IEC 61850变电站通信系统中的网络延迟对比分析

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）266IEC 61850变电站通信系统中过程到间隔级对等网络延迟的比较Nasser Hasan Ali*， Borhanuddin Mohd.穆罕默德·阿里Abdala，Mohammad Lutfi Othman，Fazirulhisyam b. Hashim马来西亚普特拉大学工程学院计算机与通信系统系，UPM Serdang，43400 Selangor，Malaysia2014年12月19日在线发布摘要介绍了IEC 61850规约在电力工程行业变电站间数据通信系统中的应用该IEC 61850协议由于通用面向对象变电站事件（GOOSE）消息而对变电站内智能电子设备（IED）之间的实时通信性能提出了新的挑战分析了变电站以太网和无线局域网的通信时延及其影响因素，讨论了提高实时性的各种方法和不同的网络拓扑结构对于变电站内数据流的基本分析，使用优化网络工程工具（OPNET）软件利用OPNET软件建立了过程-间隔级网络仿真模型分析了基于AP（接入点）、交换式、共享式以太网和对等网络的过程到间隔级网络的以太网时延和WLAN对等性能仿真结果© 2015电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.关键词：IEC 61850;变电站自动化系统（SAS）;实时对等网络延迟;电力系统通信; OPNET建模器;接入点（AP）1. 介绍IEC 61850协议是新一代智能变电站自动化系统通信网络和通信协议标准。通过对变电站内部所有IED数据对象的统一信息集成建模变电站内各分层分布式智能IED数据信息资源的无缝通信实现了分时共享。在智能变电站自动化系统中，应用IEC 61850标准通信协议，可以实现智能变电站与智能变电站之间的互操作*通讯作者。电子邮件地址：nasir200420022000@yahoo.ca（N. Hasan Ali），borhan@eng.upm.edu.my（B.Mohd. 阿里），lutfi@eng.upm.edu.my（M.L.Othman），fazirul@eng.upm.edu.my（F.b. Hashim）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.12.0082314-7172/© 2015电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266267Fig. 1. 变电站级别。实现了系统自动化功能的扩展兼容性和运行的长期准确稳定性。是实现数据信息资源分时共享的基本前提，是实现过程级IED信息集成建模的基础智能化的重要保证，是总线通信技术研究和发展的重要方向（Andersonet al.，2003年）。智能变电站系统的结构在物理上可分为一次设备智能化和二次设备网络化两大类 根据IEC 61850通信协议的定义，逻辑结构中可以分为“过程级”、“间隔级”和“站级”（Brand et al.，2003年）。各级内部和中间采用高速网络通信，三级之间的关系如图所示。1.一、变电站通信网络对信息传输的实时性要求很高，尤其是从过程层到间隔层的通信网络性能。 传输协议、网络负载和联网模式是影响SAS网络的实时性能的主要因素（Hoang，2004;Kaneda等人，2008;Haizhu，2011）。在传输延迟的构成因素中，消息打包和拆解占据了大部分时间，这与传输模型和协议有关（Haizhu，2011）。 根据IEC 61850-5标准，SAS网络的报文传输时间要求必须保证在变电站内的任何运行条件和突发事件下保持一致。此外，SAS网络的动态性能必须在规划阶段进行分析，以便在部署阶段之前发现网络性能问题（Sidhu和Yin，2006）。通信系统的建模需要定义对象（如数据对象、数据集、报告控制和日志控制）和对象提供的服务（如获取、设置、报告、创建和删除）（Sidhu和Yin，2007;IEC，2003）。然而，IEC 61850选择了主流技术用于通信栈。堆栈结构基于由以太网（第1层和第2层）、TCP/IP（第3层和第4层）和制造消息传递规范（MMS）第5-7层组成的国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）层。对象模型及其服务被映射到MMS应用层（即，层7）。只有时间关键的服务，例如采样值和通用面向对象变电站事件（GOOSE）消息，被直接映射到以太网链路层（即，第2层），以确保系统的开放性和互操作性（Kanabar和Sidhu，2011年）。到其他通信栈的附加映射是可能的。使用GOOSE消息传递时，网络拓扑非常重要。由于该消息可能包含保护信号，因此可能需要以太网LAN的冗余（IEC，2013）。作为IEC 61850标准的一部分，还计划了特殊的GOOSE消息以用于IED之间的快速信息交换（Sidhu和Yin，2007年;Ozansoy等人，2007年）。图2示出了以太网通信映射的示例（Ozansoy等人， 2007年）。IEC61850可以在WLAN（无线局域网）中工作（Brand等人， 2004年）。无线局域网采用射频技术，取代了旧的双绞线构成的局域网。它可以使无线局域网利用简单的接入架构来允许用户访问数据。它构成了一个可以相互通信、实现资源共享的网络系统，使网络的建设和终端的移动更加灵活。无线网络按应用领域可分为三个方面：268N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266无线个域网（WPAN）有ZigBee、蓝牙、UWB等;无线局域网（WLAN）具有802.11标准类，自组织;无线城域网（WMAN）具有802.16/WiMAX。变电站的无线网络建设和应用主要采用无线局域网（WLAN）来实现可靠的通信。OPNET Modeler 14.5用于在不同网络和场景下模拟各种类型的SAS网络，允许用户设置原始采样率、故障时间、故障数量、背景流量和其他配置参数（Sidhu和Gangadharan，2005; IEC，2003）。采用对等网络和星型网络两种通信结构对基于IEC61850的通信协议进行了建模，并对仿真结果进行了分析。根据变电站通信网络的性能要求，分析了基于IEC 61850标准的变电站通信网络架构解决方案。分析了以太变电站通信网络的可行性。(ii)讨论了变电站信息传输时延及其影响因素，并提出了几种提高信息传输实时综合研究了变电站通信网络中数据包传输时延的组成，并对这种时延的影响进行了考虑。文中还介绍了几种提高以太网实时性的有效措施（iii）已经提出了表征用于在变电站通信网络中传输数据的数据流以及对IED通信端口进行使用OPNET网络仿真，建立基于IEC 61850的变电站网络仿真模型，并分析不同带宽、配置和网络类型的变电站网络的实时性能（Kanabar和Sidhu，2011;OPNET，2014;Ozansoy等人，2007;CDTPR，2005;Wester等人，2011;Skeie等人，2002;IECTC，2001）。本文的组织如下：介绍在第1节，IEC 61850标准在第2节，模型的变电站自动化系统（SAS）在第3节，和仿真设置提供在第4节。第5节介绍了结果和讨论。最后，在第6节中给出了结论。2. IEC 61850IEC 61850标准的第一版共包括12个部分每个部分描述了变电站自动化系统中发生的通信的不同方面例如，第7部分介绍了通信系统的逻辑视图，即，设备的逻辑模型、抽象通信服务接口（ACSI）等，尽管部分8和9规定了这些逻辑概念应该如何被映射到特定的通信基础设施，即，协议栈在整个调查中，对标准的第9-2部分进行了深入的审查，因为它描述了采样值协议应该如何设计和映射到以太网（ISO/IEC 8802-3）。第9-1部分也进行了分析，但不太详细，因为它可能会从标准的未来版本中撤回（Kim和Lee，2005）。IEC61850定义了五种类型的通信服务，如图所示。 二、 前三种类型是时间关键的，用于变电站的保护和控制方案。它们包括采样值（SV）和通用面向对象变电站事件（GOOSE）协议，其直接映射到数据链路层以减少协议开销并因此提高性能;以及通用变电站状态事件（GSSE）协议，其特征在于其图二.基于IEC 61850协议的以太网通信映射。N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266269表1配电变电站中智能电网应用的性能要求（Parikh，2013）。智能配电变电站应用IEC 61850报文分发时允许的延迟QoS优先级等级控制和监测自动电容器组控制鹅0.5-14LTC控制和监测鹅0.25-0.56公交快速换乘出行方案鹅0.4-0.55自动化和计量应用瓦特/无功功率测量IP消息/示例值1–53集中式IED配置IP消息1–102保护馈线过流保护样本值和GOOSE0.027自定义协议映射。其余两种服务，即：时间同步和客户端-服务器制造报文规范（MMS）分别处理变电站设备的时间同步和管理3. 变电站自动化系统（SAS）3.1. 变电站级结构该系统包括变电站设备状态的控制、监测、报警、保护和实时报告等功能。基于IEC 61850标准的变电站在逻辑上可以分为三个部分：（i）站级，（ii）间隔级和（iii）过程级，如图1所示。车站级装置具有人机接口计算机、操作员工作站和远程通信接口和装置配置。间隔级设备是控制继电器、开关装置和计量仪表，并且过程级设备具有典型的和远程的I/O、智能传感器和致动器以及合并单元IED（Skeie等人，2002年）。保护和控制数据在间隔层和车站层之间交换，或直接在车站层之间交换。从站级，远程工程师能够通过卫星或光纤通信网络进行监控和配置 间隔层和过程层之间交换瞬时控制和实时数据，以及间隔层之间的直接控制数据交换（IEC TC，2001）。3.2. 变电站报文类型和数据大小基于IEC 61850协议，变电站内存在若干类型的消息或数据流为了考虑变电站的不同要求，一些消息类型也被细分为性能类。有两组独立的性能等级：（a）控制和保护，以及（b）计量和电能质量应用。由于性能等级是根据功能要求定义的，因此与变电站的大小无关（Janssen和Koreman，2013）。表1列出了IEC61850协议中的报文传输要求时间和位分辨率。4. 仿真设置4.1. 仿真模型IEC 61850对不同的网络拓扑使用不同的电平 图 3显示了一个简单的过程到间隔级网络仿真模型。对等网络拓扑已经在变电站过程到间隔级网络中用于保护功能和快速递送关键消息所需的其他功能间隔级和过程级之间的IED通过交换机连接在一起。OPNET Modeler采用面向对象的建模方法建立模型。IED、交换机和工作站等网络设备称为节点模型。节点模型由通过包流连接的模块组成或静电线。每个模块都被分配给一个流程模块，以实现所需的行为。OPNET的进程模型使用有限状态机（FSM）方法来支持协议、资源、应用程序270N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266图三. 工艺到机架级别。见图4。原始数据源的流程模型。算法和排队策略。状态和转换图形化地定义了响应事件的流程的进展流程模型的每个状态都包含嵌入式C/C++代码，并由专为网络编程而设计的扩展函数库提供支持 图图4示出了合并单元（MU）IED模型中的原始数据源的处理模型。合并单元IED的建模基于IEC 61850-9-1（Brand等人， 2004年）。以太网广播地址用作默认目的地址，尽管此模型也支持单播和多播。用户可以配置采样率、开始时间、停止时间、数据包大小、地址和多播组地址（如果使用多播作为传输类型）。用于合并单元IED的通信栈非常简单。它包含应用层、以太网层和物理层。图5示出了MU IED的节点模型图。利用OPNET Modeler软件对基于IEC 61850的SAS通信网络的实时性能进行了分析。每个网络节点通过10-BaseT与以太网通信链路相连。OPNET软件用于模拟过程层和间隔层之间的数据通信（即，出版者和订阅者）。应用程序配置设置有应用程序参数，这些参数描述了消息类型的应用程序，包括数据包的大小或数据发送间隔。在模拟过程中，从IED发送的数据包由集线器接收器对象（集线器接收器0 0）接收，并通过协议栈向上处理到应用程序模块。在处理之后，它们沿着堆栈向下发送到发送器（hub tx 0 0），然后返回到N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266271图五. MU IED的节点模型图。见图6。网络模型的数据配置。见图7。IEC 61850简单源数据包格式。简 易 爆 炸 装 置 （ Ozansoy 等 人 ， 2007;CDTPR ， 2005;Wester 等 人 ， 2011;Skeie 等 人 ， 2002;IECTC ，2001;Janssen和Koreman，2013;Lebakken和Orlando，2003;Preiss和Wegmannn，2003;Das等人，2012年）。图6示出了如图1所示的网络模型的数据配置。 3（即，过程到间隔级网络仿真模型）。此数据配置用于网络模拟。在这种情况下，原始数据源是具有有限状态机的简单源，如图所示。 4和数据包格式如图所示。7.第一次会议。 并且分组到达间隔时间被设置为0.0025 s，具有128字节和符合以太网IEC 802.3的IEC 61850协议。上述场景模拟的ETE（端到端延迟）结果如图所示。8.第八条。图9示出了使用TCP协议的相同配置以与上述场景进行比较。虽然这种情况的设置如图所示。 10个。272N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266见图8。使用station-adv的对等网络的ETE（端到端）延迟。见图9。在TCP-IP协议下使用workstation-adv进行对等。见图10。图1的数据配置表9.第九条。N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266273见图11。TCP-IP协议下工作站-adv.在不同大小数据包下的端到端延迟。见图12。 点对点无线局域网。最后，在图12中示出了模拟对等WLAN场景。使用具有物理层特性的IEEE 802.11b直接序列，数据速率为11 Mbps。端到端延迟特性如图所示。 13岁5. 结果和讨论分析了星型拓扑网络中点对点和自定义配置的总体性能，发送数据包大小、发送间隔以及不同的媒体链路带宽对端到端数据的影响，通过改变模拟中的单个变量，可以简单地分析变电站的IED通信中的消息传输的实时性能（Ozansoy等人，2007;Das等人， 2012年）。在不同的数据包大小的消息的端到端的延迟被示出在图1和图2中。8、11和13。数据包大小分别为128、256、512和1024。仿真结果表明，随着报文大小的增加，端到端延迟时间随着0.0025 s的恒定数据产生时间间隔而增加，该数据产生时间间隔相当于400 Hz采样频率，足以使MU在过流保护过程中从一个周期的50Hz原始信号中采集8个样本同样在图13中，由于只有两个工作站连接到WLAN网络，因此没有冲突和冲突问题，因此对于每个采用的分组大小，平均延迟似乎近似恒定。274N. Hasan Ali et al./Journal of Electrical Systems and Information Technology 1（2014）266图十三. WLAN在不同大小数据包下的端到端时延性能。实际上，如果照原样，则在最大值和最小值之间振荡，并且该延迟取决于PCIED的负载分组和重传GOOSE消息的数目。当数据分组大小为256字节时，对于station-adv.，端到端延迟约为0.0001 s工作站-adv.约为0.0003WLAN为0.0017 s。 因此，在实际或GOOSE消息配置中，应避免同时发送各种数据流以及过大的数据包以满足实时要求（Sidhu和Yin，2007;Das等人，2012年）。很容易验证端到端以太网延迟时间受数据生成间隔的影响，这意味着仪器或IED的采样率或GOOSE消息生成此外，快速数据生成导致端到端以太网数据传输的延迟时间更长。从这些模拟中我们可以得出结论，特定的保护IED必须连接在同一个以太网交换机上，以便快速可靠地传递跳闸消息或其他重要消息。6. 结论介绍了IEC 61850标准在变电站间对等通信中的应用。根据仿真结果，建议在实际应用中，数据包的大小必须采用小数据包，避免发送不均匀的数据流，以保证数据传输的实时性和可靠性。为满足变电站继电保护报文数据流的高实时性要求，将间隔级保护与过程级仪表IED之间的通信建模为GOOSE报文，分析了影响时延的主要因素：报文大小、以太网链路带宽、数据生成或采样间隔时间以及IED与这些通信电缆必须连接在同一台以太网交换机上，或对以太网交换机上的端口进行因此，在实际应用中，应考虑合理配置参数和通信网络结构，实现数据的实时传输，保证变电站的正常运行我们还看到，WLAN的端到端延迟比以太网大得多;这是由于WLAN受到不变噪声和距离等物理因素的影响引用安德森湖，Bmnner，Ch.，Engler，F.，2003. 基于JEC 61850的变电站自动化系统采用了新的过程封闭技术。In：IEEEPowerTech.，6月23日至26日，意大利博洛尼亚。布兰德，K.-P.，Lohmann，V.，Winuner，W.，2003年。变电站自动化手册。公用事业自动化咨询洛曼。布兰德，J.K.-P.，Brunner，Ch.，Wimmer，W.，2004年根据客户要求设计基于IEC 61850的变电站自动化系统。In：2004. 第195-04页，巴黎。N. 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