数字化变电站过程层网络实时仿真研究

窦青春，王金凤，王秀莲，李 响

(1.辽宁电力勘测设计院，辽宁 沈阳 110179;2.沈阳理工大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

随着以太网技术和IEC61850标准的发展与实施，以过程层数字化为主要特征的新一代数字化变电站成为目前研究的热点。文献［1］对基于SCSM模型的过程层网络延时进行了仿真研究，得出简化协议模型能有效提高网络实时性。文献［2］分析了变电站中过程层主流的GOOSE+SAV共网传输，分别从带宽流量、实时性和经济性等方面验证其优越性，又升级为三网合一的智能变电站网络框架，为其运维和管理提供了极大方便。

本文主要对变电站过程层的通信技术进行分析，通过仿真研究简化协议模型和传统模型，以及不同网络带宽和网络负载条件下的报文传输时延，来有效提高报文的实时可靠传输。

1 基于IEC61850的数字化变电站体系结构

IEC61850将智能变电站分成“三层两网”结构，三层即为逻辑上的站控层、间隔层和过程层［3］。

(1)站控层:位于变电站的顶层，包括主机与操作员站、远程通信系统、对时系统等，主要完成对间隔、过程层设备的监视和控制;

(2)间隔层:位于站控层和过程层之间，包括保护、测量、控制和录波等二次装置，实现作用于该间隔一次设备的功能，与各种远方输入/输出、传感器和控制器通信;

(3)过程层:位于变电站最底层，典型设备包括非常规电子式互感器、智能终端(执行单元)、合并单元等，实现一次电气量采集，执行操控命令和检测设备状态。

两网指的是:连接变电站层和间隔层的MMS网以及连接间隔层和过程层的GOOSE/SMV网(即过程层网络)。MMS网用于站控层和间隔层设备的信息交换，主要是监视间隔层设备和控制信息，可靠性要求较低，但数据量相对较大;GOOSE网主要用于过程层设备的跳闸、保护之间的信息交互、开关刀闸等开关量信息的采集;SMV网用于传输电子式互感器所产生的模拟量，实时性要求都较高。

2 数字化变电站过程层通信技术分析

2.1 组播通信

解决实时性问题的主要方法是采用发布者/订阅者组播通信机制。

发布者/订阅者的通信机制可在各通信节点之间形成一个或多个数据源(合并单元、保护等)作为发布者，向多个接收者(即订阅者)发送数据，在数据流量大且实时性要求很高的数据通信场合有较大优势。它的重要特点是设置了避免发生信道冲突的缓冲区，订阅者具有接收缓冲区而发布者具有发送缓冲区和控制缓冲区，只有最新发布的数据存放在缓冲区内，覆盖原来的数据。

SAV的组播通信传输采用多路广播的报文驱动方式;而GOOSE报文采用发布者/订阅者的报文传输驱动方式，发布者由事件触发后，从数据集中收集所需数据，它具有异步传输和随机性特点。

2.2 SCSM的简化协议模型

IEC 61850提出特定通信服务映射(SCSM)来实现其定义的多种通信服务。对于过程层网络，实时性要求最高的两种关键通信服务为发送GOOSE报文服务和发送多路广播SAV报文服务［1］。服务映射过程一般遵循MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802.3模式，但GOOSE报文和SAV报文模型的映射实现相对特殊，应用层专门定义协议数据单元［Protocol Data Unit，PDU］，采用高效的ASN.1表示层编码后，直接映射到数据链路层和物理层。其对应的SCSM传输协议栈是在传统的OSI标准7层协议栈的基础上衍化而来，以提高这两大重要报文的实时性要求，如图1所示。

图1 网络模型

2.3 VLAN虚拟局域网

VLAN是一种将局域网从逻辑上划分成不同的、相互独立的子网的技术。SAV，GOOSE报文以多播、重发的形式向外发送数据，但并不是所有的IED都需要进行报文的交互。应用VLAN技术将需要交互报文的IED设备划分到相同的VLAN中，有效减少网络并发流量和接收设备的处理负担，提高网络通信效率和安全性。

文献［4］详细阐述了VLAN的设置方法，并通过OPNET网络仿真软件，以数据传输最复杂的馈线间隔故障为例，分别对采用VLAN和没有采用VLAN的通信网络进行建模仿真。结果表明划分VLAN能够抑制广播泛滥，减轻交换机负载，同时有效提高报文传输的实时性。

3 基于OPNET过程层网络实时性仿真

3.1 过程层网络实时性构成

过程层网络的实时性主要体现为节点间的端到端延时大小。IEC 61850将端到端延时分为三部分:

(1)发送节点的处理延时Ta——由两部分组成，一是发送节点进行数据处理和协议封装，并将报文从应用数据缓冲区拷贝到以太网通信处理器的延时，二是报文在发送缓冲区的等待延时;

(2)链路延时Tb——即两节点在通信链路上的延时，包括发送、传播和交换延时;假定一个报文从发送节点IED1传输到接收节点IED2，经过j个网络中间节点和k条通信链路，则有

式中:α表示发送时延，是指发送节点在通信链路上开始发送报文的第一个比特至发送完最后一个比特所需的时间，取决于报文长度和数据传输速率;β表示传播时延，是指发送节点在通信链路上发送第一个比特时刻至该比特到达接收节点的时延，取决于传输距离和传播速度;γ表示交换时延，是指网络中间节点(如交换机)接收到报文时刻至开始发送该报文的时延，主要取决于交换机处理器交换数据包到达相关输出端口的速率。

(3)目的节点的接收延时Tc——也由两部分组成，一是报文在目的节点的通信处理器的接收缓冲区的等待延时，二是接收节点对报文进行协议拆封，去除报头，数据重新拼装，通知目的任务报文到达和应用数据拷贝的延时。如图2所示。

图2 网络延时示意图

3.2 网络模型及数据分析

3.2.1 网络模型

图3为某220KV变电站的过程层网络模型，共包括9个间隔。本文针对其变压器间隔内的报文实时性传输进行仿真研究。

OPNET Modeler提供了丰富的网络设备模型，本文选用工作站模型来模拟MU、ST和保护测控等变电站二次设备，并用10Mbit/s或100 Mbit/s光纤将其连接在由多个交换机组成的网络上。利用Video Conference业务来模拟SAV和GOOSE 报文［6］。

图3 变电站过程层网络模型

3.2.2 数据分析

(1)SAV数据分析

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+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+2n=296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。简单情况下，上式采用一个ASDU构成一个APDU的方式。一个SV报文长度为:TL122×8bits=976位，则合并单元的仿真流量为:10000×976=9.76Mb/s;形成稳定的网络负载，周期性地传送到过程层网络。

(2)GOOSE数据分析

根据IEC61850标准中规定，GOOSE报文采用变时间间隔的重传发送机制:无事件发生时，以较长的时间间隔(1024ms)重复传输;当有事件发生时，以较短的时间间隔(lms，2ms，4ms，…)重复传输，时间间隔逐渐增大，直至1024ms恢复至初始状态。它包括保护控制单元的跳闸控制命令和智能终端的位置状态信息。具体业务配置如表1所示。

表1 仿真中的OPNET业务模型配置

上述仿真条件和参数配置，最坏情况下的总线负载略大于IEC61850标准中规定的207Mbit/s中等规模变电站的总线负载要求，可认为仿真条件和参数配置与实际基本相符，其结果具有实际意义。

3.3 仿真结果

图4、图5为具体仿真结果。其中对于客户端/服务器的发送/接收延时主要取决于业务配置的报文长度和传输速率;子网内链路的传输速率为10Mbps，外网链路的传输速率因负载较重则为100Mbps;交换机的端口数根据所连接设备决定，每个端口的speed可自动配置，因为这个属性不影响流量分析和离散事件的仿真行为，只要设置Packet Service Rate为500000packets/s，即处理速度。

仿真场景:场景1:利用SCSM模型所构建的设备构成网络;场景2:利用传统OSI七层模型来构建网络设备，并设置各设备应用层的通信行为，即关键报文发送的时间间隔、大小以及报文的发送/接收情况与场景1相同，仿真结果分别如图4、5所示。

图4 SCSM模型下的报文传输时延

图5 OSI传统模型下的报文传输时延

显然，SCSM模型下的报文传输时延小于传统模型。对于SCSM模型，其在进行通信过程中经过的协议栈层数较少，报文长度的增幅也较小，使得场景1中的网络负载相对于场景2也较轻。同时，通信框架的简化也使得交换机对报文的处理速度有所增加，使得该场景的关键报文延时维持在0.025ms左右，满足IEC 61850规定的过程层关键报文延时小于4ms的实时性要求。

3.4 网络带宽和负载对实时性的影响

网络的实时性与设备数量、网络带宽以及网络负载等因素密切相关。

在数据包传输间隔和大小不变的前提下，对不同网络带宽对报文传输的影响进行仿真，网络带宽的变化通过设置不同的网络背景流量(CPU Background Utilization)来模拟。具体设置如下:0～300s，CPU Background Utilization 为 10%;300～600s，CPU Background Utilization为 30%;600～900s，CPU Background Utilization为 50%;900s以后，CPU Background Utilization为 90%。仿真结果如图6所示。结果表明，随着背景利用率的增加，网络带宽的减小，报文端到端延时逐渐增大，严重影响变电站过程层这两种关键报文的实时性传输，进而影响故障时刻设备的实时和有效动作。

图6 网络带宽对报文实时性影响

同时针对不同网络负载情况下，对报文的端到端延时进行仿真研究。其中报文发送间隔Incoming Stream Interarrival Time 为 0.01s，服从指数分布;报文大小分别设为122byte、1024byte和11024byte。仿真结果如图7所示。结果表明报文传输的实时性除了受网络带宽影响外，还跟网络负载密切相关，随着负载的增大，延时越来越大，到最后可能出现因阻塞而不能传输的严重后果。所以，合理划分VLAN，将整体的庞大网络划分开，对减少网络中的负载，实现报文的可靠实时传输具有重大意义。

图7 网络负载对报文传输实时性的影响

4 结束语

基于OPNET对某变电站的变压器间隔进行建模仿真，通过IEC61850中对过程层网络特殊报文的特定通信服务映射(SCSM)，分析设备的简化协议模型——即SCSM模型。由于SCSM模型在通信过程中经过的协议栈层数较少，报文长度的幅值也较小，通信框架的简化也使得交换机对报文的处理速度增加，与传统模型相比，SCSM模型更能满足报文的实时传输。结果显示，此推论是正确的，在符合IEC61850规定的前提下，SCSM模型的网络延时要小于传统模型，有效提高了关键报文的可靠性与实时性。

［1］陈志光，张延旭，曾耿辉，等.变电站过程层网络特定通信服务映射(SCSM)及其对实时性的影响分析［J］.电力系统保护与控制，2012，40(21):97 －98.

［2］朱全聪，苏杰，赵永辉，等.智能变电站三网合一的网络架构分析与研究［J］.机电信息，2012，36(354):2－4.

［3］高会生，靳玮玮.基于OPNET的变电站端到端通信实时性仿真研究［J］.继电器，2006，34(19):35－36.

［4］秦川红，王宁，任宏达，等.采用虚拟局域网的数字化变电站数据通信仿真研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41(2):127 －130.

［5］宋园果，舒勤，贺含峰.数字化变电站过程层通信网络实时性仿真分析［J］.电力系统及其自动化学报，2013，25(2):1 －4.

［6］徐铁峰.数字化变电站通信网络仿真及其可靠性研究［D］.杭州:浙江大学，2012.