模型说明文档

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1、OPNET 仿真仿真模型是基于IEC61850中规定的D2型中等规模变电站建立的模型。D2 变电站里元件一般不超过20个。采用过程层网络和站控层网络统一组网的通信 架构。一、变电站仿真模型的建立1. 节点模型节点建模就是在节点编辑器里对具体的节点编辑修改从而适应网络要求。数 字变电站站级网络节点有变电站层监控机及间隔层保护控制等。我们现在要研究 的是变电站的通信问题，关注的只是通信，所以对设备不需要全面建模，忽略具 体设备的实际功能，只要包含通信功能就行了，从而消除差异保持通信功能的一 致性。我们这里采用OPNET模型库里已有的。Ethernet_wkstn_adv。节点模型来 发送和接收数据

2、。 Ethernet_wkstn_adv 的结构示意图如下图所示，包括应用层、 传输层、网络层、接入层和物理层，其中应用层负责产生和收发电力通信网的相 关业务、控制指令、设备状态信息等。arp nui macE Ehub_ra_O_Dhub_tx_O_O图 Ethernet_wkstn_adv 节点模型2. 网络拓扑模型本部分仿真的实例模型是变电站D2,包括6个间隔，一个站监控机，一个 节点服务器。每个间隔有三个元件：合并单元MU,智能开关柜ISG和保护控制 智能电子设备IED_X。通过OPNET利用这些节点来动态的仿真变电站层与间隔层 之间的通信。间隔层的三个单元通过交换机连接在一起组成子网

3、，子网在通过站 级交换机与监控机和服务器连接，形成星型拓扑结构，链路全部采用lOOMbaseT 连接。站级网络及子网仿真模型如下图。图 站级网络及子网模型拓扑结构3. 业务建模OPNET提供一种端到端的业务，等同于IEC61850通信模型中的客户/服务器 模型，并且OPNET已经编写好了常用的协议并形成模块，按流程配置即可，大体 分四步：(1) 设定应用参数应用描述的是应用应该发生的动作(像 HTTP 应用，可以设定获取页面的时 间以及大小)， OPNET 已经定义好了 9 种应用，一般应用都能找到。我们这里要 用到的应用包括HTTP、Database、Video Conference和FTP

4、共四种，分别对应 着IT1、IT2、IT3和IT4四类通信业务。HTTP业务用来仿真MU合并单元对设备 状态进行周期上报的信息， Database 用来仿真母线间隔内的保护单元、控制单 元主机向母线间隔和部分反馈间隔的断路器发送的非周期性数据，如设备短路信 息；以及母线间隔和反馈间隔中的断路器向保护和控制器回应的指令信息，例如 跳闸命令等。 Video Conference 用来模拟所有间隔内的断路器和保护、控制单 元向站控层服务器传送设备状态信息。用 FTP 文件传输业务来模拟服务器向站控 主机传输的数据流，如大容量文件等。这四种应用服务都可以在 OPNET 模块 Application C

5、onfig 中的属性中进行定义和配置的。这四种服务可以配置和关 联部署到不同的节点中，还能够比较方便的观测到端到端的时延以及请求时间等 参数，使用起来非常方便。这里以Video Conference和FTP业务为例描述其所配置的参数如下图所示：Type：futilityAH r i bui epJalije：-name=回 3appI i cat i un conf i -Apr Ii cat i on Def i n i t i onsi-NuTiber of Rowsi-NameIT_4-1 De：r：r ipt i 门i(.F Cus ttmiffhDatabaseCffF-EmailC

6、ffh-Ftp+ Il_1+ Il_2+ Il_30 II_4Q (Ftp) TableValue5眈AttributeConmand Nix (Get/Total)Inter-Request Time (seconds) pareto (0.000512, I. I) Fi e Size (bytes)constant (1024) FTP ServerBest Effort (0) NoneType of JerviceRSVP ParametersBack-End Custom Appl icat ion Not LsedDetai IsPromo te：OKCanceI|T Advan

7、ced ted ubjecCancel I图 应用参数配置界面周期性数据 Video Conference 配置：Incoming Stream Interarrival Time(seconds)：Constant(0.02)Outcoming Stream Interarrival Time(seconds)：Constant(0.02) Incoming Stream Frame size(bytes)：Constant(123)Outcoming Stream Frame size(bytes)：Constant(123) 随机性数据 Video Conference 配置：Incom

8、ing Stream Interarrival Time(seconds)：Possion(0.1)Outcoming Stream Interarrival Time(seconds)：Possion(0.1) Incoming Stream Frame size(bytes)：Constant(80)Outcoming Stream Frame size(bytes)：Constant(80) 突发性数据 FTP 配置：Command Mix(Get/Total)：50%Inter-Request Time(seconds)：Pareto(0.000512，1.1)File Size (b

9、ytes)：constant(1024)(2) 业务行为设定 业务行为又称为业务规格，对用户群所用到的应用进行描述。通常描述应用 的执行规律，比如什么时间开始，持续多长时间、如何重复执行等。业务行为的设置方法是对 OPNET 中 Profile Config 模块的属性设置，配置 流程如下图。各选项的说明如下：Profile Name 用于指定该业务行为的名称；Applications 下的 Name 设定该业务行为中要执行 IT1IT4 中的哪类业务；Start Time Offset 为应用业务相对于业务行为的开始偏移时间；Duration 为应用业务的持续时间；Inter-repetit

10、ion Time 为下次应用相对与上次应用结束后的间隔时间； Number of Repetition 为该应用总共需要重复执行的次数；Repetition Pattern 为应用重复的方式，即串行或并行执行； Operation mode 为多个应用的开始方式，即按序或随机开始； 接下来的 Start Time 到 Repetition Pattern 用于指定业务行为的相关属性； 对于不同类型的业务（如周期型和突发型），对其开始时间、持续时间、重 复时间等均采用不同的设置。其中，IT1业务开始在仿真时间的100s, IT2IT4 在仿真时间的110s开始。另外、IT1作为周期性业务，其每次

11、重复间隔时间设 定为常数值，而IT2IT4则根据业务执行的突发型和随机型等规律，服从一定的 概率分布规律来设定其持续时间和重复次数。回0Kj釦厂 Exact natchW： |u-.iliti58I 1AtirIbuteValuer- nameprof i le conf ig-Prof le CoifIguratIon(.)卜 Mnbeof Bdvs4a it_ _Jserh F1 rof i 1 e Nau曰r_i_i=rE Appl i cal ions(.)r Njnter of Fbvsi-JI 1-Namer_iStart T !rre Offscl (.se匚 m No Offs

12、etDurftt ion (seconds)End of Profi leE ReFe&tab i1i ty(.)h- Inter-repet it ion Tim.Exponent ial (3DD)rNjnter of Ftepet i t i onsUnl imited!-Repet tlon FatternSerialr Operat I on IrlcdeSerial (Ordered)s Start Time (.seconds.)constant (100)r Du r&t i 口仃(eeconds)匚|日 of S irrul at i anE Rof*tab i 1 i iy

13、(.)h Inter-repetit ion Tine (e.cunalant (30DJr Njnteof Ftepet i t i onsconstant (0)Repetition PatternSerialon TT A1厂 AdvancedFilley p pp|y to selrcteri obiectsCancel图 业务行为的设置界面（3）配置服务器支持的应用服务器一般可以支持多个应用，只要是在之前定义好的应用都可以。本文中 设置了站级服务器，用于传输FTP业务（IT4）和Video Conference业务（IT3）。 FTP 业务为服务器向站控主机传送的大流量数据业务，如大

14、容量文件的传输。Video Conference 为各间隔内的保护、控制单元和断路器向服务器交互的设备 状态信息。具体配置方法是在 Protocols Application Deploy Defined Application中部署上述定义的应用业务到对应节点上，设置流程如下图。r3dHelp|：tp|Qr Aff-I ict iarrfAll pp I i W.I. iuri d*v irjfIHwrk Tr- BrorwrP Synd-r-cril a r Hh PrujisL琶 I lie 牛单 Cahrtinl crt i iriPmlc Cora I atmqj | Dl“ 画 L

15、ng| Fl= 张 mlnga|CancelQ Ctplcr! Applclions厂 nclude Hidden 厂 &ily elected 臣;mre 丫 lc*5To reoiove Entenprise NehwDrkBES hon-i the ispoiaiUDn 厂_斗. L. Click the nemeyve (KJ button tn rgmova tfie node itxm the tier. -I wefflaraj 7A WRrmT| p# -MttflU tH HE曲埠 f-S Escsffi :*I L-SwggggI - J: wnfflir-：LJLflse

16、nd9 Krrc-r 並 Wnriig* 回 Pnf Ilf： JUJJst严 圭回 Prefiles JLS-Uwr- 丰购 Prefile. JT_3_Llwrw 7 切 Snurcei 阳 rffldw Application Deploy Defined Application 中选中执行该业务行为的各间隔内的合并单元，导入至右侧的名称 为 IT_1_User 的 Source 下，表示该业务行为及执行规律由这些合并单元节点执 行，然后选中各间隔内的保护和控制单元导入至右侧的IT_1的Server下，表示 由这些节点接收上述合并单元发送的 IT1 业务，如下图所示。图 业务行为的部署

17、二、仿真结果及分析 为了研究影响网络的实时性因素，我们要对仿真统计量进行收集，这里主要 考虑的统计量有：业务的全局端到端时延End-to-end Delay(s)，以及业务的收 发吞吐量(byte/s)。对诸多影响网络实时性的因素的研究，使用的方法就是控制 变量法。1.QoS 机制下的性能比较1)网络轻载以下为无Qos机制下IT1、IT2、IT3和IT4业务的时延和吞吐量统计结果图 采样传输的端到端时延和吞吐量统计结果端到湍时艇T1500a A a JlyOM接收吞吐呈(bj/tES/SEC)友医呑吐里byte呂侶旳IjSDO50Q_lAaJM.Illi2E050075D1,000tiTie

18、sec)图 跳闸命令的端到端时延和吞吐量统计结果图 设备状态信息的端到端时延和吞吐量统计结果图 文件综合传输的端到端时延和吞吐量统计结果由以上各图可见，在网络轻载下，各类业务的时延都在限定的范围内，且收 发吞吐量一致，不存在丢包现象。以下为增加了 Qos机制后IT1、IT2、IT3和IT4业务的时延和吞吐量统计结图 采样传输的端到端时延和吞吐量统计结果图 跳闸命令的端到端时延和吞吐量统计结果* ES设舀状态信屋J. n端到端时翹爼gtime (kg)图 设备状态信息的端到端时延和吞吐量统计结果图 文件综合传输的端到端时延和吞吐量统计结果 由以上各图可见，在网络轻载时增加了 QoS 机制后，各类

19、业务的传输质量未E3跳闸齢回0.0030.0020.001O.OCO250500750无Q嗚端到端时延阈 Q甬端至|端时延间0.0C41.0CO une (sec)发生变化，均在标准范围内。对以上两种场景下的IT1和IT2业务的统计结果进行对比，如下所示:菲样专樹 u丨回无Q虜端到端时延同 QoS端到端旳延 0.01750.01500.01250.01000.00750.00500.00250.00005D0图 采样传输的端到端时延对比结果图 跳闸命令的端到端时延对比结果由以上两图可见，在网络轻载时通过对比有无 QoS 机制下 IT1 和 IT2 业务的 端到端时延，我们可见在增加了 QoS

20、机制时反而略微增大了 IT1 和 IT2 业务的端 到端时延，但仍在限定的范围内。这是因为增加QoS机制后，各类业务经主交换 机转发时，都会根据自身的优先级大小在主交换机的端口上进行分级缓存和分级 转发，增加了一定的缓存时延，因而时延略微有所增大。但整个网络的所有业务 均属于轻载情况，因此主交换机负载并不高，可完成快速分级转发。图 QoS 机制下四类业务的时延对比 由上图可见，在主交换机的端口上采用 QoS 机制后，各类业务会根据优先级 的大小进行分级存储转发，优先级越高的业务（如IT2）存储转发时延越低，优 先级越低的业务（如IT4）其存储转发时延越高。2）网络重载以下为无Qos机制下IT1

21、、IT2、IT3和IT4业务的时延和吞吐量统计结果彌啦晴时辺tea)trne (sec)图 跳闸命令的端到端时延和吞吐量统计结果将歸时延笑口hme (sat)图 设备状态信息的端到端时延和吞吐量统计结果63丈件住合传擀| = 耳严 宰二T端至鯛旳延（gtine (sec)图 文件综合传输的端到端时延和吞吐量统计结果由以上各图可见，在网络重载时，各类业务的发送量都明显增大，对主交换机和链路带宽造成了很高的负载，因此各类业务的时延均有所增大，且部分业务的收发吞吐量出现不一致的情况，说明网络中存在一定程度的拥塞。以下为增加了 Qos机制后IT1、IT2、IT3和IT4业务的时延和吞吐量统计结图 跳闸

22、命令的端到端时延和吞吐量统计结果图 设备状态信息的端到端时延和吞吐量统计结果S3丈件時舍歸17 回I端到端时証庄dtim亡(sec)由以上各图可见，在网络出现重载时，采用 QoS 机制后对各类业务根据优先 级大小进行传输，部分业务（如IT4）存在收发吞吐量不一致、高时延的情况， 但在网络资源有限的情况下尽量保证了优先级高的业务（如IT2）的传输质量。对以上两种场景下的IT1和IT2业务的统计结果进行对比，如下所示：图 采样传输的端到端时延对比结果无2阳端到錨时迅圍Q泪端到端时延图跳闸命令的端到端时延和吞吐量统计结果 由以上两图可见，在网络重载时，通过对采用 QoS 和不采用 QoS 的场景进行

23、 对比发现，由于 QoS 机制提供的差分服务，在网络资源出现紧张的情况下确保了 优先级高的业务IT2优先进行转发传输，因而其传输时延降低了，而IT1业务由于让出了部分网络带宽资源给 IT2 业务，需要在主交换机上经历一定的缓存，因 而其时延比未采用 QoS 机制时略有增加。回0500Q时延対匕75DLjODD tine 妊 a跳闸令令湍到鬧寸证女件综含借輸誘鵬时SA诃 采祥佚辅揣到渤挺国 设制熔信目港鵬时延何图 QoS 机制下各类业务的端到端时延对比结果由上图可见，在网络重载时，采用 QoS 机制时能更好的保证优先级高的业务 的传输质量，其传输时延尽可能控制在限定的范围内，同时优先级低的业务因为 得不到足够的网络资源，其传输时延则会明显增大。