基于OPNET的智能變電站網絡性能分析

于 翰,王學斌

(1.國網甘肅省電力公司檢修公司,蘭州 730070;2.國網蘭州供電公司,蘭州 730070)

?

基于OPNET的智能變電站網絡性能分析

于 翰1,王學斌2

(1.國網甘肅省電力公司檢修公司,蘭州 730070;2.國網蘭州供電公司,蘭州 730070)

通用面向對象的變電站事件(GOOSE) 是IEC61850系列標準中定義的變電站通用事件模型,是用于智能變電站滿足IED設備之間快速交換實時數據的需求。為此,在監控網與GOOSE網合一即所謂兩網合一的網絡結構基礎上,利用電力通信同步仿真平臺(EPOCHS)進行通信網絡動態仿真。通過對GOOSE及采樣值(SAV) 實時性的仿真分析結果可知,全站統一式通信網絡通過合理劃分VLAN和設置優先級可以滿足智能變電站通信網絡的功能要求,研究結論可為報文優先級、網絡帶寬及組網的創新拓展提供理論依據。

兩層一網;數據流量;VLAN;OPNET

當前智能變電站配置站控層、間隔層和過程層,以及采樣值(SV)網和通用面向對象的變電站事件(GOOSE)網合一的三層兩網結構[1-2]。但隨著對IEC61850規約的深入研究以及電子式互感器、斷路器等技術的發展,利用共網技術實現制造報文規范(MMS)與GOOSE以及SV的共網傳輸具有更大意義。然而,網絡系統是智能變電站的神經系統,其網絡通信性能決定了自動化系統的可用性,且實現網絡數據最大限度共享的同時也加大了網絡時延和負荷的不確定性,因此對并網后的通信網絡研究很有必要[3-5]。

本文對組網結構進行優化,提出兩層一網結構。首先分析變電站信息傳輸特性,繪制出信息流圖[6];并采用220/66kV智能變電站為算例模型,通過基本的數學模型計算出所選變電站的網絡信息流量和SV報文網絡延時;根據計算結果對通信網絡進行VLAN劃分,通過OPNET軟件分析網絡性能,對比有無VLAN時數據流量及網絡延時,驗證兩層一網結構的可行性[7-10]。

1 OPNET仿真機制

1.1 采用基于離散事件驅動的仿真機制

仿真開始前設定一個仿真時間T,仿真的實際時間遠遠小于T。這是因為OPNET仿真的時間都消耗在兩個方面:一是某一決策點上網絡進行決策的耗時T1;二是網絡狀態變化過程時長T2。在這兩種時間段內反映網絡性能的數據才是仿真統計分析的依據。為了仿真結果真實,這兩種時間段不是連續的,是離散分布的。網絡模型不變化不決策的時間段對應的實際時間都為0 s。通過以上描述可以看出

T=nT1+mT2

(1)

1.2 采用基于包的通信機制

不同領域網絡傳輸的數據差異性較大,所以不僅對網絡拓撲、節點設備建模,還要針對網絡中傳輸的數據建模。包就是仿真建模而來的數據,用于模擬數據在網絡中的傳輸。節點模型的內部進程模擬數據處理就是對包的處理。

1.3 采用層次化建模機制

主要體現在OPNET軟件中提供NetworkEditor進行網絡拓撲建模、NodeEditor進行節點設備建模和ProcessEditor進行運行程序建模。

2 組網性能理論計算及VLAN配置

2.1 報文流量及延時計算

設定annouce,Sync,Follow-Up報文發送周期為1s,delay報文發送周期為8s,且均同時發送。依據式(1),計算情況4的報文流量為

Q4=(82+64+64+72+72)×8=3408bit/s

基于以上計算,在最惡劣條件下,可以得到變電站組網流量如表1所示。

本文設定SV采樣周期是80點/周、報文長度為125字節,則LSF=125×8/100=10μs,包含10個MU的網絡負載η%=L×10/100=50×80×125×8×10/100=40%,L為網絡帶寬,可以得到SV傳輸的時延為10+10+5+4=29μs。

2.2 優化組網的VLAN配置

將過程層網絡和站控層網絡合并為一個統一

網絡,采用VLAN技術。采用全站統一式的智能配電變電站通信網絡為對象進行針對性研究。原因是66kV的智能配電變電站數量巨大,而且多為終端變電站,由于環形網絡數據延時較長,此變電站采用星型網絡結構,其中包括2個66kV進線間隔、1個66kV母線分段間隔、2個主變間隔、4個10kV饋線間隔(后期可擴展)、1個10kV母線間隔。66kV側采用單母分段接線,10kV側采用雙母線接線,每個間隔配置1臺交換機,各間隔通過中央交換機連接到站控設備和服務器。中央交換機采用三層的高性能工業級交換機,網絡選擇100Mbit/s帶寬,綜合自動化系統通信網絡配置如圖1所示。

圖1采用全站統一式的網絡傳輸方案,而本方案在按照間隔劃分方案的基礎上,實現了跨間隔與跨層劃分VALN,能在實現數據共享的同時,更加有效降低網絡負載,VLAN劃分方案如表2所示。

VID-210-290實現站控層與間隔層跨層通信,消除了SV報文對網絡負載的影響,站控設備發布的命令可以快速到達終端設備;VID-7010-7020與VID-7130-7160實現跨間隔通信,母線故障時可以進行聯動,并限制其他間隔的SV報文流向母線間隔;VID-10-60、VID-70-71與VID-80-90都是面向間隔進行劃分,在本間隔內通信實現“直接采樣、直跳跳閘”功能,并有效降低通信延時,提高網絡利用率。

間隔1故障的數據流向如圖2所示。在合理劃分VLAN之后,饋線間隔1故障時,饋線間隔1的保護控制IED發布跳閘命令將母聯斷路器和饋線間隔1的斷路器跳閘,并且快速返回一個GOOSE報文,此種方案可以最大限度減少網絡流量,減輕網絡負載。

表1 星型網流量計算

圖1 統一式通信網絡配置圖

VID VLAN包含的設備2站控設備和服務器210-290站控設備和服務器分別與每個間隔的保護控制IED和智能終端7010-702066kV母線間隔的MU、保護控制IED、智能終端與66kV側每個間隔保護控制IED、智能終端7130-716010kV母線間隔的MU、保護控制IED、智能終端與10kV側每個間隔保護控制IED、智能終端10-6066kV進線和10kV饋線各自間隔中的MU和保護控制IED、智能終端70-7166kV母線、10kV母線各自間隔中的MU和保護控制IED、智能終端80-90變壓器間隔1或2中的MU、保護控制IED、智能終端

圖2 間隔1故障的數據流向

2.3 OPNET仿真及對比分析

2.3.1 網絡仿真參數設置

優化組網的通信網絡選用星形拓撲結構,可以使用網絡編輯器(Network Editor)快速鋪設星形網絡拓撲結構。中央交換機采用三層的工業級交換機,此類交換機具有鏈路匯聚功能,其他間隔交換機使用二層交換機。仿真結構圖如圖3所示。

由于繼電保護等應用的高實時性,IEC61850 支持直接映射到數據鏈路層,GOOSE和SV協議棧只采用了OSI中的4層,并采用IEEE802.1Q、IEEE802.1P協議,其目的是提高可靠性和降低傳輸延時。MMS報文基于IEC61850-8-1標準,協議棧利用ISO的所有7層協議,這類報文傳輸實時性要求相對于GOOSE和SV報文要低。故在仿真設置參數時,過程層的MU和站控層的服務器可以直接取用 ethernet-station-adv 節點模型,因為它模擬的是4層協議的節點模型,省去了會話層、傳輸層以及網絡層的高層協議開銷,讓其模擬合并單元產生 SV 數據報文,基本符合 IEC 61850 規定的要求。除此之外,全站所有的斷路器IED、保護&控制IED等設備都由 ethernet-wkston-adv節點模型來模擬。ethernet-station-adv和ethernet-wkston-adv節點內部模型如圖4所示。

圖3 仿真拓撲結構

圖4 四層節和七層節點模型圖

仿真為避免數據集中發送影響仿真結果,設置在不同時刻發送,SV從0 s開始直到仿真結束,在5 s開始上傳設備狀態信息,8 s時刻設置66 kV饋線間隔1故障跳閘,從8 s到12 s之間設置為開始發送GOOSE報文,其中T0=500 ms,按T1=2 ms,T2=3 ms,…,間隔發送。11 s開始用FTP模擬站控設備到服務器之間的大文件傳輸。仿真數據流量配置如表3所示。GOOSE行為由 Task Config自定義的應用服務,通過多次重復業務主詢實現其傳輸機制,采用不可靠的無連接 UDP 協議以減少網絡延時。由于GOOSE報文是心跳報文,所以GOOSE 報文采用 ON/OFF 機制,發送報文的時間間隔為1 ms,其中ON 狀 態 的 出 現 服 從pareto(1.1,0.000 512) 分布,并產生GOOSE報文,而 OFF 狀態的出現服從參數為Poission(50)的負指數分布。文件傳輸采用的是TCP 協議,根據IEC 61850中的實時性要求,把GOOSE報文和跳閘報文設置為7級,可以讓GOOSE報文和跳閘命令報文具有優先的發送權和接收權。按照VLAN方案進行設置,IEC61850標準規定SV報文和GOOSE報文傳輸時延不得超過3 ms,對其他類型報文實時性要求不高。因此,對設備狀態信息和文件傳輸報文只是為了構成綜合傳輸場景,以便更加真實地模擬變電站數據流,仿真主要考察有無VLAN情況下SV報文和GOOSE報文的傳輸時延和網絡負載對比情況。

2.3.2 仿真結果分析

2.3.2.1 100 Mbit/s交互式交換機采樣值仿真

模型包括10 kV母差保護、多個合并單元MU、核心交換機、各間隔交換機等,采用全站唯一星形網絡母差保護直接連到核心交換機,采樣值通信采用IEC61850-9-2協議,報文長度為171字節,采樣頻率為80點/周波,組織多路MU同時向10 kV母差保護發送采樣值,仿真結果如圖5所示。

表3 仿真數據流量配置

圖5 母線保護采樣值延時

由仿真結果可以看出:1)當采用100 Mbit/s交換式以太網時,信息傳輸上限約為91 Mbit/s;2)當母差保護的吞吐量小于90 Mbit/s時,網絡的采樣值時延可以達到SV報文傳輸的約束條件,且不會出現發散及丟包現象;3)如果把采樣頻率提高,鏈路利用率為91%的采樣值出現發散,而低于91%的鏈路不會發散,則可知鏈路吞吐量和報文的幀大小發送頻率等都會影響交換式以太網的傳輸性能;4)設定母差保護的MU每周期采樣為80點,則需帶寬為5.47 Mbit/s,而通常帶寬的上限最多為16.64個MU;5)當母差保護需要較多的MU采樣值時,就需要考慮采用1000 Mbit/s通信鏈路,并要求采用高性能的處理器用于母差保護。

2.3.2.2 饋線間隔故障時仿真結果

仿真數據:1)F1饋線出現故障;2)繼電保護設備的主頻為100 MHz,其背景使用率通常為0%;3)本間隔MU的采樣值由保護設備接收,采樣頻率為80點/周波;4)本間隔斷路器跳閘GOOSE報文由保護裝置發送;5)當線路發生故障時保護裝置向站控層的服務器上傳文件(文件比例為50%)。對比有無VLAN對全站統一式通信網絡延時的影響。運行OPNET仿真模型,仿真結果如圖6所示。

圖6 中央交換機網絡負載圖

圖6給出了中央交換機的網絡負載情況。前8s為正常狀態,在劃分了VLAN的網絡中,可以看出在前5 s中央交換機收包率為0 packets/s,5 s后收到設備狀態信息,在8 s開始由于饋線間隔1故障有GOOSE報文而有小幅度上升,11 s收到FTP文件而有一個上升。通過對比可以看出,若不劃分VLAN,前5s保護控制IED會因為SV廣播而收到其他間隔的SV報文,總共接收32 000 packets/s,加重交換機負載,劃分VLAN后,SV報文只在本間隔傳輸,中央交換機不會收到其他間隔SV報文,這樣可以有效減輕中央交換機負載,這可以保障實現全站統一式網絡。

圖7給出了故障間隔通信網絡的延時對比圖。在劃分VLAN之后,網絡延時明顯減少,而且在故障時延時抖動較小,有利于保護功能的速動性和可靠性。并且在5s前在本間隔傳輸的僅僅為SV報文,網絡延時大約為2 s,與理論計算結果符合,由此證明OPNET仿真結果是可靠的。

圖7 故障間隔的網絡延時

2.3.2.3 10 kV母線I間隔故障時仿真結果

仿真條件:1)10kV母線I發生故障;2)10 kV母差保護裝置同時接收4個跨間隔采樣值,然后向相應的4個智能斷路器發送跳閘GOOSE報文,同樣采用VLAN與優先級標記技術,其他仿真條件同場景1。對比有無VLAN對全站統一式通信網絡延時的影響。

圖8給出了中央交換機的網絡負載情況。如果沒有VLAN和優先級標記,中央交換機網絡負載率很高而且網絡性能不穩定,有形成廣播風暴的危險,造成網絡阻塞;在劃分了VLAN的網絡中母線故障后,因為有GOOSE報文出現而有小幅度上升,但是網絡性能較好。

圖9給出了母線間隔和其他間隔通信網絡的延時對比圖。沒有VLAN時,報文傳輸延時明顯比劃分VLAN的要大,而且抖動十分明顯,不利于保護功能的速動性和可靠性;在劃分VLAN后,延時抖動較小,有利于保護快速動作,提高網絡利用率,降低網絡延時。

圖8 中央交換機網絡負載圖

圖9 母線間隔的網絡延時

3 結 論

本文對智能變電站的全站數據流進行數學建模,進而根據不同的數據流特點設置仿真參數,利用OPNET網絡仿真軟件,驗證了在饋線故障和母線故障這種極端情況下的通信網絡性能。得出了全站統一式通信網絡通過合理劃分VLAN和設置優先級可以明顯抑制網絡風暴,降低延時抖動。并驗證了兩層一網結構在網絡通信方面的正確性,可以滿足智能變電站通信網絡的功能要求。這種方案可以實現最大程度的數據共享,優越性十分明顯。

[1] 黃明輝,召向潮,張弛,等.基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真[J].電力系統自動化設備,2013,33(5):144-148.HUANG Minghui,ZHAO Xiangchao,ZHANG Chi,et al.Modeling and simulation of relay protection for intelligent substation based on OPNET[J].Electric Power Automation Equipment,2013,33(5):144-148.

[2] 齊永峰,高興國,邵雪蓮.智能(數字)化電力變電站自動化系統的發展[J].黑龍江電力,2007,29(6):448-449.QI Yongfeng, GAOXingguo, SHAO Xuelian.Development of intelligent digital type electric power substation automatization system[J].Heilongjiang Electric Power,2007,29(6):448-449.

[3] 秦川紅,王寧,任宏達,等.采用虛擬局域網的數字化變電站數據通信仿真研究[J].電力系統保護與控制,2013, 41(2):126-130. QIN Chuanhong, WANG Ning, REN Hongda,et al.Simulation and study on data communication in digital substation based on virtual local area network[J].Power System Protection and Control,2013, 41(2):126-130.

[4] 王松,黃曉明.GOOSE報文過濾方法研究[J].電力系統自動化,2008,32(19):45-48.WANG Song, HUANG Xiaoming.Filtering Methods of GOOSE Messages[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(19):45-48.

[5] 陳敏.OPNET 網絡仿真[M].北京:清華大學出版社,2004:10-13.CHEN Min.OPNET network simulation [M].Beijing:Publishing House of Tsinghua University, 2004:10-13.

[6] 沈顯慶, 朱彥磊, 王昌奎.變電站智能輔助系統的分析[J].黑龍江電力, 2015, 37(5):381-384.SHEN Xianqin,ZHU Yanlei,WANG Changkui.Analysis of substation intelligent auxiliary system[J].Heilongjiang Electric Power, 2015, 37(5):381-384.

[7] 方曉潔, 季夏軼, 盧志剛.基于 OPNET 的數字化變電站繼電保護通信網絡仿真研究[J].電力系統保護與控制, 2010, 38(23):137-140.FANG Xiaojie,JI Xiayi,LU Zhigang.Study on relaying protection communication network in digital substation using OPNET simulation[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(23):137-140.

[8] 王珍珍,孫丹.IEC 61850 配置文件測試的研究[J].電力系統保護與控制, 2011,39(6):95-98.WANG Zhenzhen,SUN Dan.Research on testing of IEC 61850 configuration files[J].Power System Protection and Control, 2011,39(6):95-98.

[9] 常弘,茹鋒,薛鈞義.IEC61850標準語義信息模型的互操作性能分析及系統實現[J].電工電能新技術,2005,24(3):58-62. CHANG Hong,RU Feng, XUE Junyi.Interoperability analyses and system implement to IEC61850 semantic information model[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2005,24(3):58-62.

[10] 劉東, 劉彬, 楊嘉祥.IEC61850變電站配置系統剖析[J].黑龍江電力, 2010, 32(2):110-114.LIU Dong, LIU Bin, YANG Jiaxiang.Anatomy of IEC61850 substation automation system configurations[J].Heilongjiang Electric Power, 2010, 32(2):110-114.

(責任編輯 侯世春)

Analysis of network performance of intelligent substation based on OPNET

YU Han1, WANG Xuebin2

(1.Maintenance Company of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China;2.Lanzhou Power Supply Company of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China)

Generic Object Oriented Substation Event (GOOSE) is the generic substation object model defined in IEC61850 standard, used to meet the requirements of fast exchange of real-time data between IED for intelligent substation.On the basis of the integrated network structure, which is called the unity of monitor network and GOOSE network, it used EPOCHS to make dynamic simulation of communication network.Through the analysis of GOOSE and sampled value (SAV) of real-time simulation, it shows that global unified communications network, of which VLAN and priorities are rationally set, is able to meet the functional requirements of intelligent substation communication network.Besides, the conclusions of this study can be used as message priority, innovative network bandwidth and network expansion theory.

two layers with one net;date flow;VLAN;OPNET

2016-05-12。

于 翰(1986—),男,工程師,主要研究方向為電力系統運行分析與控制。

TM63

A

2095-6843(2016)05-0389-06