基于智能變電站“三層兩網”框架標準的仿真培訓系統研究

王輝東，張 盛，丁葉強，王 偉，劉文博

(國網浙江杭州市余杭區供電有限公司，浙江 杭州 311100)

智能變電站采用“三層兩網”的框架體系，基于通信網絡化、數字化進行全站信息的交互和共享，推進了一次、二次設備融合，實現了各設備數據采集、信號傳遞、動作控制的一體化發展，為電網運行的協同控制、分析決策、智能調節提供了有效支撐。而實體變電設備一旦投運，其運行參數及狀態就不可輕易更改，真實培訓無法完全模擬設備運行的全部狀態，且影響設備的正常使用，故而，建立一種仿真培訓系統勢在必行。要完全契合實景培訓，要根據“三層兩網”框架標準建設一次、二次設備的仿真模型，且要搭建設備之間的通信連接，以實現電氣與通信仿真的全融合，達到全面培訓的目的。目前研究中，倪時龍[1]以實時數字仿真和動態模擬功能的一次系統為基礎，探究二次設備仿真的關鍵技術及效果；張艷杰等[2]利用RTDS建立電網暫態模型，采用數字物理混合的方法，通過一次設備虛擬3D 模型與二次實景設備的全融合，建構變電站仿真培訓系統；宋福海[3]就智能變電站電磁暫態仿真的元件模型構建、仿真速度優化等關鍵技術進行了創新性的研究；戴觀權等[4]利用OPNET仿真平臺建立不同場景的變電站網絡化保護通信仿真模型，可見，以往的仿真系統僅從一次、二次設備或通信層面，進行建模與仿真，未實現兩者融合，而“三層兩網”框架對物理或信息模型均進行了標準化規范，僅從一方面進行仿真建模，無法實現智能變電站全場景的仿真培訓，影響了培訓效果，故而，將兩者融合視為本文研究重點；同時，因變電設備眾多，本文結合裝配技術原理，通過建構可復用的可視化組件，基于“積木拼裝”的方法來建構不同場景的仿真培訓系統，以此優化系統開發、利用效率。

1 系統的整體設計方案

根據IEC61850標準，智能變電站的“三層兩網”框架中包含變空層、間隔層、過程層“三層”，以及站控層網絡、過程層網絡“兩網”[5]，其中，站控層用以采集全站設備信息的監控系統，并提供數據交互、存儲等功能；間隔層運行合并單元、測控裝置、繼電保護等二次設備；過程層則包含互感器、斷路器、變壓器等一次設備及智能組件；而“兩網”則分別是站控層與間隔層、間隔層與過程層IED設備之間交互的網絡，均以IEC61850標準下的以太網為基礎。

結合智能變電站的分層結構，仿真培訓系統的重點在于電氣與通信網絡的一體化仿真，本文采用PSCAD與OPNET協同仿真技術進行系統設計，整個系統由PSCAD/EMTDC、OPNET及協同仿真控制3大模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能變電站的仿真培訓系統架構Fig.1 Simulation training system architecture of intelligent substation

(1)PSCAD/EMTDC。該模塊為電磁暫態仿真軟件，可通過編寫Fortran接口調用C語言的外部代碼，運行C語言編寫自定義的仿真數據處理、存儲及交互模塊等自定義模塊[6]，以適用不同的仿真需求。該模塊主要用于智能變電站一次、二次設備的電磁穩態特性的仿真模擬，并可基于擴展接口靈活配置各類合并單元、繼電保護、監視系統、測控裝置、智能開關等IED設備的仿真模塊，以實時監測全站設備的運行狀況。通過搭建擴展接口將PSCAD/EMTDC模塊與仿真協同控制模塊連接，將電磁暫態相關數據實時傳輸至仿真協調控制模塊，便于實現信息同步，增強控制的協調性。

(2)OPNET。該模塊為通信網絡仿真軟件，其包含OPNET內部仿真、外部系統Esys及OPNET與外部系統Esys的接口，其中，OPNET內部仿真用于對智能變電站系統中所有通信網絡功能進行仿真；OPNET與外部系統Esys的接口可實現內外部系統的交互通信，其配設的外部仿真擴展接口Cosim可支撐不同仿真模塊的運行，在Cosim中通過調用OPNET的ESA API函數可與OPNET仿真內核建立交互通道，提高模塊內部數據的傳輸速度。通過調用WinSock程序，OPNET模塊可與仿真協調控制模塊建立交互通道[7]，實時接收仿真協調控制模塊的控制信息，可實現對通信網絡的仿真。

(3)仿真協調控制。該模塊是協調PSCAD/EMTDC與OPNET進行電氣與通信同步仿真的服務端，因PSCAD/EMTDC與OPNET分別基于步長、事件驅動仿真，故而，仿真協同控制的步調由PSCAD/EMTDC決定，仿真過程中PSCAD/EMTDC將仿真需求打包傳遞給內置擴展接口建立的各類IED設備模塊。根據IEC61850規約進行組幀編碼后，以SV、GOOSE報文方式，經由WinSock接口傳遞給PSCAD/EMTDC模塊與OPNET模塊，實現3組模塊數據的實時交換，從而提高了控制的協調性，提升系統的工作性能。

2 系統的仿真建模

2.1 智能變電設備的仿真建模

為實現“三層兩網”框架標準下一次、二次變電設備的仿真建模，本文將利用PSCAD/EMTDC附帶豐富的元件模型[8]，采用面向對象建模技術，以客戶機/服務器數據結構模式，定義IEC61850標準下變電設備模型的分層結構，也即每個IED設備依次可分解為：“服務器→邏輯設備→邏輯節點→數據對象”[9]，據此，一次、二次IED設備建模的步驟：①步驟1。分解應用功能和信息：邏輯節點是智能變電站“三層兩網”框架標準中的最小功能單位，通過彼此間的邏輯關聯可組合構建IED設備的功能和邏輯結構。為此，進行IED建模，首要的就是分解IED功能，以匹配相應的邏輯節點，用以表征IED的各種功能。但是IEC61850標準定義的邏輯節點類型多樣，采用的功能邏輯各異，且各類智能變電站的功能需求和實現方式不同[10-11]，配設的IED設備類型各不相同，故而，IED建模時序細化分解每個邏輯節點所需信息，以為之匹配專用的服務交換數據和數據屬性代表信息，用以準確描述IED每個應用功能，實現IED設備精準建模。②步驟2。邏輯設備及服務器建構：通過IED設備應用功能(邏輯節點)和信息的分解，將功能近似的邏輯節點組合為一個邏輯設備，以此將IED設備(服務器)分解為1個或數個的邏輯設備；且在“兩網”的通信網絡中每個作為服務器/客戶機的IED設備均是一個功能節點，其需要與其他功能節點進行數據交互、訪問，為此，需要為每個IED設備配設一個服務器，涵蓋該IED設備的全部邏輯設備，其中聚集著多個邏輯節點及GOOSE、SV交換等附屬功能，包含被頻繁訪問和引用的數據列表Data Set。如此，便可完成IED設備信息服務模型的建模。

2.2 通信網絡的仿真建模

為實現“三層兩網”框架標準下智能變電站通信網絡的統一，利用OPNET軟件結合現場的實景建構變電站的通信網絡模型，將智能變電站的封層結構和IED設備模型對應的服務和數據類型，通過抽象通信服務接口ASCI，利用SCSM將面向變電站事件對象GOOSE、采樣值SV等報文映射至MMS報文規則上，而后，利用ASN.1 編碼完成MMS報文在TCP/IP+Ethernet 上的通信過程[12-14]，以實現IED設備之間的信息交互，通信網絡仿真建模過程：①步驟1。ASCI通信接口建構：ASCI接口支持訪問、連接、數據傳輸等公共應用服務，定義了通信對象、訪問及檢索等，且為實現“三層兩網”框架標準下多種通信協議及網絡模型的兼容，此處采用Client/Server及發布者/訂閱者機制作為通信方式，前者負責操控指令、設備狀態數據讀寫等功能，主要用于站控層與間隔層之間IED設備之間的通信；而后者需支持SV模擬量、GOOSE開關量信息號采集、傳輸，可支撐間隔層與過程層之間高時效、可靠性的通信。最后，通過對基本數據類型、信息模型和對應數據屬性和服務的Java實現函數，便可完成ASCI接口的構建。②步驟2。ASCI通信服務的映射：因“三層兩網”框架并行多種通信協議與網絡傳輸類型，為了統一通信網絡系統，需基于ACSI接口利用特定通信服務接口SCSM將報文信息映射至MMS上，這其中存在對象、數據、服務等3種映射方式[15]，本文選用對象類映射方法，結合上述IED設備模型的服務器、邏輯設備、邏輯節點、數據的分類，將其分別映射至MMS的VMD、域模型Domain、數據類Data Class、命名變量列表NamedvatiableLis[16-18]。映射過程中，Client依據指令調用ACSI接口相應的Java函數，根據優先級生成映射列表傳輸至SCSM，由其生成MMS消息構造成為MMS報文規范后，進行ASN.1編碼轉換為數據流，即可完成異構環境下不同IED設備在TCP/IP+Ethernet 上的網絡通信過程。

3 系統實現的關鍵技術

3.1 協同仿真的實現

為實現電氣與通信網絡的同步仿真，需要在計算機平臺上建構基于PSCAD與OPNET兩軟件的協同仿真機制，但PSCAD軟件，內部代碼非開源，OPNET軟件無法直接調用其內部程序和數據，需要搭建接口模塊；而OPNET軟件為開源的，可通過修改內部通信協議，完成與外部程序的數據交換。故而，本文引入基于TCP/IP網絡通信的Socket接口，利用Window中的WinSock API，建構協同仿真的數據交互機制，具體的構建過程：①步驟1。構建WinSock接口：WinSock API封裝了從物理層至傳輸層的協議棧，并以套接字功能函數、協議控制函數直接配置套接字通道，實現與外部程序連接，為此，本文利用WSAStartup()函數加載WinSock的動態鏈接庫，初始WinSock API，在Windows環境下分別構建在PSCAD與OPNET應用程序中套接字[19]；而后，在兩軟件需要協同仿真時，采用WinSock定義的bind()函數將套接字與主機信息綁定，如此，支持WinSock套接字的PSCAD與OPNET軟件便可通過其綁定的主機和端口發送數據交互的連接請求。②步驟2。套接字的連接：在Windows環境下PSCAD與OPNET軟件需要協同仿真時，需基于TCP連接流程如圖2所示，利用WinSock定義的函數對兩軟件的套接字進行連接。首先，請求端使用Connect()函數向服務端發送連接請求，服務端以listen()函數偵聽端口的請求連接，若存在請求，則需調用accept()函數接收連接，且存在客戶端存在多個請求連接時，需加入請求隊列中需逐一等待接收端口的釋放[20]，對請求進行響應，實現與客戶端的連接通信。

圖2 協同仿真的TCP連接流程Fig.2 TCP connection process of collaborative simulation

3.2 仿真環境的構建

為構造通用型的仿真系統，基于“積木拼搭”的設計理念，引入3ds Max三維建模、圖模一體化、ICD、SCD 文件解析等多種技術，通過建構一次、二次IED設備的可視化組件，基于裝配技術來建構“高內聚、低耦合”的仿真系統，由此系統模塊結構如圖3所示?？梢暬M件建構：使用3ds Max建構仿真系統的可視化組件，結合“三層兩網”的實景框架，將CAD圖紙導入3ds Max軟件，采用1∶1的比例對IED設備及場景進行建模，并使用模型庫建模方式，進行可視化組件的建模，而后再裝配為一體，完成仿真系統的構建。通過3ds Max、Unity3D、圖模一體化、ICD、SCD文件解析技術完成可視化組件構建后，搭建一次設備可視化組件與二次設備可視化組件，利用Unity3D的預制體功能生成一次、二次IED設備三維模塊的預制體文件，通過拖拽方法在三維場景中實例化，便可完成可視化組件在不同仿真系統中的復用。

圖3 仿真系統的可視化組件及構造技術Fig.3 Visual components and construction technology of simulation system

具體建模時，為確保一次設備的參數、二維圖元、三維模型的一致性，引入圖模一體化技術，利用Visio繪制二維圖元來表征一次設備及拓撲結構，并通過點、線位置和角度的更改、JavaScript腳本的綁定，分別完成對二維圖元的動畫渲染和控制；而后，在Unity3D 中結合一次設備的功能，利用Update()函數、潮流計算仿真算法，通過設備參數及輸出輸出參數的計算，生成與之對應的腳本，以完成可視化組件的搭建。同時，因每個IED設備配置一個描述設備類型、功能及通信參數的ICD文件，所以，為了精準構造通信模塊，利用ICD解析技術，引入廣度優先遍歷算法通過隊列獲取“服務器、邏輯設備、邏輯節點及數據”等節點信息，并據此解析二次設備的ICD文件，生成二次設備的通信模型，以建構可視化組件的通信模型。而且，SCD為描述“三層兩網”智能變電站系統IED模型、子網分配、虛回路等配置信息的文件，為獲取IED設備關于GOOSE/SV的虛回路信息，需解析SCD文件結構內LN0下的inputs、SV及GOOSE控制塊節點內的信息；而后，再利用LibIEC61850中二次IED設備通信模型實例化一個服務線程，并為之匹配相應的端口，此時，根據GOOSE/SV的虛回路信息，調用不同的端口，即可分別建立間隔層與過程層IED設備的“發布者/訂閱者”通信機制、站控層與間隔層的“客戶端/服務器”通信機制，由此搭建出二次設備可視化組件的通信結構。

可視化組件的裝配：以.FBX格式將可視化組件模型導入Unity3D引擎中，通過配置天空盒、燈光等創設虛擬仿真環境，并基于角色控制、碰撞體的添加，來仿真變電站實際運行狀態，以此來創設“三層兩網”標準下變電站虛擬仿真環境；同時，因為Unity3D中，每個IED設備及組件、環境等均為一個GameObject，但三維場景中的燈光、相機等GameObject并非均是需要控制的三維模型對象，所以，為精準控制IED設備模型，為其配設一個專有的Node的腳本，通過控制模塊與可視化組件上Node腳本的綁定，即可實現三維模型中可視化組件的靈活控制。

4 系統應用分析

為驗證系統的性能，以某大型供電站為研究對象，采用所研究系統進行培訓。為實測仿真系統培訓應用效果，將以該大型變電站內典型的220 kV智能變電站來設計仿真系統，其一次系統配置2臺主變、220、110 kV各2回出線，220、110 kV兩個電壓等級均使用雙母線接線方式，且系統通過可視化組件建構，結合實景的仿真培訓需求，完成了系統各IED設備功能的精準建模。仿真過程如圖4所示。

圖4 智能變電站協同仿真培訓測試的過程Fig.4 Process of collaborative simulation training and testing of Intelligent substation

首先采用C/C++語言在Visual Studio 2015環境下進行仿真系統的開發，使用3ds Max建構智能變電站可視化組件，并根據現場實景及CAD圖紙，結合站內一次、二次IED設備的功能，基于可視化組件的建構，在Unity3D中配設環境參數，即可完成系統仿真環境的快速構建，且其可根據智能變電站場景變動，靈活設計、調用相應的組件庫，提高了系統開發效率和經濟性。為了實現電氣及通信網絡的協同仿真，測試時以外部將仿真控制程序Cosim來支撐不同仿真模塊的數據交互，仿真系統配設仿真平臺、網卡，通過測試，“三層兩網”框架標準下，PSCAD軟件中IED設備生成的數據流經過網卡后被端口捕獲數據包后，將其傳輸至仿真平臺，仿真平臺中的協同仿真程序通過WinPcap驅動的API函數，獲取網卡傳遞的數據包，并將其發送至OPNET仿真內核之中；利用OPNET外部接口ESA API函數，即可實現與OPNET內核的仿真協同，并分別基于PSCAD和OPNET完成電氣及通信網絡的仿真，輸出仿真結果，可見，該仿真過程操作簡便，方便仿真培訓。

實驗中，通過仿真培訓的模擬值Tv與二次設備實際采樣值Mv的誤差，測試系統的應用性能，誤差計算公式為：

(1)

系統仿真培訓過程中，觀測繼電保護設備一次電壓或電流的仿真值與試劑采樣值，通過式(1)計算得出兩者之間的誤差均在2%以下，見表1、表2。表明該仿真培訓系統貼近于現場，具有應用可行性。

表1 繼電保護的電流仿真值與采樣值之間誤差Tab.1 Error between current simulation value and sampling value of relay protection

表2 繼電保護的電壓仿真值與采樣值之間誤差Tab.2 Error between voltage simulation value and sampling value of relay protection

5 結語

智能變電站中新型IED設備、通信網絡的數字化、集成化發展，驅動了新技術、新功能的應用，而為實現精準培訓，上述研究建構了一種仿真培訓系統，利用PSCAD及OPNET軟件的協同控制來實現電氣與通信網絡一體化仿真培訓，且基于3ds Max、ICD及SCD文件解析技術等建構的一次、二次設備可視化組件，可在Unity3D中完成實景環境的三維再現，并可基于可視化組件的復用建構仿真系統，以適用不同的仿真培訓需求，優化了系統的可擴展性和成本性，但是其需要引入多種建模、解析技術，一定程度上增加了運算復雜性和仿真培訓操作的復雜性，未來需予以簡化設計。