OPNET在微网通信系统仿真中的应用*
2014-05-14韦幸幸张有兵谢路耀杨晓东
韦幸幸，张有兵，谢路耀，杨晓东
(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州 310023)
0 引 言
清洁无污染的可再生能源的使用在一定程度上能缓解由于能源短缺和气候变暖等带来的一系列问题，微网作为发展可再生能源的有效形式以及建设智能电网的有效组成部分已经引起学术界的广泛关注。
微网的通信系统是支撑微网正常运行的必要条件，在微网运行过程中会产生各种通信业务，随着微网规模的扩大化和结构的复杂化，各种业务会交叉融合，势必会影响微网的性能，因此，微网的通信系统性能能否满足微网的要求成为亟待研究的问题。
一般情况下，研究网络性能的方法有3种［1］:基于实际测量的方法、基于数学理论分析的方法和基于网络仿真分析的方法。目前基于网络仿真来验证网络性能的研究已有很多，这些研究多集中在变电站和配电网等领域［2－4］，对微网通信网性能的研究相对比较少。研究中使用较多的仿真软件是OPNET(Optimized Network Engineering Tool)，利用该软件能对微网的通信网络、通信设备以及通信业务等进行研究，从而可快速、直观地对网络的性能及各种业务流的性能作出评价。本研究对OPNET软件特点和通信业务建模流程进行简要介绍，阐述微网的概念，基于IEC61850标准分析其结构以及微网中的通信业务，利用OPNET搭建微网通信网仿真模型，并对微网主要通信业务进行仿真实现及分析。
1 OPNET仿真软件
1.1OPNET 介绍
OPNET是由美国MIL3公司开发的商用网络仿真软件，现在包含 Modeler、IT Guru、SP Guru 和 WDM Guru等产品，而OPNET Modeler是其核心产品。OPNET Modeler提供3层建模机制，分别为进程级(Process Level)、节点级(Node Level)和网络级(Network Level)，3层模型与实际的协议、设备和网络完全对应，来全面反映网络的相关特性。通过采用离散事件驱动(Discrete Event Driven)的仿真机理，基于事件触发的有限状态机(Finite State Machine，FSM)来帮助用户完成建模和仿真。OPNET的一般建模步骤如下［5］:
(1)构建通信网拓扑;
(2)为拓扑中的每个节点加载通信业务;
(3)选择相应的统计参数;
(4)设置仿真参数，运行仿真;
(5)统计与分析结果。
1.2 OPNET业务建模方法
OPNET14.5提供的业务建模方法有两种:明确业务建模和背景业务建模［6－7］。
1.2.1 明确业务建模
明确业务建模是以数据包为单位模拟每个包的相关事件，精确到每个包的业务建模为仿真网络行为提供了非常精确的结果。明确业务建模能在应用层、网络层和底层3个层次上进行业务配置。OPNET提供了8种标准的端到端业务，如Email和Video Conferencing等，配置标准的端到端业务依据以下步骤进行:
(1)定义应用;
(2)设定业务主询;
(3)配置服务器支持的应用;
(4)设定客户端业务主询。
当OPNET提供的8种标准的端到端业务不能满足要求时，用户也可以根据需求自定义业务，这种自定义业务的建模方式是最有用和灵活的建模方式，但是相对比较复杂。配置自定义业务根据以下步骤进行:
(1)利用Task Definition分阶段来定义业务;
(2)把定义好的业务添加到Application Definition中;
(3)设定业务主询;
(4)配置服务器支持的应用;
(5)设定客户端业务主询。
1.2.2 背景业务建模
在利用背景业务进行建模的时候，背景业务流不会产生离散的仿真事件，但是会以延时的形式来影响实际业务的性能，进而影响统计结果以体现背景业务对网络的影响。配置背景业务一般通过以下两种方式进行:
(1)设置链路背景负载的方式。通常在某两个节点之间的链路上设置背景负载，在具体应用时以背景利用率Traffic Mix(%)的形式给出，背景利用率代表流量占链路总带宽的百分比，若Traffic Mix(%)设定为All Background，则全部为背景流量，若Traffic Mix(%)设定为40%，则40%是背景流量，而剩余的60%则作为精确流量从应用层发送出去。
(2)采用应用需求/业务流的方式。利用OPNET中提供的Application Demand/Traffic Flow对象连接网络拓扑中的任意两个节点，从而来模拟这两个节点之间的背景业务流。
2 微网的概念及结构
2.1 微网概念
微网是本世纪初提出的一个新概念，到目前为止，美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS，Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)和欧盟微网项目(European Commission Project Microgrids)等机构以及日本、加拿大等国都对其作出了定义［8－10］，概括来说，微网是集可再生能源、负载、储能装置和控制系统的小型发配电系统，其能够实现自我控制、保护和管理，既能与上级大电网并网运行，也可以在发生故障时孤岛运行，它可作为配电网的电源和负荷，是智能电网的重要组成部分。
2.2 微网的基本结构
微网的基本结构如图1所示［11］。图1中，微网通过变压器与配电网相连，微网采用分层的方式运行，RMU为远端管理单元，MGCC为微网中央控制器，MC为微电源控制器，LC为负荷控制器，SC为储能装置控制器。DG为分布式电源，可以是太阳能光伏电池、风力发电机、微型燃气轮机、燃料电池等，储能单元可以是蓄电池、超级电容器和超导储能等，负荷可以是电动机负荷和热负荷等。各个单元通过电力电子接口分别接入微网。图1中有3条馈线A、B和C，呈放射状结构，馈线A和馈线C上安装有多个重要负荷、DG和储能单元等，馈线B上为非重要负荷，特殊情况下可以将其切断，停止对非重要负荷供电。
图1 微网基本结构
2.3 微网通信业务分析
IEC61850根据变电站自动化系统需要实现的控制、保护和监控功能将其分为变电站层、间隔层和过程层，微网中的通信业务也大致分为保护和控制业务等，目前已有关于基于 IEC61850 的微网的研究［12－14］，本研究依据IEC61850对变电站的分层将微网通信系统分为RMU、MGCC和MC/LC/SC 3层，变电站与微网通信映射图如图2所示。
图2 变电站与微网通信映射图
图2中，RMU与MGCC之间依据制造报文规范(MMS，Manufacturing Message Specification)通信，涉及的通信业务主要是文件传输业务;MGCC与MC/LC/SC之间采用面向对象的通用变电站对象事件(GOOSE，Generic Object Oriented Substation Event)或者采样值(SMV，Sampled Measured Value)通信，涉及的通信业务主要是保护和控制业务;MC/LC/SC与DG和负荷之间采用GOOSE通信，通信业务主要是事件报告报文。
3 OPNET在微网通信业务仿真中的应用
3.1 微网的OPNET建模
在利用 OPNET对微网进行建模时，RMU选用ethernet_server_adv，MGCC 和各种控制器(LC、MC 和SC)选用 eth4_slip_multihomes_server，负荷、DG 以及储能单元选用ethernet_station_adv，所有交换机都选用ethernet16_switch_adv。
图3 微网OPNET网络模型
3.2 微网中通信业务建模
微网的文件传输业务采用FTP业务建模，其数据长度为512 KB，数据到达间隔为360 s［15］。保护和控制业务报文长度为100 Bytes，报文到达间隔为2 ms;事件报告报文长度为 230 Bytes，报文间隔为 1 ms［3］，保护和控制业务是双向流动的业务，采用双向Video Conferencing业务建模，时间报告采用单向Video Conferencing业务建模。分别设置保护和控制业务、事件报告以及文件传输业务的优先级为7、3和0，数值越大优先级越高。以保护和控制业务为例，Video Conferencing主要参数配置如下:
微网中涉及的业务远远不止保护和控制业务、文件传输和事件报告3种，其他的通信业务可以采用背景业务建模的方式来模拟，本研究采用加载应用需求的方式。其参数配置如下:
3.3 运行结果及仿真分析
依据IEC61850标准，跳闸命令报文属于快速报文，其传输延时不得超过3 ms;事件报告报文属于中速报文，其传输延时不得超过100 ms，一般情况下都可满足需要;文件传输报文的传输延时则不做要求［16］。文中保护和控制业务属于快速报文，因此本研究只考察保护和控制业务的延时是否满足要求。在微网中，网络的整体通信性能、某一种重要业务的响应时间以及某个节点的延时等都是比较重要的统计指标，因此本研究设置的统计量有:
(1)Global Statistics—Ethernet—Delay(sec)
Global Statistics—Video Conferencing—Packet Endto－End Delay(sec)
(2)Node Statistics—Ethernet—Delay(sec)
本研究设定仿真时间为600 s，前100 s作为设备初始化时间，所有的业务都在100 s～110 s之间加载，微网的链路采用10 Mbit/s和100 Mbit/s两种。微网的通信延时、保护和控制业务延时分别如图4、图5所示。
图4 微网通信延时图
由图4可以看出，链路带宽为10 Mbit/s时微网最大的整体延时仅为0.9 ms，完全满足系统的实时性要求，链路带宽提高到100 Mbit/s时其性能更好。
图5 保护和控制业务延时图
由图5可知，链路在带宽为10 Mbit/s时保护和控制业务的最大延时接近1 ms，虽然其延时没有超过极限3 ms，但在仿真中发现当微网中业务流增加到一定程度时，其延时可能会发散，链路采用10 Mbit/s将会影响其通信的性能，而链路带宽升级至100 Mbit/s时最大时延时不足0.2 ms，因此，在实际应用中针对本研究规模的微网宜采用速率为100 Mbit/s的带宽。
在微网中，分布式发电单元、储能单元和负荷等节点的延时也是比较重要的统计指标，本研究选取馈线A的储能单元、馈线B的Load2和馈线C的DG2作为研究对象来统计延时情况，结果如图6所示。
图6 各节点延时图
由图6可知，在链路带宽为10 Mbit/s时分布式发电设备的延时达到了1.8 ms，在突发情况或者数据流增大时可能不能满足微网通信延时的要求，这种情况下带宽为100 Mbit/s时节点的实时性能更好，相对能满足通信需求。
4 结束语
本研究对OPNET软件及其业务建模的步骤作了简要介绍，阐述了微网的概念，构建了微网的基本结构，并把变电站自动化系统的IEC61850标准应用到微网中来分析微网的通信业务，然后利用OPNET构建微网的拓扑结构，采用明确业务和背景业务建模相结合的方式对微网中的主要通信业务进行建模，并分析了微网的整体延时、保护和控制业务延时以及各节点的延时，仿真结果表明，在链路带宽为100 Mbit/s时微网的全局实时性能、保护和控制业务以及各节点的实时性能都比较理想，这对微网通信系统带宽的选择以及其他业务的建模提供了一定的参考。
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