一種基于opnet的智能變電站過程層網絡建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種智能變電站內過程層網絡的建模方法，在建立各種類型智能設備的基礎上，構建完整的過程層網絡，屬于電力系統繼電保護技術領域。
【背景技術】
[0002]基于IEC61850的智能變電站，由于構建了網絡化的信息傳輸與共享平臺，使得繼電保護、監控、遙控操作等系統應用得以實現。智能變電站內的網絡是各IED間的信息交互通道，網絡功能是否完善、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，因此網絡性能的分析評估是十分必要的。考慮到變電站內通信的復雜性，用數學建模的方法難以定量計算出網絡各項性能指標，因而通常采用直接現場測試的方法。現場測試雖然結果準確，然而由于現場能模擬的情況十分有限，導致測試結果也缺少系統性。特別是遇到異常情況時，很難從系統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絡設計，并對網絡性能進行評測，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”結構:所謂“三層”，分別指變電站層、間隔層和過程層;所謂“兩網”，分別是指用于變電站層和間隔層通信的站控層網絡、以及用于間隔層和過程層通信的過程層網絡(間隔層設備間的通信通常也劃入過程層網絡)。對于這兩種網絡內傳輸的報文，IEC61850-5規定了實時性和可靠性方面的要求。具體而言，快速報文和原始數據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，原始數據報文為SV報文，快速和中速報文為GOOSE報文，SV在過程層網絡傳輸、GOOSE在過程層和站控層網絡(監控聯閉鎖)傳輸。為了保證SV和GOOSE報文傳輸的快速性，過程層網絡只映射到傳統ISO七層網絡模型的應用層、鏈路層和物理層;而站控層網絡由于無快速性要求，繼承了經典TCP/IP的網絡結構。
[0004]OPNET是目前業界公認的優秀的通信網絡、設施、協議的仿真及建模工具，適用于智能變電站的網絡建模仿真。當前也有不少研究成果，提出了基于OPNET的智能變電站網絡的建模方法。文獻“秦川紅，王寧等.采用虛擬局域網的數字化變電站數據通信仿真研究[J].電力系統保護與控制，2013，41(2): 126-131”提出了基于OPNET的智能變電站網絡VLAN設置方法，IED模型調用了OPNET的TCP/IP網絡通信模型，通信過程用UDP通信協議模擬，但UDP是網絡層的通信協議，而且SV、G00SE報文通信過程中并不通過網絡層。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絡的繼電保護實現過程建模，但并未考慮到網絡環境對數據傳輸性能的影響，而且各個IED建模只是調用了OPNET的三層節點模型ethernet_s tat 1n，與現場的母差保護、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，不能準確模擬現場的IED。因此到目前為止，仍缺少一種針對過程層網絡、符合現場工程實踐的建模方法，進而影響了對過程層網絡性能的準確評估。
[0005]有鑒于此，本發明人對此進行研究，專門開發出一種基于OPNET仿真軟件的智能變電站過程層網絡建模方法，本案由此產生。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種既符合過程層網絡的傳輸特點、又兼顧實際工程應用標準的智能變電站過程層網絡建模方法。
[0007]為了實現上述目的，本發明的解決方案是:
一種基于OPNET的智能變電站過程層網絡建模方法，包括如下步驟:
步驟I)、建立OPNET環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)、利用滿足分布規律的隨機數來模擬智能變電站過程層網絡中的數據流；
步驟3)、根據建立的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絡。
[0008]作為優選，步驟I)所述的建立合并單元的仿真模型，功能是發送固定周期的數據包，且發送速率和數據包長度可設，由OPNET中的ethernet_stat1n模型派生而來，映射到ISO七層網絡模型的應用層、鏈路層和物理層，其中，應用層包含數據發送模塊、數據接收模塊，鏈路層包含MAC模塊、鏈路層與應用層的接口模塊，物理層包含數據發送口和數據接收
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[0009]作為優選，為了符合實際應用，合并單元仿真模型設定兩個數據發送口，一個用于網絡組建，一個用于裝置直接采樣，數據發送模塊參數根據實際需要可靈活設置，MAC模塊中可設定數據發送的目的地址。
[0010]作為優選，步驟I)所述的建立智能終端的仿真模型，功能是發送和接收GOOSE數據包，由OPNET中的ethernet_stat1n模型派生而來，在原模型基礎上，增加一個數據源，產生包含0N/0FF兩種狀態流量的報文，ON狀態持續時間滿足Pareto分布，OFF狀態持續時間滿足Exponet ial分布，且具體參數可設;ethernet_stat 1n模型中的數據源用于發送持續的心跳報文和隨機報文，分布參數可設，兩個數據源發送的數據疊加后發送至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模型按照經典的TCP/IP協議而建，包含了應用層、TCP傳輸層、IP網絡層、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，刪除數據發送模塊，保留其余模塊即可，該模型的接口定義為過程層網絡的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