OPNET在微網通信系統仿真中的應用*

韋幸幸，張有兵，謝路耀，楊曉東

(浙江工業大學信息工程學院，浙江杭州 310023)

0 引 言

清潔無污染的可再生能源的使用在一定程度上能緩解由于能源短缺和氣候變暖等帶來的一系列問題，微網作為發展可再生能源的有效形式以及建設智能電網的有效組成部分已經引起學術界的廣泛關注。

微網的通信系統是支撐微網正常運行的必要條件，在微網運行過程中會產生各種通信業務，隨著微網規模的擴大化和結構的復雜化，各種業務會交叉融合，勢必會影響微網的性能，因此，微網的通信系統性能能否滿足微網的要求成為亟待研究的問題。

一般情況下，研究網絡性能的方法有3種［1］:基于實際測量的方法、基于數學理論分析的方法和基于網絡仿真分析的方法。目前基于網絡仿真來驗證網絡性能的研究已有很多，這些研究多集中在變電站和配電網等領域［2－4］，對微網通信網性能的研究相對比較少。研究中使用較多的仿真軟件是OPNET(Optimized Network Engineering Tool)，利用該軟件能對微網的通信網絡、通信設備以及通信業務等進行研究，從而可快速、直觀地對網絡的性能及各種業務流的性能作出評價。本研究對OPNET軟件特點和通信業務建模流程進行簡要介紹，闡述微網的概念，基于IEC61850標準分析其結構以及微網中的通信業務，利用OPNET搭建微網通信網仿真模型，并對微網主要通信業務進行仿真實現及分析。

1 OPNET仿真軟件

1.1OPNET 介紹

OPNET是由美國MIL3公司開發的商用網絡仿真軟件，現在包含 Modeler、IT Guru、SP Guru 和 WDM Guru等產品，而OPNET Modeler是其核心產品。OPNET Modeler提供3層建模機制，分別為進程級(Process Level)、節點級(Node Level)和網絡級(Network Level)，3層模型與實際的協議、設備和網絡完全對應，來全面反映網絡的相關特性。通過采用離散事件驅動(Discrete Event Driven)的仿真機理，基于事件觸發的有限狀態機(Finite State Machine，FSM)來幫助用戶完成建模和仿真。OPNET的一般建模步驟如下［5］:

(1)構建通信網拓撲;

(2)為拓撲中的每個節點加載通信業務;

(3)選擇相應的統計參數;

(4)設置仿真參數，運行仿真;

(5)統計與分析結果。

1.2 OPNET業務建模方法

OPNET14.5提供的業務建模方法有兩種:明確業務建模和背景業務建模［6－7］。

1.2.1 明確業務建模

明確業務建模是以數據包為單位模擬每個包的相關事件，精確到每個包的業務建模為仿真網絡行為提供了非常精確的結果。明確業務建模能在應用層、網絡層和底層3個層次上進行業務配置。OPNET提供了8種標準的端到端業務，如Email和Video Conferencing等，配置標準的端到端業務依據以下步驟進行:

(1)定義應用;

(2)設定業務主詢;

(3)配置服務器支持的應用;

(4)設定客戶端業務主詢。

當OPNET提供的8種標準的端到端業務不能滿足要求時，用戶也可以根據需求自定義業務，這種自定義業務的建模方式是最有用和靈活的建模方式，但是相對比較復雜。配置自定義業務根據以下步驟進行:

(1)利用Task Definition分階段來定義業務;

(2)把定義好的業務添加到Application Definition中;

(3)設定業務主詢;

(4)配置服務器支持的應用;

(5)設定客戶端業務主詢。

1.2.2 背景業務建模

在利用背景業務進行建模的時候，背景業務流不會產生離散的仿真事件，但是會以延時的形式來影響實際業務的性能，進而影響統計結果以體現背景業務對網絡的影響。配置背景業務一般通過以下兩種方式進行:

(1)設置鏈路背景負載的方式。通常在某兩個節點之間的鏈路上設置背景負載，在具體應用時以背景利用率Traffic Mix(%)的形式給出，背景利用率代表流量占鏈路總帶寬的百分比，若Traffic Mix(%)設定為All Background，則全部為背景流量，若Traffic Mix(%)設定為40%，則40%是背景流量，而剩余的60%則作為精確流量從應用層發送出去。

(2)采用應用需求/業務流的方式。利用OPNET中提供的Application Demand/Traffic Flow對象連接網絡拓撲中的任意兩個節點，從而來模擬這兩個節點之間的背景業務流。

2 微網的概念及結構

2.1 微網概念

微網是本世紀初提出的一個新概念，到目前為止，美國電氣可靠性技術解決方案聯合會(CERTS，Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)和歐盟微網項目(European Commission Project Microgrids)等機構以及日本、加拿大等國都對其作出了定義［8－10］，概括來說，微網是集可再生能源、負載、儲能裝置和控制系統的小型發配電系統，其能夠實現自我控制、保護和管理，既能與上級大電網并網運行，也可以在發生故障時孤島運行，它可作為配電網的電源和負荷，是智能電網的重要組成部分。

2.2 微網的基本結構

微網的基本結構如圖1所示［11］。圖1中，微網通過變壓器與配電網相連，微網采用分層的方式運行，RMU為遠端管理單元，MGCC為微網中央控制器，MC為微電源控制器，LC為負荷控制器，SC為儲能裝置控制器。DG為分布式電源，可以是太陽能光伏電池、風力發電機、微型燃氣輪機、燃料電池等，儲能單元可以是蓄電池、超級電容器和超導儲能等，負荷可以是電動機負荷和熱負荷等。各個單元通過電力電子接口分別接入微網。圖1中有3條饋線A、B和C，呈放射狀結構，饋線A和饋線C上安裝有多個重要負荷、DG和儲能單元等，饋線B上為非重要負荷，特殊情況下可以將其切斷，停止對非重要負荷供電。

圖1 微網基本結構

2.3 微網通信業務分析

IEC61850根據變電站自動化系統需要實現的控制、保護和監控功能將其分為變電站層、間隔層和過程層，微網中的通信業務也大致分為保護和控制業務等，目前已有關于基于 IEC61850 的微網的研究［12－14］，本研究依據IEC61850對變電站的分層將微網通信系統分為RMU、MGCC和MC/LC/SC 3層，變電站與微網通信映射圖如圖2所示。

圖2 變電站與微網通信映射圖

圖2中，RMU與MGCC之間依據制造報文規范(MMS，Manufacturing Message Specification)通信，涉及的通信業務主要是文件傳輸業務;MGCC與MC/LC/SC之間采用面向對象的通用變電站對象事件(GOOSE，Generic Object Oriented Substation Event)或者采樣值(SMV，Sampled Measured Value)通信，涉及的通信業務主要是保護和控制業務;MC/LC/SC與DG和負荷之間采用GOOSE通信，通信業務主要是事件報告報文。

3 OPNET在微網通信業務仿真中的應用

3.1 微網的OPNET建模

在利用 OPNET對微網進行建模時，RMU選用ethernet_server_adv，MGCC 和各種控制器(LC、MC 和SC)選用 eth4_slip_multihomes_server，負荷、DG 以及儲能單元選用ethernet_station_adv，所有交換機都選用ethernet16_switch_adv。

圖3 微網OPNET網絡模型

3.2 微網中通信業務建模

微網的文件傳輸業務采用FTP業務建模，其數據長度為512 KB，數據到達間隔為360 s［15］。保護和控制業務報文長度為100 Bytes，報文到達間隔為2 ms;事件報告報文長度為 230 Bytes，報文間隔為 1 ms［3］，保護和控制業務是雙向流動的業務，采用雙向Video Conferencing業務建模，時間報告采用單向Video Conferencing業務建模。分別設置保護和控制業務、事件報告以及文件傳輸業務的優先級為7、3和0，數值越大優先級越高。以保護和控制業務為例，Video Conferencing主要參數配置如下:

微網中涉及的業務遠遠不止保護和控制業務、文件傳輸和事件報告3種，其他的通信業務可以采用背景業務建模的方式來模擬，本研究采用加載應用需求的方式。其參數配置如下:

3.3 運行結果及仿真分析

依據IEC61850標準，跳閘命令報文屬于快速報文，其傳輸延時不得超過3 ms;事件報告報文屬于中速報文，其傳輸延時不得超過100 ms，一般情況下都可滿足需要;文件傳輸報文的傳輸延時則不做要求［16］。文中保護和控制業務屬于快速報文，因此本研究只考察保護和控制業務的延時是否滿足要求。在微網中，網絡的整體通信性能、某一種重要業務的響應時間以及某個節點的延時等都是比較重要的統計指標，因此本研究設置的統計量有:

(1)Global Statistics—Ethernet—Delay(sec)

Global Statistics—Video Conferencing—Packet Endto－End Delay(sec)

(2)Node Statistics—Ethernet—Delay(sec)

本研究設定仿真時間為600 s，前100 s作為設備初始化時間，所有的業務都在100 s～110 s之間加載，微網的鏈路采用10 Mbit/s和100 Mbit/s兩種。微網的通信延時、保護和控制業務延時分別如圖4、圖5所示。

圖4 微網通信延時圖

由圖4可以看出，鏈路帶寬為10 Mbit/s時微網最大的整體延時僅為0.9 ms，完全滿足系統的實時性要求，鏈路帶寬提高到100 Mbit/s時其性能更好。

圖5 保護和控制業務延時圖

由圖5可知，鏈路在帶寬為10 Mbit/s時保護和控制業務的最大延時接近1 ms，雖然其延時沒有超過極限3 ms，但在仿真中發現當微網中業務流增加到一定程度時，其延時可能會發散，鏈路采用10 Mbit/s將會影響其通信的性能，而鏈路帶寬升級至100 Mbit/s時最大時延時不足0.2 ms，因此，在實際應用中針對本研究規模的微網宜采用速率為100 Mbit/s的帶寬。

在微網中，分布式發電單元、儲能單元和負荷等節點的延時也是比較重要的統計指標，本研究選取饋線A的儲能單元、饋線B的Load2和饋線C的DG2作為研究對象來統計延時情況，結果如圖6所示。

圖6 各節點延時圖

由圖6可知，在鏈路帶寬為10 Mbit/s時分布式發電設備的延時達到了1.8 ms，在突發情況或者數據流增大時可能不能滿足微網通信延時的要求，這種情況下帶寬為100 Mbit/s時節點的實時性能更好，相對能滿足通信需求。

4 結束語

本研究對OPNET軟件及其業務建模的步驟作了簡要介紹，闡述了微網的概念，構建了微網的基本結構，并把變電站自動化系統的IEC61850標準應用到微網中來分析微網的通信業務，然后利用OPNET構建微網的拓撲結構，采用明確業務和背景業務建模相結合的方式對微網中的主要通信業務進行建模，并分析了微網的整體延時、保護和控制業務延時以及各節點的延時，仿真結果表明，在鏈路帶寬為100 Mbit/s時微網的全局實時性能、保護和控制業務以及各節點的實時性能都比較理想，這對微網通信系統帶寬的選擇以及其他業務的建模提供了一定的參考。

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