊流量加載局限大、缺少應用層響應等問題，不能完全滿足網(wǎng)絡安全仿真的需要。為此，對基于OPNET的半實物網(wǎng)絡仿真方法進行研究。半實物網(wǎng)絡仿真環(huán)境的構建主要有兩種思路，一是結合具體的仿真需求自行開發(fā)和研制，二是基于已有網(wǎng)絡模擬器進行構建。目前，自行研制開發(fā)存在許多實現(xiàn)困難及通用性不強的問題。因此，本文將基于已有網(wǎng)絡模擬器進行構建。選擇OPNET軟件作為構建半實物網(wǎng)絡仿真的核心：一方面，OPNET憑借權威性和通用性形成了豐富的模型資源庫，并且得到了多數(shù)硬件設備廠商的認可，成為公認的功能強大的網(wǎng)絡模擬工具；另一方面，經(jīng)過不斷地完善和改進，OPNET逐步增加并強化了對半實物仿真的支持。目前，基于OPNET的半實物仿真實現(xiàn)主要有3種方法，即基于HLA模塊的半實物仿真、基于自定義方法的半實物仿真以及基于SITL模塊的半實物仿真[4]。

2 變電站繼電保護通信網(wǎng)絡虛擬仿真軟件應用分析

2.1 電路模塊

電路模塊包括低頻電路、模擬電路、數(shù)字電路以及視頻電路等，通常可采取EWB、OPNET或ADS等軟件進行電路設計與功能仿真。

低頻電路主要包括電源穩(wěn)壓電路、放大電路、濾波電路、檢波電路以及低頻調(diào)制器電路等。該類電路基本用EWB軟件、PSPICE軟件進行設計與仿真，具有很好的靜態(tài)和動態(tài)工作特性。模擬電路主要用來對模擬信號（連續(xù)變化電信號）進行測量、處理、變換、放大、傳輸以及顯示等。該類電路模塊是電子電路的基礎，主要包括放大電路、信號運算和處理電路、振蕩電路、調(diào)制和解調(diào)電路以及電源等。該類電路初期簡單設計時可用EWB軟件，后期復雜設計時可用OPNET仿真軟件進行設計與仿真，能夠得到很好的電路優(yōu)化設計結果[5]。數(shù)字電路主要包括各種邏輯門電路、集成器件等，通過EWB和OPNET能夠實現(xiàn)很好的電路設計及其性能仿真。射頻電路的虛擬仿真軟件較為復雜，涉及到的信號頻率在100 MHz以上，常用ADS、HFSS、CST等專用射頻、微波電路設計軟件來進行電路設計及其性能仿真。

2.2 信號處理模塊

變電站繼電保護通信網(wǎng)絡中的模數(shù)轉換模塊一般為已模塊化的芯片，為輔助整個系統(tǒng)的信號處理模塊設計，可以根據(jù)芯片說明書中的電路內(nèi)部圖，利用SystemView以及LabVIEW軟件實現(xiàn)功能模擬。調(diào)制解調(diào)模塊的設計與仿真中，OPNET與SystemView能夠發(fā)揮很好的輔助設計功能。在涉及數(shù)學計算較多的信號/圖像處理模塊以及編譯碼與算法模塊的輔助設計中，需要通過Matlab中的信號處理模塊或利用C++等軟件開發(fā)實現(xiàn)。

2.3 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)與射頻前端系統(tǒng)可通過ADS、HFSS或CST軟件進行虛擬仿真。在收發(fā)子系統(tǒng)的仿真中，一般通過SystemView進行子系統(tǒng)設計及其功能仿真。此外，在Matlab軟件中，通常有專用的Simulink模塊進行子系統(tǒng)的輔助設計，同樣也可以用C++等計算機軟件進行開發(fā)。

2.4 系統(tǒng)工程應用

短距離無線變電站繼電保護通信網(wǎng)絡主要包括藍牙、WiFi、RFID、ZigBee等，微波變電站繼電保護通信網(wǎng)絡主要應用于遠距離微波中繼變電站繼電保護通信及衛(wèi)星通信領域等，這兩種變電站繼電保護通信網(wǎng)絡均可以通過ADS、HFSS及CST等實現(xiàn)虛擬仿真。移動通信一般由各通信公司開發(fā)專有的4G LTE/5G NR軟件進行設計與仿真。光纖變電站繼電保護通信網(wǎng)絡主要包括光纖通信點到點系統(tǒng)中的發(fā)射機、光纖傳輸、接收機3大部分，可用專有的OptiSystem來進行系統(tǒng)級的光纖變電站繼電保護通信網(wǎng)絡設計與性能仿真[6]。

3 基于虛擬仿真的通信模塊及系統(tǒng)設計

3.1 通路接收機信號放大模塊

通信接收機天線所感應的信號除了有所需求的信號外，還有許多干擾信號。為了解決這個問題，通常在放大器中接入選頻網(wǎng)絡，這樣構成的調(diào)諧放大器不僅具有放大作用，而且還具有選頻能力。選頻網(wǎng)絡可以用LC諧振回路組成，小信號調(diào)諧放大器由調(diào)諧回路與晶體管組成。利用OPNET軟件設計的電路如圖1所示，其中晶體管起到放大信號的作用。R1、R5、R3為直流偏置電阻，用以保證晶體管工作于放大區(qū)域，使放大器工作于甲類狀態(tài)。C3為R3的旁路電容，C1、C2是輸入、輸出耦合電容。L1、C4構成諧振回路，作為放大器的集電極負載，起選頻作用。

圖1 高頻小信號放大電路模型

輸入信號頻率為465 kHz，示波器波形如圖2所示。

圖2 高頻小信號放大電路仿真波形

從圖2看出，高頻小信號諧振放大電路的輸出信號和輸入信號相位相反，輸出信號幅度大于輸入信號，可方便計算出放大倍數(shù)。

3.2 發(fā)射機通路信號放大模塊

利用選頻網(wǎng)絡作為負載的功率放大器是無線電發(fā)射機的重要組成部分，其作用是對高頻載波或高頻已調(diào)波進行功率放大。諧振功率放大器的基本電路由BJT、LC諧振回路、饋電電路構成。諧振功率放大電路如圖3所示，晶體管工作在丙類狀態(tài)。示波器波形如圖4所示，諧振功率放大電路的輸出信號與輸入信號相比幅度增大[7]。

圖3 諧振功率放大電路模型

圖4 諧振功率放大器仿真波形

3.3 調(diào)幅與解調(diào)電路模塊設計

以調(diào)幅（Amplitude Modulation，AM）信號的產(chǎn)生與檢波電路為例，用OPNET繪制的電路如圖5所示。

圖5 AM信號產(chǎn)生與檢波電路（二極管包絡檢波）

根據(jù)圖5，示波器XSC1用于檢測AM信號的產(chǎn)生，頻譜分析儀XSA1用于顯示AM的頻譜圖，示波器XSC2用于檢測檢波輸出信號。在OPNET菜單中點擊RUN功能按鈕，軟件便會自動進行仿真，然后雙擊示波器和頻譜儀便可以得到所需要的波形曲線。為了方便觀察，將示波器XSC1的時基設置為1 ms/格，示波器XSC2的時基設置為500 μs/格[8-10]。

4 結 論

通過對變電站繼電保護通信網(wǎng)絡中常用的虛擬仿真軟件進行闡述，按照從功能電路到工程系統(tǒng)的順序分析了相應的虛擬仿真軟件應用?；贠PNET軟件進行了通信電子系統(tǒng)中的放大電路、調(diào)制解調(diào)電路的電路設計、性能仿真，旨在為通信電子電路的優(yōu)化設計提供良好的輔助設計軟件參考，以促進復雜變電站繼電保護通信網(wǎng)絡的設計優(yōu)化更好的實現(xiàn)。