基于IEC 61850的智能配电通信网络仿真平台设计

孙毅, 李世豪，李彬，李德智

(1.华北电力大学电气与电子工程学院, 北京市 102206；2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

基于IEC 61850的智能配电通信网络仿真平台设计

孙毅1, 李世豪1，李彬1，李德智2

(1.华北电力大学电气与电子工程学院, 北京市 102206；2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

可靠性、实时性、双向性是智能配电网通信系统必须满足的要求。在当前智能配电网通信系统分析的基础上，基于最新的IEC 61850标准，对智能配电网业务流量以及通信需求进行建模。在开源的多协议网络仿真软件 OMNeT++平台上建立了智能配电网通信网络仿真模型。仿真研究了在加入大量的分布式能源以及电动汽车等数据流量业务的背景下，过程层IED和站控层配电子站之间的通信交互过程，对比分析了在不同带宽、不同业务流量背景下IED和配电子站进行信息交互过程的传输时延。

OMNeT++；智能配电网；IEC 61850；通信网络；仿真平台设计

0 引 言

随着我国提出以通信平台为依托，智能技术为手段的“坚强智能电网”概念，“电力流、信息流、业务流”3个指标的高度一体化要求，围绕智能电网展开的通信平台建立的重要性越显突出[1-2]。智能配电网是智能电网中连接主网和面向用户供电的重要组成部分，信息集成通过实时和非实时信息的共享和利用，成为实现智能配电网兼容、自愈、互动和优化的基础[3]。随着配电网的不断发展，分布式电源以及电动汽车的出现和发展以及电能质量要求的逐步提高给配电网的运行和控制带来了很多挑战，因此智能配电网作为解决上述问题的主要技术方法，为配电网的技术发展指明了方向[4]。

随着配电网的不断发展，配电网中业务的类型也在不断增加，伴随而来的是大量的数据与信息。由于配电网络中传递的信息量越来越大，需要设计出合适的通信系统来满足可靠性、实时性、双向性的要求。对于智能配电网通信系统的设计方面，国内外已经进行了相应的研究，文献[5]研究了智能配电网信息架构的基本组成，分析了信息模型可用的国际标准；文献[6]采用NS2对有源配电网管理系统通信网络的延时特性进行了仿真。然而对智能配电网通信系统的研究仍有很多工作要做。此外配电网的另一个主要特点是终端数量大，分布范围广，需要一个统一的标准来实现设备的互操作性；允许不同厂商生产的IED设备进行信息的交换并且能够保持系统的长期稳定性。IEC 61850标准为变电站自动化提供了统一的标准，实现了不同智能设备间的无缝接入[7]。随着IEC 61850标准的逐渐完善，以及第二版的IEC 61850标准的出台，IEC 61850标准已经逐渐推广至变电站自动化外的其他领域，并将成为智能配电网信息通信体系的重要组成部分[8]。

本文首先介绍传统配电网通信系统，并在此基础上提出未来智能配电网的通信系统结构，其次讨论IEC 61850标准在智能配电网中的应用。最后介绍一种开源的多协议网络仿真软件OMNeT++，并且在OMNeT++平台上对典型配电网及其通信网络进行建模，在不同业务流量背景下，采用不同类型的通信网络，对配电终端和配电子站间进行数据交换的传输延时进行仿真。

1 智能配电网通信系统现状及发展

当前的智能配电网系统采用了分层的结构，分别设立了配电主站、配电子站以及配电终端。配电主站处于配电自动化系统的顶层，负责整个配电网的调度、监测与控制；配电终端采集并上传各种现场信息，执行上级系统下发的控制命令[9]。配电子站将配电终端采集的各种现场信息中转给主站的通信处理机，将主站下发的控制命令转发给相应的配电终端设备[10]。

随着配电网的不断发展与进步，大量的分布式电源的出现以及电动汽车的逐渐普及，传统的配电网通信系统模型已经不能满足未来智能配电网多业务的需求，需要研究新的配电网通信系统。与传统的配电网通信系统相比，配电网通信系统的第3层不再仅仅只有配电终端，分布式电源和电动汽车的监控单元以及智能电表都可以作为终端设备，向子站传递用电信息。随着业务种类的不断增加以及信息数量的不断增加，需要在配电子站处增设相应的控制以及管理单元，针对具体不同的业务进行相应的管理和控制，以免造成混乱。文献[11]提出了一种如图1所示的智能配电网通信体系结构，满足未来智能配电网通信系统的要求。

图1 智能配电网通信体系结构Fig.1 Communication architecture of intelligent distribution network

2 IEC 61850在智能配电网中的应用

2.1 基于IEC 61850的智能配电网结构

文献[12]参照IEC 61850的3层模型，将智能配电网划分为3层，即主站层、馈线层以及终端层，具体结构如图2所示。

图2 基于IEC 61850的配电自动化分层体系Fig.2 Distribution automation system based on IEC 61850

图2中，主站层位于最顶层，是整个配电网的核心。馈线层从整体上实现了对一条馈线的逻辑处理功能，通常需要多个配电终端相互配合[12]。终端层位于最底层，其中包括柱上开关FTU、环网柜FTU以及配电变压器检测终端TTU等。

2.2 IEC 61850在配电网通信系统中的应用

IEC 61850作为一种通信协议，通过SCSM可以映射到MMS、以太网、WebService、IEC 60870-5-101/104、DNP3.0等多种协议上，具有可以使具体技术和实现方法相互独立的优点，还可以兼容配电网原有的通信规约，做到统一整个智能配电网的通信规约，不会造成混乱。此外，IEC 61850具有全面的功能和合适的数据建模方法，在配电网业务和数据类型日益激增的条件下，仍可以建立统一的数据模型，增强了数据信息的系统化，提高了通信效率。

IEC 61850的映射方式有很多种，每一种映射对应于不同的业务类型，都有着自己的特点，因此我们需要根据智能配电网的不同业务类型，不同的需求来选择相应的映射方式。例如配电终端与配电子站之间的信息传递主要考虑选择MMS映射，然而GOOSE报文则更多地运用在配电终端与配电终端的信息传递中，本文主要研究MMS映射，对GOOSE报文则不做太多讨论。

3 智能配电网通信系统仿真平台的构建

本文基于第2节提出的配电自动化分层体系及IEC 61850在配电网通信系统中的应用，利用OMNeT++软件搭建了智能配电网通信系统仿真平台。

基于第1节提出的未来智能配电网通信系统以及IEC 61850标准，通过OMNeT++仿真软件构建了智能配电网通信网络模型。智能配电网通信网络的模型如图3所示。

图3 智能配电网通信网络模型Fig.3 Communication network model of intelligent distribution network

该仿真包括下列模。

(1)智能电子设备(intelligeat electronic device, IED)：其行为是在接收到服务器下发的指令后做出相应地反应，并且周期性地向服务器上传采集到的数据。

(2)交换机：起到IED与服务器之间转发数据的作用，具有堆栈功能。

(3)服务器：该模块可以向IED下发连接请求等指令并动态建立处理模块，处理IED的数据交换请求。

(4)服务器处理模块：该模块由服务器动态建立，负责处理IED的数据请求交换。

每一个IED周期性地与服务器进行连接，并与其交换数据。建立连接后，服务器向IED发送随机个数的数据交换指令，然后关闭连接。服务器同一时间内可以处理多个连接请求，连接建立后，服务器便为每个连接动态建立“服务处理模块”。本文仅关心进行数据交换时的时间延迟，因此只统计IED与服务器每次进行数据交换的传输延时，而不考虑建立连接与断开连接的时间。

图3中含有20个IED，分别对应着不同的业务类型，包括监控与数据采集(supervisory control and data acquisition, SCADA)业务、馈线自动化业务、分布式电源业务、电动汽车业务、用电信息采集业务、视频监控业务等。

随着智能配电网的不断发展，配电网业务类型和数量不断增加，因此本文还仿真了40个IED的通信系统，测试当业务种类增加时，原有的智能配电网通信系统是否还能满足信息传递的实时性。

4 仿真案例及结果分析

本文用第3节搭建的仿真系统进行测试，来比较在不同的业务流量背景下，采用不同带宽对智能配电网的IED和配电子站之间的数据交换时延进行仿真。

IEC 61850标准建模广泛采用面向对象的方法，包括可视化图元体系设计、可视化窗口体系设计、插件化模块组织等。利用面向对象技术提供的各种概念和技术组织代码，实现系统的重要功能，控制开发的复杂性。鉴于本平台运行环境的复杂性，本项目选取了OMNeT++仿真开发平台，满足Client /Server 混合数据传输模式，既保证了数据管理软件的易用性，也保证了规划设计软件的专业性和运行效率。

4.1 智能配电网数据流模型

本文依据第1节中智能配电网通信体系结构并且参考文献[13-14]，分析了未来智能配电网的主要业务流量模型。

未来智能配电网的业务主要包括SCADA业务、馈线自动化业务、分布式电源业务、电动汽车业务、用电信息采集业务以及配电线路视频监控业务等。本文只选取了有代表性的几类业务，未来随着业务种类的增加，可以在此仿真平台上对参数进行修改，以满足未来智能配电网更多业务类型的需求。具体业务类型以及流量大小见表1。

表1 智能配电网数据业务流量

Table 1 Intelligent distribution network data traffic

4.2 仿真平台运行机制建模

在已有的通信架构模型上，采用OMNeT++软件建模仿真，并设定对应的数据存储库用以收集仿真结果，动态模拟智能配电网通信网络仿真平台运行效果。侧重对IEC61850中的Client/Service(客户/服务器)方式进行建模，模拟配电子站和IED之间的建立连接、数据交换以及断开连接的过程，主要统计每一次数据交换时的传输时延。

综合智能配电网通信业务的具体需求，基于IEC 61850标准，对数据交换业务采用MMS+TCP/IP+以太网的方式，传输层采用TCP或UDP协议。具体的通信协议栈结构如图4所示。

图4 通信协议栈结构Fig.4 Structure of communication protocol stack

基于4.1节中的智能配电网各种业务的数据流模型，本文设定了低背景流量以及高背景流量2种场景，2种背景均包括上述全部业务，但低背景流量下的电动汽车、用电信息采集、视频监控业务的数据包产生速率取较小值，高背景流量下，3种业务的数据产生速率取较大值。数据传输带宽分别采用 10 Mbit/s以及100 Mbit/s来进行IED和服务器之间的数据交换,分别仿真了低流量以及中高流量背景的业务流量下，IED和服务器进行一次数据交换的传输时延，并将仿真的结果进行了对比分析。

本文选用OMNeT++仿真软件，并且基于IEC 61850标准，主要仿真了智能配电网通讯方式中的Client/Server模型，包含IEDS、交换机、服务器以及服务器处理器这4个模块，动态仿真了IED和配电子站(服务器)从建立连接到数据交换到对数据进行处理再到断开连接的过程。其中主要的模块Sever的流程图如图5所示。

图5 Sever 模块流程图Fig.5 Flow chart Sever module

4.3 仿真平台运行及结果分析

为了验证和比较在不同IEC 61850承载下的配电网业务流量背景下，分别采用10 Mbps和100 Mbps的带宽进行数据交换的延时能否满足智能配电网的通信需求，本文利用第3节搭建的仿真平台进行仿真测试。

首先对低背景流量场景进行仿真，在程序运行开始时对过程层的IED数量进行设置(即仿真不同的业务背景流量)。

在低背景业务流量场景下，将IED的数量设定为20个，分别对应了SCADA业务、馈线自动化业务、分布式电源业务、电动汽车业务、用电信息采集业务、视频监控业务。其中电动汽车业务、用电信息采集业务和视频监控业务的数据包产生速率取较小值。

首先Sever将会随机向IED发送建立连接指令，发送的消息会在Swich模块里进行排队，再发送给IED模块，如果此时队列不为空，则提取下一个消息，如果队列为空，则模拟处理时延；同时到达的其他数据包，需要将其插入队列中。如果排队的长度超出了队列的最大长度，则丢包，连接将不会建立，也就因此不能进行数据交换。接收到连接建立指令的IED模块会变成绿色，回复指令后等待服务器的连接消息，如果在一段时间以后仍收不到消息，则跳出循环。

如果IED在等待的时间里收到了Sever发送的连接消息，则变成黄色，开始进行数据交换，系统将随机产生每一个IED和服务器进行数据交换的次数，用来模拟智能配电网在不同时间产生不同的信息量，IED将每隔一定的时间进行一次数据交换。IED会在一段时间内等待接收服务器处理过的消息以及下达的指令，如果在等待的时间内没有收到消息，则直接断开连接。

Sever模块收到消息后将对消息进行判断，判断消息是连接请求还是数据交换请求，如果是数据交换请求，则会动态创建数据处理模块，并且将数据发送到相应的处理模块。数据处理模块收到消息后，将会仿真数据处理过程，并且设置并发送数据交换应答。在对数据进行处理后，Sever模块会将消息转发给IED模型，本文重点关注的是从IED发送数据交换消息到接收到处理后的数据消息所产生的时间延迟。

接下来在IED和Sever完成数据交换后，Sever向IED模块发送断开连接指令，然后IED模块会变成蓝色。在IED回复断开指令后，Sever将会设置和发送断开连接消息，在IED接收到断开连接消息后，整个连接过程结束，之后将进行下一阶段的连接过程。仿真平台仿真的结果如下所示。

(1)10 Mbps带宽，低流量背景20 IED仿真结果如图6所示，通过仿真结果可以看出，IED和配电子站进行一次数据交换的传输延时在55～75 ms，满足馈线自动化业务快速性的需求。

(2)100 Mbps带宽，低流量背景20 IED仿真结果如图7所示，通过仿真结果可以看出在采用100 Mbps的带宽进行数据交换时，传输延时在3.5～9.0 ms，极大地降低了传输延时，保证了快速性的需求。

(3)10 Mbps带宽，低流量背景40 IED仿真结果如图8所示，当业务数量增加到40的时候，通过仿真结果可以看出传输延时在52.5～75 ms。

图6 低流量背景10 Mbps带宽的传输时延Fig.6 Transmission delay of 10 Mbps bandwidth in low traffic background

图7 低流量背景100 Mbps带宽的传输时延Fig.7 Transmission delay of 100 Mbps bandwidth in low traffic background

图8 40 IED低流量背景10 Mbps带宽的传输时延Fig.8 Transmission delay of 10 Mbps bandwidth in low traffic background of 40 IED

(4)10 Mbps下低流量背景下20 IED与40 IED仿真结果对比如图9所示，通过对比结果可以看出，20个IED的传输延时的曲线大部分都在40个IED传输延时曲线的下面，即随着业务类型增加时，网络变得越来越拥塞，传输延时也会随之增加。

虽然时延有所提高，但是二者均能满足快速性的需求。

图9 10 Mbps下低流量背景20 IED与40 IED对比Fig.9 Comparison between 20 IED and 40 IED under low traffic 10 Mbps

(5)低背景流量下，20 IED，10 Mbps与100 Mbps仿真结果对比如图10所示，通过仿真结果可以看出，在相同业务类型、业务流量背景下采用100 Mbps的带宽可以极大地减小传输时延，更好地保证了馈线自动化的快速性的需求。

图10 20 IED低流量背景10 Mbps与100 Mbps对比Fig.10 Comparison of 10 Mbps and 100 Mbps in low traffic 20 IED

(6)10 Mbps带宽，20 IED，低流量背景与高流量背景对比仿真结果如图11所示，通过仿真结果可以看出在高业务流量背景下，采用10 Mbps的传输延时在120～150 ms，传输延时极大增加。这是由于以太网采用载波侦听多路访问/冲突检测的介质控制机制，发生冲突后所有节点采用相同的退避机制，当网络负载过重时易发生丢包，使得系统的通信性能大大降低，无法满足快速性的需求。

图11 10 Mbps带宽，20 IED,低流量背景与高流量背景对比Fig.11 Low traffic background and high traffic background contrast under 10 Mbps bandwidth 20 IED

5 结 论

随着智能配电网的不断发展，分布式电源、电动汽车、视频监控等更多的业务流逐渐融入智能配电网，使得配电网络中传递的信息量越来越大，为了满足智能配电网通信系统可靠性、实时性、双向性的要求，需要对通信网络进行测试与改进。为分析智能配电网环境下多业务流量对配电网通信系统信息交互实时性的影响，基于IEC 61850标准以及OMNeT++仿真软件建立了智能配电网通信网络仿真平台。通过对业务类型、业务流量、传输带宽以及堆栈存储量的控制，分析信息传输的延时，可以设计出适合未来智能配电网多业务类型、高业务流量的网络。此外通过OMNeT++仿真软件，可以动态观察各层之间的信息交互过程，更容易发现存在的问题，及时进行调整，为智能配电网的后续研究和开发设计提供可参考意见。

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(编辑 张媛媛)

Communication Network Simulation Platform Design of Intelligent Power Distribution Based on IEC 61850

SUN Yi1, LI Shihao1, LI Bin1, LI Dezhi2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Reliability, real-time performance and bidirection are the requirements of the communication system of intelligent distribution network. Based on the analysis of current intelligent distribution network communication system and the latest IEC 61850 standard, this paper constructs the model for the traffic and communication needs of the intelligent distribution network. We build the simulation model of the communication network in intelligent distribution network on the OMNeT++, which is an open source platform of multi protocol network simulation software. In the background of the data flow which adds a large amount of distributed energy and electric vehicle, we study the communication process between the process-level IED and the station-level distribution substation, and compare the transmission delay of IED and distribution substation under different bandwidth and traffic background.

OMNeT++; intelligent distribution network; IEC 61850; communication network; design of simulation platform

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2015AA050203)；国家自然科学基金项目(51307051)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014ZP03，2015ZD01)；国家电网公司科技项目(智能电网用户行为理论与互动化模式研究)Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050203)； National Natural Science Foundation of China(51307051)； Fundamental Research Funds for the Central Universities(2014ZP03，2015ZD01)

TM 76

A

1000-7229(2016)02-0118-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.017

2015-11-22

孙毅(1972)，男，教授，主要从事电力系统通信相关技术研究工作；

李世豪(1993)，男，硕士研究生，主要从事IEC 61850在智能配电网中的应用、智能配电网的研究工作；

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要从事电力系统自动化与信息化相关技术研究工作；

李德智(1982)，男，硕士研究生，主要从事智能用电、需求响应、能效管理方面的研究工作。