數(shù)字化變電站過(guò)程層仿真測(cè)試環(huán)境的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

殷南南，胡敏強(qiáng)，竇曉波

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）最新制訂了《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)惟一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動(dòng)化未來(lái)的發(fā)展指明了方向[1]。數(shù)字化變電站的最重要的特征是采用了發(fā)射單光子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（ECT）、工程驗(yàn)證（EVT）和智能斷路器，智能斷路器具有自動(dòng)化、智能化、模塊化的優(yōu)點(diǎn)，它以智能控制器為核心，把微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)集成在一起；與傳統(tǒng)斷路器相比，ECT/EVT的應(yīng)用避免了電流互感器 （TA）的飽和及暫態(tài)響應(yīng)失真的問(wèn)題，減少了拒動(dòng)或延遲動(dòng)作的幾率，提高了保護(hù)動(dòng)作的正確率[2]。數(shù)字化過(guò)程層功能是與過(guò)程接口的全部功能，基本狀態(tài)量和模擬量輸入輸出功能，如：數(shù)據(jù)采集（包括采樣）、發(fā)出控制命令等。由于其信息不是模擬量而是數(shù)字量，保護(hù)測(cè)控裝置直接從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于二次回路不復(fù)存在，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是如何對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)方法部分失效。對(duì)于數(shù)字化變電站的試驗(yàn)和檢測(cè)，由于基于光學(xué)和電子學(xué)原理的ECT、EVT和智能斷路器的使用，常規(guī)模擬信號(hào)和控制電纜將逐步被光電數(shù)字信號(hào)和光纖代替，測(cè)控、保護(hù)裝置的輸入輸出均為數(shù)字信號(hào)，變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步向現(xiàn)場(chǎng)延伸，將出現(xiàn)真正意義上的過(guò)程層總線(xiàn)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的性能越來(lái)越依賴(lài)于通信，對(duì)目前的檢測(cè)手段帶來(lái)了不便。

按照現(xiàn)有技術(shù)，要檢測(cè)出被測(cè)系統(tǒng)的真實(shí)性能，需要消耗大量人力和財(cái)力。因此，開(kāi)發(fā)能客觀反映數(shù)字化變電站過(guò)程層的仿真測(cè)試硬件與軟件，該仿真測(cè)試裝置不再專(zhuān)注于對(duì)單臺(tái)裝置的測(cè)試，而是構(gòu)建一個(gè)測(cè)試環(huán)境。同時(shí)，借助該測(cè)試環(huán)境，全面檢測(cè)出被測(cè)系統(tǒng)的真實(shí)性能顯得十分必要。

1 裝置的組成與實(shí)現(xiàn)功能

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的提出，為設(shè)計(jì)硬件仿真裝置提供了依據(jù)。過(guò)程層總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)功能：間隔層設(shè)備與智能終端之間信息交換、間隔層設(shè)備間失靈啟動(dòng)等功能的信息。

數(shù)字化變電站過(guò)程層仿真測(cè)試環(huán)境主要由硬件仿真裝置和配置系統(tǒng)兩部分組成。其中，仿真裝置由插件和背板構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)為4U。插件的核心處理器采用AT91RM9200處理器，具有高可靠性和強(qiáng)實(shí)時(shí)性，完全能夠滿(mǎn)足通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）報(bào)文和采樣值（SMV）報(bào)文發(fā)送對(duì)時(shí)間和同步的精確要求，更好地模擬過(guò)程層的智能電子設(shè)備的外部特征。仿真裝置硬件配置如圖1所示[3]，該裝置不再專(zhuān)注于對(duì)單個(gè)裝置的測(cè)試，而是針對(duì)多個(gè)裝置的整體性能測(cè)試。

圖1 仿真裝置硬件配置

故障序列值通過(guò)配置系統(tǒng)，下載到硬件仿真裝置內(nèi)，為進(jìn)行組包提供原始數(shù)據(jù)；并根據(jù)需要測(cè)試的智能電子設(shè)備（IED），對(duì)仿真裝置的報(bào)文進(jìn)行必要的配置，使IED能夠識(shí)別發(fā)送的報(bào)文。

如果是實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）產(chǎn)生的故障序列值，可能格式與本配置系統(tǒng)要求的格式不盡相同，可先做相應(yīng)解析，轉(zhuǎn)化成該裝置可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。

2 仿真裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

仿真裝置由功能插件、1塊電源插件、1塊背板、1塊人機(jī)界面插件構(gòu)成，插件擬采用4U結(jié)構(gòu)，所有插件統(tǒng)一軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化降低裝置的成本，提高裝置的可靠性和易維護(hù)性；插件數(shù)目可以根據(jù)需要靈活配置[4-8]。

電源插件主要為整個(gè)裝置提供所需要的5 V電源。人機(jī)界面插件采用芯片LXT9883，可以支持8個(gè)端口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口擴(kuò)展，配置簡(jiǎn)單，不需要軟件配置，只需要通過(guò)管腳做相應(yīng)硬件配置即可，功能上相當(dāng)于1個(gè)HUB，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)，主要與計(jì)算機(jī)通信，為每個(gè)功能插件提供配置和數(shù)據(jù)分發(fā)。

每塊功能插件有2個(gè)相同的模塊，分別負(fù)責(zé)模擬電子互感器和智能斷路器，2個(gè)模塊之間采用串口進(jìn)行通信，每個(gè)模塊主要包括主控CPU、存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)通信、串行通信、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗等電路。每個(gè)模塊都有自己對(duì)應(yīng)的Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，把Flash分成2個(gè)存儲(chǔ)空間，第一個(gè)存儲(chǔ)空間為預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序，通電后，便開(kāi)始發(fā)送根據(jù)此區(qū)域的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的報(bào)文；第二個(gè)存儲(chǔ)空間用于存儲(chǔ)配置系統(tǒng)產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)。功能插件硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 插件硬件結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是模擬過(guò)程層IED外部通信的特征，具體功能主要包括GOOSE、SMV9-19-2報(bào)文的發(fā)送與解析，下面以GOOSE發(fā)送和SMV報(bào)文解析為例說(shuō)明。

2.2.1 GOOSE報(bào)文的發(fā)送

智能開(kāi)關(guān)模擬裝置通過(guò)GOOSE向外傳輸節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和在線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并能接收GOOSE跳合閘、閉鎖報(bào)文，其信息模型如圖3所示。

圖3 智能開(kāi)關(guān)模擬裝置IEC61850模型

發(fā)送GOOSE報(bào)文功能的實(shí)現(xiàn)方法如下。

發(fā)送GOOSE報(bào)文功能由GSET和GSEF 2個(gè)流程共同完成：前者負(fù)責(zé)正常情況下的周期發(fā)送，后者負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化后報(bào)文的快速重傳。由于發(fā)送間隔不同，每個(gè)GOOSE控制塊都有各自的GSET和GSEF。軟件設(shè)計(jì)流程[9-11]如圖4所示。

圖4 裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文軟件流程

GSET首先編碼MAC地址和Apdu中一般不變化的參數(shù)， 如 GoCBRef、DatSet、Test、NumDatSet Entries、配置版本（ConfRev、Tag=88）和需要配置（NdsCom、Tag=89）等，如需要修改可以通過(guò)配置系統(tǒng)修改，繼而進(jìn)入一個(gè)發(fā)送循環(huán)：先根據(jù)控制塊使能（GoEna）和事件標(biāo)志（GoUpdate，反映 GOOSE 是否處于快速重傳）判斷能否發(fā)送；若能發(fā)送，令SqNum加1或復(fù)歸，并讀取應(yīng)用數(shù)據(jù)后編碼Apdu，進(jìn)入定時(shí)器a中斷調(diào)用SendPacket（）發(fā)送報(bào)文；若不能發(fā)送，則直接退出中斷。

GSEF由更新GOOSE數(shù)據(jù)的應(yīng)用直接調(diào)用。先根據(jù)GoEna和GoUpdate判斷能否發(fā)送和是否為新事件（GoUpdate被調(diào)用GSEF的應(yīng)用賦值為1）。若是新事件：令StNum加1或復(fù)歸、SqNum=1，讀取應(yīng)用數(shù)據(jù)并編碼Apdu，進(jìn)入中斷調(diào)用SendPacket()發(fā)送報(bào)文，關(guān)閉定時(shí)器a，打開(kāi)定時(shí)器b，并令GoUpdate=2。

由于GoUpdate=2，當(dāng)GSF被定時(shí)器b調(diào)用時(shí)，不會(huì)進(jìn)入新事件發(fā)送流程，而是進(jìn)入快速重傳流程：首先根據(jù)函數(shù)調(diào)用次數(shù)和重傳次數(shù)（GOOSE重傳延時(shí)隨重傳次數(shù)變化）計(jì)算重傳時(shí)間，以此確定定時(shí)器b發(fā)送間隔，并根據(jù)重傳間隔計(jì)算TAL并令SqNum加1或復(fù)歸，再更新APDU中的TAL和SqNum數(shù)據(jù)段（如其他數(shù)據(jù)段內(nèi)容未變化，則不需重新編碼），最后調(diào)用SendPacket（）重傳報(bào)文；若重傳次數(shù)已滿(mǎn)，則關(guān)閉定時(shí)器b、打開(kāi)定時(shí)器a、并令GoUpdate=3以恢復(fù)GSET的周期發(fā)送。

2.2.2 SMV報(bào)文的解析

解析與發(fā)送是一個(gè)相反的過(guò)程，下面以SMV報(bào)文的解析為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明解析過(guò)程，電子互感器信息模型如圖5所示。

圖5 電子互感器模擬裝置IEC61850模型

SMV報(bào)文是反應(yīng)采樣值的報(bào)文，包括9-1和9-2兩種。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

具體解析方法[12-14]如下：第一步判斷Apdu采用的是9-1還是9-2編碼。9-1編碼的Apdu長(zhǎng)度固定為73字節(jié)（假設(shè)每個(gè)報(bào)文包括1個(gè)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)），由4字節(jié)的報(bào)頭、46字節(jié)的基本數(shù)據(jù)集和23字節(jié)的狀態(tài)數(shù)據(jù)集組成，2個(gè)數(shù)據(jù)集的名稱(chēng)分別為a和b。

圖6 SMV報(bào)文解析軟件流程

如果是9-1編碼的Apdu，繼而判斷2個(gè)數(shù)據(jù)集的采樣計(jì)數(shù)值（第46/47、第69/70字節(jié)）是否正確（如果Apdu只含有1個(gè)基本數(shù)據(jù)集，只需對(duì)數(shù)據(jù)集a作出判斷），若正確則按照9-1的定義將Apdu解碼成12個(gè)16位的模擬量值和16個(gè)1位的狀態(tài)值（假設(shè)所有通道都有效），模擬量值的計(jì)算方法為：vm/vr×S（瞬時(shí)值 vm、額定值 vr、互感器因子 S）；若計(jì)數(shù)出錯(cuò)，則記錄出錯(cuò)值，并根據(jù)下一幀報(bào)文的采樣計(jì)數(shù)值決定是重新開(kāi)始計(jì)數(shù)還是丟棄出錯(cuò)報(bào)文。

如果是9-2編碼的Apdu，首先根據(jù)AsduNum和AsduLength等數(shù)據(jù)段在Apdu中找出所有的ASDU，根據(jù)ASN.1/BER規(guī)則解碼ASDU中標(biāo)記（Tag）和數(shù)據(jù)類(lèi)型均固定的標(biāo)識(shí)符（MsvID、Tag=80）、數(shù)據(jù)集引用 （DatSet、Tag=81） 和計(jì)數(shù)器（SmpCnt、Tag=82）等控制塊參數(shù)，然后根據(jù)MsvID和DatSet判斷數(shù)據(jù)集是否CID文件中配置，若未配置，直接退出，若已配置且計(jì)數(shù)正確，則對(duì)照由CID文件建立起來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)所有ASDU中的SMV數(shù)據(jù)集進(jìn)行解碼，若計(jì)數(shù)出錯(cuò)，處理方法同9-1。

Apdu完成后，按照相關(guān)應(yīng)用的格式要求將采樣值、計(jì)數(shù)器值和其他參數(shù)寫(xiě)入共享內(nèi)存區(qū)，并對(duì)相關(guān)應(yīng)用采樣值更新。

2.3 數(shù)據(jù)同步方法

所有報(bào)文發(fā)送都應(yīng)該是時(shí)間同步的，否則測(cè)試仿真意義不大，但是僅靠各個(gè)獨(dú)立模塊本身的定時(shí)器定時(shí)發(fā)送很難實(shí)現(xiàn)同步，即使開(kāi)始可以同步，時(shí)間一長(zhǎng)必然會(huì)有累積誤差，將無(wú)法再同步發(fā)送，將會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，采用另一種可行的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，由第一塊插件的1個(gè)模塊用作引導(dǎo)模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時(shí)脈沖，通過(guò)背板傳遞給其他插件的其他模塊外部中斷引腳，其他模塊收到脈沖后產(chǎn)生中斷，使能發(fā)送，然后發(fā)送報(bào)文。如圖7所示。

為了減小誤差，收到脈沖進(jìn)入中斷后便使能發(fā)送，發(fā)出上一次已經(jīng)組織好的報(bào)文，而后開(kāi)始組織下一幀報(bào)文，寫(xiě)進(jìn)相應(yīng)的緩沖區(qū)待發(fā)。

圖7 數(shù)據(jù)同步過(guò)程

3 配置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

配置系統(tǒng)主要完成對(duì)報(bào)文的配置、解析查看以及故障序列值的產(chǎn)生下載。采用MFC作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),建立直觀的圖形界面，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力,不僅為用戶(hù)提供人性化的操作，而且大大降低硬件設(shè)計(jì)的成本。仿真裝置和配置系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面插件，利用網(wǎng)口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信。報(bào)文配置主要配置GOOSE的MAC地址、控制塊名稱(chēng)、數(shù)據(jù)集名稱(chēng)、各個(gè)ID以及數(shù)據(jù)集個(gè)數(shù)等，并可以控制任一開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)的同時(shí)讀取電腦上的時(shí)間和CPU內(nèi)部高精度計(jì)數(shù)器相配合獲得時(shí)標(biāo)，并更新發(fā)出的報(bào)文的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和UTC時(shí)標(biāo)；9-1/9-2報(bào)文配置主要對(duì)9-1/9-2報(bào)文的電壓、電流值、初始相角、MAC地址以及故障前故障后電流電壓等進(jìn)行配置。

對(duì)于以上配置應(yīng)支持手動(dòng)配置和導(dǎo)入配置文件2種方式。

對(duì)于9-1/9-2配置后，可以通過(guò)一定的算法模擬從故障前的電流電壓動(dòng)態(tài)變化到故障發(fā)生后電流電壓的過(guò)程，每隔250 μs（每周波采樣80點(diǎn)）生成一組故障序列值，將產(chǎn)生的所有故障數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)口下載到各個(gè)模塊Flash的對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間中。 收到切換命令后，根據(jù)故障序列值組包的SMV報(bào)文，通過(guò)光纖口發(fā)出，便可模擬動(dòng)態(tài)故障過(guò)程，實(shí)現(xiàn)整體測(cè)試。當(dāng)仿真裝置收到跳閘的GOOSE報(bào)文后，電流電壓值將全部變?yōu)?；否則，在故障過(guò)程結(jié)束后，將繼續(xù)發(fā)送先前的報(bào)文。

用戶(hù)也可以自己定義試驗(yàn)方法，然后以附加組件的形式實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

4 測(cè)試實(shí)例

為了驗(yàn)證硬件仿真裝置基本功能，進(jìn)行了如下測(cè)試（電流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間），這僅是驗(yàn)證基本功能的最小應(yīng)用，通過(guò)功能擴(kuò)展可以構(gòu)建復(fù)雜得多的測(cè)試環(huán)境。

硬件仿真裝置經(jīng)兩路光纖與某公司的保護(hù)裝置（PSI）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，一路是向PSI發(fā)送9-1SMV報(bào)文、另一路是PSI向測(cè)試裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

裝置模擬合并單元產(chǎn)生采樣值數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 000 Hz且5個(gè)ASDU打包成1個(gè)APDU，即每隔 0.5 ms向 PSI發(fā)送1幀長(zhǎng)度為 261字節(jié)的9-1SMV報(bào)文。采樣值的大小為：正常情況下，三相電壓的有效值為100 V、三相電流的有效值為3 A；故障后，三相電流的有效值為8 A（PSI的電流速斷保護(hù)定值為5 A）。

PSI每隔2 s向測(cè)試裝置發(fā)送1幀長(zhǎng)度為141字節(jié)（11個(gè)布爾量）的GOOSE心跳包；當(dāng)PSI接收到測(cè)試裝置發(fā)送的故障采樣值后，經(jīng)保護(hù)邏輯判斷出口，立即發(fā)出1幀GOOSE跳閘報(bào)文。

故障事件由人為觸發(fā)，首先，在配置系統(tǒng)中進(jìn)行初始數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)設(shè)置，點(diǎn)擊發(fā)送后輸出正常地9-1報(bào)文，點(diǎn)擊故障，便發(fā)出故障數(shù)據(jù)。在發(fā)送故障SMV報(bào)文的同時(shí)啟動(dòng)1個(gè)精度為11 ns的計(jì)數(shù)器，當(dāng)其接收到GOOSE跳閘報(bào)文后從該計(jì)數(shù)器讀出將其關(guān)閉并計(jì)數(shù)值，繼而可由計(jì)數(shù)器值得出PSI電流速斷保護(hù)的整組動(dòng)作時(shí)間，如表1所示。

表1 電流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

5 結(jié)束語(yǔ)

此數(shù)字化變電站過(guò)程層仿真測(cè)試環(huán)境能夠根據(jù)一定的算法最終產(chǎn)生相應(yīng)的符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文，從而能夠模擬動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而可以對(duì)裝置進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，真實(shí)反應(yīng)被測(cè)裝置的性能，同時(shí)也可對(duì)裝置的一些基本性能比如保護(hù)動(dòng)作時(shí)間等進(jìn)行定性測(cè)試。但是，仍存在一些不足之處，由于配置解析系統(tǒng)算法固定，因此本身只能仿真模擬發(fā)送既定模式的動(dòng)態(tài)過(guò)程，有待以后進(jìn)一步改進(jìn)，使其能夠模擬發(fā)送更多模式的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 目前只進(jìn)行了部分定性測(cè)試，將來(lái)還要組成與實(shí)際數(shù)字化變電站過(guò)程層高度對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。

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[12]中華人民共和改革與發(fā)展委員會(huì).DL/T860.81—2006 IEC 61850-9-1變電站通信與系統(tǒng)：第9-1部分特定通信服務(wù)映射（SCSM）通過(guò)單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路的采樣值[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[13]竇曉波，周旭峰，胡敏強(qiáng)，等.IEC 61850快速報(bào)文傳輸服務(wù)在 VxWorks中的實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（12）：41-47.

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