CN110011852B - 基于opnet的智能变电站网络性能优化仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于OPNET的智能变电站网络性能优化方法,属于智能变电站技术领域。智能变电站网络包括集线器组成的智能变电站网络和DiffServ域,智能变电站网络与DiffServ域连接,DiffServ域包括若干路由器;所述的仿真方法包括以下步骤:利用OPNET对智能变电站网络系统建立仿真模型,利用业务模型进行业务配置建模;利用OPNET对DiffServ域建模,使用ethernet2_slip8_gtwy_adv模拟多路由器。本发明对智能变电站网络性能进行优化,并利用OPNET仿真平台建模仿真,结果显示提出优化方法能提高变电站网络性能,为智能变电站网络性能优化提供了重要的参考意见。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站技术领域,具体涉及基于OPNET的智能变电站网络性能优化方法。
背景技术
智能变电站是采用通信、控制和智能等先进技术,将一次设备参量数字化、标准化和规范化,实现变电站实时监测和自动控制等功能,减少人工干预和提高变电站运行稳定性。随着智能变电站的不断发展,智能变电站通信网络作为变电站自动化的重要组成部分,变电站通信网络的性能能否满足变电站自动化功能的要求,成为电力系统急需研究的问题。
目前对于智能变电站网络性能的研究方法主要有测量法、解析法和仿真法。测量法是通过对变电站内设备进行实际检测,得到设备的实际运行状态信息,然后进行分析评估,但是该方法受规模的影响,经济代价高,效率低,存在一定的风险;解析法是通过对变电站内网络及设备建立解析模型,再分析,但是建立复杂系统解析模型较为困难,实用性差;仿真法可以运用各种仿真平台,对变电站网络及设备进行建模,对实际问题进行仿真分析,仿真法不受规模的限制,研究费用低,效率高。其中,在众多仿真工具中OPNET业界公认并广泛使用的通信网络、设施和协议的仿真及建模工具,采用基于数据包的通信机制、基于离散事件驱动的仿真机制和与真实网络相一致的3层建模机制,适用于复杂目标网络试验平台的半实物仿真实现。目前OPNET也在配电网和智能变电站等电力系统通信的相关研究中得到了应用,展现出良好的发展前景。
同时,随着计算机技术、智能控制及网络通信技术的不断发展,在网络通信方面涌现出大量技术,比如无源光纤网络(Passive Optical Network,PON)技术、以太无源光网络(Ethernet Passive Optical Network, EPON)技术、交换式局域网(Switching LAN)和DieffServ (Difference Service)机制等,为智能变电站信息提高传输性能提供了条件。
现有技术中采用虚拟局域网技术和以太无源光网络技术,虚拟局域网(virtuallocal area network, VLAN) 是一组逻辑上的设备和用户,这些设备和用户可以根据相关因素将它们组织起来进行相互通信。在不增加其它硬件的基础上,可以把一个局域网LAN划分成多个逻辑的LAN,不同VLAN之间不能直接互通,这样每个逻辑的LAN就被限制到一个VLAN内,节省了带宽。在智能变电站通信网络中,VLAN技术将相关的智能电子设备(intelligent electronic device,IED)划分到不同的VLAN中,提高通信网络性能。在工程应用过程中, VLAN 的划分人工参与度较高,需要对每台交换机进行设置,工作量大。
以太无源光网络 (Ethernet Passive Optical Network, EPON)技术,是基于以太网的PON技术。EPON技术在应用中主要有双环网组网和手拉手双链路组网两种。其中,双环网组网就是在一个变电站光线路终端的设备上,采用一个双环网方式进行连接,使得每一个光网络单元设备分别通过两个分光器与双环网连接,最后将相关终端设备与光网络单元设备相连接;手拉手双链路组网就是两个变电站的光线路终端设备之间,采用双链路的方式进行连接,使得每一个光线路终端设备又分别与两个分光器相连接,再将相关终端设备与光网络单元设备相连接。EPON设备价格高于常规以太网硬件设备;不同厂商设备的兼容性差和互操作性差等。
由于智能变电站通信网路性能的优劣,会直接影响变电站继电保护等实时性和信息传输的完整性。目前,OPNET仿真软也在智能变电站通信网络系统方面的研究得到了应用,但是大多数都只停留在对智能变电站通信网络建模方法的提出和验证,缺乏对智能变电站通信网络系统优化的研究,无法有效提高智能变电站网络性能。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,对智能变电站网络性能优化,提高智能变电站继电保护等实时性。
基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,所述的智能变电站网络包括集线器组成的智能变电站网络和DiffServ域,智能变电站网络与DiffServ域连接,DiffServ域包括若干路由器;所述的仿真方法包括以下步骤
(1)利用OPNET对智能变电站网络系统建立仿真模型,利用业务模型进行业务配置建模;
(2)利用OPNET对DiffServ域建模,使用ethernet2_slip8_gtwy_adv模拟多路由器。
进一步的,所述的业务配置建模,包括三层,第一层是用于信息交互过程与数据大小的配置的任务定义;第二层是用于任务组合配置的应用定义;第三层是用于业务触发时间和重复周期配置的业务规格定义。
进一步的,所述的智能变电站网络包括交换机、和与交换机连接的站控主机、服务器和若干子网,所述子网包括馈线间隔子网、母线间隔子网和变压器间隔子网;用ethernet32_switch模型来模拟变电站的交换机设备;ethernet_server模型模拟变电站的服务器设备;ethernet_wkstn模型模拟变电站的站控主机。
进一步的,所述的馈线间隔子网、母线间隔子网和变压器间隔子网均包括集线器和与集线器连接的断路器、MU IED和P&C IED,集线器采用集线器HUB模拟,MU IED采用节点模型ethernet_station模拟;P&C IED采用节点模型ethernet_wkstn模拟;断路器采用节点模型ethernet_wkstn模拟。
进一步的,所述的MU IED的节点层结构包括bursty_gen单元、sink单元、eth_mac_intf单元、mac单元、hub_rx0单元和hub_tx0单元,eth_mac_intf单元分别与bursty_gen单元、sink单元和mac单元连接,mac单元分别与hub_rx0单元和hub_tx0单元连接,hub_rx0单元和hub_tx0单元相连。
进一步的,所述的P&C IED和断路器的节点层结构包括CPU单元、dhcp单元、rip单元、udp单元、hub_rx_0_0单元、hub_tx_0_0单元和两两依次相连的application单元、tpal单元、tcp单元、ip_encap单元、ip单元、arp单元、mac单元,所述的udp单元和dhcp单元、rip单元、ip_encap单元相连;所述mac单元与hub_rx_0_0单元、hub_tx_0_0单元连接,hub_rx_0_0单元与hub_tx_0_0单元连接。
本发明技术法案带来的有益效果:
本文提出基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网对智能变电站网络性能进行优化,并利用OPNET仿真平台建模仿真,验证提出的方法的有效性,结果显示提出优化方法能提高变电站网络性能,为智能变电站网络性能优化提供了重要的参考意见。
附图说明
图1 基于OPNET变电站通信网络仿真模型图;
图2为馈线间隔子网IED模型图;
图3为母线间隔子网IED模型图;
图4为变压器间隔子网IED模型图;
图5 MU节点层结构图;
图6 P&C和断路器节点层结构图;
图7 以太网延时变化曲线图;
图8集线器组成的交换式局域网结构拓扑图;
图9DiffServ机制网络拓扑图;
图10基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网拓扑图;
图11基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网变电站通信网络仿真模型图;
图12基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网馈线间隔子网仿真模型图;
图13基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网母线间隔子网仿真模型图;
图14基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网变压器间隔子网仿真模型图;
图15通信网络优化前后以太网延时变化曲线对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图,对本发明的技术方案作进一步说明。
1、智能变电站通信网络建模
基于OPNET根据变电站通信网络系统配置图建立仿真模型。利用OPNET中的业务模型进行业务配置建模,分为三个层次。第一层是用于信息交互过程与数据大小的配置的任务定义(Task Definition);第二层是用于任务组合配置的应用定义(ApplicationDefinition);第三层是用于业务触发时间和重复周期配置的业务规格定义(ProfileDefinition)。用ethernet32_switch模型来模拟变电站的交换机设备;ethernet_server模型模拟变电站的服务器设备;ethernet_wkstn模型模拟变电站的站控主机设备,如图1所示。其中,馈线间隔子网、母线间隔子网和变压器间隔子网建模结构如图2至图4所示,MUIED为实际设备合并单元IED,传送的是原始采样数据,采用节点模型ethernet_station模拟;P&C IED为保护控制单元IED,接受报文数据,采用节点模型ethernet_wkstn模拟;断路器为QF IED,传送设备状态信息报文和接受跳闸信息报文,采用节点模型ethernet_wkstn模拟,MU、P&C和断路器的节点层结构如图5和图6所示,主要完成对数据的生成、处理、接收和发送等操作,实现各个节点间信息传输的功能,每个节点间的包流线和统计线进行不仅实现了信息交换,也反映了节点间的信息处理关系。其中传输线路采用100bit/s链路模拟。
2.基于OPNET仿真结果分析
利用OPNET对变电站通信网络建模仿真,仿真时间为一小时,得到以太网通信延时time_average变化情况如图7所示。每十分钟的以太网延时、一小时内平均延时和最大延时时间如表1所示。可以看出随着变电站的运行,以太网的延时最后趋于稳定在24.7×10-5秒上下,高于平均延时,略低于最高延时时间。
表1 以太网不同时刻延时情况
时刻(min) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 平均延时 | 最大延时 |
延时时间(×10<sup>-5</sup> s) | 24.3 | 23.0 | 24.3 | 24.4 | 24.7 | 24.7 | 23.8 | 24.8 |
3.通信网络优化
本发明针对智能变电站信息传输的实时性问题,从通信网络方面提出将DiffServ机制与集线器组成的交换式局域网相结合,提出基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网的方法对变电站网络性能进行优化,提高信息传输的实时性,并基于OPNET仿真平台,验证提出的方案的有效性。
3.1集线器组成的交换式局域网
集线器组成交换式局域网是以常规局域网为基础,能够为每个节点提供专用的网络连接。集线器组成的交换式局域网络拓扑图如图8所示,子网各个设备与集线器相连接,各个子网中集线器与中心交换机相连接。通过在网段间建立多个并行连接,并为每个独立的网段提供专用的颇带,利用交换式局域网增大了传统网络的传输吞吐量、提高了传输速率的优点和集线器(HUB)有传输延时小、响应速度快等优点,提高通信网络性能。
3.2 DiffServ机制
区分服务体系结构DiffServ是一种对网络上的数据流划分优先级,根据相关因素对不同数据流提供不同水平服务的体系结构。DiffServ机制网络结构如图9所示,DiffServ域是由一些相邻的DiffServ节点构成的集合;边缘路由器主要实现传输的分类和流量的调节,保存数据流的状态信息,根据预定的数据流规格调节进入/离开DiffServ域的数据流,并在包头标记DSCP(Differentiated Services Code Point)值;核心路由器则实现一组或若干组每跳行为PHB(Per Hop Behavior),根据 DSCP值所选择的特定调度转发。在DiffServ域内,转发节点是按照PHB来进行的,最大特点是在每一传输段逐段保证PHB行为,这也是保证端到端QoS的基础。
3.3 基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网
将DiffServ机制的和集线器组成的交换式局域网的相结合,网络拓扑图如图10所示。集线器组成的交换式局域网中的交换机与DiffServ域中的边缘路由器相连接,实现信息传输中的信息分类与流量调节,提高数据传输的质量。
4 建模仿真与分析
4.1 基于OPNET建模
将DiffServ机制运用到智能变电站通信网络系统中,用OPNET建模仿真分析该机制对变电站网络性能传输的效果。基于OPNET建立仿真模型如图11所示,使用ethernet2_slip8_gtwy_adv模拟多路由器,其中路由器1和路由器4是边缘路由器,路由器2和路由器3是核心路由器。如图12至图14所示,集线器HUB取代间隔子网中的交换机,增大信号,提高传输速度,降低网络延时,用OPNET建模仿真使用ethernet16_hub模拟多端口转化器设备,为最大程度减小非研究因素对实验的影响,提高实验的说服力,其他条件保持不变。
4.2 仿真结果分析
利用OPNET对变电站通信网络仿真,仿真时间为一小时,得到通信网络优化前后以太网通信延时time_average变化情况对比如图13所示。每十分钟的以太网延时、一小时内平均延时和最大延时如表2所示。基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网的变电站与常规变电站以太网延时对比,发现交换式局域网能有效减低以太网延时,提高信息传输的有效性,而且也优于基于DiffServ机制和集线器组成的交换式局域网单独对通行网络优化效果。根据表1和表2对比发现本文提出的基于DiffServ机制的集线器组成的交换式局域网的通信网络优化方法对智能变电站通行网络优化,其以太网延时平均优化率为55.04%,最大优化率为52.82%。
表2通信网络优化后以太网不同时刻延时情况
Claims (5)
1.基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,其特征在于所述的智能变电站网络包括集线器组成的智能变电站网络和DiffServ域,智能变电站网络与DiffServ域连接,DiffServ域包括若干路由器;所述的仿真方法包括以下步骤
将DiffServ机制的和集线器组成的交换式局域网的相结合,集线器组成的交换式局域网中的交换机与DiffServ域中的边缘路由器相连接;将DiffServ机制运用到智能变电站通信网络系统中,基于OPNET建立仿真,使用ethernet2_slip8_gtwy_adv模拟多路由器,集线器HUB取代间隔子网中的交换机,使用ethernet16_hub模拟多端口转化器设备;
利用OPNET对智能变电站网络系统建立仿真模型,利用业务模型进行业务配置建模;所述的业务配置建模,包括三层,第一层是用于信息交互过程与数据大小的配置的任务定义;第二层是用于任务组合配置的应用定义;第三层是用于业务触发时间和重复周期配置的业务规格定义;
利用OPNET对DiffServ域建模,使用ethernet2_slip8_gtwy_adv模拟多路由器。
2.根据权利要求1所述的基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,其特征在于所述的智能变电站网络包括交换机、和与交换机连接的站控主机、服务器和若干子网,所述子网包括馈线间隔子网、母线间隔子网和变压器间隔子网;用ethernet32_switch模型来模拟变电站的交换机设备;ethernet_server模型模拟变电站的服务器设备;ethernet_wkstn模型模拟变电站的站控主机。
3.根据权利要求2所述的基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,其特征在于所述的馈线间隔子网、母线间隔子网和变压器间隔子网均包括集线器和与集线器连接的断路器、MU IED和P&C IED,集线器采用集线器HUB模拟,MU IED采用节点模型ethernet_station模拟;P&C IED采用节点模型ethernet_wkstn模拟;断路器采用节点模型ethernet_wkstn模拟。
4.根据权利要求3所述的基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,其特征在于所述的MU IED的节点层结构包括bursty_gen单元、sink单元、eth_mac_intf单元、mac单元、hub_rx0单元和hub_tx0单元,eth_mac_intf单元分别与bursty_gen单元、sink单元和mac单元连接,mac单元分别与hub_rx0单元和hub_tx0单元连接,hub_rx0单元和hub_tx0单元相连。
5.根据权利要求3所述的基于OPNET的智能变电站网络性能优化仿真方法,其特征在于所述的P&C IED和断路器的节点层结构包括CPU单元、dhcp单元、rip单元、udp单元、hub_rx_0_0单元、hub_tx_0_0单元和两两依次相连的application单元、tpal单元、tcp单元、ip_encap单元、ip单元、arp单元、mac单元,所述的udp单元和dhcp单元、rip单元、ip_encap单元相连;所述mac单元与hub_rx_0_0单元、hub_tx_0_0单元连接,hub_rx_0_0单元与hub_tx_0_0单元连接。
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