繼電保護報文模擬數據系統研究

陳久林，葛永高，蔣一泉，范立新

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

雖然現階段國內針對變電站自動化系統研發了少量仿真測試裝置[1，2]，但是在功能上存在著比較大的局限性。多數仿真測試裝置只對單臺保護、測控裝置的功能和性能進行測試，很少有仿真測試裝置能在實驗室中對由大量裝置組成的變電站綜合自動化進行系統級的功能和性能檢測。總之，受到測試手段的限制，國內外關于變電站的檢測仍主要集中在對特定功能的驗證和小規模的互聯互通，系統級的測試目前尚未開展。因此，有必要研發能夠客觀反映整個變電站綜合自動化系統功能和性能的仿真測試硬件與軟件，建立系統測試環境，對變電站綜合自動化系統整體性能進行測試。變電站綜合自動化仿真測試系統中保護動作事件由保護報文模擬數據系統上送，因此，繼電保護模擬數據系統是變電站自動化仿真測試系統的組成部分[3，4]，它與基于PLC模塊的變電站自動化仿真測試系統一起完成對常規變電站自動化系統的系統級測試工作[5]。另外保護報文模擬數據系統還可以作為保護功能測試系統的重要組成部分，或者用來實現某種保護功能[6]。本文針對繼電保護報文模擬數據系統研究進行介紹。

1 繼電保護報文模擬數據系統概述

繼電保護報文模擬數據系統通過單個裝置模擬在電網正常運行或事故狀態下，大量保護與監控系統之間的信息交互，發送批量可設定的變化遙信、事件信息、梯度遙測至監控系統，從而達到變電站綜合自動化系統整體性能測試及重現事故發生現場的目的。繼電保護報文模擬數據系統由四部分構成：模擬報文發送裝置（以下稱“模擬裝置”）、后臺、遠程硬件配置工作、被測系統。系統運行結構如圖1所示。

后臺通過以太網或網絡口直連的方式連接至模擬裝置，控制模擬裝置的運行狀態以及模擬數據的發送節奏；被測試系統可以采用串口或以太網絡方式連接至模擬裝置，模擬裝置可同時模擬多個變電站綜合自動化主站或子站設備（以下稱“模擬設備”）向被測系統發送模擬數據報文；遠程硬件配置軟件可配置模擬裝置硬件的相關屬性。

2 繼電保護報文模擬裝置

2.1 模擬裝置硬件

（1）CPU采用IXP4225芯片，64 MB容量的SDRAM，采用嵌入式WinCE操作系統。

（2）4個網口，1個串口物理接口。

（3）模擬裝置可同時模擬多個變電站綜合自動化系統主站和子站設備，通過協議基類可方便擴展網口、串口類協議。

（4）模擬裝置可以一批次接收后臺1000 個信號（包括遙信變位、SOE、梯度遙測）的觸發。

（5）提供遠程配置軟件，用戶可方便地遠程配置硬件以及程序調試。

2.2 模擬裝置軟件

繼電保護報文模擬數據系統裝置內軟件結構如圖2所示，其中包含的模塊如下。

（1）配置數據載入：后臺下發配置數據，模擬裝置解析數據后，按“通信接口→模擬設備→協議”模式創建通信架構。

（2）主通信流程：通信架構創建后，生成以通信接口為核心的通信流程。

（3）與上位機通信部分：模擬裝置與后臺制定了統一的通信協議，通過此協議，后臺可發送模擬數據命令至模擬裝置，同時模擬裝置需將模擬數據信息反饋給后臺。

（4）模擬數據：模擬裝置接收到后臺的模擬數據命令后，將模擬數據分解，并將數據分發給對應的模擬設備，模擬設備經過各自協議進行解析后，發送報文至各個通信接口。

3 后臺系統

后臺系統的主要功能有：

（1）數據配置、數值顯示：提供友好的人機配置界面，數據可復制、粘貼，并能進行導入、導出操作；用戶可以刷新實時數據。

（2）模擬數據部分：提供統一的模擬數據配置界面，用戶可方便地配置遙信變位、SOE、梯度遙測、遙控等數據，并將這些數據下發到模擬裝置。

（3）模擬裝置通信控制：通過TCP鏈路方式與模擬裝置進行通信，控制模擬裝置運行狀態以及模擬數據的觸發。

（4）告警輸出：采用UDP服務端方式實現告警進程，告警信息以UDP客戶端方式向告警UDP端發送數據，利于多進程的告警信息輸出。

（5）歷史數據查詢：提供歷史數據查詢以及導出功能。

軟件的功能模塊關系如圖3所示，“模擬數據窗體”組織模擬數據向“下位機通信接口”發送相關命令，通信接口接收到數據命令后通過協議向下位機發送指令。

數據配置通過鏈表的操作進行配置。內存數據將被存放在鏈表中，程序中一切配置數據的引用都從鏈表中獲取，當讀、寫鏈表時，鏈表將自動進行互斥處理。

4 技術要點

4.1 數據存儲采用雙向鏈表

后臺配置數據存儲使用了雙向鏈表技術，程序模塊調用數據時，直接利用鏈表指針進行對數據的訪問，從而降低了系統對內存的開銷，提高了數據調用的相應速度。鏈表類為CTreeList，該類負責對整個鏈表進行讀寫操作。

由于程序不同模塊都有可能操作節點，因此需做好互斥處理，如通信接口的訪問需采用Wait CommMutex()和ReleaseCommMutex()進行互斥的控制，如圖4所示。

4.2 同類型數據統一界面配置

后臺軟件按“通信接口→設備→通信協議”的層次統一部署配置界面，每種類型的數據統一在同一類型的數據界面（MDI的View窗體）中，從而有利于用戶配置時的比較和修改，用戶可以方便地復制同一類型的數據，使配置數據時快捷方便。

數據界面配置安排在CSimulateDevView類中實現，此類中負責用戶配置數據的人機界面對話，CSimulateDevDoc負責對數據鏈表讀/寫操作。主界面中，“配置庫”包括通信接口表、設備表、協議表，“實時表”包括具體設備的遙信表、遙測表、遙控表。當雙擊某個節點即可打開該節點對應的配置窗體。

4.3 FTP方式下載配置文件

基礎數據配置完成后，先進行編譯，編譯形成的文件在可執行文件同層次目錄的“downdata”目錄下，該目錄下的文件需要傳輸到下位機，以供下位機在啟動通信主流程時讀取配置，軟件因此設計了FTP下載文件功能，用戶點擊菜單的“下載”按鈕，即可完成文件下載。程序中CFtpClient為FTP的封裝類，該類中包含FTP的鏈接、斷開、設置目錄、刪除目錄、下載目錄共5個函數。

4.4 主通信架構

目前國內大多數廠家的通信管理單元設計都采用“協議→通信接口→設備”的架構模式，每個通信接口對應一個協議，此類設計存在的一個問題就是當一個通信接口下存在不同協議的設備時（總線式通信模式時經常出現），通信管理單元將不能實現此功能，只能重新開辟一個新的通信接口給不同類型協議的設備。模擬數據系統的裝置內程序按“通信接口（Comm）→設備（Term）→協議（Protocol）”的層次搭建通信架構，真實反映現場通信層次，如某通信接口下掛了M個設備，則在后臺配置中配置該通信接口后，只需將這些設備屬性中填寫從屬于該通信接口下即可；同一通信接口下的各個設備可采用不同的通信協議，通信協議與通信接口具有無關性。通信配置架構見圖5。

4.5 下位機模擬數據實現

首先上位機發出啟動指令，下位機接收到命令后，解析模擬數據，派發模擬數據至目標模擬設備，再由模擬設備解析模擬數據，通過設備協議生成相應的報文傳輸給主站，如圖6所示。

4.6 硬件裝置遠程調試和配置

為更好地服務于開發人員以及應用人員對硬件裝置的配置，在開發硬件的同時開發了遠程調試工具。用戶可通過PC連接到裝置，配置軟件可實現遠程配置硬件接口參數、下載系統BIOS和Firm Ware、設置裝置為程序調試模式。

5 繼電保護報文模擬數據系統運行

繼電保護報文模擬數據系統軟件通過測試表明，模擬裝置能及時響應模擬數據的發生，在設定時間內能規模化、順序性向主站發送模擬信號，能有效檢測主站有無信號丟失，同時模擬數據系統能夠準確地模擬出變電站事故時順序發生信號，系統能夠保存模擬信號的配置和模擬信號輸出結果，用戶再次使用時只需要將模擬數據配置導入即可再次模擬信號的發生，同時也可以按時間檢索模擬數據歷史。

6 結束語

繼電保護報文模擬數據系統的研發成功為檢測變電站綜合自動化系統性能提供了很好的檢測平臺，同時為后期分析變電站事故時提供了很好的分析工具。

若在保護報文模擬數據系統硬件中增加開關量硬節點和光敏傳感器，則可檢測綜合自動化系統開關量變化至后臺的反應時間；增加輔助無線模塊，在無線模塊中設計多組開入、開出量，使之能直接接入二次設備，這樣則能不通過實際的開關操作檢測二次設備的開入、開出情況，從而能檢測綜合自動化系統備投、順控等邏輯操作。

[1] 李書臣，田慧欣．基于實時仿真技術變電站自動化系統的實現方案[J].青年科學，2010（6）：269-270．

[2] 黃曙，梁曉兵，高新華，等.變電站自動化系統實時仿真裝置的設計與實現[J].繼電器，2007，35（4）：49-52．

[3] 莫峻，譚建成.變電站過程總線采樣值傳輸仿真系統[J].電力自動化設備，2010，30（5）：101-103．

[4] 諶爭鳴，陳輝，陳衛，等.全數字化繼電保護測試系統設計[J]．電力自動化設備，2009，29（5）：109-112．

[5] 鄧潔清，袁宇波.基于PLC模塊的變電站自動化測試仿真系統的實現及應用[J].電力系統保護與控制，2009，37（24）：157-160．

[6] 石劍華，黃文韜．基于GOOSE報文的簡易母線保護的應用[J].廣西電力，2010，23（1）：45-48．