CN107070708A - 一种基于opnet的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其包括以下步骤：S1：在OPNET环境中，根据过程层网络的节点类型对其建立OPNET节点仿真模型；S2：根据过程层网络的结构对其建立OPNET网络模型；S3：根据过程层网络中的通信协议和报文类型，建立相应的业务模型；S4：根据可能出现的网络故障，建立相应的网络故障模型；S5：运行仿真环境，得到仿真结果。本发明能够通过仿真的方法获知在共网的组网方案下报文长度、数据率、报文传输方式以及网络故障对传输时间的影响，以获知过程层网络通信的实时性情况以及获知过程层网络是否存在设计问题，进而指导智能变电站过程层网络合理布局及设计，具有很强的实用性。

Description

一种基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法

技术领域

本发明涉及通信仿真技术领域，具体而言，涉及一种基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法。

背景技术

智能变电站使用网络技术代替传统的二次接线来传递开关量和采样值信号，采用IEC61850标准作为整个变电站的通信及建模依据。智能变电站的通信系统包括变电站层设备、间隔层设备和过程层设备。过程层网络主要用于在间隔层设备与过程层设备之间传递GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，面向对象变电站事件)报文和SV(Sampled Value，采样值)报文。过程层网络通信的实时性对智能变电站安全可靠的运行具有重要的作用。目前，过程层网络主要采用共网的组网方案(将SV报文和GOOSE报文在同一网络内传输)，这种方案虽然能够提高过程层网络效率以及简化装置结构，但是，这种方案也会降低网络的实时性。根据IEC61850标准，反映智能变电站过程层网络实时性的主要指标为报文传输时间，因此，如何通过OPNET软件建立一网络仿真模型，以获知在共网的组网方案下报文长度、数据率、报文传输方式以及网络故障对传输时间的影响，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，用以通过仿真的方法获知在共网的组网方案下报文长度、数据率、报文传输方式以及网络故障对传输时间的影响。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其包括以下步骤：

S1：在OPNET环境中，根据过程层网络的节点类型对其建立OPNET节点仿真模型；

S2：根据过程层网络的结构对其建立OPNET网络模型；

S3：根据过程层网络中的通信协议和报文类型，建立相应的业务模型；

S4：根据可能出现的网络故障，建立相应的网络故障模型；

S5：运行仿真环境，得到仿真结果。

在本发明的一实施例中，于步骤S1中，中央交换机的节点模型选用ethernet16_switch_adv，间隔交换机的节点模型选用ethernet8_switch_adv，合并单元、智能终端的节点模型选用ethernet_station，测控装置和保护装置节点模型选用ethernet_wkstn_adv。

在本发明的一实施例中，将智能变电站过程层网络划分为9个间隔，分别为：变压器间隔T1、变压器间隔T2、馈线间隔F1、馈线间隔F2、馈线间隔F3、馈线间隔F4、馈线间隔F5、馈线间隔F6和母线间隔S，每个间隔内部的交换机将间隔内部的设备互联，各间隔内的交换机通过中央交换机C进行通信，建立的OPNET网络模型为100BaseT。

在本发明的一实施例中，于步骤S3构建的业务模型中：

GOOSE报文的长度介于163-237字节之间并且其产生服从λ＝500的泊松分布，GOOSE报文在仿真开始5s后开始发送，

SV报文的长度介于190-339字节之间并且发送频率为4000Hz，SV报文在仿真开始5s后以广播的形式开始发送。

在本发明的一实施例中，于步骤S3构建的业务模型中，可以将数据率设定为100Mbps，SV报文的传播距离设定为300米，SV报文的长度设定为200字节，GOOSE报文的长度设定为200字节。

在本发明的一实施例中，该方法进一步包括以下步骤：

于仿真开始后100s～110s期间，馈线间隔F1中的测控装置以4000Hz的频率广播长度为1200字节的错误报文。

在本发明的一实施例中，SV报文和GOOSE报文采用以太网数据帧格式，其中：

第1～6字节为目的地址，

第7～12字节为源地址，

第13、14字节为优先级标签标识，

第15、16字节为标签控制信息，

第17、18字节为以太网类型，

第19、20字节为应用标识，

第21、22字节为报文长度，

第23、24字节为保留字段1，

第25、26字节为保留字段2，

最后4字节为帧校验序列，

其余字节为应用层协议数据单元。

在本发明的一实施例中，在变压器间隔T1中，GOOSE报文在变高压智能终端T1-4和变高压测控装置T1-2之间、变低压智能终端T1-5和主变低压测控装置T1-7之间、变高压智能终端T1-4和主变保护装置T1-8之间、变低压智能终端T1-5和主变保护装置T1-8之间传播；

在母线间隔S中，GOOSE报文在母线智能终端S-4和母线测控装置S-5之间、母线智能终端S-4和母线保护装置S-2之间传播；

在馈线间隔F1～F6中，GOOSE报文在馈线智能终端和馈线测控装置之间、馈线智能终端和馈线保护装置之间传播。

本发明提供的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法能够通过仿真的方法获知在共网的组网方案下报文长度、数据率、报文传输方式以及网络故障对传输时间的影响，以获知过程层网络通信的实时性情况以及获知过程层网络是否存在设计问题，进而指导智能变电站过程层网络合理布局及设计，具有很强的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法的流程图；

图2为智能变电站过程层网络示意图；

图3为SV报文和GOOSE报文的格式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一般来说，智能变电站过程层网络中的设备包括中央交换机、间隔交换机、合并单元、智能终端、测控装置和保护装置，图1为本发明一实施例的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法的流程图，如图1所示，本发明提供的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法包括以下步骤：

S1：在OPNET环境中，根据过程层网络的节点类型对其建立OPNET节点仿真模型；

于步骤S1中，中央交换机的节点模型可以选用ethernet16_switch_adv，间隔交换机的节点模型可以选用ethernet8_switch_adv，合并单元、智能终端的节点模型可以选用ethernet_station，测控装置和保护装置节点模型可以选用ethernet_wkstn_adv，以上各种节点模型均为OPNET提供的网络节点模型。

S2：根据过程层网络的结构对其建立OPNET网络模型；

图2为智能变电站过程层网络示意图，其中，将智能变电站过程层网络划分为9个间隔，分别为：变压器间隔T1、变压器间隔T2、馈线间隔F1、馈线间隔F2、馈线间隔F3、馈线间隔F4、馈线间隔F5、馈线间隔F6和母线间隔S，每个间隔内部的交换机将间隔内部的设备互联，各间隔内的交换机通过中央交换机C进行通信，建立的OPNET网络模型为100BaseT，其中，100BaseT为OPNET提供的链路模型。

S3：根据过程层网络中的通信协议和报文类型，建立相应的业务模型；

其中，在过程层网络中，GOOSE报文用于传输控制数据和状态数据，属于突发性报文，SV报文用于将合并单元的采样数据传输给测控装置和保护装置，属于周期性报文，在过程层网络中，报文主要在间隔内部传输，但母线保护装置还要与其他间隔的合并单元和智能终端进行通信。因此，于步骤S3构建的业务模型中：

GOOSE报文的长度可以为介于163-237字节之间并且其产生服从λ＝500的泊松分布，GOOSE报文在仿真开始5s后开始发送，

SV报文的长度可以为介于190-339字节之间并且发送频率为4000Hz，SV报文在仿真开始5s后以广播的形式开始发送。

可以将数据率设定为100Mbps，SV报文的传播距离设定为300米，SV报文的长度设定为200字节，GOOSE报文的长度设定为200字节。

另外，可以改变上述数据率、SV报文的传播距离、SV报文的长度和GOOSE报文的长度中的其中一个变量，进而观察仿真结果，以获取单一条件变化时网络的通信状态。

S4：根据可能出现的网络故障，建立相应的网络故障模型；

在过程层网络中，如果其中一个或者多个IED因为发生故障，则会以广播的形式周期性发送大量的错误报文，致使中央交换机无法在下一个周期的数据到来之前将上一个周期的数据发送完毕，那么在交换机的发送端口上会产生拥塞的现象。为了对这种现象进行仿真并获知其可能产生的后果，可以于仿真开始后100s～110s期间，设置馈线间隔F1中的测控装置以4000Hz的频率广播长度为1200字节的错误报文，进而观察仿真结果。

S5：运行仿真环境，得到仿真结果。

通过在“Choose Individual DES Statistics”菜单中选择各保护装置上的Ethernet/Delay和IP/End-to-end Delay作为报文传输时间的仿真结果，其中为每一个传输至此保护装置的GOOSE报文都分配一个IP/End-to-end Delay，并通过观察Ethernet/Delay分析SV报文的传输时间，通过观察IP/End-to-end Delay分析GOOSE报文的传输时间。

如图3所示，在本发明的一实施例中，于仿真模型中，SV报文和GOOSE报文可以采用以太网数据帧格式，其中：

第1～6字节为目的地址，

第7～12字节为源地址，

第13、14字节为优先级标签标识，

第15、16字节为标签控制信息，

第17、18字节为以太网类型，

第19、20字节为应用标识，

第21、22字节为报文长度，

第23、24字节为保留字段1，

第25、26字节为保留字段2，

最后4字节为帧校验序列，

其余字节为应用层协议数据单元。

另外，在仿真模型中，对于报文的传播方式可以进行以下设置：

在变压器间隔T1中，GOOSE报文在变高压智能终端T1-4和变高压测控装置T1-2之间、变低压智能终端T1-5和主变低压测控装置T1-7之间、变高压智能终端T1-4和主变保护装置T1-8之间、变低压智能终端T1-5和主变保护装置T1-8之间传播；

在母线间隔S中，GOOSE报文在母线智能终端S-4和母线测控装置S-5之间、母线智能终端S-4和母线保护装置S-2之间传播；

在馈线间隔F1～F6中，GOOSE报文在馈线智能终端和馈线测控装置之间、馈线智能终端和馈线保护装置之间传播。

本发明提供的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法能够通过仿真的方法获知在共网的组网方案下报文长度、数据率、报文传输方式以及网络故障对传输时间的影响，以获知过程层网络通信的实时性情况以及获知过程层网络是否存在设计问题，进而指导智能变电站过程层网络合理布局及设计，具有很强的实用性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在OPNET环境中，根据过程层网络的节点类型对其建立OPNET节点仿真模型；

S2：根据过程层网络的结构对其建立OPNET网络模型；

S3：根据过程层网络中的通信协议和报文类型，建立相应的业务模型；

S4：根据可能出现的网络故障，建立相应的网络故障模型；

S5：运行仿真环境，得到仿真结果。

2.根据权利要求1所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于：

于步骤S1中，中央交换机的节点模型选用ethernet16_switch_adv，间隔交换机的节点模型选用ethernet8_switch_adv，合并单元、智能终端的节点模型选用ethernet_station，测控装置和保护装置节点模型选用ethernet_wkstn_adv。

3.根据权利要求1所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于：

于步骤S2中，将智能变电站过程层网络划分为9个间隔，分别为：变压器间隔T1、变压器间隔T2、馈线间隔F1、馈线间隔F2、馈线间隔F3、馈线间隔F4、馈线间隔F5、馈线间隔F6和母线间隔S，每个间隔内部的交换机将间隔内部的设备互联，各间隔内的交换机通过中央交换机C进行通信，建立的OPNET网络模型为100BaseT。

4.根据权利要求1所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于：

于步骤S3构建的业务模型中：

GOOSE报文的长度介于163-237字节之间并且其产生服从λ＝500的泊松分布，GOOSE报文在仿真开始5s后开始发送，

SV报文的长度介于190-339字节之间并且发送频率为4000Hz，SV报文在仿真开始5s后开始发送。

5.根据权利要求4所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于：

于步骤S3构建的业务模型中，数据率设定为100Mbps，SV报文的传播距离设定为300米，SV报文的长度设定为200字节，GOOSE报文的长度设定为200字节。

6.根据权利要求3所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

于仿真开始后100s～110s期间，馈线间隔F1中的测控装置以4000Hz的频率广播长度为1200字节的错误报文。

7.根据权利要求4所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于，SV报文和GOOSE报文采用以太网数据帧格式，其中：

第1～6字节为目的地址，

第7～12字节为源地址，

第13、14字节为优先级标签标识，

第15、16字节为标签控制信息，

第17、18字节为以太网类型，

第19、20字节为应用标识，

第21、22字节为报文长度，

第23、24字节为保留字段1，

第25、26字节为保留字段2，

最后4字节为帧校验序列，

其余字节为应用层协议数据单元。

8.根据权利要求3所述的基于OPNET的智能变电站过程层网络通信性能仿真方法，其特征在于：

在变压器间隔T1中，GOOSE报文在变高压智能终端T1-4和变高压测控装置T1-2之间、变低压智能终端T1-5和主变低压测控装置T1-7之间、变高压智能终端T1-4和主变保护装置T1-8之间、变低压智能终端T1-5和主变保护装置T1-8之间传播；

在母线间隔S中，GOOSE报文在母线智能终端S-4和母线测控装置S-5之间、母线智能终端S-4和母线保护装置S-2之间传播；

在馈线间隔F1～F6中，GOOSE报文在馈线智能终端和馈线测控装置之间、馈线智能终端和馈线保护装置之间传播。