電力系統網絡拓撲方案研究

饒 金，崔小鵬，徐興華

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電力系統網絡拓撲方案研究

饒 金，崔小鵬，徐興華

(武漢軍事代表局駐461代表室，武漢430033)

電力監控系統對網絡的實時性要求很高，在網絡設計階段較難開展與擬建網絡規模可比的實驗來判斷網絡應用到電力監控系統中的實時性能。電力系統監控網絡較復雜，相比建立有效的解析模型對它進行數學分析，網絡仿真法更適合大型系統的性能預測，本文采用網絡仿真法對電力系統網絡從網絡時延、可靠性、流量特性進行分析比較，為今后組建電力系統監控網絡提供依據。

網絡時延 網絡可靠性 拓撲結構

0 引言

合理的電力系統網絡拓撲可以表述為：在實現裝置功能并滿足傳輸時間要求的基礎上，通過網絡結構和節點分布的優化以提高網絡可靠性、安全性和實時性水平。與一般網絡相比，電力系統對網絡需求特點如表1所示[1-5]。

一般的局域網數據量大，網絡負載波動規律，注重平均吞吐量，平均傳輸時延、網絡的利用率等，對可靠性和實時性的要求不高；而電力系統網絡，數據量不多，但是在出現故障后，數據量會顯著增加，所以更關注網絡最大吞吐量、在最壞情況下的最大端到端時延。

不同于一般的監控網絡，電力系統要求網絡具較好可靠性；為較好完成各種監測任務，網絡還要有較好抗毀性、重構性等；同時為滿足裝置對保護動作的響應，網絡還要滿足實時性要求；為方便維修和空間限制，在滿足條件的前提下，網絡結構應較為簡單。

目前商用網絡仿真軟件主要有MIL3公司的OPNET、CACI公司的COMNET III，科研用軟件主要有UC Berkeley NS-2。經過比較分析，OPNET綜合采用基于包和數學分析的建模方法，既可得到非常詳細的模擬結果，也可獲得較快的仿真計算速度。因此本文采用OPNET網絡仿真軟件進行仿真分析[6, 7]。

采用OPNET進行網絡仿真主要分為以下五步：需求分析、定義輸入/輸出、系統建模、設置運行參數/仿真和分析，仿真工作流程如圖1所示。

由于網絡拓撲結構對網絡性能有重要影響，本文對電力系統監控網絡的拓撲結構進行了研究，本文采用網絡仿真法對主流的電力系統網絡從網絡時延、可靠性、流量特性進行分析比較。

1 網絡結構

在OPNET仿真軟件中，建立功能型網絡拓撲結構場景圖2a和圖2b所示，各個設備節點分為嵌入式設備節點和非嵌入式設備，其中嵌入式設備共80多個節點，節點采用ethernet_workstation節點模型。每個節點間隔4ms發送一個數據包，每個數據包有效數據為1024 byte，數據從105 s時開始在1 s內按均勻分布開始發送。同樣非嵌入式設備共14個節點，每個節點間隔30 ms發送一個數據包，每個數據包有效數據為8 byte，節點符號見主要符號(縮寫)說明。

圖中最右面的Task_0、App_1和Profile_0分別為任務定義（Task Definition）、應用定義（Application Definition）和業務規格定義（Profile Definition）。任務定義用于設定自定義業務，產生新的應用。應用定義具體描述應用的動作，即要發送的一類數據流的特點。業務規格用來描述節點的行為，即通信節點發送什么樣的數據流，發送時間、持續時間長短等。

2 性能對比

2.1時延分析對比

圖3a是周期性數據傳輸仿真平均時延，以及實測端端之間平均時延。對于本裝置時延主要原因是交換機存儲轉發所造成的。因此仿真與實測為最遠端數據傳輸的平均時延。圖3b是端到端時延。以上仿真是在負載為25%下進行的，圖3c為仿真時網絡負載。

（a) 平均時延對比

（b) 時延對比

（c) 傳輸負載對比

圖3 OPNET仿真波形

2.2 可靠性對比

對于環形結構，其可靠性為

(2)

下式中“

對于整數(>0)，為數據包從N到N經過個步驟，可靠性，因此拓撲可靠性：

根據以上網絡可靠性算法，計算兩種不同結構網絡的可靠性，其中交換機可靠性為99.99%[1]，鏈路可靠性為99%[3]，假設所有設備節點可靠性均相同為99.8%。計算得到兩種網絡拓撲結構可靠性1=0.93014。2=0.89103。

2.3 流量特性

流量特性，電力系統主要以確定性數據流為主，流量短時集中，故障數據上傳時，網絡端口監測的流量信息如圖3.9所示，最大流量約為5 M bps，平均約為2.3 Mbps，以10%的利用率，能夠滿足數據傳輸要求。

實際測試中，時延主要是由于網管交換機存儲轉發機制造成的，經測試，目前最嚴苛端到端時延最小為0.7 ms，最大為2.5，平均時延約有1.5 ms，如圖3a所示。能夠滿足網絡數據傳輸要求。綜合考慮可靠性、時延性和流量特性，采用基于功能型自愈環星型結構能夠滿足全系統網絡監控的要求。

圖5 網絡流量

3 結論

本文對電力系統監控網絡的拓撲結構進行了研究，采用網絡仿真法對主流的電力系統網絡從網絡時延、可靠性、流量特性進行分析比較，為今后組建電力系統監控網絡提供依據。

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Study on Network Topology Structure for Power System

Rao Jin, Cui Xiaopeng, Xu Xinghua

(Naval Representatives Office in 461 Factory, Wuhan 430033, China)

TM359

A

1003-4862（2017）09-0063-05

2017-07-15

饒金，男，工程師。研究方向：電力系統網絡組網。