OPNET仿真在电力综合数据网中的应用

张华芳子，戚银城，武军娜，刘明军，杨 迪

(华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003)

OPNET仿真在电力综合数据网中的应用

张华芳子，戚银城，武军娜，刘明军，杨 迪

(华北电力大学电子与通信工程系，河北保定 071003)

介绍了OPNET的性能特点和仿真建模过程，通过分析电力综合数据网的结构，给出了OPNET应用于电力综合数据网仿真的建模过程，包括网络的建造、业务的模拟和统计量的搜集，最后运行仿真给出了网络吞吐量、时延和响应时间的仿真结果达到了设计指标。

OPNET;综合数据网;拓扑结构;网络仿真

随着网络通信技术的高速发展，电力系统各种业务交叉融合，使得电力系统需要一个高速的通信网络来支撑各种业务的管理和监控，以保证电网管理的可靠性与稳定性。

通常验证网络性能的方法有实际试验和建模仿真，目前已经有很多对电网通信的建模仿真研究。文献［1］对变电站内部通信系统和广域通信网络系统进行了仿真研究，文献［2］对3层式广域保护系统需要传输的消息种类以及各类消息对通信系统的要求做出了分析，并使用OPNET对关键信息传输进行了仿真，文献［3］根据数字化变电站不同间隔中的合并单元、控制设备、保护之间的联系，建立OPNET网络仿真模型。这些仿真研究大多集中在对变电站和广域通信的研究上，因此，通过网络仿真软件对电力系统综合数据网进行仿真研究具有一定意义。

OPNET网络仿真软件作为网络规划仿真及分析工具的高端产品，在通信和计算机网络领域被广泛认可。在国内，对OPNET软件的应用研究还处于起步阶段，将OPNET仿真软件应用于电力通信领域的研究也正逐渐地被学者所重视。文中对OPNET仿真软件的仿真流程和特点进行了介绍，搭建了电力综合数据网的仿真模型，并对加入电力系统典型业务之后的模型进行了仿真结果分析。

1 OPNET仿真软件

1.1 OPNET特点介绍

OPNET公司起源于麻省理工大学，到目前已经拥有 Modeler、ITGuru、SPGuru、WDMGuru 等系列产品。在OPNET各种产品中，OPNET Modeler几乎包含了其他产品所有的功能，将各仿真研究阶段所需的工具相结合，采用离散事件驱动的仿真机理，支持面向对象的建模方式，提供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行。

OPNET Modeler的主要性能特点如下:

(1)建模环境层次化。软件提供了3层建模机制，最底层是进程(Process)模型，以有限状态机、C或C++以及OPNET自带的核心函数实现各种协议算法。其次是节点(Node)模型，由相应的协议模块组成，能反映设备软硬件的特性。最上层利用各种网络设备模型，形象地映射现实网络。通过3层模型与实际协议、设备、网络的完全对应，全面反应出网络的相关特性。

(2)采用面向对象的建模方式。(Object－oriented Modeling)。每一类节点开始均采用相同的节点模型，再针对不同的对象设置特定的参数。

(3)基于事件出发的有限状态机建模，避免了以时间出发，而是以事件出发来建模，提高了计算效率。

1.2 OPNET建模及仿真过程

建模过程就是将实际的系统映射到仿真的环境中，但是由于实际系统与仿真环境之间不可能全面对应，因此在建模时需要从某一个方面去模拟实际系统的行为，将那些不重要的方面忽略或者简化。

使用Modeler进行仿真的过程分为以下几个步骤［6］:

(1)配置网络拓扑(Topology)。确定模型需要解决的问题，从而创建原始终的模型。OPNET提供了大量的编辑器来进行建模，与3层建模机制相对应，OPNET中涉及的编辑器有定义或改变网络拓扑模型的项目编辑器、针对数据流模型的节点编辑器和针对控制流模型的进程编辑器。

(2)配置业务(Traffic)。当网络拓扑确定之后，应该对网络中的具体元件进行业务的配置。在OPNET中，提供了两种类型的业务建模:精细业务建模和背景业务建模［5］。精细业务是基于数据包的业务，OPNET采用离散事件仿真机制，使每个数据包都经过这个协议栈，对各种业务可以获得精确的描述，缺点是仿真需要耗费大量的时间和内存;背景业务则是通过引入延时来影响业务本身的性能而并不是每个数据包被精细地处理，能加快仿真的速度。

(3)收集结果统计量(Statistics)。OPNET提供两种类型的统计量:矢量统计量(Vector)和标量统计量(Scalar)，矢量统计量又可分为全局统计量(Global Statistics)和本地统计量(Local Statistics)。全局统计量主要针对整个网络的性能，本地统计量只反映单个模块的性能。

(4)运行仿真(Simulation)。确定了所有需要收集的统计量之后需要运行仿真才能得到统计量数据。OPNET拥有一套高效的仿真引擎和内存管理系统，配合其集成化的调试工具，使其拥有真正一流的仿真效率和速度。

(5)发布结果和拓扑报告(Report)。OPNET集成的分析工具能够直观地显示仿真结果，能够实时生动地显示模型动态行为，还提供了一个图形化的数据处理和收集环境。用户可将探针插入一个模型的任何一点以收集、显示统计数据或输出给其他软件包。

2 综合数据网仿真模型

随着智能电网建设进程的快速推进，电力系统对数据、视频、语音、生产MIS等业务的需求不断增大，电力综合数据通信网也越来越重要。文中主要对电力综合数据网的建模和仿真进行了研究，以典型的3层式网络结构为基础，对电力系统综合数据网的网络结构和传输的业务进行了抽象和浓缩，从而在OPNET软件上，构建了电力综合数据网的仿真模型。

电力综合数据网因其规模通常采用分层式结构，由一个服务器、两个核心交换机、多个汇聚交换机及多个接入交换机、数百个工作站或客户端组成，并且，地区不同网络结构也不尽相同。针对大型网络结构进行完整的仿真，只是简要地介绍了OPNET仿真工具应用于电力综合数据网的仿真过程以及能够实现的目标。仿真模型建立如图1所示。

图1 综合数据网结构模型

核心层交换机一般位于某市供电局内，为保证核心层的可靠性，一般设置两个高性能的交换机。而汇聚层、接入层交换机一般代表着位于其他的供电所、变电站和县供电局，监控的数据最后都要上传至核心层的服务器。

在网络拓扑建模中，服务器选用ethernet_server_adv，与核心服务器1相连，核心层与汇聚层的3层交换机均采用Cisco_6509_ae48_ge16_adv，客户端选用ethernet_station_adv。文中核心层放置了两台3层交换机以保证网络的健壮性，其余station命名的均为汇聚层交换机，subnet则是接入层的交换机，接入层是各个复杂偏远的小站点，在这里不做讨论。综合数据网的数据随着业务发展的需要会越来越大，因此链路速率越高越好。图中核心交换机1与服务器之间的链路是1 000 Mbit·s－1的，其余交换机之间以及客户端与交换机之间的链路也为1 000 Mbit·s－1。

利用OPNET仿真评估网络的性能，关键在于业务建模的准确性，仿真的业务源必须能够正确反映实际业务的统计特性。电力综合数据网主要承载变电站图像监控、高清会议电视、通信电源监控、软交换、变电站录音以及通信网管等数据业务。因此，可以利用软件本身的业务来模拟综合数据网中应该有的业务量，文中采用精确业务建模方式。

OPNET已经定义了9种应用:Custom、Database、Email、Ftp、Http、Print、Remote Login、Video Conferencing以及Voice。一般所需的引用都可以在这9中应用中找到来模拟仿真。综合数据网内的数据流有多种，包括周期性数据、随机性数据和突发性数据。针对仿真需要，这里选择 Video Conference、FTP、E － mail、Voice和Database五种典型业务，并对其进行配置。

业务的配置，一般分为4个步骤:配置应用、配置业务主询、配置服务器和配置工作站。

(1)设定应用参数，文中设定了Video Conference、Email、Ftp、Voice和 Database 5种业务。其中 Video Conference的参数配置如图2所示。Email设置中的变动Email Size为constant(2000000)，FTP的 File Size也改为 constant(2000000)，Voice选择 PCM Quality Speech，Database选择为 Mediun Load。

图2 Video Conference的参数配置

(2)业务主询的设定如图3所示。

图3 业务主询的设定

StartTime开始时间设定为在100～110 s之间随机选择一个时间点，作为初始化的预留时间，不同的业务主询开始时间会稍微错开，Duration设定为仿真结束才终止，Repeatability设置为仿真就加载一次，Operation Mode指应用运行模式，设置为同时加载模式以便5种业务同时进行仿真。

(3)配置服务器支持的应用。核心交换机1连接着唯一的一个服务器，支持所有的5种业务。

图4 服务器业务配置

(4)设定客户端业务主询。对于每个名称为node的客户端，配置为都支持Video Conference业务;名称为other的客户端则配置另外4种业务。

(5)配置完所有的业务参数之后，对网络仿真的结果统计量进行搜集，然后运行仿真。在电力综合数据网中，网络的时延、丢包率、链路利用率、业务响应时间等都是比较重要的指标。网络指标的不稳定将直接影响所承载的业务。由于网络中承载的业务大多属于汇聚型业务。核心节点的失效将引起整个业务系统瘫痪。设置搜集的统计量有:

3 仿真结果分析

设定仿真时间设为600 s，此时系统的仿真运行结果已经稳定。

图5给出了一些链路的吞吐量(Throughoutput)，从上往下依次是核心交换机1与服务器、node_9与station_7、other_4与station_8以及station_8与station_5之间相连链路的吞吐量。每个客户端所产生的Video Conference的流量一致，说明也可以通过此来模拟变电站间隔层单元内的定时数据，其他4类业务的数据量，用于模拟突发性的数据上传和下载行为。

图5 链路吞吐量曲线

同样，通过仿真可见整个以太网的时延以及各个链路端到端的时延，也能看见各个业务的相应时间，如图6所示。整个以太网的延时不超过0.5 ms，而链路的延时则约为0.01 ms，网络的实时性较好。

图6 时延和相应时间曲线

通过OPNET仿真，可以有选择地采用指标进行研究。电力综合数据网的规模通常较大，各个站点位置分布不均匀，加之网络结构不合理，链路一旦失效将会对整个网络的性能造成较大的影响。因此，利用OPNET仿真软件对模拟的网络结构进行仿真和分析，找出负载大、利用率高的链路，以对整个网络进行优化仿真，当仿真结果达到了满意的指标之后，再从实际对网络进行改造。

4 结束语

应用OPNET仿真软件，对电力综合数据网的网络模型构造、业务模拟和仿真结果等多方面进行了介绍和分析。目前电力系统主要是对变电站内部通信系统和广域保护网络的仿真。文中在学习了OPNET软件的基础上，将OPNET应用与电力综合数据网中的可能性做出了分析，但是还存在许多亟待解决问题。

［1］廖晨淞，童晓阳，王晓茹.OPNET仿真及其在电力系统通信研究中的应用［J］.电气应用，2010，29(9):52 －56.

［2］徐天奇，尹项根，游大海，等.3层式广域保护系统通信网络［J］.电力系统自动化，2008，16(32):28 －33.

［3］方晓洁，季夏轶，卢志刚.基于OPNET的数字化变电站继电保护通信网络仿真研究［J］.电力系统保护与控制，2010，23(38):137 －140.

［4］宫丽宁，徐玉斌，牟肖光.基于OPNET的交换式以太网实时性仿真分析［J］.工业控制计算机，2008，21(4):60－61.

［5］甄力，刘克.基于OPNET Modeler的以太网性能的仿真研究［J］.工业控制计算机，2008，21(9):35 －36.

［6］陈敏.OPNET仿真［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［7］窦晓波，胡敏强，吴在军，等.数字化变电站通信网络性能仿真分析［J］.电网技术，2008，32(17):98－104.

Application of OPNET in Power Integrated Data Communications Network

ZHANG Huafangzi，QI Yincheng，WU Junna，LIU Mingjun，YANG Di
(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

This paper analyzes the characteristics and modeling process of OPNET.Then it analyzes the structure of the power integrated data communications network and gives the simulation modeling process of how to use OPNET for it，including the establishment of the network，simulation of services and collection of statistics.Finally it gives the simulation results of network throughput，delay and responding time.The simulation results meet the design index.

OPNET;integrated data communications network;topology;network simulation

TN915

A

1007－7820(2012)08－135－04

2012-02-29

张华芳子(1989—)，女，硕士研究生。研究方向:电力系统通信。戚银城(1968—)，男，博士，教授。研究方向:信息系统与信息安全。武军娜(1986—)，女，硕士研究生。研究方向:智能信息处理。