采用IEDScout 的新型繼電保護實驗平臺

王智東，陳俊威

（華南理工大學電力學院，廣州510640）

作為電氣工程專業核心課程之一的繼電保護課程，具有很強的實驗和實踐性質。繼電保護實驗在提高電氣本科教學質量和培養學生綜合能力等方面，都起著不可替代的作用[1-2]。

電力教育工作者對繼電保護實驗平臺建設、教學模式改革、教學內容創新等諸多方面做了很多的探索和研究，取得了較好的效果，促進了繼電保護實驗教學的發展[3-5]。然而，繼電保護實驗教學是一個不斷發展和逐步完善的過程，例如：繼電保護實驗模式如何更加生動具體，以更好激發學生的想象力、創造力；繼電保護實驗內容如何更好地與繼電保護新技術相結合，使得學生學以致用，在電力工業實踐中很快上手；實驗平臺建設是一個長期而且復雜的過程，如何在有限的物資條件下，滿足繼電保護新技術的教學要求[6-8]。

在繼電保護高度數字化、信息化、網絡化、綜合化以及智能化的發展背景下[9-10]，如何將以IEC 61850 為代表的繼電保護新技術與大學實驗教學結合起來成了研究的難點。而當前繼電保護實驗教學研究主要集中在典型的繼電保護實驗，鮮有IEC 61850 等新技術在繼電保護實驗教學的應用研究。文獻[11]充分利用現有的實驗設備，通過“改造”現有的繼電保護實驗平臺，搭建了基于過程總線的網絡化繼保實驗平臺，以IEC 61850 的報文形式實現了9-1 模擬量信息傳輸和跳閘、合閘以及閉鎖等功能，實現了IEC 61850 協議的部分技術。但是受到實驗平臺和技術手段的限制，該文沒有更全面、深入地體現IEC 61850 協議的內涵，例如：文中只是在報文形式上實現了IEC 61850 中的通用面向對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation events）報文，忽略了不等長間隔重發等重要的GOOSE 機制。

由于GOOSE 報文涉及到不等時間間隔重發等復雜機制，要完全個人編程實現完整的GOOSE報文工作量大，實現難度非常大，而且很容易出錯。所以目前高校科研機構和電力工業實際開發中，大多采用SISCO 公司的mms-lite 軟件來實現IEC61850 的報文[12-13]，但mms-lite 價格昂貴，難以應用于物資有限的教學實驗平臺建設。

而且IEC 61850 還處于不斷發展和完善的階段，在工程實際中的應用才剛起步[14]，可供繼電保護實驗平臺參考借鑒的案例很少。IEC 61850 是個龐大而復雜的體系[15]，新建實驗平臺涉及到的軟件平臺和硬件平臺所需的技術很復雜、成本高、實現周期長、難度大。因此，需探討和研究實現難度較小、成本低，又能較好體現IEC 61850 新技術的大學繼電保護實驗平臺和方法。IEDScout 軟件的評估版本為大學繼電保護實驗平臺的建設提供了一種思路和探索。

1 IEDScout 軟件

IEDScout 集成了GOOSE 報文的重發機制，制定GOOSE 重發策略很簡便。IEDScout 功能全面：通過IEC 61850 設備的網絡地址連接到該設備，然后讀取該智能電子設備IED（intelligent electronic device）設備的自描述文件，就可以獲得IEC 61850設備的數據模型結構；分析運用C/S 模型的數據采集與監視控制系統SCADA（supervisory control and data acquisition）信息，在電力系統，客戶機/服務器C/S（customer/sever）模型的客戶端是變電站控制中心，服務端是諸如繼電保護裝置的IED；分析客戶端的制造業報文規范MMS（manufacturing message specification）報文請求和服務器的回應；對于IED開發工程師，通過該軟件來確定IED 設備的結構、功能，生成IED 能力描述文件ICD（IED capability description），進而將IED 設備投入到數字化變電站運行。

IEDScout 評估版本是完全免費的。與完全版本相比，評估版本功能有所限制，不能實現保存SCL 文件、瀏覽MMS 詳細信息、導出C/S 報文、等功能，但可以瀏覽ICD 文件，包括該ICD 文件描述的IED 設備包含的邏輯設備、邏輯節點、邏輯節點類型、數據類型的定義、數據集的定義、控制塊的定義、裝置通信能力和參數的描述等內容；配置GOOSE 重發策略，制作、發送、接收、分析GOOSE報文等功能，已經能夠滿足大學繼電保護實驗教學的需求。而且，IEDScout 界面人性化，操作簡單，容易入門，適合大學繼電保護實驗教學。

2 平臺設計

本文利用免費的IEDScout 軟件，硬件上只需添加PC 機，便可將現有繼電保護實驗平臺，“改造”成為符合IEC 61850 的繼電保護實驗平臺。

如圖1 的虛線部分，現有的繼電保護實驗平臺主要由5 臺通過RS485 總線相連的保護試驗臺組成，每臺保護實驗平臺包含了電力一次系統模型和基于C51 單片機的微機裝置。

考慮到現有平臺的微機裝置直接與一次系統模型相連，而且現有微機裝置只是采用C51 單片機，性能較低，很難支持面向對象等較為復雜的技術，故本文不直接采用現有的微機裝置作為IED，將微機裝置“改造”成間隔層的合并單元和智能開關，每臺微機裝置同時兼具合并單元和智能開關的功能。受限于現有平臺的微機裝置沒有以太網接口，以現有的RS485 模擬過程總線，因此，采用一臺兼具RS485 和以太網接口的PC 機作為網絡轉換器，模擬過程總線的RS485 信息通過該網絡轉換器與基于以太網的間隔層進行信息交換。

間隔層的IED 采用普通的PC 機實現，PC 機的以太網功能模擬變電站總線，同時模擬IED 的PC 機與作為網絡轉換器的PC 機通過以太網相連，如圖1 的實線部分。

模擬IED 的PC 機運行IEDScout 軟件，實現IEC 61850 的GOOSE 報文的發送和接收功能。由于IEDScout 評估版本的限制，IEDScout 的GOOSE報文解析功能受到部分限制，不能通過IEDScout查看完整的GOOSE 報文，所以同時采用Wireshark軟件來輔助查看和解析完整的GOOSE 報文。Wireshark 是目前流行的一款網絡報文分析軟件，通過良好的界面盡可能顯示出最為詳細的網絡報文信息。

本文提出的方案，硬件上只是在現有的繼電保護實驗平臺基礎上添加普通的PC 機；由于軟件上采用了IEDScout 等軟件來實現GOOSE 報文，避免了難度很大的開發過程；同時，IEDScout 等軟件具有良好的界面，使得教學實驗直觀、形象，容易理解和掌握繼電保護新技術。

圖1 平臺設計方案Fig.1 Plan of platform design

3 IEDScout 具體應用

IED 是IEC 61850 在繼電保護應用的載體，其功能、配置和服務信息由ICD 文件的Header 段、Communication 段、Data Type Template 段和IED 段來描述[16]。因此，在IEC 61850 的具體應用中，首先涉及對ICD 文件的配置和解析。

利用IEDScout 提供的人性化的界面，可以很方便地進行ICD 文件的相關操作，通過分析ICD文件，了解該ICD 文件描述的IED 的配置、功能和服務。

如圖2 所示，用IEDScout 打開ICD 示例文件，以樹狀數據形式讀取該ICD 文件描述的IED 信息模型。該ICD 文件按照Address、Data、GOOSE、Unbufferred Reports、Datasets 來分類，瀏覽方便。從ICD 文件可以知道：邏輯設備為OMIC 1CB，即該IED 的其中一個功能為線路保護功能；邏輯設備OMIC 1CB 又包括邏輯節點XCBR1，即線路保護功能的子功能為XCBR1；邏輯節點XCBR1 包括3 個數據對象，其中Pos 數據對象包括的數據屬性stVal 的值為0 或1 分別表示該IED 控制斷路器的開或合。

圖2 解析ICD 文件Fig.2 Analysis of ICD file

在解析ICD 文件獲得該IED 自描述信息的基礎上，可通過在IEDScout 里設置GOOSE 報文參數，進行GOOSE 報文通信。由于評估版的IEDScout 所接收的GOOSE 報文只能查閱到簡要而非完整的報文內容，為了更深入分析和理解報文具體內容，同時采用Wireshark 報文捕捉與分析軟件來接收和詳細分析GOOSE 報文。

在實驗教學過程中，在PC 機上，用IEDScout的Simulations 功能模塊模擬發送GOOSE 報文的IED；用Wireshark 軟件模擬接收GOOSE 報文的IED；兩個模擬IED 進行GOOSE 通信。

具體流程如下。

1）GOOSE 報文參數設置和發送

在發送GOOSE 報文的PC 機上，首先在IEDScout 里進行GOOSE 報文參數設置。進入Edit GOOSE/GSSE Output 界面對GOOSE 進行配置，如圖3 所示。

圖3 Edit GOOSE/GSSE Output 界面Fig.3 Interface of Edit GOOSE/GSSE Output

然后，進入GOOSE Strategy 設置界面進行GOOSE 重發策略等配置，在不影響學生對GOOSE機制理解的基礎上，為了方便觀察和分析，這里對相關參數進行簡化設置，如圖4 所示。Retransmission type 設置為geometric，1st Interval 設置為100 μs，multiplier 設置為2，max interval 設置為10000 μs（即10 ms）。

進入GOOSE Simulations 界面，將配置好的GOOSE 報文發送出去。

2）GOOSE 報文接收和解析

圖4 GOOSE Strategy 界面Fig.4 Interface of GOOSE Strategy

利用Wireshark 同步接收由步驟1 所發送的GOOSE 報文，如圖5 所示，在時間0，0.099 911，…，82.701 021 s，分別收到第1 到第15 幀的GOOSE報文，計算相鄰兩幀報文的時間間隔，可知第1、2 幀，第2、3 幀，…，第14、15 幀GOOSE 報文的時間間隔分別為0.099 911、0.200 188、0.400 404、0.800 780、1.600 541、3.200 154、6.400 250、9.999 870、9.999 855、9.999 772、9.999 832、9.999 812、9.999 812、9.999 840 ms。考慮PC 機中報文收發耗時和網絡傳輸延時等誤差，發送的前8 幀報文之間的時間間隔為0.1，0.2，0.4，0.8，1.6，3.2，6.4 ms，符合步驟1 所設置的0.1×2 n ms（n=0，1，2，3，4，5，6，7）重發策略；同時，第8 到15 幀的實際時間間隔幾乎為10 ms，即為步驟1 所設置的GOOSE 心跳時間。

為了更深入理解報文具體內容，利用Wireshark 提供的友好界面，查閱和分析GOOSE 等報文全文及相關的屬性。這里以第一個GOOSE 報文做例子進行分析，如圖6 所示，所接收的GOOSE報文的源地址為18 ∶03 ∶73 ∶e3 ∶50 ∶51，目的地址為01 ∶0c ∶cd ∶01 ∶01 ∶ff，報文類型為IEC 61850/GOOSE報文，這與步驟1 中圖3 的設置相一致。

同時，圖6 顯示了完整的GOOSE 報文信息，包括：APPID 為0x3FFF，報文長度為115Byte，GOOSE 的協議數據單元GOOSEPDU 等具體內容。對goosepdu 的具體分析，有助于學生對IEC 61850協議更全面深入的理解和掌握。

圖6 GOOSE 報文分析Fig.6 Analysis of GOOSE received

4 結語

本文探索了如何在幾乎不增加成本的基礎上，“改造”現有繼電保護實驗平臺，構造了融合IEC 61850 等新技術的教學實驗平臺。通過采用IEDScout 軟件，模擬繼電保護IED 之間的GOOSE通信，避免了復雜的開發過程，實現簡單。在實驗教學中，充分利用IEDScout 等軟件，通過解析ICD文件，配置、發送、接受GOOSE 報文，加深了學生對IEC 61850 概念和內涵的理解。

初步實踐結果表明：本文提出的實驗教學方法操作過程簡單直觀，容易上手，能生動直觀地掌握和應用IEC 61850 新技術。當然，由于IEC 61850是個龐大復雜而且還在不斷發展中的通信標準體系，如何更加全面、深入地開展關于IEC 61850 的繼電保護實驗，有待于進一步的研究。

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