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[摘 要]针对电力系统中通信的复杂性及高性能要求的问题，文中分析并讨论了不同类型的电力通信拓扑结构，从而确定了电力系统的有效通信方式。采用优化网络工程工具OPNET软件，在不同条件下对级联、环形和星形通信拓扑结构进行建模与仿真，并基于数据传输速度、延迟分析讨论了这些拓扑结构的可靠性和可用性。结果表明，在所有的拓扑结构中，星形电源网络架构在数据传输、延迟时间、可靠性和可用性方面均是最有效的，级联电源网络架构的性能最差。
[关键词]IEC 61850；OPNET；通信拓扑；电力系统通信
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0139-01
高压电力网络、互连输电线路以及电网的变电站将城镇和城市相连接。实时电力系统操作对于通信是极其关键的。由于电力消耗和人口增长的需求增加，电力公司行业在如何跟上需求和保持高水平的可靠性及安全性方面均面临挑战。多功能智能电子装置（IED）的制造为变电站自动化系统（SAS）创建了一个全新的平台，进入用于数据传输和通信的无限带宽的数字时代。基于微处理器的SAS协助减少硬布线，导致更少的成本以及与预先存在的基础设施（例如中继应用框架）集成的优势。此外，互联网与光纤技术的发展及成熟使得可靠性提高。传统变电站由配线低速串行端口通信创建，以便根据需要通过串联或并联连接IED来合并IED间通信。结果，检测到控制范围和膨胀的限制。此外，由于低速串行端口通信，未能实现IED之间的对等通信。
国际电工委员会（IEC）引入变电站自动化（SA）的IEC 61850标准，使不同厂商设备之间的互操作性能够共享数据、服务和通信。IEC 61850定义了用于在IED、变电站之间以及向本地人机界面和控制中心交换信息的通信标准。IEC 61850的主要目的是提供多厂商设备之间的互操作性，并建立一个零点故障证明的网络。本文基于IEC 61850标准，研究并分析了电力系统的通信方式。
1 基于IEC 61850的通信架构的OPNET仿真
IEC 61850详细说明了各种典型且实用的网络架构，包括级联、星形、单个或多个环形拓扑结构等。
A）OPNET网络模拟器
OPNET网络模拟器是用于通信网络和应用的建模、仿真及分析的软件。该软件允许专家快速分析和计划复杂的网络系统和服务，并以较低的生命周期成本优化性能。
B）通信架构的可靠性和可用性
根据IEC 61850可靠性要求，理应不可能导致变电站不可操作的单点故障。然而，即使对于关键应用，冗余也不是IEC 61850的强制性要求，且由变电站设计工程师决定。因此，SAS的可靠性和可用性改进是基于IEC 61850的变电站设计中面临的最具挑战性的问题之一。可靠性：如IEC 60870-4定義，其是设备或系统在特定时间段内及特定条件下执行其预期功能的度量。可用性：系统运行时的时间百分比，包括维护中断，例如电源丢失，噪声和通信暂时丢失。若SAS中存在故障，则变电站仍可操作。另一方面，IEC 61850不要求使用任何特定类型的变电站架构或任何冗余的重要变电站功能。以下架构使用OPNET进行仿真分析。
1.1 级联拓扑结构
通信网络（中央总线核心）用作传输介质，其中所有站均直接连接到总线，如图1所示。这里，所有连接均连接到共享通信线路（中央总线核心）。在级联架构中，每个IED通过直接链路连接到另一个IED，且整个架构类似于具有开环配置的鏈配置。该种架构简单、价格低廉。然而，该配置的时间延迟（等待时间）却相对较高。
1.2 环形拓扑结构
环形架构类似于级联架构，除了环路在最后一个交换机与第一个交换机之间闭合。众所周知，以太网交换机不支持环路。因此，有必要使用快速生成树启用功能协议（802.1w）微处理器管理的交换机。该通信通道允许以太网集线器检测循环，并在内部阻止重复消息循环。此外，其允许拓扑在故障期间快速反应。由于n-1冗余，环形架构具有提供更好可靠性的潜力。因此，即使环形连接和/或以太网交换机（ESW）中的任何一个发生故障，IED仍可保持通信。然而，这种架构更加昂贵、复杂，且无法改善任何网络延迟。
1.3 星形拓扑结构
图2示出了星形连接的四集线器多模式集成网络，其包括60个IED、4个网络集线器、以太网交换网关和WIN网络服务器。此处的所有设备使用1000-BaseT链路连接，该链路的额定传输速率为每秒1000个数据包。在该网络中，每个集线器连接到15个其他IED。在这种情况下，客户端以太网嵌入工作站中。考虑到这是理想的情况，所有4个集线器被放置在具有相同规格的相同网络中，这些网络连接到以太网网关交换机，其又产生大的星形连接的集成网络。
2 结束语
在本文中，使用OPNET仿真器模拟并分析了几种电力系统通信架构。通过OPNET模拟，级联和环形拓扑结构显示较高的数据传输延迟，而星型拓扑结构则显示较小的数据传输延迟。由此，可得出结论，在所有的拓扑结构中，星形电源网络架构在数据传输、延迟时间、可靠性和可用性方面均是最有效的。
参考文献
[1] Lee B，Kim D K，Yang H，et al.Role-based access control for substation automation systems using XACML[J]. Information Systems，2015，53（3）：237-249.
[关键词]IEC 61850；OPNET；通信拓扑；电力系统通信
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0139-01
高压电力网络、互连输电线路以及电网的变电站将城镇和城市相连接。实时电力系统操作对于通信是极其关键的。由于电力消耗和人口增长的需求增加，电力公司行业在如何跟上需求和保持高水平的可靠性及安全性方面均面临挑战。多功能智能电子装置（IED）的制造为变电站自动化系统（SAS）创建了一个全新的平台，进入用于数据传输和通信的无限带宽的数字时代。基于微处理器的SAS协助减少硬布线，导致更少的成本以及与预先存在的基础设施（例如中继应用框架）集成的优势。此外，互联网与光纤技术的发展及成熟使得可靠性提高。传统变电站由配线低速串行端口通信创建，以便根据需要通过串联或并联连接IED来合并IED间通信。结果，检测到控制范围和膨胀的限制。此外，由于低速串行端口通信，未能实现IED之间的对等通信。
国际电工委员会（IEC）引入变电站自动化（SA）的IEC 61850标准，使不同厂商设备之间的互操作性能够共享数据、服务和通信。IEC 61850定义了用于在IED、变电站之间以及向本地人机界面和控制中心交换信息的通信标准。IEC 61850的主要目的是提供多厂商设备之间的互操作性，并建立一个零点故障证明的网络。本文基于IEC 61850标准，研究并分析了电力系统的通信方式。
1 基于IEC 61850的通信架构的OPNET仿真
IEC 61850详细说明了各种典型且实用的网络架构，包括级联、星形、单个或多个环形拓扑结构等。
A）OPNET网络模拟器
OPNET网络模拟器是用于通信网络和应用的建模、仿真及分析的软件。该软件允许专家快速分析和计划复杂的网络系统和服务，并以较低的生命周期成本优化性能。
B）通信架构的可靠性和可用性
根据IEC 61850可靠性要求，理应不可能导致变电站不可操作的单点故障。然而，即使对于关键应用，冗余也不是IEC 61850的强制性要求，且由变电站设计工程师决定。因此，SAS的可靠性和可用性改进是基于IEC 61850的变电站设计中面临的最具挑战性的问题之一。可靠性：如IEC 60870-4定義，其是设备或系统在特定时间段内及特定条件下执行其预期功能的度量。可用性：系统运行时的时间百分比，包括维护中断，例如电源丢失，噪声和通信暂时丢失。若SAS中存在故障，则变电站仍可操作。另一方面，IEC 61850不要求使用任何特定类型的变电站架构或任何冗余的重要变电站功能。以下架构使用OPNET进行仿真分析。
1.1 级联拓扑结构
通信网络（中央总线核心）用作传输介质，其中所有站均直接连接到总线，如图1所示。这里，所有连接均连接到共享通信线路（中央总线核心）。在级联架构中，每个IED通过直接链路连接到另一个IED，且整个架构类似于具有开环配置的鏈配置。该种架构简单、价格低廉。然而，该配置的时间延迟（等待时间）却相对较高。
1.2 环形拓扑结构
环形架构类似于级联架构，除了环路在最后一个交换机与第一个交换机之间闭合。众所周知，以太网交换机不支持环路。因此，有必要使用快速生成树启用功能协议（802.1w）微处理器管理的交换机。该通信通道允许以太网集线器检测循环，并在内部阻止重复消息循环。此外，其允许拓扑在故障期间快速反应。由于n-1冗余，环形架构具有提供更好可靠性的潜力。因此，即使环形连接和/或以太网交换机（ESW）中的任何一个发生故障，IED仍可保持通信。然而，这种架构更加昂贵、复杂，且无法改善任何网络延迟。
1.3 星形拓扑结构
图2示出了星形连接的四集线器多模式集成网络，其包括60个IED、4个网络集线器、以太网交换网关和WIN网络服务器。此处的所有设备使用1000-BaseT链路连接，该链路的额定传输速率为每秒1000个数据包。在该网络中，每个集线器连接到15个其他IED。在这种情况下，客户端以太网嵌入工作站中。考虑到这是理想的情况，所有4个集线器被放置在具有相同规格的相同网络中，这些网络连接到以太网网关交换机，其又产生大的星形连接的集成网络。
2 结束语
在本文中，使用OPNET仿真器模拟并分析了几种电力系统通信架构。通过OPNET模拟，级联和环形拓扑结构显示较高的数据传输延迟，而星型拓扑结构则显示较小的数据传输延迟。由此，可得出结论，在所有的拓扑结构中，星形电源网络架构在数据传输、延迟时间、可靠性和可用性方面均是最有效的。
参考文献
[1] Lee B，Kim D K，Yang H，et al.Role-based access control for substation automation systems using XACML[J]. Information Systems，2015，53（3）：237-249.