数字化变电站过程层通信网络实时性仿真分析

宋园果，舒勤，贺含峰

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2.四川省电力公司科技信通部，成都 610041）

数字化变电站过程层通信网络实时性仿真分析

宋园果1，舒勤1，贺含峰2

（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；2.四川省电力公司科技信通部，成都 610041）

阐述了基于IEC 61850的数字化变电站的三层结构和关键功能技术。对数字化变电站过程层数据信息进行了分析，并对基于IEC 61850-9-2的SV报文及GOOSE报文进行流量大小分析，结合某数字化变电站工程采用OPNET仿真软件对变电站过程层IED设备的端到端延时进行了仿真，并以间隔为单位采用VLAN技术进行了对比分析。结果表明，交换式以太网完全能满足过程层的网络通信，而且采用VLAN技术可以提高网络通信的实时性。

数字化变电站；过程层；端到端延时；OPNET；IEC 61850-9-2

随着计算机网络通信技术、光电技术、信息技术等的发展，非常规电子式互感器，智能设备的不断涌现，以及IEC61850标准的不断完善，数字化变电站通信中采用以太网技术的发展越来越成熟，取消传统的“硬接线”已成为一种趋势。数字化变电站自动化功能之间的逻辑配合关系建立在信息交换的基础上，以太网技术中的时延不确定性是对数字化变电站通信影响最为严重的问题之一。本文将数字化变电站间隔内的物理设备按功能分为IEC61850标准中逻辑节点，对逻辑节点的端到端时延进行分析，最后用OPNET软件对网络的实时性进行了仿真验证。

1 过程层以太网的时延不确定性

数字化变电站过程层的通信采用的是交换式以太网技术，它很好地解决了传统以太网的CSMA/CD协议的冲突问题，而且交换式以太网支持并行传输数据，提高了网络的吞吐量，支持优先级技术，确保重要的数据优先发送，提高数据传输的实时性。

时延不确定性定义为不能保证数据包报文在可预测的时间内可靠的传输。本文所说的时延是变电站中端到端的时延，即一个逻辑节点从发送数据包的时刻算起直到此数据包被相应的逻辑节点接收为止。如果数据包丢失，则将其延时算作无穷大。以太网通信的实质是网络中某个节点为了满足某种应用按照某个或某些协议产生数据报文，然后经TCP/IP各层协议封装后通过网络传输到达接收节点，然后接收节点再逐层次的进行解析完成某种通信功能，在此过程就产生了网络时延。一般的网络应用中对时延的要求不是特别严格，保证传输的可靠性即可。然而数字化变电站中时延不确定性一直是很重要的问题，不仅要求报文的完整可靠，更对实时性、对延时提出了更高的要求，例如面向通用对象的变电站事件GOOSE（generic object oriented substation event）报文传输延时一般不超过4 ms，采样值报文传输时间一般在3～10 ms之间[1]。

数字化变电站的通信网络承载了多种报文信息，出现报文延时的原因大多如下。

（1）由于过程层中有很多的数据信息，如采样值信息、GOOSE信息、系统配置信息、同步定时信息等，众多信息的碰撞，重发难免会导致报文的收发的延时，甚至丢失。下文介绍的虚拟局域网技术可以很好的解决这一问题。

（2）由于过程层网络中使用的交换机或路由器的输入、输出缓冲区不同，处理报文速率的差异，当报文到达速率超过了交换机的处理能力时，报文就会进入排队，缓冲状态，这时报文就会产生很大的延时。

（3）过程层网络的智能设备对报文的接收处理能力也对报文时延有很大影响。

2 数字化变电站的结构模型及报文

数字化变电站的数据采集数字化，系统分层分布化，结构更加紧凑，建模实现标准，其通信采用国际通用的IEC61850标准。IEC61850将数字化变电物理上的一次设备，二次设备，从逻辑上分为了三个层次——变电站层，间隔层，过程层，如图1所示。

由于一次设备智能化，变电站一次设备和二次设备之间的结合更加紧密。数字化变电站继承并进一步发展了分层分布式变电站的结构特点，主要功能就是将变电站的一次系统和二次系统作为数字化的对象，对获取的信息按照统一标准进行数字化转换[2]。

图1 数字化变电站的三层结构模型Fig.1 Three-layer structure model of digital substation

2.1 三个层次的简介

变电站层直接与远方运行中心，调度控制中心相连，接收电网调度或者运行中心的控制命令对间隔层实施闭锁操作以及其他控制功能；通过高速网络汇总全站的实时数据，并刷新实时数据库，同时将有关数据信息送往电网调度或者控制中心。

间隔层主要表现为对象的统一建模、通信信息的分层、通信接口的抽象化和自描述规范等技术的应用；实现对变电站层和过程层的网络通信功能。

过程层直接与智能化的一次设备相连接，是一次设备与二次设备的接合面。使用了电子式互感器代替了传统的电磁式互感器，直接采集数字量，动态性能好，抗干扰能力强，绝缘和抗饱和性能也比较好[3]。

2.2 SV报文、GOOSE报文

在数字化变电站中变电站层与间隔层已实现网络互联通信，由于过程层直接与一次设备相连需要采集多种实时数据，往间隔层传送的数据种类比较多，突发数据量大，包括采样值量SV（sampled value）报文和面向通用对象的变电站事件（GOOSE报文）等，SV报文和GOOSE报文在应用层生成应用服务数据单元ASDU（application service data unit）后不经过TCP/IP层直接映射到数据链路层和物理层，以减少高层协议处理带来的时延，它们都有很高的实时性要求，应用以太网能否完全满足变电站实时性的要求还有相当多问题。

目前大多采样值数据依据IEC61850-9-2通信协议，是测控、保护、监控的基础数据。IEC61850-9-2通信协议支持采样值网络传输，支持数字化变电站“数据一处采集、全站共享”的基本要求；采用IEC61850-9-2协议的SV报文可与GOOSE报文共用一个网络，相比IEC61850-9-1点对点+ GOOSE网光纤连接数量大为减少，解决了传统变电站的复杂硬接线问题[4]。

GOOSE报文即通用面向对象的变电站事件报文，它是一类控制信息，如控制器发给执行器（如断路器）的保护出口动作信息和测控信息等，采用发布者/订阅者机制来传输数据。此类数据由事件驱动，具有突发性，在一次设备发生故障时会大量出现，对网络基本负载造成冲击，实时性要求最高。IEC 61850-5规定G00SE报文传输延迟不得超过4 ms[5]。

此外，过程层通信中还有一些随机的数据，如互感器产生的电磁干扰，IEC61588时间同步报文，配置信息等。

3 虚拟局域网技术

虚拟局域网VLAN（virtual local area network）解决了交换机在局域网互连时无法限制广播风暴的问题，在不增加硬件的基础上就可以把一个局域网LAN（local area network）划分成多个逻辑的LAN，每个VLAN就是一个广播域，不同的VLAN之间不能直接互通，这样广播域就被限制到一个VLAN内，节省了带宽，提高网络的处理能力，而且增强了局域网的安全性，网络构建和维护更加方便灵活。在数字化变电站过程层的通信中。

SV、GOOSE报文是以多播，重发的形式向外发送数据，并不是所有的智能电子设备IED（intelligent electronic device）都需要进行报文的交互，应用VLAN技术将需要交互报文的相关IED设备划分到不同的VLAN中，有效减少网络并发流量和接收设备的处理负担，解决因广播信息的泛滥而造成网络堵塞，提高网络通信效率和安全性。划分VLAN后也避免了大量的过程层采样值数据对GOOSE报文产生不利影响，提高GOOSE报文的可靠性，降低时延，减少GOOSE报文的丢失[6]。从下文的仿真中也可以看到划分了VLAN比没有划分VLAN的通信情况要好的多。

4 通信系统的分析和计算机仿真

OPNET仿真软件支持面向对象的建模，提供图形化的仿真界面，提供了网络层、节点层和进程层的三层建模机制，采用离散事件驱动的仿真方案，利用包通信方式进行交互，从而实现了复杂的网络建模仿真工作[7]。

4.1 仿真网络建模

采用OPNET对数字化变电站中的过程层网络通信进行建模仿真，并应用VLAN技术将过程层网络划分为几个不同的虚拟局域网，减少了VLAN中的广播信息，解决了因广播信息的泛滥而造成的网络堵塞，提高了网络传输效率[8]。

以某220 kV数字化变电站为例，此数字化变电站有220kV、110kV两个等级，主接线为220kV内桥。220 kV测控装置14台（10出线、3个母联分段、母线）；220 kV保护装置15台（10出线、3个母联分段、1母差、1录波）；合并单元13台（10出线、母线电压、#1、#2主变高压侧）；就地智能单元（断路器，智能开关等）22台（10出线、3个母联分段、3个母线PT、#1、#2主变高压侧、低压侧、本体）。过程层网络采用全站统一的星形结构，如图2所示。

图2 全站的星形结构Fig.2 Star topology of substation

本文以过程层网络的一个线路间隔为例建立OPNET仿真网络模型。此间隔包含一个交换机、一个合并单元、2个控制器（间隔控制器，间隔保护）、2个执行器（断路器，智能开关）

图3 过程层网络间隔模型Fig.3Network bay model of process layer

如图3所示。信息发送为：保护单元、测控单元、断路器按仿真参数设置的数据包大小和发送间隔分别向交换机广播信息，信息接收为：测控装置接收断路器，智能开关的信息；保护装置接收断路器，智能开关的信息；断路器，智能开关接收保护单元、测控单元的信息；合并单元器接收断路器，智能开关的状态信息。

4.2 IEC 61850报文长度及流量分析

4.2.1 采样值数据

合并单元按照预定的采样速率同步采样一个间隔内的7路交流电流，5路交流电压信号，然后对采样后的信号进行A/D转换，按照IEC61850-9-2的帧格式生成数据包，设其采样周期为200点/s。

SV报文的最大报文长度计算为26字节以太网报头（含4字节优先权标记）+4字节CRC+8字节以太网型PDU+2字节ASN.1标记/长度+2字节块的数目+应用协议数据单元APDU（application protocol data unit）的编码（n个ASDU）数据，ASDU的编码=2字节+4字节svID+2字节+24字节Dataset路径+2字节+2字节SmpCnt采样序号+2字节+2字节ConfRev+2字节+1字节SmpSynch+2字节+2n字节（n个通道采样值数据）=45+2n=69字节（12路算）；APDU的编码（n个点ASDU）长度=11字节+n个点ASDU的编码=11+1×69=80字节×8bits=640位，为了简单情况下，上式中采用一个ASDU构成一个APDU的方式。一个SV报文长度为：TL=122×8bits=976位，则合并单元的仿真流量为：10 000×976=9.76 Mb/s。SV报文形成稳定的网络负载，周期性的传递数据到过程层网络[9]。

4.2.2 GOOSE报文

由GOOSE网报文传输机制，在正常状况下，变电站各智能设备发送GOOSE报文间隔为1 s。当出现故障时，智能设备以1 ms、2 ms、4 ms、8 ms间隔发送紧急报文。其中保护装置主要传送跳闸命令，GOOSE报文大小230 Bytes；测控单元发送控制命令，GOOSE报文大小为91 Bytes；断路器、智能开关位置及状态信息，传向间隔层设备，GOOSE报文大小为152 Bytes。

4.3 仿真参数设置及结果分析

根据目前的网络通信技术，仿真中采用全双工通信网络，数据报文传输采用用户数据报协议UDP（user datagram protocol）协议。采用IEC61850-9-2规约的采样值网络，数据流很大，合并单元的数据量可能达到几十Mb/s，因此采用按间隔划分的VLAN技术。网络带宽选定为100 Mb/s。仿真时间为100 s。SV报文大小服从指数分布，均值为122 Bytes，包到达时间服从均值为0.000 1 s的指数分布，即流量为：10 000×122×8=9.76 Mb/s。在仿真时间为3 s时，测控设备向断路器发送第一个GOOSE报文，分别间隔2 ms后发送两个GOOSE报文，然后以1 s为间隔持续发送GOOSE报文直到仿真结束。

图4～图10（注：以下7张图片中的数字坐标为仿真曲线最后一点的数值）是过程层以太网中SV数据包的端到端延时ETE delay（end-to-end delay）。由于合并单元、测控、保护设备的采样速率是恒定的，因此他们发送和接收到的SV报文的流量也是近似恒定的，其端到端延时相对恒定，从图4与图5以及图6与图7的对比中可以看出，划分VLAN对IED设备的端到端延时有明显的改善，由于IEC61850-9-2采样值数据量比较大划分VLAN后减少了报文之间才冲突，更好地利用网络带宽，也可以看出无论是否采用了VLAN技术IED设备的端到端延时也满足IEC91850规约的要求。

图4 未划分VLAN的保护设备的端到端延时Fig.4 ETE delay of protective device without VLAN

图5 划分VLAN的保护设备的端到端延时Fig.5 ETE delay of protective device in VLAN

图8和图9是测控设备向智能断路器发送的GOOSE报文端到端延时，其中前者没有化分VLAN，后者划分了VLAN。仿真从3 s时开始发送数据包，由于刚刚开始的时候数据包发送时间间隔很小（2 ms）导致最大时延分别达到0.034 725 ms和0.031 59 ms，此后包间隔为1 s，时延减小，趋于稳定状态，稳定后划分VLAN延时要比没有划分的小，延时抖动较小，提高了报文传输的实时性。

图6 未划分VLAN的测控设备的端到端延时Fig.6 ETE delay of TT&C equipment without VLAN

图7 划分VLAN的测控设备的端到端延时Fig.7 ETE delay of TT&C equipment in VLAN

图8 未划分VLAN的GOOSE报文的端到端延时Fig.8 ETE delay of GOOSE packets without VLAN

图9 划分VLAN GOOSE报文的端到端延时Fig.9 ETE delay of GOOSE packets in VLAN

对于过程层中的随机数据，干扰信号流量以及文件传输，本文采用设置链路的背景利用率来模拟。本文采用OPNET中的OC1_1hour_bps模型产生50 Mb/s的流量来模拟文件传输，电磁干扰，背景干扰等流量。此时GOOSE报文的端到端延时如图10所示。从图中可以看出端到端延时基本上在0.015～0.030 ms之间，但是由于链路上大量数据的传输对GOOSE报文的传输产生了影响，使其抖动剧烈，且最高时延达到0.067 56 ms，但是考虑到GOOSE报文的发送机制，其第一个报文的延时为0.030 9仍然满足实时性要求。

图10 带电磁背景干扰的GOOSE报文延时Fig.10ETE delay of GOOSE packets with electromagnetic interference background

5 结语

本文通过对数字化变电站过程层的介绍，重点对采用以太网技术的过程层网络延时进行了分析。在介绍过程层数据包的基础上，建立了SV报文和GOOSE报文的流量模型，并采用OPNET仿真软件对其端到端的延时进行了划分VLAN和不划分VLAN两种情形的仿真分析，仿真结果表明，虽然以太网的网络延时具有一定的不确定性，但其端到端延时仍在IEC61850协议的要求范围内，能合理的应用到数字化变电站的过程层网络通信中。过程层网络延时仿真是数字化变电站全站建模的一部分，对全网进行建模的方法可参考，借鉴以上方法思路。

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Communication Network Real-time Performance Simulation Analysis Based on Process Layer of Digital Substation

SONG Yuan-guo1，SHU Qin1，HE Han-feng2
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Sichuan Electric Power Technology ICT Ministry，Chengdu 610041，China）

The three-layer communication structure and key technology of digital substation based on IEC 61850 is introduced.The data of process layer of digital substation is analyzed，and the flow of SV packets and GOOSE packets on the basis of IEC 61850-9-2 is analyzed.Combined with a digitized substation project，the OPNET software is used to simulate the IED device end-to-end delay of process layer of digital substation，and the VLAN technology is used to make a comparative analysis in bay.The results show that the switched ethernet can satisfy the network communication of process layer in the digital substation and the VLAN technology can improve the real-time performance of network communication.

digital substation；process layer；end-to-end delay；OPNET；IEC 61850-9-2

TM76

A

1003-8930（2013）02-0071-06

宋园果（1987—）男，硕士研究生，研究方向为现代信号处理。Email：songyuanguo2006@163.com

2011-11-18；

2012-03-13

四川省科技支撑计划项目（2009GZ0155）；四川省电力公司科技项目（09h0913）

舒勤（1958—），男，教授，研究方向为现代信号处理。Email：shuchin@163.com

贺含峰（1973—），男，硕士，高级工程师，研究方向为智能电网。Email：hh-he@tom.com