基于OPNET的电力广域通信仿真联盟的实现

基于OPNET 的电力广域通信仿真联盟的实现童晓阳，廖晨淞（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）摘要：由于电力控制系统需要利用广域网络进行实时通信，提出将电力控制程序与通信仿真软件OPNET 进行联合仿真，以使电力控制系统同步地获得广域通信报文的网络延迟。

构造了一个由电力控制系统程序、联盟模块Cosim 、OPNET 组成的仿真联盟平台。

在扩展OPNET 中的通信协议时，保留了已有的应用层和UDP ／IP 协议等模块，增加了负责打通OPNET 与Cosim 交互的外部模块esys 和虚拟应用层UDP_bridge ，后者负责连接UDP 协议模块和esys 。

关键技术是对Cosim 、esys 和扩展进程的设计，其中扩展进程采用基于事件的有限状态机进行建模和设计。

Cosim 采用同步方式，以2组输入／输出及其标志文件传递电力控制程序索取报文延迟的请求和返回的延迟结果。

采用C++语言实现了仿真联盟平台。

在一个简单的广域通信网上进行了多组仿真实验，实验表明电力控制程序能够获得OPNET 模拟的通信延迟，OPNET 中背景流量的大小改变可影响电力控制程序获得的报文延迟。

关键词：广域通信网络；仿真联盟；OPNET 扩展；报文延迟；电力控制系统中图分类号：TM 73；TP 393.2文献标识码：A文章编号：1006－6047（2010）08－0134－05收稿日期：2009－11－18；修回日期：2010－04－26基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（SWJTU09ZT10）电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol．30No .8Aug.2010第30卷第8期2010年8月0引言越来越多的电力控制系统，尤其是刚刚兴起的智能电网，都提出基于广域通信网络的通信需求，如通过广域网传递遥信量、遥测量、同步相量、保护信息、控制指令等与广域保护相关的数据。

因此需要使用仿真工具（如OPNET 、NS2等）进行实验以检验其广域通信性能［1-4］。

NS2是共享仿真软件［5］，仿真系统与协议源代码公开，但较难学习。

OPNET 具有模拟现有各种通信协议与通信设备产品、通信协议的源代码公开、通信参数易设置、仿真结果可视化强等特点［6］，在电力仿真上得到广泛使用。

目前，广域通信应用的仿真思路主要有2种，一种是采用OPNET 等仿真工具对各典型业务建模和仿真［1-4］；另一种是研究多种仿真软件的联合仿真与集成，如电力通信同步仿真平台EPOCHS ［7］，它将控制算法设计在A gent 中，A gent 通过平台可获取和更改电力仿真系统数据，根据算法和实际情景产生实时性交互数据，真实地再现系统的工作特性［7-8］，但是它采用NS2。

文献［9］研究了Matlab 与OPNET 的集成和交互，文献［10］采用Java 与C 混合编程；实现通信需方程序与OPNET 交换数据以获得通信延迟；文献［11］研究由外部TCP 客户端程序与OPNET 中服务器的通信仿真方法，但其效果并不理想。

本文尝试研究有广域通信仿真需求的电力控制程序与OPNET 进行联合仿真的解决方案。

首先给出基于OPNET 的仿真联盟组成，研究其中仿真需方程序、联盟模块、OPNET 之间的交互方式，阐述了平台的实现框架、关键技术的实现方法，以多组仿真实验验证了其准确性和有效性。

1基于OPNET 的仿真联盟框架1.1基于OPNET 仿真联盟的思路为实现多个仿真软件的联合仿真，可采用高层体系结构HLA （High Level Architecture ）或直接调用仿真需方软件提供的对外接口。

OPNET 为与外部程序交换通信数据提供了上述2种方法，鉴于HLA 需要第三方联盟软件，增加了软件成本和开发难度，这里采用调用OPNET 对外接口的方法。

基于OPNET 仿真联盟的组成如图1所示。

它由仿真需方程序（简称需方程序）、联盟模块Cosim 、OPNET 及其扩展组成。

联盟模块Cosim 作为OPNET 的外部模块，是需方程序与OPNET 之间的桥梁。

该仿真联盟利用OPNET 的外部系统定义ESD （External System Defi -nition ）的对外接口和中断，设计OPNET 中的对外模块esys ，实现OPNET 与Cosim 之间的数据交换。

OPNET 根据仿真描述SD （Simulator Description ，包含链接信息）文档将OPNET 中通信模型与Cosim 代码联合静态编译，形成一个可独立运行的仿真程序。

图1基于OPNET 仿真联盟的组成Fig.1Composition of co -simulation based on OPNET有广域通信需求的需方程序（C++）联盟模块Cosim （C ）esys SDESDOPNET联合编译的仿真程序文件交换调用外部接口发送、以回调函数接收需方程序以文件与Cosim 交换数据，它先向Cosim 传递通信数据，后者获得OPNET 模拟的通信延迟后返回。

需方程序与Cosim 有同步和异步2种数据交换方式。

同步方式指需方程序发送通信请求后，停止仿真时钟，一直等待OPNET 返回结果给Cosim ，从Cosim 的返回文件获取仿真延迟，然后获取计算机的精确时钟，精确地模拟延迟的发生，该时刻到达时再向目标Agent 传送该报文。

异步方式指需方程序发送通信请求后不必等待，继续其他工作，设置定时器定时地读取Cosim 返回结果，将读到仿真结果时刻作为报文到达时刻，不需再模拟延迟的发生，但由于OPNET 对各事件仿真本身需要一些时间，如仿真实验表明，从需方程序发出1500、1800Byte 通信请求到目标节点、到用定时器异步接收了返回的延时报文，时差分别有907、965ms ，而由OPNET 仿真可知报文延迟本身仅有0.953、0.969ms 。

因此，需方程序与Cosim 之间采用同步交换方式。

本方案可方便地在OPNET 中设置各种背景流量（或由需方程序提供），需方程序在运行过程中根据算法的需要及时地向Cosim 发出通信报文（如保护动作、控制指令等），获得相应通信延迟。

1.2基于OPNET 的仿真联盟平台的实现框架基于以上思路，构造了一个基于OPNET 的仿真联盟平台，其实现框架如图2所示。

在扩展OPNET 中通信协议时，保留已有的应用层和UDP （User Datagram Protocol ）／IP 协议等模块，增加外部模块esys 和虚拟应用层UDP_bridge 。

UDP_bridge 等同于UDP 应用层，接收来自esys 的通信请求，组织成UDP 报文发给UDP 层，继而发送到目标节点；接收来自UDP 层发向本节点的报文，计算出报文延迟，加以组织再上传给esys 。

esys 以回调函数方式将通信延迟结果及时地返回给Cosim 。

这样在不影响OPNET 中正常报文传输的基础上增加了一个与外部Cosim 通信的“侧门”，也可由外部构造背景流量。

Cosim 是OPNET 的外部模块，又是需方程序发送通信请求和获取结果的中转程序。

Cosim 读取需方程序以文件方式发来的送往各目标节点的通信数据，调用OPNET 的外部系统写入接口传递给OPNET 。

在Cosim 模型中各节点的回调函数中获取来自OPNET 的通信延迟，再通过输出文件返回给需方程序。

需方程序按照同步方式与Cosim 交互。

先发送通信请求给Cosim （向Cosim 的输入标志文件in_go 和输入文件input 写数据），然后就一直等待。

当Cosim 接收到OPNET 的仿真结果时，产生输出标志文件out_go ，将延迟结果写入输出文件output 。

当需方程序检查到out_go 生成时就得到延迟结果。

基于OPNET 仿真联盟要解决OPNET 中外部模块esys 、虚拟UDP 应用层、Cosim 及其与OPNET 交换数据、需方程序与Cosim 交换信息等关键技术。

2仿真平台的关键技术及其实现2.1OPNET 中基于UDP 的通信扩展方法2.1.1外部模块esys 的设计实现OPNET 与外部程序（前述的Cosim ）的联合仿真，需要以下部件［11］：a.外部系统的接口定义模块；b.仿真描述SD ；c.外部模块esys ；d.彼此交换的数据包格式；e.扩展的进程模块；f.外部程序等。

其中，关键是esys 和扩展进程模块。

扩展进程包括2个：一个是esys 模块的进程，负责与Cosim 通信；另一个是虚拟应用层的进程，模拟UDP 应用层，与UDP 层交换数据。

这2个进程再相互通信。

对扩展进程采用基于事件的有限状态机建模和设计。

esys 模块的进程包括初始化（init ）和空闲（idle ）2个状态，如图3所示。

在idle 状态中，响应预先定义的来自外部程序消息PK_FRM_OUTER 和来自UDP_bridge 消息PK_FRM_BRIDGE ，分别以函数proc _pk _from_Outer 和仿真需方程序以回调函数callback 返回联盟模块CosimOPNET 中节点模型及其扩展esysUDP_bridgeapplication tpalUDPCPU ip_encapip arp machub_rx_0_0hub_tx_0_0rsvptcp 循环检查输入文件，有请求，调接口函数发给OPNET 的esys 读取报文延迟，立即写入输出文件源Agent 有通信请求，准备发送的报文，写输入文件循环检查输出标志文件，读取报文延迟精确模拟延迟，到时刻把报文交给目标Agentin_go input out_go output图2基于OPNET 的联盟仿真平台的实现框架Fig.2Implementation framework of OPNET -based co -simulation童晓阳，等：基于OPNET 的电力广域通信仿真联盟的实现第8期init idle（default ）（PK_FRM_BRIDGE ）／proc_pk_from_bridge （）（PK_FRM_OUTER ）／proc_pk_from_Outer （）图3外部模块esys module 进程的有限状态机Fig.3Finite state machine of external module esysproc _pk _from _bridge 予以处理。

proc _pk_from _Outer 首先检查该来自外部请求的报文源头是否指向自己，如果是，则组织一个发给UDP_bridge 的数据结构，其包括源地址及其端口、目标地址及其端口、消息编号（为了区分发向同一个目标地址的不同消息）、报文大小等，再通过函数op_pk_send 发送到指向UDP_bridge 层的通道。