變電站過程層報文分網傳輸性能的仿真分析

何瑞文，鐘康有，陳超，谷磊

（1.廣東工業大學自動化學院，廣州510006；2.廣東電網公司湛江供電局，湛江524000）

變電站過程層報文分網傳輸性能的仿真分析

何瑞文1，鐘康有2，陳超1，谷磊1

（1.廣東工業大學自動化學院，廣州510006；2.廣東電網公司湛江供電局，湛江524000）

基于IEC61850標準的變電站過程層網絡是一次設備與二次設備間的信息交換橋梁，承載著各種智能電子設備IED（intelligent electric device）交換數據的實時傳輸任務。針對目前智能變電站采樣值SMV（sampled measured value）與面向對象的變電站通用事件GOOSE（generic object oriented substation event）報文的分網傳輸結構，利用OPNET仿真平臺建立過程層網絡以及IED設備的仿真節點模型和網絡模型，研究分網傳輸報文方式下的網絡性能及其影響因素。仿真結果表明，采用100 Mbps帶寬的以太網和虛擬局域網VLAN技術實現SMV和GOOSE報文分網傳輸時，實時性較好且時延抖動小，適于現階段智能變電站的工程實際。

智能變電站；過程層網絡；報文傳輸；仿真分析

智能變電站是智能電網電力流、信息流、業務流匯集的焦點，智能電網中完整、準確、及時、一致和可靠的信息采集功能，可為電力系統運行提供大范圍的情境知曉和動態可視化。構建測控保護體系可以減輕電網的阻塞和瓶頸，縮小和防范系統大停電事故[1-3]。信息網絡化傳輸實現了變電站的高度信息共享，但其實時性、安全性和可靠性直接決定了智能變電站的可用性[4]。

信息的應用模式是智能變電站有別于傳統變電站的重要特點。IEC61850標準[5]為信息共享提供了技術體系的支持，實現了設備之間的互連、互通和互操作。目前智能變電站已經解決基于IED61850的設備統一建模、解析和互操作問題，而通信網絡的整體性能和可擴展性還有待研究[6]。OPNET提供了一種信息流定量分析的手段。OPNET Modeler采用基于包的通信機制[7]，通過仿真包在模型中的傳遞來模擬實際物理網絡中數據包的流動和節點設備內部的處理過程。離散事件驅動（discrete eventdriven）的仿真機制實現了進程通信的并發性和順序性，再考慮事件發生的任意性，可以仿真通信網絡中任何情況下的網絡狀態和行為。

本文針對目前實際智能變電站采用的過程層采樣值SMV（sampled measured value）與面向對象的變電站通用事件GOOSE（generic object oriented substation event）報文分網傳輸結構模型，運用OPNET進行建模仿真，研究過程層通信網絡的動態特性，分析網絡性能的特點和適應性。

1 過程層網絡系統節點模型

OPNET Modeler建模采取層次化和模塊化的方式，將復雜的系統分解為不同的層次結構。OPNET提供3層建模機制：最底層為進程模型；中間層為節點模型，由相應的協議模型構成，反映設備特性；最上層為網絡模型。這3層模型和實際的網絡、設備、協議層完全對應。

1.1 鏈路模型

根據IEC61850標準，鏈路的選擇一般需滿足表1的要求[5]，表中fz為額定頻率，Hz。鏈路可使用的數據速率為

式中：DR為數據速率；SR為采樣速率，Hz；nMU為所連接的合并單元（MU）數目；TL為最大報文長度。

表1 以太網物理層選擇指南（接收節點）Tab.1Ethernet physical layer selection guide

1.2 合并單元模型

合并單元MU功能是同步采集多路電流和電壓互感器輸出的數字信號，并按標準格式以SMV報文形式發送給間隔層設備。此類報文是時間驅動的數據流，在規定時間內定時觸發，可用產生包時間間隔固定、大小固定的周期性報文來模擬建模。

MU模型采用3層結構，星型拓撲的多接口模型如圖1所示。其中MU_bursty_gen進程主要完成模擬變電站中SMV報文的產生，sink為數據包接收處理模塊；eth_mac_inf模塊用來實現以太網協議和算法；hub_rx和hub_tx為一對收發信機。用戶可以對其配置采樣率、啟動時間、停止時間、數據包大小、地址、組播組地址。因為集線器（Hub）在某一端口收到信息后向所有其他端口廣播，本系統建模用外接集線器來模擬多接口模型。為了表示變電站中采樣值數據的同步性，參數配置中數據包產生間隔與MU實際采樣頻率對應，包開始發送時間設定為相同的常數分布，采用以太網幀、廣播方式傳輸。MU采樣頻率為每周波80點的參數配置，如圖2所示。每s發送4 000個169 B數據包。

圖1 MU多接口模型Fig.1MU multi-interface model

圖2 MU參數配置Fig.2MU parameters configuration

1.3 斷路器智能設備模型

斷路器IED主要功能是：（1）執行保護控制等裝置發送的控制命令；（2）采集一次設備的開關狀態信息，并按標準發送給間隔層設備。IED發送的數據包形式和MU相似，只在采樣頻率和數據包格式上有差別，在配置采樣率、啟動時間、停止時間、數據包大小、地址、組播組地址時，分布函數則和MU相似。仿真采樣頻率按每周波10點的參數配置，每s發送500個139 B數據包。

1.4 保護單元模型

保護單元3層模型和MU一樣，當需考慮與站控層通信時，則保護單元7層模型如圖3所示,保護IED模型包含GOOSE協議棧、MMS協議棧和TCP（UDP）/IP層。

圖3 保護單元7層模型Fig.37-layer model of protection unit

保護單元在發生故障時發送保護動作信息（GOOSE報文），此類信息屬于外部事件驅動，是突發性數據，表現出自相似性。此模型只考慮ON和OFF 2個狀態，ON和OFF時段分別具有不同的分布函數，單個數據源ON狀態持續時間服從重尾分布（pareto），OFF狀態持續時間服從Poisson負指數分布，而無限多個該類數據源的疊加形成具有自相似特性的突發數據流[8-12]。當數據源處于ON狀態時，以恒定速率產生數據，利用scripted函數自定義發包間隔來模擬重發機制；而當數據源處于OFF狀態時，節點不產生任何數據。參數配置如圖4所示，保護單元發送的數據包波形如圖5所示。

圖4 保護單元參數配置Fig.4Protection unit parameters configuration

圖5 保護單元發送數據包波形Fig.5Transmitted packet waveform of protection unit

1.5 測控單元模型

測控發出的報文屬于隨機性數據，在任何一段時間內，數據以概率p出現一個報文，它和保護發出的數據最大的區別在于測控數據前后到達無任何相關性。本次建模用Poisson過程來近似描述，測控模型和保護單元采取相同的結構。

2 過程層SMV與GOOSE報文分網傳輸仿真分析

以廣東電網220 kV智能變電站中過程層網絡接線方案為原型[13]，其過程層網絡結構如圖6所示。單間隔模型對應網絡結構中的1個間隔；多間隔的星型網絡結構與圖6完全一致，而其環形網絡結構則是為了與星型網絡結構進行比較設置的。

將間隔內設備按照所完成的功能分解為IEC61850標準所定義的邏輯節點，并使各邏輯節點重新組合形成過程層以太網的節點。通過對節點間交換信息和網絡負載進行分析和研究，設計了相應節點模型和鏈路模型。信息采集采用IEC61850-9-2規定的單向多點光纖以太網，每個合并單元可向SMV網絡發送采樣信息。保護裝置具有與智能終端通信的過程層總線接口，通過GOOSE網絡和智能終端連接。信息傳輸滿足GOOSE服務的要求，以保證故障跳閘的快速性。所有保護裝置具備過程層總線接口，與各側的智能終端配合；同時主變的每個智能終端均提供2個過程總線接口以滿足網絡雙重化的要求，分別與主變保護通過GOOSE網絡連接。

2.1 單間隔的仿真

以其中1條220 kV線路間隔為例，仿真模型如圖7所示。保護配置、采集單元的設置及網絡連接方式同圖6，各節點參數按前述要求配置。

當鏈路帶寬為10 BaseT時，在不同采樣頻率下MU到保護單元的網絡時延如圖8所示。由圖可見，當MU采樣頻率為每周波40點時的最大時延為0.42 ms時，SMV和GOOSE報文分網傳輸時保護的突發性數據和測控的隨機性數據對網絡延時影響不大；當MU采樣頻率為每周波80點時的最大時延達到17 s時，10 BaseT網絡已經不滿足間隔層數據通信的實時性要求。

當帶寬為100 BaseT時，假設保護單元只接收1路采樣數據，取MU的采樣頻率為每周波80、200、400點，所得的保護點對點網絡延時均約為0.38 ms，都能夠滿足變電站通信要求，如圖9所示。假設保護單元接收多路采樣數據，在每周波采樣400點時的網絡延時如圖10所示，最高時延約達5 ms。此時100 Mbps以太網可使用的寬帶不足以允許多個合并單元向同一個接收設備傳送采樣值。

圖6 變電站過程層網絡架構Fig.6Network architecture of substation process layer

圖7 220kV線路間隔結構Fig.7220 kV line bay structure

圖8 10BaseT帶寬下的網絡時延Fig.8Network delay with 10 BaseT bandwidth

圖9 100BaseT帶寬下的網絡時延Fig.9Network delay with 100 BaseT bandwidth

圖10 100BaseT帶寬下每周波采樣400點的網絡時延Fig.10Network delay with 400 points per cycle sampling and 100 BaseT bandwidth

帶寬在10 BaseT和100 BaseT下，MU采樣頻率為每周波80點時保護單元接收的數據流量如圖11所示。同樣負載情況下，在10 BaseT網絡出現阻塞后，點對點的通信量與正常通信比較，流量有所降低，這表明10 BaseT網絡信息傳輸過程中存在數據包的丟失，網絡通信質量得不到保證。

2.2 多間隔的仿真

多個不同間隔組成的星型網絡結構和環形網絡結構分別如圖12和圖13所示，包括母線保護間隔、主變間隔、220 kV母聯間隔、220 kV線路間隔和110 kV線路間隔。其中母線保護間隔組網方案如圖14所示[13]，主變間隔接線如圖15所示。

圖11 相同負載不同帶寬下的通信流量Fig.11Traffic with same load and different bandwidth

設合并單元的采樣頻率為每周波80點，對該網絡模型進行通信仿真，并收集網絡通信點對點數據包的時延參數。

圖12 星型網絡結構Fig.12Starlike network structure

圖13 環形網絡結構Fig.13Ring network structure

圖14 母線保護間隔組網方案Fig.14Bus bar protection networking solution

圖15 主變間隔接線Fig.15Main transformer bay connection

為了減少間隔間不必要的數據交換，防止交換網絡的廣播風暴，對網絡進行虛擬局域網VLAN（virtual local area network）配置。采用基于端口劃分VLAN的方式，首先以間隔為對象按功能進行劃分，每種報文網設為1個VLAN網，同1個間隔同種報文傳輸網的交換機端口均劃為同1個VLAN網；然后給各個單元配置網絡地址，保護和測控裝置的GOOSE報文以組播方式發送到智能單元，如在220 kV線路1個間隔內，智能單元的網絡地址為204和205，則該間隔保護和測控裝置組播的最小地址為204，最高地址為205。

星型網絡下的網絡時延如圖16所示，無VLAN技術的點對點數據延時最高為0.9 ms；配置VLAN后點對點數據包的時延最高為0.055 ms。由于VLAN減少間隔間廣播數據的傳輸，設置VLAN后網絡延時明顯減少，實時性更能得到保證。與單間隔網絡延時（最高為0.038 ms）相比，由于間隔間存在一定量數據交換，在一定程度上增加了網絡的負荷，造成網絡延時有所增加，但仍在變電站數據通信所允許時間范圍內。

圖16 星型網絡結構時延Fig.16Delay of starlike network structure

圖17 不同網絡拓撲的網絡時延Fig.17Network delay of different network topologies

星型和環形兩種組網方式仿真所得的網絡點對點數據包的延時結果如圖17所示。從圖中可以看出，環形網絡點對點數據包通信延時（最高為0.062 ms）略大于星型網絡（最高為0.055 ms），這是因為變電站內各間隔的數據存在一定的通信量，特別是母線保護，必須從各個間隔獲取采樣數據。星型網絡間隔間的數據交換經過的交換機比環網少，在星型網絡中心交換機沒有出現網絡擁塞，還沒有成為通信的瓶頸時，網絡能正常地進行數據交換；而環形網絡由于間隔間交換數據經過的交換機較多，通信節點間網絡距離較長，使得正常時通信時延略長。

3 結語

節點的通信處理能力和網絡帶寬是制約網絡性能的重要因素，從仿真結果來看100 M帶寬的以太網可以滿足實際的二次系統過程層數據通信要求。虛擬局域網VLAN技術為網絡通信的實時性提供了可靠的保障。合理配置虛擬局域網多播組、報文定點傳輸和減少間隔內報文的無效轉發可以有效地防止網絡擁塞。當SMV和GOOSE報文分網傳輸時，報文在網絡內的傳輸時延抖動小，突發數據對網絡時延影響不大，穩定性好，適于現階段的智能變電站工程應用。

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Simulation Analysis of Packet Transmission Performance Through Different Network in Substation Process Layer

HE Rui-wen1，ZHONG Kang-you2，CHEN Chao1，GU Lei1
（1.School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Guangdong Power Grid Corporation Zhanjiang Power Supply Bureau，Zhanjiang 524000，China）

The process level network in substation based on standard IEC61850 is the bridge to exchange information between the primary device and the secondary device，and the real-time exchange data transmission task of all kinds of the intelligent electric device（IED）is carried.The process level network as well as simulation node model and network model of all kinds of IED equipment are built by OPNET simulation software，and network performance and its influencing factors in diverse network transmission message are researched for SMV and GOOSE message transmission in divided network structure of intelligent substation at present.The simulation results show that when ethernet of 100 Mbps bandwidth and virtual LAN technology are used to achieve the SMV and GOOSE message transmission in diverse network，the good real-time and the little delay chattering，which is suitable for engineering projects in intelligent substation at the present stage.

smart substation；process layer network；packet transmission；simulation analysis

TM734

A

1003-8930（2014）09-0017-06

何瑞文（1969—），女，博士，副教授，研究方向為電力系統保護與控制，微電網運行、控制與保護。Email：rw_he@tom.com

2013-01-04；

2013-06-07

國家自然科學基金資助項目（51377026）

鐘康有（1987—），男，本科，助理工程師，研究方向為電力系統自動化方面工作。Email：ky_zhong@foxmail.com

陳超（1984—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統自動化。Email：lishiyingxiong@163.com