OPNET仿真在電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用

張華芳子，戚銀城，武軍娜，劉明軍，楊 迪

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071003)

OPNET仿真在電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用

張華芳子，戚銀城，武軍娜，劉明軍，楊 迪

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071003)

介紹了OPNET的性能特點(diǎn)和仿真建模過程，通過分析電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，給出了OPNET應(yīng)用于電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真的建模過程，包括網(wǎng)絡(luò)的建造、業(yè)務(wù)的模擬和統(tǒng)計(jì)量的搜集，最后運(yùn)行仿真給出了網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延和響應(yīng)時(shí)間的仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

OPNET;綜合數(shù)據(jù)網(wǎng);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);網(wǎng)絡(luò)仿真

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)交叉融合，使得電力系統(tǒng)需要一個(gè)高速的通信網(wǎng)絡(luò)來支撐各種業(yè)務(wù)的管理和監(jiān)控，以保證電網(wǎng)管理的可靠性與穩(wěn)定性。

通常驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)性能的方法有實(shí)際試驗(yàn)和建模仿真，目前已經(jīng)有很多對(duì)電網(wǎng)通信的建模仿真研究。文獻(xiàn)［1］對(duì)變電站內(nèi)部通信系統(tǒng)和廣域通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，文獻(xiàn)［2］對(duì)3層式廣域保護(hù)系統(tǒng)需要傳輸?shù)南⒎N類以及各類消息對(duì)通信系統(tǒng)的要求做出了分析，并使用OPNET對(duì)關(guān)鍵信息傳輸進(jìn)行了仿真，文獻(xiàn)［3］根據(jù)數(shù)字化變電站不同間隔中的合并單元、控制設(shè)備、保護(hù)之間的聯(lián)系，建立OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真模型。這些仿真研究大多集中在對(duì)變電站和廣域通信的研究上，因此，通過網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行仿真研究具有一定意義。

OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真及分析工具的高端產(chǎn)品，在通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可。在國(guó)內(nèi)，對(duì)OPNET軟件的應(yīng)用研究還處于起步階段，將OPNET仿真軟件應(yīng)用于電力通信領(lǐng)域的研究也正逐漸地被學(xué)者所重視。文中對(duì)OPNET仿真軟件的仿真流程和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，搭建了電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的仿真模型，并對(duì)加入電力系統(tǒng)典型業(yè)務(wù)之后的模型進(jìn)行了仿真結(jié)果分析。

1 OPNET仿真軟件

1.1 OPNET特點(diǎn)介紹

OPNET公司起源于麻省理工大學(xué)，到目前已經(jīng)擁有 Modeler、ITGuru、SPGuru、WDMGuru 等系列產(chǎn)品。在OPNET各種產(chǎn)品中，OPNET Modeler幾乎包含了其他產(chǎn)品所有的功能，將各仿真研究階段所需的工具相結(jié)合，采用離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真機(jī)理，支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑峁┒喾N編輯器幫助用戶完成網(wǎng)絡(luò)建模和仿真運(yùn)行。

OPNET Modeler的主要性能特點(diǎn)如下:

(1)建模環(huán)境層次化。軟件提供了3層建模機(jī)制，最底層是進(jìn)程(Process)模型，以有限狀態(tài)機(jī)、C或C++以及OPNET自帶的核心函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議算法。其次是節(jié)點(diǎn)(Node)模型，由相應(yīng)的協(xié)議模塊組成，能反映設(shè)備軟硬件的特性。最上層利用各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型，形象地映射現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)。通過3層模型與實(shí)際協(xié)議、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的完全對(duì)應(yīng)，全面反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

(2)采用面向?qū)ο蟮慕７绞健?Object－oriented Modeling)。每一類節(jié)點(diǎn)開始均采用相同的節(jié)點(diǎn)模型，再針對(duì)不同的對(duì)象設(shè)置特定的參數(shù)。

(3)基于事件出發(fā)的有限狀態(tài)機(jī)建模，避免了以時(shí)間出發(fā)，而是以事件出發(fā)來建模，提高了計(jì)算效率。

1.2 OPNET建模及仿真過程

建模過程就是將實(shí)際的系統(tǒng)映射到仿真的環(huán)境中，但是由于實(shí)際系統(tǒng)與仿真環(huán)境之間不可能全面對(duì)應(yīng)，因此在建模時(shí)需要從某一個(gè)方面去模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為，將那些不重要的方面忽略或者簡(jiǎn)化。

使用Modeler進(jìn)行仿真的過程分為以下幾個(gè)步驟［6］:

(1)配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Topology)。確定模型需要解決的問題，從而創(chuàng)建原始終的模型。OPNET提供了大量的編輯器來進(jìn)行建模，與3層建模機(jī)制相對(duì)應(yīng)，OPNET中涉及的編輯器有定義或改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷捻?xiàng)目編輯器、針對(duì)數(shù)據(jù)流模型的節(jié)點(diǎn)編輯器和針對(duì)控制流模型的進(jìn)程編輯器。

(2)配置業(yè)務(wù)(Traffic)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定之后，應(yīng)該對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的具體元件進(jìn)行業(yè)務(wù)的配置。在OPNET中，提供了兩種類型的業(yè)務(wù)建模:精細(xì)業(yè)務(wù)建模和背景業(yè)務(wù)建模［5］。精細(xì)業(yè)務(wù)是基于數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)，OPNET采用離散事件仿真機(jī)制，使每個(gè)數(shù)據(jù)包都經(jīng)過這個(gè)協(xié)議棧，對(duì)各種業(yè)務(wù)可以獲得精確的描述，缺點(diǎn)是仿真需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和內(nèi)存;背景業(yè)務(wù)則是通過引入延時(shí)來影響業(yè)務(wù)本身的性能而并不是每個(gè)數(shù)據(jù)包被精細(xì)地處理，能加快仿真的速度。

(3)收集結(jié)果統(tǒng)計(jì)量(Statistics)。OPNET提供兩種類型的統(tǒng)計(jì)量:矢量統(tǒng)計(jì)量(Vector)和標(biāo)量統(tǒng)計(jì)量(Scalar)，矢量統(tǒng)計(jì)量又可分為全局統(tǒng)計(jì)量(Global Statistics)和本地統(tǒng)計(jì)量(Local Statistics)。全局統(tǒng)計(jì)量主要針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，本地統(tǒng)計(jì)量只反映單個(gè)模塊的性能。

(4)運(yùn)行仿真(Simulation)。確定了所有需要收集的統(tǒng)計(jì)量之后需要運(yùn)行仿真才能得到統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)。OPNET擁有一套高效的仿真引擎和內(nèi)存管理系統(tǒng)，配合其集成化的調(diào)試工具，使其擁有真正一流的仿真效率和速度。

(5)發(fā)布結(jié)果和拓?fù)鋱?bào)告(Report)。OPNET集成的分析工具能夠直觀地顯示仿真結(jié)果，能夠?qū)崟r(shí)生動(dòng)地顯示模型動(dòng)態(tài)行為，還提供了一個(gè)圖形化的數(shù)據(jù)處理和收集環(huán)境。用戶可將探針插入一個(gè)模型的任何一點(diǎn)以收集、顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或輸出給其他軟件包。

2 綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真模型

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的快速推進(jìn)，電力系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)、視頻、語音、生產(chǎn)MIS等業(yè)務(wù)的需求不斷增大，電力綜合數(shù)據(jù)通信網(wǎng)也越來越重要。文中主要對(duì)電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的建模和仿真進(jìn)行了研究，以典型的3層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)電力系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)進(jìn)行了抽象和濃縮，從而在OPNET軟件上，構(gòu)建了電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的仿真模型。

電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)因其規(guī)模通常采用分層式結(jié)構(gòu)，由一個(gè)服務(wù)器、兩個(gè)核心交換機(jī)、多個(gè)匯聚交換機(jī)及多個(gè)接入交換機(jī)、數(shù)百個(gè)工作站或客戶端組成，并且，地區(qū)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不盡相同。針對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整的仿真，只是簡(jiǎn)要地介紹了OPNET仿真工具應(yīng)用于電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的仿真過程以及能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)。仿真模型建立如圖1所示。

圖1 綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

核心層交換機(jī)一般位于某市供電局內(nèi)，為保證核心層的可靠性，一般設(shè)置兩個(gè)高性能的交換機(jī)。而匯聚層、接入層交換機(jī)一般代表著位于其他的供電所、變電站和縣供電局，監(jiān)控的數(shù)據(jù)最后都要上傳至核心層的服務(wù)器。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Ｖ校?wù)器選用ethernet_server_adv，與核心服務(wù)器1相連，核心層與匯聚層的3層交換機(jī)均采用Cisco_6509_ae48_ge16_adv，客戶端選用ethernet_station_adv。文中核心層放置了兩臺(tái)3層交換機(jī)以保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性，其余station命名的均為匯聚層交換機(jī)，subnet則是接入層的交換機(jī)，接入層是各個(gè)復(fù)雜偏遠(yuǎn)的小站點(diǎn)，在這里不做討論。綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)隨著業(yè)務(wù)發(fā)展的需要會(huì)越來越大，因此鏈路速率越高越好。圖中核心交換機(jī)1與服務(wù)器之間的鏈路是1 000 Mbit·s－1的，其余交換機(jī)之間以及客戶端與交換機(jī)之間的鏈路也為1 000 Mbit·s－1。

利用OPNET仿真評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的性能，關(guān)鍵在于業(yè)務(wù)建模的準(zhǔn)確性，仿真的業(yè)務(wù)源必須能夠正確反映實(shí)際業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)特性。電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)主要承載變電站圖像監(jiān)控、高清會(huì)議電視、通信電源監(jiān)控、軟交換、變電站錄音以及通信網(wǎng)管等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此，可以利用軟件本身的業(yè)務(wù)來模擬綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)中應(yīng)該有的業(yè)務(wù)量，文中采用精確業(yè)務(wù)建模方式。

OPNET已經(jīng)定義了9種應(yīng)用:Custom、Database、Email、Ftp、Http、Print、Remote Login、Video Conferencing以及Voice。一般所需的引用都可以在這9中應(yīng)用中找到來模擬仿真。綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流有多種，包括周期性數(shù)據(jù)、隨機(jī)性數(shù)據(jù)和突發(fā)性數(shù)據(jù)。針對(duì)仿真需要，這里選擇 Video Conference、FTP、E － mail、Voice和Database五種典型業(yè)務(wù)，并對(duì)其進(jìn)行配置。

業(yè)務(wù)的配置，一般分為4個(gè)步驟:配置應(yīng)用、配置業(yè)務(wù)主詢、配置服務(wù)器和配置工作站。

(1)設(shè)定應(yīng)用參數(shù)，文中設(shè)定了Video Conference、Email、Ftp、Voice和 Database 5種業(yè)務(wù)。其中 Video Conference的參數(shù)配置如圖2所示。Email設(shè)置中的變動(dòng)Email Size為constant(2000000)，F(xiàn)TP的 File Size也改為 constant(2000000)，Voice選擇 PCM Quality Speech，Database選擇為 Mediun Load。

圖2 Video Conference的參數(shù)配置

(2)業(yè)務(wù)主詢的設(shè)定如圖3所示。

圖3 業(yè)務(wù)主詢的設(shè)定

StartTime開始時(shí)間設(shè)定為在100～110 s之間隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，作為初始化的預(yù)留時(shí)間，不同的業(yè)務(wù)主詢開始時(shí)間會(huì)稍微錯(cuò)開，Duration設(shè)定為仿真結(jié)束才終止，Repeatability設(shè)置為仿真就加載一次，Operation Mode指應(yīng)用運(yùn)行模式，設(shè)置為同時(shí)加載模式以便5種業(yè)務(wù)同時(shí)進(jìn)行仿真。

(3)配置服務(wù)器支持的應(yīng)用。核心交換機(jī)1連接著唯一的一個(gè)服務(wù)器，支持所有的5種業(yè)務(wù)。

圖4 服務(wù)器業(yè)務(wù)配置

(4)設(shè)定客戶端業(yè)務(wù)主詢。對(duì)于每個(gè)名稱為node的客戶端，配置為都支持Video Conference業(yè)務(wù);名稱為other的客戶端則配置另外4種業(yè)務(wù)。

(5)配置完所有的業(yè)務(wù)參數(shù)之后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真的結(jié)果統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行搜集，然后運(yùn)行仿真。在電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、丟包率、鏈路利用率、業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間等都是比較重要的指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的不穩(wěn)定將直接影響所承載的業(yè)務(wù)。由于網(wǎng)絡(luò)中承載的業(yè)務(wù)大多屬于匯聚型業(yè)務(wù)。核心節(jié)點(diǎn)的失效將引起整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)癱瘓。設(shè)置搜集的統(tǒng)計(jì)量有:

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)定仿真時(shí)間設(shè)為600 s，此時(shí)系統(tǒng)的仿真運(yùn)行結(jié)果已經(jīng)穩(wěn)定。

圖5給出了一些鏈路的吞吐量(Throughoutput)，從上往下依次是核心交換機(jī)1與服務(wù)器、node_9與station_7、other_4與station_8以及station_8與station_5之間相連鏈路的吞吐量。每個(gè)客戶端所產(chǎn)生的Video Conference的流量一致，說明也可以通過此來模擬變電站間隔層單元內(nèi)的定時(shí)數(shù)據(jù)，其他4類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量，用于模擬突發(fā)性的數(shù)據(jù)上傳和下載行為。

圖5 鏈路吞吐量曲線

同樣，通過仿真可見整個(gè)以太網(wǎng)的時(shí)延以及各個(gè)鏈路端到端的時(shí)延，也能看見各個(gè)業(yè)務(wù)的相應(yīng)時(shí)間，如圖6所示。整個(gè)以太網(wǎng)的延時(shí)不超過0.5 ms，而鏈路的延時(shí)則約為0.01 ms，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性較好。

圖6 時(shí)延和相應(yīng)時(shí)間曲線

通過OPNET仿真，可以有選擇地采用指標(biāo)進(jìn)行研究。電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的規(guī)模通常較大，各個(gè)站點(diǎn)位置分布不均勻，加之網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，鏈路一旦失效將會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能造成較大的影響。因此，利用OPNET仿真軟件對(duì)模擬的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和分析，找出負(fù)載大、利用率高的鏈路，以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化仿真，當(dāng)仿真結(jié)果達(dá)到了滿意的指標(biāo)之后，再從實(shí)際對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。

4 結(jié)束語

應(yīng)用OPNET仿真軟件，對(duì)電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造、業(yè)務(wù)模擬和仿真結(jié)果等多方面進(jìn)行了介紹和分析。目前電力系統(tǒng)主要是對(duì)變電站內(nèi)部通信系統(tǒng)和廣域保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的仿真。文中在學(xué)習(xí)了OPNET軟件的基礎(chǔ)上，將OPNET應(yīng)用與電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)中的可能性做出了分析，但是還存在許多亟待解決問題。

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Application of OPNET in Power Integrated Data Communications Network

ZHANG Huafangzi，QI Yincheng，WU Junna，LIU Mingjun，YANG Di
(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

This paper analyzes the characteristics and modeling process of OPNET.Then it analyzes the structure of the power integrated data communications network and gives the simulation modeling process of how to use OPNET for it，including the establishment of the network，simulation of services and collection of statistics.Finally it gives the simulation results of network throughput，delay and responding time.The simulation results meet the design index.

OPNET;integrated data communications network;topology;network simulation

TN915

A

1007－7820(2012)08－135－04

2012-02-29

張華芳子(1989—)，女，碩士研究生。研究方向:電力系統(tǒng)通信。戚銀城(1968—)，男，博士，教授。研究方向:信息系統(tǒng)與信息安全。武軍娜(1986—)，女，碩士研究生。研究方向:智能信息處理。