基于OPNET的保护性能评估及采样值估计算法_翟博龙.pdf

基于 OPNET 的保护性能评估及采样值估计算法翟博龙1，唐志军1，宋福海2，龙云波3(1 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007;2 国网福建省电力有限公司，福州 350003;3 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)摘要:近来智能变电站数字继电保护技术快速发展，构建信息交互通道可进一步提高保护性能。文中对 IEC 61850过程总线在 110 kV/35 kV 变电站以太网交换环结构中的性能进行评价，并利用 OPNET 对过程总线上采样数据报文性能进行评估。为了减轻采样值丢失和延迟对数字中继算法的影响，提出了采样值估计的修正措施，并提出了一种采样值估计算法。最后利用 PSCAD/EMTDC 和 MATLAB 对该算法进行了仿真验证，结果表明提出的算法精度高、计算量少，可用于任何数字保护功能。关键词:数字继电保护;采样值估计;IEC 61850;智能变电站;性能评价DOI:10 19753/j issn1001-1390 2023 04 024中图分类号:TM711文献标识码:A文章编号:1001-1390(2023)04-0160-07OPNET based protection performance evaluation and samplingvalue estimation algorithmZhai Bolong1，Tang Zhijun1，Song Fuhai2，Long Yunbo3(1 Electric Power esearch Institute of State Grid Fujian Electric Power Co，Ltd，Fuzhou 350007，China2 State Grid Fujian Electric Power Co，Ltd，Fuzhou 350003，China 3 State Key Laboratory of AlternateElectrical Power System with enewable Energy Sources，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)Abstract:With the rapid development of digital relay protection technology in smart substation，the construction of informa-tion interaction channel can further improve the protection performance In this paper，the performance of IEC 61850 processbus in 110 kV/35 kV substation Ethernet switch ring structure is evaluated，and the performance of sampling data messageon process bus is evaluated by OPNET In order to reduce the impact of the loss and delay of the sample value on the digitalrelay algorithm，a correction measure for the sample value estimation is proposed，as well as a sample value estimation algo-rithm Finally，PSCAD/EMTDC and MATLAB are used to simulate and verify the proposed algorithm The results show thatthe proposed algorithm has high accuracy and less computation，which can be used for any digital protection functionKeywords:digital relay protection，sampling value estimation，IEC 61850，smart substation，performance evaluation基金项目:国家电网有限公司科技项目(521304170028);国网福建省电力有限公司科技项目(521304180013)0引言近年来，随着智能变电站技术的不断发展，通信技术和继电保护之间的联系越来越紧密，构建信息交互通道可进一步提高保护性能与可靠性 1-6。研究建立数字保护工程化自动配置及检修系统所需的一次设备建模理论基础、二次系统通信技术等。基于 IEC 61850 协议，构建信息交互通道，对全站保护设备进行信息采集分析并归类，最终实现保护设备状态信息采集全覆盖 7-11。文献 12 中讨论了基于 IEC 61850 变电站继电保护的 OPNET 基本建模方法。然而，进行详细的建模需要考虑各种实际的以太网网络的约束，因此需要考虑通信机制和协议，如通信信道的比特误码率和在通信端口位纠错机制，以太网交换报文缓冲区和缓冲区溢出机制，时间关键报文的优先排队机制等13-16。为了分析 IEC 61850 过程总线性能评估的更现实的场景，需开发以太网交换机(ESW)、以太网光纤电缆和收发端口等动态模型，以及其他时间要求较低的文件061第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023传输业务等 17-21。采样值(SV)的结果报文丢失和延迟需考虑各种过程总线网络参数的影响。此外，现代 PCIED 处理丢失采样值数据需要用到一些算法，这些算法需要与任何基于时间和频率的数字中继算法兼容22-23。针对这些问题，文中利用动态通信网络仿真工具OPNET 对典型的 110 kV/35 kV 变电站设计的 IEC61850 过程总线上采样数据报文的性能进行了评估。还提出了一种针对延迟采样值或丢失采样值的校正措施，并在此基础上，提出了一种采样值估计算法，该算法可用于任何数字保护功能。最后，利用 PSCAD/EMTDC 和MATLAB 仿真工具对该算法进行了仿真验证。1IEC 61850 过程总线1 1 IEC 61850 过程总线特征MU 集成单元是IEC 61850 工艺总线的关键元件，安装在主设备附近的束流分配装置，如图 1 所示。MU 收集来自仪表变压器的相位电压和电流、来自束流分配装置的状态信息等所有信息。所有来自 CT/CCVT 的模拟信号都被转换成数字信号，合并成标准的采样值报文格式，最后使用时间戳进行同步。抽样值报文通过 IEC61850 标准过程总线网络从 MU 传输到对应的 IEC 24-25。图 1IEC 61850-9-2 过程总线Fig 1IEC 61850-9-2 process bus1 2 IEC 61850-9-2 过程总线通信网络性能根据 IEC 61850 标准，对时间要求严格的报文可接受的最大通信延迟在 3 ms 4 ms 之间，这必须实现所有的时间关键的消息，如 GOOSE 和采样值，独立于过程总线通信网络上的网络工作流量负载。为了减少传输控制协议/Internet 协议层带来的额外时间延迟，GOOSE 和采样值消息被直接映射到以太网链路层。然而 TCP/IP 层的消除降低了报文通信的可靠性，因此为了提高 GOOSE 传输的可靠性，根据 IEC 61850-8-1，相同的信息要重复发送多次。GOOSE 是事件触发，通常一秒钟内发送多次到网络。采样值是按时间触发的，并按采样频率发送，因此相同的采样值消息就不会重复，从而降低了采样值在过程总线上的可靠性。虽然与虚拟局域网(VLAN)一起的优先级将被提供给采样值报文，但这并不能确保在最坏情况下通信延迟和数据报文丢失。因此，文中重点研究时间临界型 IEC61850 采样值报文的性能。2OPNET 开发性能评估本节详细介绍了 IEC 61850 过程总线的动态建模性能分析。2 1 基于 OPNET 的过程总线建模2 1 1 采样值的报文格式使用 OPNET 报文编辑器对标准采样值报文进行建模，三相中性电压和电流的采样值在 MU 处被合并到应用协议数据单元(APDU)中，文献 26给出以太网报文示例值更多细节。2 1 2 VLAN 和优先级标签IEC 61850 建议基于 IEEE 802 1Q 实现 VLAN 和优先级标签，以实现时间关键消息的 QoS。因此，在OPNET 进程编辑器的帮助下，将标签协议标识符(TPID)和标签控制信息(TCI)报文字段纳入 IEEE802 1Q。TCI 报文字段的用户优先级位设置为时间关键的消息具有最高优先级，例如采样值和 GOOSE，而时间要求较低的文件传输消息的优先级较低。2 1 3 PC IED 和 MU 模型根据 IEC 61850 提出的基于开放系统互连(OSI)7层的通信栈设计了 PC IED 和 MU 的合并单元，PCIED 的动态模型用于接收来自于相应 MU 单元的采样值报文进行保护，并向相应 MU 单元以及其他 PCIED 发送 GOOSE 消息。OPNET 中的 MU 模型具有基于 IEC 61850 的双向通信能力。此外，对 PC IED 和MU 这两种模型在数据链路层实现 IEC 61850 数据报文识别算法，并在收发端口实现了位错校正。2 1 4 以太网交换机(ESW)模型文中以 10 Mb/s 和 100 Mb/s 的速率，建立了具有10 个光纤端口的以太网交换机的动态模型，用于全双工通信。图 2 给出了两个端口以太网交换机的简化图。在接收端口，每个接收到的数据报文都会被检查数据完整性，然后数据报文被发送到中央处理模块。处理器读取目标地址，并根据报文服务速率将报文发送到相应的输出端口。最后在输出端口，根据报文上标记的优先级，将报文排队放入ESW 缓冲区。数据报文根据队列的优先级从输出端口发送器发送到网络，即根据 IEEE8021p 优先级先清空优先级最高的队列。161第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023图 2OPNET 中以太网交换机节点模型Fig 2Ethernet switch node model in OPNET2 1 5 通信链路和端口在过程总线中，光纤通信由于其抗电磁干扰的特性而更受青睐。因此，考虑使用两个数据速率为 10Mb/s 和 100 Mb/s 的端口的全双工光纤通信链路。2 1 6 过程总线流量建模为了处理总线应用，根据 IEC 61850 标准配置了三种不同类型的流量模型:高优先级事件三角消息;高优先级周期性(时间三角按采样率显示)原始数据采样值消息;低优先级后台流量(即事件触发的客户端-服务器应用程序)。2 2 IEC 61850-9-2 过程总线仿真图3 所示为一个典型的110 kV/35 kV 变电站。该变电站共有 20 个 CT 和 8 个 VT，用于保护和控制 8 个变电站。此外，一个合并单元可以配置8个来自2个三相仪表变压器(CTs/CCVTs)的模拟信号，以及一个断路器。因此，这个变电站总共需要投入 14 个开关站。图 3典型 110 kV/35 kV 变电站布局Fig 3Typical 110 kV/35 kV substation layout图4 是一个基于动态以太网交换机的过程总线通信网络，模拟了如图 3 所示变电站。根据 IEDs 和 MUs的数量，在环网结构中一共配置了4 个1