基于OPNET的数字化变电站继电保护通信网络仿真研究

蒋 晓，王 东，李海涛

（国网灵璧县供电公司，安徽 灵璧 234200）

0 引 言

现代变电站继电保护通信网络的工程设计与实现中越来越注重设计、仿真、优化的协同作用。在变电站继电保护通信网络各功能模块及其系统总体的设计中，为提高设计、制作效率并优化系统功能和特性，在进行合理的链路预算、原理验证及数学分析的基础上往往需要通过虚拟仿真软件进行设计、优化及仿真，各种虚拟仿真软件在变电站继电保护通信网络不同层次的设计与仿真应用中发挥着不同的作用。首先对变电站继电保护通信网络常用虚拟仿真软件及其应用进行了分析，其次以OPNET为例按照从电路到模块、从子系统到系统的通信工程底层到上层的思路进行了从变电站继电保护通信网络工程预算、工作原理、工作过程等方面的优化[1-3]。

1 基于OPNET的仿真模拟软件概述

随着网络建模与仿真技术的不断发展，单纯的软件仿真面临安全功能建模困难、攻击流量加载局限大、缺少应用层响应等问题，不能完全满足网络安全仿真的需要。为此，对基于OPNET的半实物网络仿真方法进行研究。半实物网络仿真环境的构建主要有两种思路，一是结合具体的仿真需求自行开发和研制，二是基于已有网络模拟器进行构建。目前，自行研制开发存在许多实现困难及通用性不强的问题。因此，本文将基于已有网络模拟器进行构建。选择OPNET软件作为构建半实物网络仿真的核心：一方面，OPNET凭借权威性和通用性形成了丰富的模型资源库，并且得到了多数硬件设备厂商的认可，成为公认的功能强大的网络模拟工具；另一方面，经过不断地完善和改进，OPNET逐步增加并强化了对半实物仿真的支持。目前，基于OPNET的半实物仿真实现主要有3种方法，即基于HLA模块的半实物仿真、基于自定义方法的半实物仿真以及基于SITL模块的半实物仿真[4]。

2 变电站继电保护通信网络虚拟仿真软件应用分析

2.1 电路模块

电路模块包括低频电路、模拟电路、数字电路以及视频电路等，通常可采取EWB、OPNET或ADS等软件进行电路设计与功能仿真。

低频电路主要包括电源稳压电路、放大电路、滤波电路、检波电路以及低频调制器电路等。该类电路基本用EWB软件、PSPICE软件进行设计与仿真，具有很好的静态和动态工作特性。模拟电路主要用来对模拟信号（连续变化电信号）进行测量、处理、变换、放大、传输以及显示等。该类电路模块是电子电路的基础，主要包括放大电路、信号运算和处理电路、振荡电路、调制和解调电路以及电源等。该类电路初期简单设计时可用EWB软件，后期复杂设计时可用OPNET仿真软件进行设计与仿真，能够得到很好的电路优化设计结果[5]。数字电路主要包括各种逻辑门电路、集成器件等，通过EWB和OPNET能够实现很好的电路设计及其性能仿真。射频电路的虚拟仿真软件较为复杂，涉及到的信号频率在100 MHz以上，常用ADS、HFSS、CST等专用射频、微波电路设计软件来进行电路设计及其性能仿真。

2.2 信号处理模块

变电站继电保护通信网络中的模数转换模块一般为已模块化的芯片，为辅助整个系统的信号处理模块设计，可以根据芯片说明书中的电路内部图，利用SystemView以及LabVIEW软件实现功能模拟。调制解调模块的设计与仿真中，OPNET与SystemView能够发挥很好的辅助设计功能。在涉及数学计算较多的信号/图像处理模块以及编译码与算法模块的辅助设计中，需要通过Matlab中的信号处理模块或利用C++等软件开发实现。

2.3 通信子系统

通信子系统中，天线系统与射频前端系统可通过ADS、HFSS或CST软件进行虚拟仿真。在收发子系统的仿真中，一般通过SystemView进行子系统设计及其功能仿真。此外，在Matlab软件中，通常有专用的Simulink模块进行子系统的辅助设计，同样也可以用C++等计算机软件进行开发。

2.4 系统工程应用

短距离无线变电站继电保护通信网络主要包括蓝牙、WiFi、RFID、ZigBee等，微波变电站继电保护通信网络主要应用于远距离微波中继变电站继电保护通信及卫星通信领域等，这两种变电站继电保护通信网络均可以通过ADS、HFSS及CST等实现虚拟仿真。移动通信一般由各通信公司开发专有的4G LTE/5G NR软件进行设计与仿真。光纤变电站继电保护通信网络主要包括光纤通信点到点系统中的发射机、光纤传输、接收机3大部分，可用专有的OptiSystem来进行系统级的光纤变电站继电保护通信网络设计与性能仿真[6]。

3 基于虚拟仿真的通信模块及系统设计

3.1 通路接收机信号放大模块

通信接收机天线所感应的信号除了有所需求的信号外，还有许多干扰信号。为了解决这个问题，通常在放大器中接入选频网络，这样构成的调谐放大器不仅具有放大作用，而且还具有选频能力。选频网络可以用LC谐振回路组成，小信号调谐放大器由调谐回路与晶体管组成。利用OPNET软件设计的电路如图1所示，其中晶体管起到放大信号的作用。R1、R5、R3为直流偏置电阻，用以保证晶体管工作于放大区域，使放大器工作于甲类状态。C3为R3的旁路电容，C1、C2是输入、输出耦合电容。L1、C4构成谐振回路，作为放大器的集电极负载，起选频作用。

图1 高频小信号放大电路模型

输入信号频率为465 kHz，示波器波形如图2所示。

图2 高频小信号放大电路仿真波形

从图2看出，高频小信号谐振放大电路的输出信号和输入信号相位相反，输出信号幅度大于输入信号，可方便计算出放大倍数。

3.2 发射机通路信号放大模块

利用选频网络作为负载的功率放大器是无线电发射机的重要组成部分，其作用是对高频载波或高频已调波进行功率放大。谐振功率放大器的基本电路由BJT、LC谐振回路、馈电电路构成。谐振功率放大电路如图3所示，晶体管工作在丙类状态。示波器波形如图4所示，谐振功率放大电路的输出信号与输入信号相比幅度增大[7]。

图3 谐振功率放大电路模型

图4 谐振功率放大器仿真波形

3.3 调幅与解调电路模块设计

以调幅（Amplitude Modulation，AM）信号的产生与检波电路为例，用OPNET绘制的电路如图5所示。

图5 AM信号产生与检波电路（二极管包络检波）

根据图5，示波器XSC1用于检测AM信号的产生，频谱分析仪XSA1用于显示AM的频谱图，示波器XSC2用于检测检波输出信号。在OPNET菜单中点击RUN功能按钮，软件便会自动进行仿真，然后双击示波器和频谱仪便可以得到所需要的波形曲线。为了方便观察，将示波器XSC1的时基设置为1 ms/格，示波器XSC2的时基设置为500 μs/格[8-10]。

4 结 论

通过对变电站继电保护通信网络中常用的虚拟仿真软件进行阐述，按照从功能电路到工程系统的顺序分析了相应的虚拟仿真软件应用。基于OPNET软件进行了通信电子系统中的放大电路、调制解调电路的电路设计、性能仿真，旨在为通信电子电路的优化设计提供良好的辅助设计软件参考，以促进复杂变电站继电保护通信网络的设计优化更好的实现。