基于IEC61850的智能变电站网络性能仿真研究①

朱龙超

(东北石油大学电气信息工程学院)

基于IEC61850的智能变电站网络性能仿真研究①

朱龙超

(东北石油大学电气信息工程学院)

为了确保智能变电站通信网络的稳定性，依据基于通信网络的IEC61850变电站自动化系统国际标准，以面向对象仿真和离散事件驱动的OPNET网络仿真软件为平台，依次根据IEC61850标准对SV、GOOSE报文数据包进行封装，制定智能电子设备(IED)的通信协议，然后分别建立变电站分层结构中站控层、间隔层、过程层不同IED的模型。最终应用于IEC61850中标准的220/110kV D2-1变电站的网络模型建立中，对模型的仿真结果满足性能要求。

报文协议 变电站 网络模型 智能电子设备 IEC61850 OPNET 仿真

智能电子设备(IED)越来越多地应用于变电站的自动化系统(SAS)。国际电工协会建立了变电站自动化系统通信标准IEC61850，对变电站相关的IED、馈线设备的通信结构和数据类型进行了规范，并规定了数据链路传输的接口、协议和通信时延[1～3]。因此，对基于IEC61850的变电站通信网络建模与仿真，可有效分析智能变电站系统的稳定性，有计划地维护和更新设备，有效地预防网络攻击和系统故障，保护变电站系统的稳定运行。笔者采用OPNET作为智能变电站系统网络仿真的工具[4]，采用面向对象的建模方法和离散事件驱动，依次对进程层、节点层和网络层建模。由于OPNET的开源模型库中包括了不同厂商的设备和多种标准协议，可以在其基础上进行二次开发[5～7]。

针对IEC61850规范的要求，部分学者做了一些研究。云南大学分析了变电站3层结构中人机交互的方式，对于不同类型数据的IED过程层处理机制分析了网络性能[8]；印度国立伊斯兰大学提出了一种基于IEC61850-9-2的变电站通信网络架构，并用可靠性框图评价了系统的可靠性[9]；巴格特·辛格国立大学的学者分别建立了69kV变电站星型和总线型的变电站3层结构，并在不同的链路带宽、采样频率、数据包大小情况下进行了分析[10]；华中科技大学以500kV变电站内线路间隔为研究对象，依据IEC61850标准详细定义了保护设备、测控设备、合并单元和智能开关4种逻辑节点，并通过建模分析数据传输速率[11]；华南理工大学建立了基于IEC61850标准的协议和节点模型，按照不同的权重计算综合评价指标，应用于珠海琴韵220/110kV变电站的网络性能评价中[12]。

上述研究工作主要针对了IEC61850标准的部分内容进行了研究，并且对数据报文进行了简化，节点间数据交换的协议和IED的功能不够明确。针对上述问题，笔者以OPNET为网络仿真与分析平台，首先依据IEC61850-9-1标准定义了报文的数据包格式并对数据包进行赋值，然后建立了合并单元、保护IED、断路器IED进程层的逻辑关系，配置相应的交换机与链路参数，最后将建立的节点模块应用于D2-1型变电站的通信网络，对模型的时延、吞吐量和网络流量进行分析，确定变电站网络的稳定性。

1 IEC61850报文协议

根据IEC61850协议的要求，变电站中的信息流以报文的形式存在，按照报文的不同功能可以分为采样值报文(SV)、变电站事件报文(GOOSE)和制造报文规范(MMS)[13,14]。根据报文的重要性，对它在网络中的时延有明确的要求：SV报文属于原始数据的采集，传输时间应在3～10ms内；GOOSE报文包含了重要的保护与控制信息，传输时间应在3ms内；MMS中信息的重要性和优先级较低，传输时间应在1 000ms内。

1.1 SV报文

IEC61850-9-1/2中规定了SV报文的数据格式要求，IEC61850-9-1与IEC61850-9-2规定的包结构中只是应用协议数据单元(APDU)中的应用服务数据单元(ASDU)个数分别为一个和多个，笔者采用了IEC61850-9-1标准中规定的格式，每个SV报文数据为123字节[15]。通过OPNET的包格式编辑器，可以按上述包结构定义SV数据包格式，并储存为.pk文件，在合并单元获取原始数据时调用，封装的数据包可以通过OPNET核心函数进行赋值。

1.2 GOOSE报文

GOOSE报文的数据包格式按照ISO/IEC8802-3的帧格式封装。在OPNET的进程编辑器中建立过程层状态转移，如图1所示。主要包含了4种状态：initial、idle、GSEManagementPdu和GoosePdu，当产生初始化中断后intial执行出口程序转移到idle空闲状态，根据不同的状态条件转为数据管理或数据请求状态，执行完后强制转为空闲状态。GOOSE通信模型主要是由GOOSE控制块GoCB控制报文的传输方式和格式，然后由GOOSE服务来对GoCB进行设置并发送相应报文，主要的服务包括读取GOOSE报文的状态、读取GOOSE元素序号、读取GOOSE控制块值、读取GOOSE数据偏移。对于每一个GOOSE报文都含有一系列的信息与参数，例如报文存活时间、时间序列计数器、状态改变计数器及状态改变时间等。

图1 GOOSE报文状态转移图

1.3 MMS报文

MMS报文是一种应用层的协议，为设备和应用定义了一套标准通信机制，可以灵活、方便地实现变电站内不同厂商的IED之间的互操作，主要用于网络监控。MMS由于对报文传输时间的快速性要求没有SV和GOOSE报文高，所以采用传统的OSI 7层网络结构。MMS、SV、GOOSE报文都通过各自的协议映射到基于IEC8802-3协议的数据链路层，实现流量控制、差错控制、数据帧同步及链路管理等功能。

2 变电站关键设备模型

2.1 合并单元

电流互感器和电压互感器的数据值经过转化变为数字量，经过合并单元(MU)按照SV数据包格式封装后，通过多播的方式发送到间隔层相应的IED上。MU的数据可通过两种方式获得：第1种是利用OPNET中的函数发生器，根据故障前后的功率因数角不同，通过公式产生故障时的电流和电压数据，然后关联相应的数据包；第2种就是通过OPNET和电力系统仿真工具(如Matlab、PSCAD等)进行联立，从电力软件中获取需要的原始数据，例如使用OPNET的外部模块接口(EMA)调用ESA_API函数与PSCAD进行联立，采用套接字作为数据交互平台，实现数据的调用与返回。

笔者在OPNET中建立的合并单元节点层模型如图2所示，source_data模块为合并单元的数据来源，通过上述方式进行关联可以获得相应的数据包进行利用；sink模块为包接收模块，可以计算数据包的传输时间并对数据包进行统计；eth_mac_intf模块是相应以太网的协议，首先对外部设备的连接状态和单/双工进行判断与识别，对单状态进行载波监听、碰撞检测和多路检测，对全双工状态则考虑采用添加优先级标志和VLAN的功能加强数据链路，保证数据准确性；hub_rx0和hub_tx0是点对点链路的接收机和发射机，与交换机中的eth_port_rx和eth_port_tx对应，实现MU节点与交换机数据的交互。

图2 MU节点模型与断路器IED节点模型

2.2 智能电子设备

保护和控制设备(P&C IED)对采集的SV报文进行分析，判断实际系统的工作状态，正常工作情况下，产生恒定速率的报文发送到工作站和服务器；故障情况下不仅向工作站发送当前的状态信息，还要在控制设备产生相应的动作信息，作用于断路器跳闸。在OPNET中P&C IED的节点模型基本结构与MU类似，均采用3层结构，但是保护和控制设备不仅能采集SV报文，还能进行GOOSE报文的传递，因此其数据接口和链路层协议都是经过编译的。断路器IED接收GOOSE报文，根据报文信息控制智能开关来实现刀闸动作而作用于线路通断。

3 智能变电站网络模型

IEC61850标准下的智能变电站结构分为3层：变电站层、间隔层和过程层。依据IEC61850-1中的D2-1变电站的接线形式，在OPNET中进行建模仿真验证。变电站中含有两台220/110kV变压器设备，220kV高压侧具有两回路进线，110kV侧采用双母线并且具有4回路110kV出线，线路上对不同的间隔都装设了IED，共计11个合并单元MU, 9个保护与控制IED，11个断路器IED。按照接线形式和智能电子设备的种类与数量，构建了如图3所示的智能变电站网络层拓扑结构，将系统分为110kV母联间隔、220kV线路间隔、变压器间隔和馈线间隔，每个间隔中含有相应的合并单元、保护与控制IED、断路器IED和一个进行数据传输的交换机，实现过程层和间隔层的数据交互。所有间隔的交换机单元都连接在核心交换机上，由核心交换机与站控层的服务器和工作站进行交互。

图3 智能变电站网络层拓扑结构

4 仿真分析

利用OPNET中的应用配置模块(Application Configuration)，可以对SV报文、GOOSE报文、文件传输报文、状态信息及互锁信息等进行定义与配置。文件配置模块(Profile Configuration)可用于配置变电站中业务合并单元、多种IED、交换机、服务器和工作站的业务模型，使一种或多种应用可以在节点中运行，从而实现节点间的信息流动。

在仿真中，对不同数据信息传输进行参数设置，其中SV报文长度为123Byte，采样频率为4 800Hz；GOOSE跳闸命令和状态信息报文长度分别为50Byte和200Byte，并且采用心跳重发机制保证信息可靠传输；作用于短路器通断的控制信息长度为200Byte，采样频率为10Hz；上传到服务器和工作站的状态信息大小为300KB。节点间采用了100Mb/s的数据链路，进行1h的仿真结果如图4所示，线路的端到端时延(ETE Delay)平均值为0.22ms，满足了IEC61850对不同报文传输过程时延的要求，并且100Mb/s的链路满足网络对带宽的要求，不会在网络高峰时由于链路带宽不足而影响数据传输。

图4 智能变电站网络层拓扑结构

5 结束语

基于OPNET仿真软件和IEC61850标准，依次定义了SV、GOOSE等报文格式，建立了进程层状态转移、节点层的通信协议、网络层的设备与链路，形成了智能变电站3层网络的拓扑结构，最终对模型进行仿真分析，结果满足IEC61850对智能变电站通信网络性能的要求。在未来的研究中，将着重考虑变电站的原始数据来源，拟采用与电力仿真软件联立的方式，使仿真能体现系统的动态过程，提高仿真的精确度。

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ResearchonNetworkPerformanceSimulationofIntelligentSubstationBasedonIEC61850

ZHU Long-chao
(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to ensure stability of the intelligent substation communication network, having IEC61850 standard-based substation automatic system considered and taking object-oriented simulation and discrete event-driven OPNET software as platform as well as in accordance with IEC61850 standard, encapsulating SV and GOOSE packets and establishing communication protocol for intelligent electronic equipment (IED) were implemented, including the establishment of model structure of station control layer, bay layer and process layer IED models and the network model of standard 220/110kV D2-1 substation and the performance analysis.

message protocol, substation, network model, intelligent electronic device, IEC61850, OPNET, simulation

朱龙超(1993-)，硕士研究生，从事电力系统分析和电力物理信息融合系统(ECPS)的研究，498010689@qq.com。

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1000-3932(2017)12-1139-04

2017-08-04)