孫毅, 李世豪，李彬，李德智

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

基于IEC 61850的智能配電通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺設(shè)計(jì)

孫毅1, 李世豪1，李彬1，李德智2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

可靠性、實(shí)時(shí)性、雙向性是智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)必須滿足的要求。在當(dāng)前智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，基于最新的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對智能配電網(wǎng)業(yè)務(wù)流量以及通信需求進(jìn)行建模。在開源的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 OMNeT++平臺上建立了智能配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型。仿真研究了在加入大量的分布式能源以及電動汽車等數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)的背景下，過程層IED和站控層配電子站之間的通信交互過程，對比分析了在不同帶寬、不同業(yè)務(wù)流量背景下IED和配電子站進(jìn)行信息交互過程的傳輸時(shí)延。

OMNeT++；智能配電網(wǎng)；IEC 61850；通信網(wǎng)絡(luò)；仿真平臺設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著我國提出以通信平臺為依托，智能技術(shù)為手段的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”概念，“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”3個(gè)指標(biāo)的高度一體化要求，圍繞智能電網(wǎng)展開的通信平臺建立的重要性越顯突出[1-2]。智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中連接主網(wǎng)和面向用戶供電的重要組成部分，信息集成通過實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的共享和利用，成為實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)兼容、自愈、互動和優(yōu)化的基礎(chǔ)[3]。隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，分布式電源以及電動汽車的出現(xiàn)和發(fā)展以及電能質(zhì)量要求的逐步提高給配電網(wǎng)的運(yùn)行和控制帶來了很多挑戰(zhàn)，因此智能配電網(wǎng)作為解決上述問題的主要技術(shù)方法，為配電網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展指明了方向[4]。

隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)中業(yè)務(wù)的類型也在不斷增加，伴隨而來的是大量的數(shù)據(jù)與信息。由于配電網(wǎng)絡(luò)中傳遞的信息量越來越大，需要設(shè)計(jì)出合適的通信系統(tǒng)來滿足可靠性、實(shí)時(shí)性、雙向性的要求。對于智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，文獻(xiàn)[5]研究了智能配電網(wǎng)信息架構(gòu)的基本組成，分析了信息模型可用的國際標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[6]采用NS2對有源配電網(wǎng)管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)特性進(jìn)行了仿真。然而對智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究仍有很多工作要做。此外配電網(wǎng)的另一個(gè)主要特點(diǎn)是終端數(shù)量大，分布范圍廣，需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作性；允許不同廠商生產(chǎn)的IED設(shè)備進(jìn)行信息的交換并且能夠保持系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為變電站自動化提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了不同智能設(shè)備間的無縫接入[7]。隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善，以及第二版的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的出臺，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)逐漸推廣至變電站自動化外的其他領(lǐng)域，并將成為智能配電網(wǎng)信息通信體系的重要組成部分[8]。

本文首先介紹傳統(tǒng)配電網(wǎng)通信系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出未來智能配電網(wǎng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其次討論IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用。最后介紹一種開源的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OMNeT++，并且在OMNeT++平臺上對典型配電網(wǎng)及其通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，在不同業(yè)務(wù)流量背景下，采用不同類型的通信網(wǎng)絡(luò)，對配電終端和配電子站間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳輸延時(shí)進(jìn)行仿真。

1 智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

當(dāng)前的智能配電網(wǎng)系統(tǒng)采用了分層的結(jié)構(gòu)，分別設(shè)立了配電主站、配電子站以及配電終端。配電主站處于配電自動化系統(tǒng)的頂層，負(fù)責(zé)整個(gè)配電網(wǎng)的調(diào)度、監(jiān)測與控制；配電終端采集并上傳各種現(xiàn)場信息，執(zhí)行上級系統(tǒng)下發(fā)的控制命令[9]。配電子站將配電終端采集的各種現(xiàn)場信息中轉(zhuǎn)給主站的通信處理機(jī)，將主站下發(fā)的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的配電終端設(shè)備[10]。

隨著配電網(wǎng)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，大量的分布式電源的出現(xiàn)以及電動汽車的逐漸普及，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)模型已經(jīng)不能滿足未來智能配電網(wǎng)多業(yè)務(wù)的需求，需要研究新的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)相比，配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的第3層不再僅僅只有配電終端，分布式電源和電動汽車的監(jiān)控單元以及智能電表都可以作為終端設(shè)備，向子站傳遞用電信息。隨著業(yè)務(wù)種類的不斷增加以及信息數(shù)量的不斷增加，需要在配電子站處增設(shè)相應(yīng)的控制以及管理單元，針對具體不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的管理和控制，以免造成混亂。文獻(xiàn)[11]提出了一種如圖1所示的智能配電網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)，滿足未來智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的要求。

圖1 智能配電網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Communication architecture of intelligent distribution network

2 IEC 61850在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 基于IEC 61850的智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[12]參照IEC 61850的3層模型，將智能配電網(wǎng)劃分為3層，即主站層、饋線層以及終端層，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于IEC 61850的配電自動化分層體系Fig.2 Distribution automation system based on IEC 61850

圖2中，主站層位于最頂層，是整個(gè)配電網(wǎng)的核心。饋線層從整體上實(shí)現(xiàn)了對一條饋線的邏輯處理功能，通常需要多個(gè)配電終端相互配合[12]。終端層位于最底層，其中包括柱上開關(guān)FTU、環(huán)網(wǎng)柜FTU以及配電變壓器檢測終端TTU等。

2.2 IEC 61850在配電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

IEC 61850作為一種通信協(xié)議，通過SCSM可以映射到MMS、以太網(wǎng)、WebService、IEC 60870-5-101/104、DNP3.0等多種協(xié)議上，具有可以使具體技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法相互獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)，還可以兼容配電網(wǎng)原有的通信規(guī)約，做到統(tǒng)一整個(gè)智能配電網(wǎng)的通信規(guī)約，不會造成混亂。此外，IEC 61850具有全面的功能和合適的數(shù)據(jù)建模方法，在配電網(wǎng)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)類型日益激增的條件下，仍可以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)化，提高了通信效率。

IEC 61850的映射方式有很多種，每一種映射對應(yīng)于不同的業(yè)務(wù)類型，都有著自己的特點(diǎn)，因此我們需要根據(jù)智能配電網(wǎng)的不同業(yè)務(wù)類型，不同的需求來選擇相應(yīng)的映射方式。例如配電終端與配電子站之間的信息傳遞主要考慮選擇MMS映射，然而GOOSE報(bào)文則更多地運(yùn)用在配電終端與配電終端的信息傳遞中，本文主要研究MMS映射，對GOOSE報(bào)文則不做太多討論。

3 智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)仿真平臺的構(gòu)建

本文基于第2節(jié)提出的配電自動化分層體系及IEC 61850在配電網(wǎng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用OMNeT++軟件搭建了智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)仿真平臺。

基于第1節(jié)提出的未來智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，通過OMNeT++仿真軟件構(gòu)建了智能配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模型。智能配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的模型如圖3所示。

圖3 智能配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Communication network model of intelligent distribution network

該仿真包括下列模。

(1)智能電子設(shè)備(intelligeat electronic device, IED)：其行為是在接收到服務(wù)器下發(fā)的指令后做出相應(yīng)地反應(yīng)，并且周期性地向服務(wù)器上傳采集到的數(shù)據(jù)。

(2)交換機(jī)：起到IED與服務(wù)器之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用，具有堆棧功能。

(3)服務(wù)器：該模塊可以向IED下發(fā)連接請求等指令并動態(tài)建立處理模塊，處理IED的數(shù)據(jù)交換請求。

(4)服務(wù)器處理模塊：該模塊由服務(wù)器動態(tài)建立，負(fù)責(zé)處理IED的數(shù)據(jù)請求交換。

每一個(gè)IED周期性地與服務(wù)器進(jìn)行連接，并與其交換數(shù)據(jù)。建立連接后，服務(wù)器向IED發(fā)送隨機(jī)個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)交換指令，然后關(guān)閉連接。服務(wù)器同一時(shí)間內(nèi)可以處理多個(gè)連接請求，連接建立后，服務(wù)器便為每個(gè)連接動態(tài)建立“服務(wù)處理模塊”。本文僅關(guān)心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的時(shí)間延遲，因此只統(tǒng)計(jì)IED與服務(wù)器每次進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳輸延時(shí)，而不考慮建立連接與斷開連接的時(shí)間。

圖3中含有20個(gè)IED，分別對應(yīng)著不同的業(yè)務(wù)類型，包括監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition, SCADA)業(yè)務(wù)、饋線自動化業(yè)務(wù)、分布式電源業(yè)務(wù)、電動汽車業(yè)務(wù)、用電信息采集業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)等。

隨著智能配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)業(yè)務(wù)類型和數(shù)量不斷增加，因此本文還仿真了40個(gè)IED的通信系統(tǒng)，測試當(dāng)業(yè)務(wù)種類增加時(shí)，原有的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)是否還能滿足信息傳遞的實(shí)時(shí)性。

4 仿真案例及結(jié)果分析

本文用第3節(jié)搭建的仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試，來比較在不同的業(yè)務(wù)流量背景下，采用不同帶寬對智能配電網(wǎng)的IED和配電子站之間的數(shù)據(jù)交換時(shí)延進(jìn)行仿真。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模廣泛采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ梢暬瘓D元體系設(shè)計(jì)、可視化窗口體系設(shè)計(jì)、插件化模塊組織等。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)提供的各種概念和技術(shù)組織代碼，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重要功能，控制開發(fā)的復(fù)雜性。鑒于本平臺運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，本項(xiàng)目選取了OMNeT++仿真開發(fā)平臺，滿足Client /Server 混合數(shù)據(jù)傳輸模式，既保證了數(shù)據(jù)管理軟件的易用性，也保證了規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件的專業(yè)性和運(yùn)行效率。

4.1 智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)流模型

本文依據(jù)第1節(jié)中智能配電網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)并且參考文獻(xiàn)[13-14]，分析了未來智能配電網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)流量模型。

未來智能配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)主要包括SCADA業(yè)務(wù)、饋線自動化業(yè)務(wù)、分布式電源業(yè)務(wù)、電動汽車業(yè)務(wù)、用電信息采集業(yè)務(wù)以及配電線路視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)等。本文只選取了有代表性的幾類業(yè)務(wù)，未來隨著業(yè)務(wù)種類的增加，可以在此仿真平臺上對參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足未來智能配電網(wǎng)更多業(yè)務(wù)類型的需求。具體業(yè)務(wù)類型以及流量大小見表1。

表1 智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量

Table 1 Intelligent distribution network data traffic

4.2 仿真平臺運(yùn)行機(jī)制建模

在已有的通信架構(gòu)模型上，采用OMNeT++軟件建模仿真，并設(shè)定對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲庫用以收集仿真結(jié)果，動態(tài)模擬智能配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺運(yùn)行效果。側(cè)重對IEC61850中的Client/Service(客戶/服務(wù)器)方式進(jìn)行建模，模擬配電子站和IED之間的建立連接、數(shù)據(jù)交換以及斷開連接的過程，主要統(tǒng)計(jì)每一次數(shù)據(jù)交換時(shí)的傳輸時(shí)延。

綜合智能配電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的具體需求，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)采用MMS+TCP/IP+以太網(wǎng)的方式，傳輸層采用TCP或UDP協(xié)議。具體的通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of communication protocol stack

基于4.1節(jié)中的智能配電網(wǎng)各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流模型，本文設(shè)定了低背景流量以及高背景流量2種場景，2種背景均包括上述全部業(yè)務(wù)，但低背景流量下的電動汽車、用電信息采集、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率取較小值，高背景流量下，3種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率取較大值。數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別采用 10 Mbit/s以及100 Mbit/s來進(jìn)行IED和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換,分別仿真了低流量以及中高流量背景的業(yè)務(wù)流量下，IED和服務(wù)器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換的傳輸時(shí)延，并將仿真的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

本文選用OMNeT++仿真軟件，并且基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，主要仿真了智能配電網(wǎng)通訊方式中的Client/Server模型，包含IEDS、交換機(jī)、服務(wù)器以及服務(wù)器處理器這4個(gè)模塊，動態(tài)仿真了IED和配電子站(服務(wù)器)從建立連接到數(shù)據(jù)交換到對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理再到斷開連接的過程。其中主要的模塊Sever的流程圖如圖5所示。

圖5 Sever 模塊流程圖Fig.5 Flow chart Sever module

4.3 仿真平臺運(yùn)行及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證和比較在不同IEC 61850承載下的配電網(wǎng)業(yè)務(wù)流量背景下，分別采用10 Mbps和100 Mbps的帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的延時(shí)能否滿足智能配電網(wǎng)的通信需求，本文利用第3節(jié)搭建的仿真平臺進(jìn)行仿真測試。

首先對低背景流量場景進(jìn)行仿真，在程序運(yùn)行開始時(shí)對過程層的IED數(shù)量進(jìn)行設(shè)置(即仿真不同的業(yè)務(wù)背景流量)。

在低背景業(yè)務(wù)流量場景下，將IED的數(shù)量設(shè)定為20個(gè)，分別對應(yīng)了SCADA業(yè)務(wù)、饋線自動化業(yè)務(wù)、分布式電源業(yè)務(wù)、電動汽車業(yè)務(wù)、用電信息采集業(yè)務(wù)、視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)。其中電動汽車業(yè)務(wù)、用電信息采集業(yè)務(wù)和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率取較小值。

首先Sever將會隨機(jī)向IED發(fā)送建立連接指令，發(fā)送的消息會在Swich模塊里進(jìn)行排隊(duì)，再發(fā)送給IED模塊，如果此時(shí)隊(duì)列不為空，則提取下一個(gè)消息，如果隊(duì)列為空，則模擬處理時(shí)延；同時(shí)到達(dá)的其他數(shù)據(jù)包，需要將其插入隊(duì)列中。如果排隊(duì)的長度超出了隊(duì)列的最大長度，則丟包，連接將不會建立，也就因此不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。接收到連接建立指令的IED模塊會變成綠色，回復(fù)指令后等待服務(wù)器的連接消息，如果在一段時(shí)間以后仍收不到消息，則跳出循環(huán)。

如果IED在等待的時(shí)間里收到了Sever發(fā)送的連接消息，則變成黃色，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)將隨機(jī)產(chǎn)生每一個(gè)IED和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的次數(shù)，用來模擬智能配電網(wǎng)在不同時(shí)間產(chǎn)生不同的信息量，IED將每隔一定的時(shí)間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換。IED會在一段時(shí)間內(nèi)等待接收服務(wù)器處理過的消息以及下達(dá)的指令，如果在等待的時(shí)間內(nèi)沒有收到消息，則直接斷開連接。

Sever模塊收到消息后將對消息進(jìn)行判斷，判斷消息是連接請求還是數(shù)據(jù)交換請求，如果是數(shù)據(jù)交換請求，則會動態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理模塊，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊收到消息后，將會仿真數(shù)據(jù)處理過程，并且設(shè)置并發(fā)送數(shù)據(jù)交換應(yīng)答。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，Sever模塊會將消息轉(zhuǎn)發(fā)給IED模型，本文重點(diǎn)關(guān)注的是從IED發(fā)送數(shù)據(jù)交換消息到接收到處理后的數(shù)據(jù)消息所產(chǎn)生的時(shí)間延遲。

接下來在IED和Sever完成數(shù)據(jù)交換后，Sever向IED模塊發(fā)送斷開連接指令，然后IED模塊會變成藍(lán)色。在IED回復(fù)斷開指令后，Sever將會設(shè)置和發(fā)送斷開連接消息，在IED接收到斷開連接消息后，整個(gè)連接過程結(jié)束，之后將進(jìn)行下一階段的連接過程。仿真平臺仿真的結(jié)果如下所示。

(1)10 Mbps帶寬，低流量背景20 IED仿真結(jié)果如圖6所示，通過仿真結(jié)果可以看出，IED和配電子站進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換的傳輸延時(shí)在55～75 ms，滿足饋線自動化業(yè)務(wù)快速性的需求。

(2)100 Mbps帶寬，低流量背景20 IED仿真結(jié)果如圖7所示，通過仿真結(jié)果可以看出在采用100 Mbps的帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，傳輸延時(shí)在3.5～9.0 ms，極大地降低了傳輸延時(shí)，保證了快速性的需求。

(3)10 Mbps帶寬，低流量背景40 IED仿真結(jié)果如圖8所示，當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)量增加到40的時(shí)候，通過仿真結(jié)果可以看出傳輸延時(shí)在52.5～75 ms。

圖6 低流量背景10 Mbps帶寬的傳輸時(shí)延Fig.6 Transmission delay of 10 Mbps bandwidth in low traffic background

圖7 低流量背景100 Mbps帶寬的傳輸時(shí)延Fig.7 Transmission delay of 100 Mbps bandwidth in low traffic background

圖8 40 IED低流量背景10 Mbps帶寬的傳輸時(shí)延Fig.8 Transmission delay of 10 Mbps bandwidth in low traffic background of 40 IED

(4)10 Mbps下低流量背景下20 IED與40 IED仿真結(jié)果對比如圖9所示，通過對比結(jié)果可以看出，20個(gè)IED的傳輸延時(shí)的曲線大部分都在40個(gè)IED傳輸延時(shí)曲線的下面，即隨著業(yè)務(wù)類型增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)變得越來越擁塞，傳輸延時(shí)也會隨之增加。

雖然時(shí)延有所提高，但是二者均能滿足快速性的需求。

圖9 10 Mbps下低流量背景20 IED與40 IED對比Fig.9 Comparison between 20 IED and 40 IED under low traffic 10 Mbps

(5)低背景流量下，20 IED，10 Mbps與100 Mbps仿真結(jié)果對比如圖10所示，通過仿真結(jié)果可以看出，在相同業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)流量背景下采用100 Mbps的帶寬可以極大地減小傳輸時(shí)延，更好地保證了饋線自動化的快速性的需求。

圖10 20 IED低流量背景10 Mbps與100 Mbps對比Fig.10 Comparison of 10 Mbps and 100 Mbps in low traffic 20 IED

(6)10 Mbps帶寬，20 IED，低流量背景與高流量背景對比仿真結(jié)果如圖11所示，通過仿真結(jié)果可以看出在高業(yè)務(wù)流量背景下，采用10 Mbps的傳輸延時(shí)在120～150 ms，傳輸延時(shí)極大增加。這是由于以太網(wǎng)采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測的介質(zhì)控制機(jī)制，發(fā)生沖突后所有節(jié)點(diǎn)采用相同的退避機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重時(shí)易發(fā)生丟包，使得系統(tǒng)的通信性能大大降低，無法滿足快速性的需求。

圖11 10 Mbps帶寬，20 IED,低流量背景與高流量背景對比Fig.11 Low traffic background and high traffic background contrast under 10 Mbps bandwidth 20 IED

5 結(jié) 論

隨著智能配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，分布式電源、電動汽車、視頻監(jiān)控等更多的業(yè)務(wù)流逐漸融入智能配電網(wǎng)，使得配電網(wǎng)絡(luò)中傳遞的信息量越來越大，為了滿足智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性、雙向性的要求，需要對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試與改進(jìn)。為分析智能配電網(wǎng)環(huán)境下多業(yè)務(wù)流量對配電網(wǎng)通信系統(tǒng)信息交互實(shí)時(shí)性的影響，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)以及OMNeT++仿真軟件建立了智能配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。通過對業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)流量、傳輸帶寬以及堆棧存儲量的控制，分析信息傳輸?shù)难訒r(shí)，可以設(shè)計(jì)出適合未來智能配電網(wǎng)多業(yè)務(wù)類型、高業(yè)務(wù)流量的網(wǎng)絡(luò)。此外通過OMNeT++仿真軟件，可以動態(tài)觀察各層之間的信息交互過程，更容易發(fā)現(xiàn)存在的問題，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，為智能配電網(wǎng)的后續(xù)研究和開發(fā)設(shè)計(jì)提供可參考意見。

[1]王益民. 堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究框架[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(22):1-6. WANG Yimin. Research framework of technical standard system of strong& smart grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(22) :1-6.

[2]張晶, 閆華光, 趙等君. 電力需求響應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與IEC PC118[J]. 供用電，2014，31(3):32-35.

[3]RONCERO J R. Integration is key to smart grid management[C]//Proceedings of CIRED Seminar 2008: Smart Grid for Distribution. 2008. Frankfurt, Germany: 1-4.

[4]徐丙垠, 李天友, 薛永端. 智能配電網(wǎng)與配電自動化[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(17): 38-41. XU Bingyin, LI Tianyou, XUE Yongduan. Smart distribution grid and distribution automation[J].Automation of Electric Power

Systems,2009,33(17):38-41.

[5]趙江河，王立巖. 智能配電網(wǎng)的信息架構(gòu)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(15)：26-29. ZHAO Jianghe, WANG Liyan. Information structure of smart distribution network[J]. Power System Technology，2009，33(15)：26-29.

[6]YANG Q, BARRIA J A, GREEN T C. Communication infrastructures for distributed control of power distribution networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2011, 7(2): 316-327.

[7]Communication networks and systems in substations：IEC 61850[S]. IECTC57，2004.

[8]李永亮，李剛. IEC 61850第2版簡介及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用展望[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2010,34(4): 11-16. LI Yongliang, LI Gang. An introduction to 2nd edition of IEC 61850 and prospects of its application in smart grid[J]. Power System Technology, 2010,34(4): 11-16.

[9]王益民. 實(shí)用型配電自動化技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[10]韓國政, 徐丙垠. IP網(wǎng)絡(luò)在配電自動化中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(17): 38-41. HAN Guozheng, XU Bingyin. Application of IP network in distribution automation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(17): 38-41.

[11]黃飛, 王曉茹, 董雪源, 等. 基于EPOCHS平臺的智能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)仿真[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2013，37(11)：81-86. HUANG Fei, WANG Xiaoru, DONG Xueyuan, et al. A simulation for smart distribution grid communication system based on EPOCHS[J]. Automation of Electric Power Systems，2013，37(11)：81-86.

[12]韓國政,徐丙垠. 基于IEC 61850的高級配電自動化開放式通信體系[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2011,35(4)：183-186. HAN Guozheng, XU Bingyin. IEC 61850-based open communication system of advanced distribution automation[J]. Power System Technology, 2011, 35(4)：183-186.

[13]趙子巖, 胡浩. 一種基于業(yè)務(wù)斷面的智能配用電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)流量計(jì)算方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(11): 12-17. ZHAO Ziyan, HU Hao. A new service section based method to calculate service data flow of communication network for smart power distribution and utilization system[J]. Power System Technology, 2011, 35(11): 12-17.

[14]辛建波, 段獻(xiàn)忠. 基于DiffServ網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變電站信息綜合傳輸[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005， 29(5): 69-73. XIN Jianbo, DUAN Xianzhong. Implementation of integrative information transmission in substation based on the diffsery network[J]. Automation of Electric Power Systems，2005，29(5)：69-73.

(編輯 張媛媛)

Communication Network Simulation Platform Design of Intelligent Power Distribution Based on IEC 61850

SUN Yi1, LI Shihao1, LI Bin1, LI Dezhi2

(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Reliability, real-time performance and bidirection are the requirements of the communication system of intelligent distribution network. Based on the analysis of current intelligent distribution network communication system and the latest IEC 61850 standard, this paper constructs the model for the traffic and communication needs of the intelligent distribution network. We build the simulation model of the communication network in intelligent distribution network on the OMNeT++, which is an open source platform of multi protocol network simulation software. In the background of the data flow which adds a large amount of distributed energy and electric vehicle, we study the communication process between the process-level IED and the station-level distribution substation, and compare the transmission delay of IED and distribution substation under different bandwidth and traffic background.

OMNeT++; intelligent distribution network; IEC 61850; communication network; design of simulation platform

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2015AA050203)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307051)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014ZP03，2015ZD01)；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(智能電網(wǎng)用戶行為理論與互動化模式研究)Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050203)； National Natural Science Foundation of China(51307051)； Fundamental Research Funds for the Central Universities(2014ZP03，2015ZD01)

TM 76

A

1000-7229(2016)02-0118-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.017

2015-11-22

孫毅(1972)，男，教授，主要從事電力系統(tǒng)通信相關(guān)技術(shù)研究工作；

李世豪(1993)，男，碩士研究生，主要從事IEC 61850在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用、智能配電網(wǎng)的研究工作；

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化與信息化相關(guān)技術(shù)研究工作；

李德智(1982)，男，碩士研究生，主要從事智能用電、需求響應(yīng)、能效管理方面的研究工作。