電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨秆芯?/h1>
2017-09-30 05:59:58崔小鵬徐興華
船電技術(shù) 2017年9期
饒 金，崔小鵬，徐興華
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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(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求很高，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段較難開展與擬建網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？杀鹊膶?shí)驗(yàn)來判斷網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)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(duì)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(cè)，本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真法對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)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?shí)現(xiàn)裝置功能并滿足傳輸時(shí)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(shí)時(shí)性水平。與一般網(wǎng)絡(luò)相比，電力系統(tǒng)對(duì)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(dòng)規(guī)律，注重平均吞吐量，平均傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)的利用率等，對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)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(huì)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(shí)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(cè)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)還要有較好抗毀性、重構(gòu)性等；同時(shí)為滿足裝置對(duì)保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)還要滿足實(shí)時(shí)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(jì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響，本文對(duì)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(duì)主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(chǎng)景圖2a和圖2b所示，各個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用ethernet_workstation節(jié)點(diǎn)模型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔4ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)為1024 byte，數(shù)據(jù)從105 s時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔30 ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)為8 byte，節(jié)點(diǎn)符號(hào)見主要符號(hào)(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(dòng)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(shí)間、持續(xù)時(shí)間長短等。
2 性能對(duì)比
2.1時(shí)延分析對(duì)比
圖3a是周期性數(shù)據(jù)傳輸仿真平均時(shí)延，以及實(shí)測(cè)端端之間平均時(shí)延。對(duì)于本裝置時(shí)延主要原因是交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)所造成的。因此仿真與實(shí)測(cè)為最遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延。圖3b是端到端時(shí)延。以上仿真是在負(fù)載為25%下進(jìn)行的，圖3c為仿真時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
（a) 平均時(shí)延對(duì)比
（b) 時(shí)延對(duì)比
（c) 傳輸負(fù)載對(duì)比
圖3 OPNET仿真波形
2.2 可靠性對(duì)比
對(duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)，其可靠性為
(2)
下式中“
對(duì)于整數(shù)(>0)，為數(shù)據(jù)包從N到N經(jīng)過個(gè)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(jì)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(jì)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(shí)集中，故障數(shù)據(jù)上傳時(shí)，網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測(cè)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(shí)際測(cè)試中，時(shí)延主要是由于網(wǎng)管交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制造成的，經(jīng)測(cè)試，目前最嚴(yán)苛端到端時(shí)延最小為0.7 ms，最大為2.5，平均時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時(shí)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)。
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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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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(cè)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)還要有較好抗毀性、重構(gòu)性等；同時(shí)為滿足裝置對(duì)保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)還要滿足實(shí)時(shí)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(jì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響，本文對(duì)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(duì)主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(chǎng)景圖2a和圖2b所示，各個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用ethernet_workstation節(jié)點(diǎn)模型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔4ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)為1024 byte，數(shù)據(jù)從105 s時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔30 ms發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)為8 byte，節(jié)點(diǎn)符號(hào)見主要符號(hào)(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(dòng)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(shí)間、持續(xù)時(shí)間長短等。
2 性能對(duì)比
2.1時(shí)延分析對(duì)比
圖3a是周期性數(shù)據(jù)傳輸仿真平均時(shí)延，以及實(shí)測(cè)端端之間平均時(shí)延。對(duì)于本裝置時(shí)延主要原因是交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)所造成的。因此仿真與實(shí)測(cè)為最遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延。圖3b是端到端時(shí)延。以上仿真是在負(fù)載為25%下進(jìn)行的，圖3c為仿真時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
（a) 平均時(shí)延對(duì)比
（b) 時(shí)延對(duì)比
（c) 傳輸負(fù)載對(duì)比
圖3 OPNET仿真波形
2.2 可靠性對(duì)比
對(duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)，其可靠性為
(2)
下式中“
對(duì)于整數(shù)(>0)，為數(shù)據(jù)包從N到N經(jīng)過個(gè)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(jì)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(jì)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(shí)集中，故障數(shù)據(jù)上傳時(shí)，網(wǎng)絡(luò)端口監(jiān)測(cè)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(shí)際測(cè)試中，時(shí)延主要是由于網(wǎng)管交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制造成的，經(jīng)測(cè)試，目前最嚴(yán)苛端到端時(shí)延最小為0.7 ms，最大為2.5，平均時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)主流的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)時(shí)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)。
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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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