智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)通信協(xié)議的性能分析

梁甲慶，孟凡陽(yáng)

（聊城市光明電力服務(wù)有限責(zé)任公司陽(yáng)谷分公司，山東 陽(yáng)谷 252300）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為未來(lái)電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。在智能電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)通信協(xié)議用于連接各種設(shè)備和系統(tǒng)，直接影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。對(duì)電力系統(tǒng)通信協(xié)議的性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的分析和評(píng)估，能夠確保智能電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

1 智能電網(wǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)通信協(xié)議

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，智能電網(wǎng)以高度自動(dòng)化、分布式能源管理和大規(guī)模可再生能源集成等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)通信協(xié)議需要滿足多樣化、實(shí)時(shí)性、可靠性以及安全性等方面的需求。智能電網(wǎng)存在大量的分布式能源和負(fù)載，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，因此使用的通信協(xié)議需要具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。智能電網(wǎng)涉及多個(gè)系統(tǒng)的信息交互，使用的通信協(xié)議需要具備靈活的通信機(jī)制和協(xié)議棧，以適應(yīng)不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的通信需求[1]。此外，智能電網(wǎng)的通信協(xié)議還需要具備高度的可靠性和安全性，以確保通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)完整性、保密性以及可用性，防止各種網(wǎng)絡(luò)攻擊和故障對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

2 性能分析方法與指標(biāo)

2.1 性能分析的基本原理與方法

性能分析的基本原理與方法通常涉及數(shù)據(jù)收集、指標(biāo)定義以及分析方法。其中，常用的一種方法是基于模擬仿真。在模擬仿真中，需要先建立電力系統(tǒng)通信協(xié)議的仿真模型，模擬系統(tǒng)中各個(gè)組件的交互過(guò)程，并根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景生成數(shù)據(jù)，再定義一系列性能評(píng)估指標(biāo)，如時(shí)延、丟包率及吞吐量等，以評(píng)估通信協(xié)議的性能。通過(guò)模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，收集并分析模擬仿真結(jié)果，得出通信協(xié)議在不同場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)。性能分析方法的基本原理是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬電力系統(tǒng)通信協(xié)議在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行情況，從而評(píng)估協(xié)議的性能。

2.2 電力系統(tǒng)通信協(xié)議性能評(píng)估指標(biāo)的選擇與定義

在選擇和定義電力系統(tǒng)通信協(xié)議的性能評(píng)估指標(biāo)時(shí)，考慮通信協(xié)議在智能電網(wǎng)環(huán)境下的特殊性和實(shí)際應(yīng)用需求。常見(jiàn)的性能評(píng)估指標(biāo)包括數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸延遲、吞吐量、丟包率、重傳率以及錯(cuò)誤率等。

數(shù)據(jù)傳輸速率R指在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，具體計(jì)算公式為

式中：D為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；T為傳輸所花費(fèi)的時(shí)間。

傳輸延遲TL指從數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收所需的時(shí)間，具體計(jì)算公式為

式中：L為數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。

吞吐量S指單位時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，具體計(jì)算公式為

式中：Ploss為丟包率。

丟包率Ploss表示發(fā)送的數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中丟失的比例，具體計(jì)算公式為

式中：Nloss為丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量；Nset為發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)量。

重傳率Pr表示因數(shù)據(jù)包丟失而需要重新發(fā)送的比例，具體計(jì)算公式為

式中：Nr為重新發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)；Ns為總發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)。

錯(cuò)誤率Pm表示接收到的數(shù)據(jù)包中出現(xiàn)錯(cuò)誤的比例，具體計(jì)算公式為

式中：Nr為重傳的數(shù)據(jù)包數(shù)量；Nm為接收到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)量；Nc為接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)量。

3 分析電力系統(tǒng)通信協(xié)議的性能

3.1 基于模擬仿真的性能分析

3.1.1 仿真模型構(gòu)建

文章選擇基于OPNET 仿真平臺(tái)的模擬環(huán)境，并采用Modbus 協(xié)議作為電力系統(tǒng)通信協(xié)議構(gòu)建仿真模型。仿真模型的構(gòu)建需要考慮通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑼ㄐ艆f(xié)議及節(jié)點(diǎn)特性等多個(gè)方面，具體流程如圖1 所示。確定仿真模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指確定節(jié)點(diǎn)之間的連接方式和通信路徑。選擇合適的通信協(xié)議模型指選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、路由協(xié)議等，以模擬實(shí)際通信系統(tǒng)中的通信行為。構(gòu)建模型的過(guò)程，需要考慮節(jié)點(diǎn)的特性，包括通信設(shè)備的性能、傳輸速率、緩存大小等，以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。仿真模型需要考慮通信系統(tǒng)的工作負(fù)載和環(huán)境條件，包括數(shù)據(jù)流量、網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率等，以模擬不同工作場(chǎng)景下的通信行為。利用仿真軟件OPNET 進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)和場(chǎng)景條件，觀察和分析仿真結(jié)果，以評(píng)估電力系統(tǒng)通信協(xié)議的性能表現(xiàn)。

圖1 仿真模型構(gòu)建流程

3.1.2 性能分析參數(shù)設(shè)置

分析基于模擬仿真的性能時(shí)，需要確定仿真模擬的時(shí)間范圍和仿真步長(zhǎng)，以模擬電力系統(tǒng)通信協(xié)議在不同時(shí)間段內(nèi)的性能變化。設(shè)置節(jié)點(diǎn)之間的通信負(fù)載，包括數(shù)據(jù)傳輸量、通信頻率等，以模擬實(shí)際通信場(chǎng)景下的負(fù)載情況。在仿真過(guò)程中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的異常情況，如網(wǎng)絡(luò)擁塞、通信中斷等。合理設(shè)置這些異常參數(shù)有助于評(píng)估通信協(xié)議的健壯性和穩(wěn)定性。同時(shí)，需要設(shè)置仿真環(huán)境中的其他參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信道傳輸速率等，以模擬不同規(guī)模和結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)[4]。在設(shè)置這些參數(shù)時(shí)，需要綜合考慮實(shí)際通信場(chǎng)景的特點(diǎn)和仿真的目的，保證仿真結(jié)果具有一定的代表性和可信度。通過(guò)合理設(shè)置性能分析參數(shù)，為基于模擬仿真的電力系統(tǒng)通信協(xié)議性能分析提供準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)，為后續(xù)的性能評(píng)估和優(yōu)化提供重要參考依據(jù)。

3.1.3 模擬仿真結(jié)果分析

通過(guò)電力系統(tǒng)通信仿真模型進(jìn)行實(shí)際通信行為模擬，得到表1 所示數(shù)據(jù)，可以看到在仿真過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸量逐漸增加，從最初的100 MB 到最后的160 MB，呈現(xiàn)出一個(gè)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明電力系統(tǒng)通信協(xié)議能夠有效地支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，具有一定的帶寬和容量。均延遲在整個(gè)仿真過(guò)程中保持在5 ～8 ms，波動(dòng)較小，表明電力系統(tǒng)通信協(xié)議具有較低的延遲，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)，保證通信的實(shí)時(shí)性和及時(shí)性。從表1 數(shù)據(jù)中可以看出，丟包率在整個(gè)仿真過(guò)程中維持在0.1%～0.7%，雖然在某些時(shí)刻出現(xiàn)輕微的增加，但是整體仍保持在較低水平，表明電力系統(tǒng)通信協(xié)議具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟失的數(shù)據(jù)包比例較低。基于模擬仿真的分析結(jié)果顯示，該電力系統(tǒng)通信協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸量、平均延遲和丟包率等性能指標(biāo)上表現(xiàn)良好，具有較高的帶寬、較低的延遲以及穩(wěn)定可靠的傳輸特性。

表1 模擬仿真結(jié)果

3.2 基于實(shí)際測(cè)試的性能分析

3.2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

在進(jìn)行基于實(shí)際測(cè)試的電力系統(tǒng)通信協(xié)議性能分析時(shí)，測(cè)試環(huán)境的搭建涉及硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)配置、通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)等多個(gè)方面，如圖2 所示。合適的硬件設(shè)備包括通信設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)采集器等。這些設(shè)備需要能夠模擬實(shí)際電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)和通信設(shè)備，以便進(jìn)行性能測(cè)試。搭建符合實(shí)際電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括確定節(jié)點(diǎn)之間的連接方式、通信路由、網(wǎng)絡(luò)帶寬等參數(shù)。根據(jù)測(cè)試需求，可以選擇不同的網(wǎng)絡(luò)配置方案，如星型網(wǎng)絡(luò)、總線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等，以模擬實(shí)際電力系統(tǒng)中的不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。根據(jù)測(cè)試需求，選擇合適的通信協(xié)議（Modbus 協(xié)議），并在測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行部署和配置。通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)涉及協(xié)議棧的搭建、協(xié)議參數(shù)的配置、通信接口的設(shè)置等。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要注意保證通信協(xié)議的正確性和穩(wěn)定性，確保測(cè)試結(jié)果的可信度。在測(cè)試過(guò)程中，需要記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)、傳輸延遲、丟包率等性能指標(biāo)。同時(shí)，需要監(jiān)測(cè)和記錄測(cè)試環(huán)境中的各種參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率、節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況等，以便后續(xù)分析和評(píng)估[5]。在測(cè)試開(kāi)始之前，需要全面調(diào)試和驗(yàn)證測(cè)試環(huán)境，確保各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，需要驗(yàn)證測(cè)試方案，確保測(cè)試過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際電力系統(tǒng)中的通信場(chǎng)景，并得到可靠的測(cè)試結(jié)果。

圖2 測(cè)試環(huán)境搭建流程

3.2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

進(jìn)行電力系統(tǒng)通信協(xié)議性能分析測(cè)試后，得到表2 中的測(cè)試結(jié)果，可以看出數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到100 Mb/s，表明通信系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，具有較高的傳輸效率。傳輸延遲僅為10 ms，表明通信系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸。雖然數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸延遲表現(xiàn)良好，但是吞吐量卻略低于數(shù)據(jù)傳輸速率，達(dá)到90 Mb/s，這可能是網(wǎng)絡(luò)擁塞或其他因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，丟包率、重傳率和錯(cuò)誤率都保持在較低水平，分別為0.5%、0.2%和0.1%，表明通信系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中較少出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，該通信系統(tǒng)性能良好，能夠滿足電力系統(tǒng)通信協(xié)議的要求。

表2 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

智能電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)通信協(xié)議的性能提出更高的要求。文章分析智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)通信協(xié)議性能，深入了解通信需求、協(xié)議分類與特點(diǎn)以及性能評(píng)估方法。基于模擬仿真和實(shí)際測(cè)試的性能分析結(jié)果顯示，通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、吞吐量等方面表現(xiàn)良好，具備較高的可靠性和穩(wěn)定性。然而，仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化通信協(xié)議，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率和性能穩(wěn)定性，以滿足智能電網(wǎng)環(huán)境下對(duì)通信的更高要求。通過(guò)持續(xù)的性能分析與改進(jìn)，可以不斷完善電力系統(tǒng)通信協(xié)議，推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化、高效化運(yùn)行。