一種基于opnet的智能變電站過程層網(wǎng)絡建模方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種智能變電站內過程層網(wǎng)絡的建模方法，在建立各種類型智能設備的基礎上，構建完整的過程層網(wǎng)絡，屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術領域。
【背景技術】
[0002]基于IEC61850的智能變電站，由于構建了網(wǎng)絡化的信息傳輸與共享平臺，使得繼電保護、監(jiān)控、遙控操作等系統(tǒng)應用得以實現(xiàn)。智能變電站內的網(wǎng)絡是各IED間的信息交互通道，網(wǎng)絡功能是否完善、性能指標是否滿足要求，直接影響到變電站內各應用功能的實現(xiàn)，因此網(wǎng)絡性能的分析評估是十分必要的?？紤]到變電站內通信的復雜性，用數(shù)學建模的方法難以定量計算出網(wǎng)絡各項性能指標，因而通常采用直接現(xiàn)場測試的方法?，F(xiàn)場測試雖然結果準確，然而由于現(xiàn)場能模擬的情況十分有限，導致測試結果也缺少系統(tǒng)性。特別是遇到異常情況時，很難從系統(tǒng)的角度分析查找缺陷，影響了測試的效率。而借助計算機建模仿真來輔助網(wǎng)絡設計，并對網(wǎng)絡性能進行評測，具有選擇方案范圍廣、測試結果全面、實施成本低廉等優(yōu)點，已成為一種重要的研究方法。
[0003]IEC61850標準提出了智能變電站的“三層兩網(wǎng)”結構:所謂“三層”，分別指變電站層、間隔層和過程層;所謂“兩網(wǎng)”，分別是指用于變電站層和間隔層通信的站控層網(wǎng)絡、以及用于間隔層和過程層通信的過程層網(wǎng)絡(間隔層設備間的通信通常也劃入過程層網(wǎng)絡)。對于這兩種網(wǎng)絡內傳輸?shù)膱笪模琁EC61850-5規(guī)定了實時性和可靠性方面的要求。具體而言，快速報文和原始數(shù)據(jù)報文的傳輸延時應在3ms以內，中速報文傳輸延時應在1ms以內，慢速報文和文件傳輸報文則無具體傳輸時間要求，各報文均應保證可靠傳輸。在工程應用中，原始數(shù)據(jù)報文為SV報文，快速和中速報文為GOOSE報文，SV在過程層網(wǎng)絡傳輸、GOOSE在過程層和站控層網(wǎng)絡(監(jiān)控聯(lián)閉鎖)傳輸。為了保證SV和GOOSE報文傳輸?shù)目焖傩?，過程層網(wǎng)絡只映射到傳統(tǒng)ISO七層網(wǎng)絡模型的應用層、鏈路層和物理層;而站控層網(wǎng)絡由于無快速性要求，繼承了經(jīng)典TCP/IP的網(wǎng)絡結構。
[0004]OPNET是目前業(yè)界公認的優(yōu)秀的通信網(wǎng)絡、設施、協(xié)議的仿真及建模工具，適用于智能變電站的網(wǎng)絡建模仿真。當前也有不少研究成果，提出了基于OPNET的智能變電站網(wǎng)絡的建模方法。文獻“秦川紅，王寧等.采用虛擬局域網(wǎng)的數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)通信仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(2): 126-131”提出了基于OPNET的智能變電站網(wǎng)絡VLAN設置方法，IED模型調用了OPNET的TCP/IP網(wǎng)絡通信模型，通信過程用UDP通信協(xié)議模擬，但UDP是網(wǎng)絡層的通信協(xié)議，而且SV、G00SE報文通信過程中并不通過網(wǎng)絡層。文獻“黃明輝，邵向潮等.基于OPNET的智能變電站繼電保護建模與仿真[J].電力自動化設備，2013，33(5): 144-149.”提出了基于過程層網(wǎng)絡的繼電保護實現(xiàn)過程建模，但并未考慮到網(wǎng)絡環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸性能的影響，而且各個IED建模只是調用了OPNET的三層節(jié)點模型ethernet_s tat 1n，與現(xiàn)場的母差保護、變壓器保護結構存在差異。文獻“陳志光，張延旭等.變電站過程層網(wǎng)絡特定通信服務映射(SCSM)及其對實時性的影響分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(21): 96-101.”的分析也是基于OPNET自身的ethernet_stat1n模型而展開的，不能準確模擬現(xiàn)場的IED。因此到目前為止，仍缺少一種針對過程層網(wǎng)絡、符合現(xiàn)場工程實踐的建模方法，進而影響了對過程層網(wǎng)絡性能的準確評估。
[0005]有鑒于此，本發(fā)明人對此進行研究，專門開發(fā)出一種基于OPNET仿真軟件的智能變電站過程層網(wǎng)絡建模方法，本案由此產生。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種既符合過程層網(wǎng)絡的傳輸特點、又兼顧實際工程應用標準的智能變電站過程層網(wǎng)絡建模方法。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
一種基于OPNET的智能變電站過程層網(wǎng)絡建模方法，包括如下步驟:
步驟I)、建立OPNET環(huán)境中智能變電站中各類IED(Intelligent Electronic Device，智能電子設備)的仿真模型，包括建立合并單元仿真模型、建立智能終端仿真模型、建立保護裝置仿真模型和建立測控裝置仿真模型，其中保護裝置分為線路保護、主變保護和母線保護；
步驟2)、利用滿足分布規(guī)律的隨機數(shù)來模擬智能變電站過程層網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流；
步驟3)、根據(jù)建立的IED仿真模型，用100M帶寬的鏈路連接，以設定的拓撲結構建立智能變電站過程層網(wǎng)絡。
[0008]作為優(yōu)選，步驟I)所述的建立合并單元的仿真模型，功能是發(fā)送固定周期的數(shù)據(jù)包，且發(fā)送速率和數(shù)據(jù)包長度可設，由OPNET中的ethernet_stat1n模型派生而來，映射到ISO七層網(wǎng)絡模型的應用層、鏈路層和物理層，其中，應用層包含數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊，鏈路層包含MAC模塊、鏈路層與應用層的接口模塊，物理層包含數(shù)據(jù)發(fā)送口和數(shù)據(jù)接收
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[0009]作為優(yōu)選，為了符合實際應用，合并單元仿真模型設定兩個數(shù)據(jù)發(fā)送口，一個用于網(wǎng)絡組建，一個用于裝置直接采樣，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊參數(shù)根據(jù)實際需要可靈活設置，MAC模塊中可設定數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址。
[0010]作為優(yōu)選，步驟I)所述的建立智能終端的仿真模型，功能是發(fā)送和接收GOOSE數(shù)據(jù)包，由OPNET中的ethernet_stat1n模型派生而來，在原模型基礎上，增加一個數(shù)據(jù)源，產生包含0N/0FF兩種狀態(tài)流量的報文，ON狀態(tài)持續(xù)時間滿足Pareto分布，OFF狀態(tài)持續(xù)時間滿足Exponet ial分布，且具體參數(shù)可設;ethernet_stat 1n模型中的數(shù)據(jù)源用于發(fā)送持續(xù)的心跳報文和隨機報文，分布參數(shù)可設，兩個數(shù)據(jù)源發(fā)送的數(shù)據(jù)疊加后發(fā)送至MAC層，智能終端的仿真模型其余部分繼承原ethernet_stat1n模型結構。
[0011]作為優(yōu)選，步驟I)所述的建立線路保護的仿真模型，功能是接收來自合并單元的SV報文，與智能終端、其他保護/測控裝置之間交互GOOSE報文，同時也與站控層交換機、測控裝置交換MMS報文，由OPNET內部模型workstat1n派生而成的,workstat1n模型按照經(jīng)典的TCP/IP協(xié)議而建，包含了應用層、TCP傳輸層、IP網(wǎng)絡層、鏈路層和物理層這五層結構，繼承這部分結構，并把該部分的物理接口定義為站控層網(wǎng)絡接口，交換MMS報文;在此基礎上，增加SV報文接收模型和G00SE報文交互模型，SV報文的接收模型，在所述的合并單元模型基礎上，刪除數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，保留其余模塊即可，該模型的接口定義為過程層網(wǎng)絡的SV接口 ；G00SE報文交互模型則與所述的智能終端結構一致，定義該接口為過程層網(wǎng)絡的G00SE接口。因此，線路保護模型中共包含三組接口，分別交互SV、GOOSE和MMS報文。
[0012]作為優(yōu)選，步驟I)所述的主變保護的仿真模型，功能是接收來自變壓器各側合并單元的SV報文，與變壓器各側的智能終端、其他保護/測控裝置之間交互GOOSE報文，同時也