基于IEC61850的数字化牵引变电所综自系统通信网络的仿真研究

摘 要：基于IEC61850标准的通信要求，构建了两种可行的数字化牵引变电所通信网络（CNDS）用以服务所内的综自系统（IAS）。分析了它们的网络性能，并在OPNET软件中搭建相应的仿真模型，模拟不同的通信场景进行仿真验证。结果表明，所构建的两种通信网络均能够满足IEC61850标准对传输时延的要求，网络性能良好。

关键词：IEC61850 数字化牵引变电所 综自系统 网络仿真

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（b）-0027-02

IEC61850标准作为迄今为止最完善的变电站通信协议，是实现变电站数字化和智能化的基础。高速电气化铁路客运专线具有速度快、节能环保和乘坐舒适的优点，是铁路客运的必然发展趋势。牵引变电所是高速铁路客运专线的核心部分，为整条线路提供电源，同时它也是电力系统的重要用户之一。

显然，高速、可靠的CNDS是完成牵引变电所综合自动化功能，达到牵引变电所数字化和智能化的必要前提。

1 CNDS的组建

CNDS的组建主要存在两种主流方式，一是将过程层子网作为独立部分进行组建，与站级网络分开配置，称为独立过程层子网方式，缺点是各功能间隔之间无法进行信息共享，另一个是全站使用唯一的网络进行连接，过程层信息得到最大程度的共享，成为全站唯一网络方式。

2 独立过程层子网方式下的CNDS实时性能仿真分析

2.1 过程层子网仿真分析

过程层子网上主要传输的数据包括：SV报文和GOOSE报文，这些报文种类较少，数据流量较为连续，且相对稳定，所以对过程层子网的仿真主要考察网络的稳态性能。

在OPNET中搭建独立过程层子网的仿真模型如图1所示。其中红色模块为过程层各功能间隔，如牵引变压器间隔的子网连接情况。通信链路采用100 Mbps光纤连接。各功能间隔子网的仿真模型展开如图2～图4所示。现以图2所示的主变压器间隔子网为例进行说明如下：

（1）交换机为3Com公司的SSII型以太网交换机，全双工通信，支持VLAN，所有子网交换机均与中心交换机相连。

（2）IED（智能电子设备）视为以太网节点，采用ethernet_wkstn_adv节点模型进行模拟，支持各类数据包的接收和发送。

（3）Application Definition和Profile Definition模块用于配置网络以及各个节点的业务状态，Application Definition中设置仿真参数，Profile Definition用于将设定好的通信业务配置到所在网络中。其余间隔子网的节点配置情况同理。

过程层子网主要仿真参数如表1所示。开关IED以5 ms为一个周期持续不断地进行开入报文广播发送；保护测控IED以1 ms为周期进行开出报文广播发送，持续时间为10 ms。仿真时间设置为120 s。

2.2 站级网络仿真分析

在OPNET中搭建站级网络的仿真模型，节点功能名称按高速铁路客运专线牵引变电所IAS配置要求确定，SCADA节点用于综合监控以及远动的通信。FTP节点用于模拟大数据量的文件传输业务。

正常情况下的遥测/遥信数据持续通信，仿真时间设为30 s。正常情况下的控制命令由SCADA节点发出，设置其从10 s开始。20 s时产生突发性事件，各类突发性数据节点产生。

运行仿真得到站级网络报文ETE Delay波形图，站级网络ETE Delay约为0.08 ms。在20s时由于突发事件的产生使网络的ETE Delay有所波动，约增大至0.11 ms，而后ETE Delay复归。满足IEC61850对快速报文传输时延小于4 ms的要求。

3 全站唯一网络方式下的CNDS实时性能仿真分析

独立过程层子网方式的CNDS对于原有设备的兼容性较好，改造较易实现，是现有传统变电所进行数字化改造的一种良好过渡方案。但该方式信息共享度低，或多或少地制约了变电所的数字化效能。

运行仿真得到全站唯一网络方式下CNDS报文ETE Delay波形图，可以看出，在0～30 s内，由于站控层和间隔层之间存在因突发事件导致的大量文件传输情况，网络报文ETE Delay约为0.056 ms。30 s～60 s内，变电所处于正常运行状态，仅由MU节点发送SV报文产生数据流量，ETE Delay约为0.048 ms。60 s时，变电所发生故障，产生GOOSE报文，ETE Delay增大至约为 0.054 ms。

4 结论

该文基于IEC61850标准及牵引变电所综自功能的要求，提出了两种数字化牵引变电所改造过程中的通信网络组网方案。通过分析其各自的特点与实现难度，指出过程子网目前较易实现，而全站惟一网络将凭借信息高度共享等优势成为CNDS的最终形态。利用OPNET网络仿真技术，依据CNDS实际承载的功能，建立了过程子网和站级网络的动态仿真模型，围绕网络延时和端到端延时等网络性能指标，对不同组网方式和应用功能下的网络性能进行了考察，得出了具有普遍适用性的结论和建议，为分析解决此类问题提供了通用方法。

参考文献

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