電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨秆芯?/h1>
2017-09-30 05:59崔小鵬徐興華
船電技術(shù) 2017年9期
饒 金，崔小鵬，徐興華
?
電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨秆芯?/p>
饒 金，崔小鵬，徐興華
(武漢軍事代表局駐461代表室，武漢430033)
電力監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的實時性要求很高，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段較難開展與擬建網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？杀鹊膶嶒瀬砼袛嗑W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時性能。電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，相比建立有效的解析模型對它進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，網(wǎng)絡(luò)仿真法更適合大型系統(tǒng)的性能預(yù)測，本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真法對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性、流量特性進(jìn)行分析比較，為今后組建電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)時延 網(wǎng)絡(luò)可靠性 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
0 引言
合理的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢员硎鰹椋涸趯崿F(xiàn)裝置功能并滿足傳輸時間要求的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)分布的優(yōu)化以提高網(wǎng)絡(luò)可靠性、安全性和實時性水平。與一般網(wǎng)絡(luò)相比，電力系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)需求特點(diǎn)如表1所示[1-5]。
一般的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載波動規(guī)律，注重平均吞吐量，平均傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)的利用率等，對可靠性和實時性的要求不高；而電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)量不多，但是在出現(xiàn)故障后，數(shù)據(jù)量會顯著增加，所以更關(guān)注網(wǎng)絡(luò)最大吞吐量、在最壞情況下的最大端到端時延。
不同于一般的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)具較好可靠性；為較好完成各種監(jiān)測任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)還要有較好抗毀性、重構(gòu)性等；同時為滿足裝置對保護(hù)動作的響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)還要滿足實時性要求；為方便維修和空間限制，在滿足條件的前提下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)較為簡單。
目前商用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件主要有MIL3公司的OPNET、CACI公司的COMNET III，科研用軟件主要有UC Berkeley NS-2。經(jīng)過比較分析，OPNET綜合采用基于包和數(shù)學(xué)分析的建模方法，既可得到非常詳細(xì)的模擬結(jié)果，也可獲得較快的仿真計算速度。因此本文采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行仿真分析[6, 7]。
采用OPNET進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真主要分為以下五步：需求分析、定義輸入/輸出、系統(tǒng)建模、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)/仿真和分析，仿真工作流程如圖1所示。
由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響，本文對電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真法對主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性、流量特性進(jìn)行分析比較。
1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在OPNET仿真軟件中，建立功能型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)場景圖2a和圖2b所示，各個設(shè)備節(jié)點(diǎn)分為嵌入式設(shè)備節(jié)點(diǎn)和非嵌入式設(shè)備，其中嵌入式設(shè)備共80多個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用ethernet_workstation節(jié)點(diǎn)模型。每個節(jié)點(diǎn)間隔4ms發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)為1024 byte，數(shù)據(jù)從105 s時開始在1 s內(nèi)按均勻分布開始發(fā)送。同樣非嵌入式設(shè)備共14個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)間隔30 ms發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)為8 byte，節(jié)點(diǎn)符號見主要符號(縮寫)說明。
圖中最右面的Task_0、App_1和Profile_0分別為任務(wù)定義（Task Definition）、應(yīng)用定義（Application Definition）和業(yè)務(wù)規(guī)格定義（Profile Definition）。任務(wù)定義用于設(shè)定自定義業(yè)務(wù)，產(chǎn)生新的應(yīng)用。應(yīng)用定義具體描述應(yīng)用的動作，即要發(fā)送的一類數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)。業(yè)務(wù)規(guī)格用來描述節(jié)點(diǎn)的行為，即通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送什么樣的數(shù)據(jù)流，發(fā)送時間、持續(xù)時間長短等。
2 性能對比
2.1時延分析對比
圖3a是周期性數(shù)據(jù)傳輸仿真平均時延，以及實測端端之間平均時延。對于本裝置時延主要原因是交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)所造成的。因此仿真與實測為最遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r延。圖3b是端到端時延。以上仿真是在負(fù)載為25%下進(jìn)行的，圖3c為仿真時網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
（a) 平均時延對比
（b) 時延對比
（c) 傳輸負(fù)載對比
圖3 OPNET仿真波形
2.2 可靠性對比
對于環(huán)形結(jié)構(gòu)，其可靠性為
(2)
下式中“
對于整數(shù)(>0)，為數(shù)據(jù)包從N到N經(jīng)過個步驟，可靠性，因此拓?fù)淇煽啃裕?/p>
根據(jù)以上網(wǎng)絡(luò)可靠性算法，計算兩種不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，其中交換機(jī)可靠性為99.99%[1]，鏈路可靠性為99%[3]，假設(shè)所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)可靠性均相同為99.8%。計算得到兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性1=0.93014。2=0.89103。
2.3 流量特性
流量特性，電力系統(tǒng)主要以確定性數(shù)據(jù)流為主，流量短時集中，故障數(shù)據(jù)上傳時，網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測的流量信息如圖3.9所示，最大流量約為5 M bps，平均約為2.3 Mbps，以10%的利用率，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。
實際測試中，時延主要是由于網(wǎng)管交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制造成的，經(jīng)測試，目前最嚴(yán)苛端到端時延最小為0.7 ms，最大為2.5，平均時延約有1.5 ms，如圖3a所示。能夠滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求。綜合考慮可靠性、時延性和流量特性，采用基于功能型自愈環(huán)星型結(jié)構(gòu)能夠滿足全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求。
圖5 網(wǎng)絡(luò)流量
3 結(jié)論
本文對電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，采用網(wǎng)絡(luò)仿真法對主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性、流量特性進(jìn)行分析比較，為今后組建電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。
[1] Ruggedcom 2200 installation guide[C]．http://www.ruggedcom.com．
[2] 王牣．高速鐵路牽引供電自動化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)研究[D]．上海：西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2011．
[3] 光連接器用戶說明書[C]．http://www.jonhon.cn．
[4] Koubaa A，Song Y．Upper bound evaluation of response time for real-time communication [C]．11th Conference RTS Embedded Systems．Paris：2003．
[5] 羅禹貢，董珂，馮能蓮，等．基于OPNET的混合動力電動車CAN建模與仿真[J]．清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005,45(5):689-692．
[6] 高會生，靳瑋瑋．基于OPNET的變電站端對端通信實時性仿真研究[J]．繼電器，2006，34(19)：33-37．
[7] 吳在軍，胡敏強(qiáng)，杜炎森．變電站通信網(wǎng)絡(luò)實時性能仿真分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2005，29(8)：45-49．
[8] 閆在春，程夕明，南金瑞，等．燃料電池客車CAN通信協(xié)議仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(9)：2381-2384/2445．
[9] ZHOU Fang，LI Shu Qin，HOU Xia．Development method of simulation and test system for vehicle body CAN bus based on CANoe [C]．Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation．Chongqing，China：IEEE，2008:7515-7519．
[10] Vonnahme E，Ruping S，Ruckbert U．Measurements in switched Ethernet networks used for automation systems [C]．Proceedings of the 2000 IEEE International Workshop on Factory Communication Systems．Porto，Portugal,2000:231-238．
[11] Lee K C，Lee S．Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications [J]．Computer Standards & Interfaces，2002,24(5):411-423．
Study on Network Topology Structure for Power System
Rao Jin, Cui Xiaopeng, Xu Xinghua
(Naval Representatives Office in 461 Factory, Wuhan 430033, China)
TM359
A
1003-4862（2017）09-0063-05
2017-07-15
饒金，男，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。
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饒 金，崔小鵬，徐興華
?
電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨秆芯?/p>
饒 金，崔小鵬，徐興華
(武漢軍事代表局駐461代表室，武漢430033)
電力監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的實時性要求很高，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段較難開展與擬建網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？杀鹊膶嶒瀬砼袛嗑W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時性能。電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，相比建立有效的解析模型對它進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，網(wǎng)絡(luò)仿真法更適合大型系統(tǒng)的性能預(yù)測，本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真法對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性、流量特性進(jìn)行分析比較，為今后組建電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)時延 網(wǎng)絡(luò)可靠性 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
0 引言
合理的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢员硎鰹椋涸趯崿F(xiàn)裝置功能并滿足傳輸時間要求的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)分布的優(yōu)化以提高網(wǎng)絡(luò)可靠性、安全性和實時性水平。與一般網(wǎng)絡(luò)相比，電力系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)需求特點(diǎn)如表1所示[1-5]。
一般的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載波動規(guī)律，注重平均吞吐量，平均傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)的利用率等，對可靠性和實時性的要求不高；而電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)量不多，但是在出現(xiàn)故障后，數(shù)據(jù)量會顯著增加，所以更關(guān)注網(wǎng)絡(luò)最大吞吐量、在最壞情況下的最大端到端時延。
不同于一般的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)具較好可靠性；為較好完成各種監(jiān)測任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)還要有較好抗毀性、重構(gòu)性等；同時為滿足裝置對保護(hù)動作的響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)還要滿足實時性要求；為方便維修和空間限制，在滿足條件的前提下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)較為簡單。
目前商用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件主要有MIL3公司的OPNET、CACI公司的COMNET III，科研用軟件主要有UC Berkeley NS-2。經(jīng)過比較分析，OPNET綜合采用基于包和數(shù)學(xué)分析的建模方法，既可得到非常詳細(xì)的模擬結(jié)果，也可獲得較快的仿真計算速度。因此本文采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行仿真分析[6, 7]。
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1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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圖中最右面的Task_0、App_1和Profile_0分別為任務(wù)定義（Task Definition）、應(yīng)用定義（Application Definition）和業(yè)務(wù)規(guī)格定義（Profile Definition）。任務(wù)定義用于設(shè)定自定義業(yè)務(wù)，產(chǎn)生新的應(yīng)用。應(yīng)用定義具體描述應(yīng)用的動作，即要發(fā)送的一類數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)。業(yè)務(wù)規(guī)格用來描述節(jié)點(diǎn)的行為，即通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送什么樣的數(shù)據(jù)流，發(fā)送時間、持續(xù)時間長短等。
2 性能對比
2.1時延分析對比
圖3a是周期性數(shù)據(jù)傳輸仿真平均時延，以及實測端端之間平均時延。對于本裝置時延主要原因是交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)所造成的。因此仿真與實測為最遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r延。圖3b是端到端時延。以上仿真是在負(fù)載為25%下進(jìn)行的，圖3c為仿真時網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
（a) 平均時延對比
（b) 時延對比
（c) 傳輸負(fù)載對比
圖3 OPNET仿真波形
2.2 可靠性對比
對于環(huán)形結(jié)構(gòu)，其可靠性為
(2)
下式中“
對于整數(shù)(>0)，為數(shù)據(jù)包從N到N經(jīng)過個步驟，可靠性，因此拓?fù)淇煽啃裕?/p>
根據(jù)以上網(wǎng)絡(luò)可靠性算法，計算兩種不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，其中交換機(jī)可靠性為99.99%[1]，鏈路可靠性為99%[3]，假設(shè)所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)可靠性均相同為99.8%。計算得到兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性1=0.93014。2=0.89103。
2.3 流量特性
流量特性，電力系統(tǒng)主要以確定性數(shù)據(jù)流為主，流量短時集中，故障數(shù)據(jù)上傳時，網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測的流量信息如圖3.9所示，最大流量約為5 M bps，平均約為2.3 Mbps，以10%的利用率，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。
實際測試中，時延主要是由于網(wǎng)管交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制造成的，經(jīng)測試，目前最嚴(yán)苛端到端時延最小為0.7 ms，最大為2.5，平均時延約有1.5 ms，如圖3a所示。能夠滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求。綜合考慮可靠性、時延性和流量特性，采用基于功能型自愈環(huán)星型結(jié)構(gòu)能夠滿足全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求。
圖5 網(wǎng)絡(luò)流量
3 結(jié)論
本文對電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，采用網(wǎng)絡(luò)仿真法對主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性、流量特性進(jìn)行分析比較，為今后組建電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。
[1] Ruggedcom 2200 installation guide[C]．http://www.ruggedcom.com．
[2] 王牣．高速鐵路牽引供電自動化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)研究[D]．上海：西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2011．
[3] 光連接器用戶說明書[C]．http://www.jonhon.cn．
[4] Koubaa A，Song Y．Upper bound evaluation of response time for real-time communication [C]．11th Conference RTS Embedded Systems．Paris：2003．
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[6] 高會生，靳瑋瑋．基于OPNET的變電站端對端通信實時性仿真研究[J]．繼電器，2006，34(19)：33-37．
[7] 吳在軍，胡敏強(qiáng)，杜炎森．變電站通信網(wǎng)絡(luò)實時性能仿真分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2005，29(8)：45-49．
[8] 閆在春，程夕明，南金瑞，等．燃料電池客車CAN通信協(xié)議仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(9)：2381-2384/2445．
[9] ZHOU Fang，LI Shu Qin，HOU Xia．Development method of simulation and test system for vehicle body CAN bus based on CANoe [C]．Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation．Chongqing，China：IEEE，2008:7515-7519．
[10] Vonnahme E，Ruping S，Ruckbert U．Measurements in switched Ethernet networks used for automation systems [C]．Proceedings of the 2000 IEEE International Workshop on Factory Communication Systems．Porto，Portugal,2000:231-238．
[11] Lee K C，Lee S．Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications [J]．Computer Standards & Interfaces，2002,24(5):411-423．
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A
1003-4862（2017）09-0063-05
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