數字化變電站過程層通信網絡實時性仿真分析

宋園果，舒勤，賀含峰

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；2.四川省電力公司科技信通部，成都 610041）

數字化變電站過程層通信網絡實時性仿真分析

宋園果1，舒勤1，賀含峰2

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；2.四川省電力公司科技信通部，成都 610041）

闡述了基于IEC 61850的數字化變電站的三層結構和關鍵功能技術。對數字化變電站過程層數據信息進行了分析，并對基于IEC 61850-9-2的SV報文及GOOSE報文進行流量大小分析，結合某數字化變電站工程采用OPNET仿真軟件對變電站過程層IED設備的端到端延時進行了仿真，并以間隔為單位采用VLAN技術進行了對比分析。結果表明，交換式以太網完全能滿足過程層的網絡通信，而且采用VLAN技術可以提高網絡通信的實時性。

數字化變電站；過程層；端到端延時；OPNET；IEC 61850-9-2

隨著計算機網絡通信技術、光電技術、信息技術等的發展，非常規電子式互感器，智能設備的不斷涌現，以及IEC61850標準的不斷完善，數字化變電站通信中采用以太網技術的發展越來越成熟，取消傳統的“硬接線”已成為一種趨勢。數字化變電站自動化功能之間的邏輯配合關系建立在信息交換的基礎上，以太網技術中的時延不確定性是對數字化變電站通信影響最為嚴重的問題之一。本文將數字化變電站間隔內的物理設備按功能分為IEC61850標準中邏輯節點，對邏輯節點的端到端時延進行分析，最后用OPNET軟件對網絡的實時性進行了仿真驗證。

1 過程層以太網的時延不確定性

數字化變電站過程層的通信采用的是交換式以太網技術，它很好地解決了傳統以太網的CSMA/CD協議的沖突問題，而且交換式以太網支持并行傳輸數據，提高了網絡的吞吐量，支持優先級技術，確保重要的數據優先發送，提高數據傳輸的實時性。

時延不確定性定義為不能保證數據包報文在可預測的時間內可靠的傳輸。本文所說的時延是變電站中端到端的時延，即一個邏輯節點從發送數據包的時刻算起直到此數據包被相應的邏輯節點接收為止。如果數據包丟失，則將其延時算作無窮大。以太網通信的實質是網絡中某個節點為了滿足某種應用按照某個或某些協議產生數據報文，然后經TCP/IP各層協議封裝后通過網絡傳輸到達接收節點，然后接收節點再逐層次的進行解析完成某種通信功能，在此過程就產生了網絡時延。一般的網絡應用中對時延的要求不是特別嚴格，保證傳輸的可靠性即可。然而數字化變電站中時延不確定性一直是很重要的問題，不僅要求報文的完整可靠，更對實時性、對延時提出了更高的要求，例如面向通用對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）報文傳輸延時一般不超過4 ms，采樣值報文傳輸時間一般在3～10 ms之間[1]。

數字化變電站的通信網絡承載了多種報文信息，出現報文延時的原因大多如下。

（1）由于過程層中有很多的數據信息，如采樣值信息、GOOSE信息、系統配置信息、同步定時信息等，眾多信息的碰撞，重發難免會導致報文的收發的延時，甚至丟失。下文介紹的虛擬局域網技術可以很好的解決這一問題。

（2）由于過程層網絡中使用的交換機或路由器的輸入、輸出緩沖區不同，處理報文速率的差異，當報文到達速率超過了交換機的處理能力時，報文就會進入排隊，緩沖狀態，這時報文就會產生很大的延時。

（3）過程層網絡的智能設備對報文的接收處理能力也對報文時延有很大影響。

2 數字化變電站的結構模型及報文

數字化變電站的數據采集數字化，系統分層分布化，結構更加緊湊，建模實現標準，其通信采用國際通用的IEC61850標準。IEC61850將數字化變電物理上的一次設備，二次設備，從邏輯上分為了三個層次——變電站層，間隔層，過程層，如圖1所示。

由于一次設備智能化，變電站一次設備和二次設備之間的結合更加緊密。數字化變電站繼承并進一步發展了分層分布式變電站的結構特點，主要功能就是將變電站的一次系統和二次系統作為數字化的對象，對獲取的信息按照統一標準進行數字化轉換[2]。

圖1 數字化變電站的三層結構模型Fig.1 Three-layer structure model of digital substation

2.1 三個層次的簡介

變電站層直接與遠方運行中心，調度控制中心相連，接收電網調度或者運行中心的控制命令對間隔層實施閉鎖操作以及其他控制功能；通過高速網絡匯總全站的實時數據，并刷新實時數據庫，同時將有關數據信息送往電網調度或者控制中心。

間隔層主要表現為對象的統一建模、通信信息的分層、通信接口的抽象化和自描述規范等技術的應用；實現對變電站層和過程層的網絡通信功能。

過程層直接與智能化的一次設備相連接，是一次設備與二次設備的接合面。使用了電子式互感器代替了傳統的電磁式互感器，直接采集數字量，動態性能好，抗干擾能力強，絕緣和抗飽和性能也比較好[3]。

2.2 SV報文、GOOSE報文

在數字化變電站中變電站層與間隔層已實現網絡互聯通信，由于過程層直接與一次設備相連需要采集多種實時數據，往間隔層傳送的數據種類比較多，突發數據量大，包括采樣值量SV（sampled value）報文和面向通用對象的變電站事件（GOOSE報文）等，SV報文和GOOSE報文在應用層生成應用服務數據單元ASDU（application service data unit）后不經過TCP/IP層直接映射到數據鏈路層和物理層，以減少高層協議處理帶來的時延，它們都有很高的實時性要求，應用以太網能否完全滿足變電站實時性的要求還有相當多問題。

目前大多采樣值數據依據IEC61850-9-2通信協議，是測控、保護、監控的基礎數據。IEC61850-9-2通信協議支持采樣值網絡傳輸，支持數字化變電站“數據一處采集、全站共享”的基本要求；采用IEC61850-9-2協議的SV報文可與GOOSE報文共用一個網絡，相比IEC61850-9-1點對點+ GOOSE網光纖連接數量大為減少，解決了傳統變電站的復雜硬接線問題[4]。

GOOSE報文即通用面向對象的變電站事件報文，它是一類控制信息，如控制器發給執行器（如斷路器）的保護出口動作信息和測控信息等，采用發布者/訂閱者機制來傳輸數據。此類數據由事件驅動，具有突發性，在一次設備發生故障時會大量出現，對網絡基本負載造成沖擊，實時性要求最高。IEC 61850-5規定G00SE報文傳輸延遲不得超過4 ms[5]。

此外，過程層通信中還有一些隨機的數據，如互感器產生的電磁干擾，IEC61588時間同步報文，配置信息等。

3 虛擬局域網技術

虛擬局域網VLAN（virtual local area network）解決了交換機在局域網互連時無法限制廣播風暴的問題，在不增加硬件的基礎上就可以把一個局域網LAN（local area network）劃分成多個邏輯的LAN，每個VLAN就是一個廣播域，不同的VLAN之間不能直接互通，這樣廣播域就被限制到一個VLAN內，節省了帶寬，提高網絡的處理能力，而且增強了局域網的安全性，網絡構建和維護更加方便靈活。在數字化變電站過程層的通信中。

SV、GOOSE報文是以多播，重發的形式向外發送數據，并不是所有的智能電子設備IED（intelligent electronic device）都需要進行報文的交互，應用VLAN技術將需要交互報文的相關IED設備劃分到不同的VLAN中，有效減少網絡并發流量和接收設備的處理負擔，解決因廣播信息的泛濫而造成網絡堵塞，提高網絡通信效率和安全性。劃分VLAN后也避免了大量的過程層采樣值數據對GOOSE報文產生不利影響，提高GOOSE報文的可靠性，降低時延，減少GOOSE報文的丟失[6]。從下文的仿真中也可以看到劃分了VLAN比沒有劃分VLAN的通信情況要好的多。

4 通信系統的分析和計算機仿真

OPNET仿真軟件支持面向對象的建模，提供圖形化的仿真界面，提供了網絡層、節點層和進程層的三層建模機制，采用離散事件驅動的仿真方案，利用包通信方式進行交互，從而實現了復雜的網絡建模仿真工作[7]。

4.1 仿真網絡建模

采用OPNET對數字化變電站中的過程層網絡通信進行建模仿真，并應用VLAN技術將過程層網絡劃分為幾個不同的虛擬局域網，減少了VLAN中的廣播信息，解決了因廣播信息的泛濫而造成的網絡堵塞，提高了網絡傳輸效率[8]。

以某220 kV數字化變電站為例，此數字化變電站有220kV、110kV兩個等級，主接線為220kV內橋。220 kV測控裝置14臺（10出線、3個母聯分段、母線）；220 kV保護裝置15臺（10出線、3個母聯分段、1母差、1錄波）；合并單元13臺（10出線、母線電壓、#1、#2主變高壓側）；就地智能單元（斷路器，智能開關等）22臺（10出線、3個母聯分段、3個母線PT、#1、#2主變高壓側、低壓側、本體）。過程層網絡采用全站統一的星形結構，如圖2所示。

圖2 全站的星形結構Fig.2 Star topology of substation

本文以過程層網絡的一個線路間隔為例建立OPNET仿真網絡模型。此間隔包含一個交換機、一個合并單元、2個控制器（間隔控制器，間隔保護）、2個執行器（斷路器，智能開關）

圖3 過程層網絡間隔模型Fig.3Network bay model of process layer

如圖3所示。信息發送為：保護單元、測控單元、斷路器按仿真參數設置的數據包大小和發送間隔分別向交換機廣播信息，信息接收為：測控裝置接收斷路器，智能開關的信息；保護裝置接收斷路器，智能開關的信息；斷路器，智能開關接收保護單元、測控單元的信息；合并單元器接收斷路器，智能開關的狀態信息。

4.2 IEC 61850報文長度及流量分析

4.2.1 采樣值數據

合并單元按照預定的采樣速率同步采樣一個間隔內的7路交流電流，5路交流電壓信號，然后對采樣后的信號進行A/D轉換，按照IEC61850-9-2的幀格式生成數據包，設其采樣周期為200點/s。

SV報文的最大報文長度計算為26字節以太網報頭（含4字節優先權標記）+4字節CRC+8字節以太網型PDU+2字節ASN.1標記/長度+2字節塊的數目+應用協議數據單元APDU（application protocol data unit）的編碼（n個ASDU）數據，ASDU的編碼=2字節+4字節svID+2字節+24字節Dataset路徑+2字節+2字節SmpCnt采樣序號+2字節+2字節ConfRev+2字節+1字節SmpSynch+2字節+2n字節（n個通道采樣值數據）=45+2n=69字節（12路算）；APDU的編碼（n個點ASDU）長度=11字節+n個點ASDU的編碼=11+1×69=80字節×8bits=640位，為了簡單情況下，上式中采用一個ASDU構成一個APDU的方式。一個SV報文長度為：TL=122×8bits=976位，則合并單元的仿真流量為：10 000×976=9.76 Mb/s。SV報文形成穩定的網絡負載，周期性的傳遞數據到過程層網絡[9]。

4.2.2 GOOSE報文

由GOOSE網報文傳輸機制，在正常狀況下，變電站各智能設備發送GOOSE報文間隔為1 s。當出現故障時，智能設備以1 ms、2 ms、4 ms、8 ms間隔發送緊急報文。其中保護裝置主要傳送跳閘命令，GOOSE報文大小230 Bytes；測控單元發送控制命令，GOOSE報文大小為91 Bytes；斷路器、智能開關位置及狀態信息，傳向間隔層設備，GOOSE報文大小為152 Bytes。

4.3 仿真參數設置及結果分析

根據目前的網絡通信技術，仿真中采用全雙工通信網絡，數據報文傳輸采用用戶數據報協議UDP（user datagram protocol）協議。采用IEC61850-9-2規約的采樣值網絡，數據流很大，合并單元的數據量可能達到幾十Mb/s，因此采用按間隔劃分的VLAN技術。網絡帶寬選定為100 Mb/s。仿真時間為100 s。SV報文大小服從指數分布，均值為122 Bytes，包到達時間服從均值為0.000 1 s的指數分布，即流量為：10 000×122×8=9.76 Mb/s。在仿真時間為3 s時，測控設備向斷路器發送第一個GOOSE報文，分別間隔2 ms后發送兩個GOOSE報文，然后以1 s為間隔持續發送GOOSE報文直到仿真結束。

圖4～圖10（注：以下7張圖片中的數字坐標為仿真曲線最后一點的數值）是過程層以太網中SV數據包的端到端延時ETE delay（end-to-end delay）。由于合并單元、測控、保護設備的采樣速率是恒定的，因此他們發送和接收到的SV報文的流量也是近似恒定的，其端到端延時相對恒定，從圖4與圖5以及圖6與圖7的對比中可以看出，劃分VLAN對IED設備的端到端延時有明顯的改善，由于IEC61850-9-2采樣值數據量比較大劃分VLAN后減少了報文之間才沖突，更好地利用網絡帶寬，也可以看出無論是否采用了VLAN技術IED設備的端到端延時也滿足IEC91850規約的要求。

圖4 未劃分VLAN的保護設備的端到端延時Fig.4 ETE delay of protective device without VLAN

圖5 劃分VLAN的保護設備的端到端延時Fig.5 ETE delay of protective device in VLAN

圖8和圖9是測控設備向智能斷路器發送的GOOSE報文端到端延時，其中前者沒有化分VLAN，后者劃分了VLAN。仿真從3 s時開始發送數據包，由于剛剛開始的時候數據包發送時間間隔很小（2 ms）導致最大時延分別達到0.034 725 ms和0.031 59 ms，此后包間隔為1 s，時延減小，趨于穩定狀態，穩定后劃分VLAN延時要比沒有劃分的小，延時抖動較小，提高了報文傳輸的實時性。

圖6 未劃分VLAN的測控設備的端到端延時Fig.6 ETE delay of TT&C equipment without VLAN

圖7 劃分VLAN的測控設備的端到端延時Fig.7 ETE delay of TT&C equipment in VLAN

圖8 未劃分VLAN的GOOSE報文的端到端延時Fig.8 ETE delay of GOOSE packets without VLAN

圖9 劃分VLAN GOOSE報文的端到端延時Fig.9 ETE delay of GOOSE packets in VLAN

對于過程層中的隨機數據，干擾信號流量以及文件傳輸，本文采用設置鏈路的背景利用率來模擬。本文采用OPNET中的OC1_1hour_bps模型產生50 Mb/s的流量來模擬文件傳輸，電磁干擾，背景干擾等流量。此時GOOSE報文的端到端延時如圖10所示。從圖中可以看出端到端延時基本上在0.015～0.030 ms之間，但是由于鏈路上大量數據的傳輸對GOOSE報文的傳輸產生了影響，使其抖動劇烈，且最高時延達到0.067 56 ms，但是考慮到GOOSE報文的發送機制，其第一個報文的延時為0.030 9仍然滿足實時性要求。

圖10 帶電磁背景干擾的GOOSE報文延時Fig.10ETE delay of GOOSE packets with electromagnetic interference background

5 結語

本文通過對數字化變電站過程層的介紹，重點對采用以太網技術的過程層網絡延時進行了分析。在介紹過程層數據包的基礎上，建立了SV報文和GOOSE報文的流量模型，并采用OPNET仿真軟件對其端到端的延時進行了劃分VLAN和不劃分VLAN兩種情形的仿真分析，仿真結果表明，雖然以太網的網絡延時具有一定的不確定性，但其端到端延時仍在IEC61850協議的要求范圍內，能合理的應用到數字化變電站的過程層網絡通信中。過程層網絡延時仿真是數字化變電站全站建模的一部分，對全網進行建模的方法可參考，借鑒以上方法思路。

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[9]DL/T 860.92-2006，變電站通信網絡和系統第9-2部分：特定通信服務映射（SCSM）映射到ISO/IEC 8802-3的采樣值[S].

Communication Network Real-time Performance Simulation Analysis Based on Process Layer of Digital Substation

SONG Yuan-guo1，SHU Qin1，HE Han-feng2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Sichuan Electric Power Technology ICT Ministry，Chengdu 610041，China）

The three-layer communication structure and key technology of digital substation based on IEC 61850 is introduced.The data of process layer of digital substation is analyzed，and the flow of SV packets and GOOSE packets on the basis of IEC 61850-9-2 is analyzed.Combined with a digitized substation project，the OPNET software is used to simulate the IED device end-to-end delay of process layer of digital substation，and the VLAN technology is used to make a comparative analysis in bay.The results show that the switched ethernet can satisfy the network communication of process layer in the digital substation and the VLAN technology can improve the real-time performance of network communication.

digital substation；process layer；end-to-end delay；OPNET；IEC 61850-9-2

TM76

A

1003-8930（2013）02-0071-06

宋園果（1987—）男，碩士研究生，研究方向為現代信號處理。Email：songyuanguo2006@163.com

2011-11-18；

2012-03-13

四川省科技支撐計劃項目（2009GZ0155）；四川省電力公司科技項目（09h0913）

舒勤（1958—），男，教授，研究方向為現代信號處理。Email：shuchin@163.com

賀含峰（1973—），男，碩士，高級工程師，研究方向為智能電網。Email：hh-he@tom.com