饶 金，崔小鹏，徐兴华



电力系统网络拓扑方案研究

饶 金，崔小鹏，徐兴华

(武汉军事代表局驻461代表室，武汉430033)

电力监控系统对网络的实时性要求很高，在网络设计阶段较难开展与拟建网络规模可比的实验来判断网络应用到电力监控系统中的实时性能。电力系统监控网络较复杂，相比建立有效的解析模型对它进行数学分析，网络仿真法更适合大型系统的性能预测，本文采用网络仿真法对电力系统网络从网络时延、可靠性、流量特性进行分析比较，为今后组建电力系统监控网络提供依据。

网络时延 网络可靠性 拓扑结构

0 引言

合理的电力系统网络拓扑可以表述为：在实现装置功能并满足传输时间要求的基础上，通过网络结构和节点分布的优化以提高网络可靠性、安全性和实时性水平。与一般网络相比，电力系统对网络需求特点如表1所示[1-5]。

一般的局域网数据量大，网络负载波动规律，注重平均吞吐量，平均传输时延、网络的利用率等，对可靠性和实时性的要求不高；而电力系统网络，数据量不多，但是在出现故障后，数据量会显著增加，所以更关注网络最大吞吐量、在最坏情况下的最大端到端时延。

不同于一般的监控网络，电力系统要求网络具较好可靠性；为较好完成各种监测任务，网络还要有较好抗毁性、重构性等；同时为满足装置对保护动作的响应，网络还要满足实时性要求；为方便维修和空间限制，在满足条件的前提下，网络结构应较为简单。

目前商用网络仿真软件主要有MIL3公司的OPNET、CACI公司的COMNET III，科研用软件主要有UC Berkeley NS-2。经过比较分析，OPNET综合采用基于包和数学分析的建模方法，既可得到非常详细的模拟结果，也可获得较快的仿真计算速度。因此本文采用OPNET网络仿真软件进行仿真分析[6, 7]。

采用OPNET进行网络仿真主要分为以下五步：需求分析、定义输入/输出、系统建模、设置运行参数/仿真和分析，仿真工作流程如图1所示。

由于网络拓扑结构对网络性能有重要影响，本文对电力系统监控网络的拓扑结构进行了研究，本文采用网络仿真法对主流的电力系统网络从网络时延、可靠性、流量特性进行分析比较。

1 网络结构

在OPNET仿真软件中，建立功能型网络拓扑结构场景图2a和图2b所示，各个设备节点分为嵌入式设备节点和非嵌入式设备，其中嵌入式设备共80多个节点，节点采用ethernet_workstation节点模型。每个节点间隔4ms发送一个数据包，每个数据包有效数据为1024 byte，数据从105 s时开始在1 s内按均匀分布开始发送。同样非嵌入式设备共14个节点，每个节点间隔30 ms发送一个数据包，每个数据包有效数据为8 byte，节点符号见主要符号(缩写)说明。

图中最右面的Task_0、App_1和Profile_0分别为任务定义（Task Definition）、应用定义（Application Definition）和业务规格定义（Profile Definition）。任务定义用于设定自定义业务，产生新的应用。应用定义具体描述应用的动作，即要发送的一类数据流的特点。业务规格用来描述节点的行为，即通信节点发送什么样的数据流，发送时间、持续时间长短等。

2 性能对比

2.1时延分析对比

图3a是周期性数据传输仿真平均时延，以及实测端端之间平均时延。对于本装置时延主要原因是交换机存储转发所造成的。因此仿真与实测为最远端数据传输的平均时延。图3b是端到端时延。以上仿真是在负载为25%下进行的，图3c为仿真时网络负载。

（a) 平均时延对比

（b) 时延对比

（c) 传输负载对比

图3 OPNET仿真波形

2.2 可靠性对比

对于环形结构，其可靠性为

(2)

下式中“

对于整数(>0)，为数据包从N到N经过个步骤，可靠性，因此拓扑可靠性：

根据以上网络可靠性算法，计算两种不同结构网络的可靠性，其中交换机可靠性为99.99%[1]，链路可靠性为99%[3]，假设所有设备节点可靠性均相同为99.8%。计算得到两种网络拓扑结构可靠性1=0.93014。2=0.89103。

2.3 流量特性

流量特性，电力系统主要以确定性数据流为主，流量短时集中，故障数据上传时，网络端口监测的流量信息如图3.9所示，最大流量约为5 M bps，平均约为2.3 Mbps，以10%的利用率，能够满足数据传输要求。

实际测试中，时延主要是由于网管交换机存储转发机制造成的，经测试，目前最严苛端到端时延最小为0.7 ms，最大为2.5，平均时延约有1.5 ms，如图3a所示。能够满足网络数据传输要求。综合考虑可靠性、时延性和流量特性，采用基于功能型自愈环星型结构能够满足全系统网络监控的要求。

图5 网络流量

3 结论

本文对电力系统监控网络的拓扑结构进行了研究，采用网络仿真法对主流的电力系统网络从网络时延、可靠性、流量特性进行分析比较，为今后组建电力系统监控网络提供依据。

[1] Ruggedcom 2200 installation guide[C]．http://www.ruggedcom.com．

[2] 王牣．高速铁路牵引供电自动化网络通信系统研究[D]．上海：西南交通大学博士学位论文，2011．

[3] 光连接器用户说明书[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] 罗禹贡，董珂，冯能莲，等．基于OPNET的混合动力电动车CAN建模与仿真[J]．清华大学学报(自然科学版)，2005,45(5):689-692．

[6] 高会生，靳玮玮．基于OPNET的变电站端对端通信实时性仿真研究[J]．继电器，2006，34(19)：33-37．

[7] 吴在军，胡敏强，杜炎森．变电站通信网络实时性能仿真分析[J]．电力系统自动化，2005，29(8)：45-49．

[8] 闫在春，程夕明，南金瑞，等．燃料电池客车CAN通信协议仿真[J]．系统仿真学报,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

饶金，男，工程师。研究方向：电力系统网络组网。