数字化变电站过程层仿真测试环境的开发与设计

2010-04-12殷南南胡敏强窦晓波

电力工程技术 2010年2期

殷南南，胡敏强，窦晓波

（东南大学电气工程学院，江苏南京210096）

国际电工委员会（IEC）最新制订了《变电站通信网络和系统》系列标准，即IEC 61850系列标准，是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统惟一的国际标准，为变电站自动化未来的发展指明了方向[1]。数字化变电站的最重要的特征是采用了发射单光子计算机断层扫描仪（ECT）、工程验证（EVT）和智能断路器，智能断路器具有自动化、智能化、模块化的优点，它以智能控制器为核心，把微处理器技术、网络技术和信息技术集成在一起；与传统断路器相比，ECT/EVT的应用避免了电流互感器（TA）的饱和及暂态响应失真的问题，减少了拒动或延迟动作的几率，提高了保护动作的正确率[2]。数字化过程层功能是与过程接口的全部功能，基本状态量和模拟量输入输出功能，如：数据采集（包括采样）、发出控制命令等。由于其信息不是模拟量而是数字量，保护测控装置直接从网络接收数字信号，相当于二次回路不复存在，现场调试过程中一个现实的问题是如何对其进行测试，传统的变电站自动化系统检测方法部分失效。对于数字化变电站的试验和检测，由于基于光学和电子学原理的ECT、EVT和智能断路器的使用，常规模拟信号和控制电缆将逐步被光电数字信号和光纤代替，测控、保护装置的输入输出均为数字信号，变电站通信网络进一步向现场延伸，将出现真正意义上的过程层总线，变电站自动化系统的性能越来越依赖于通信，对目前的检测手段带来了不便。

按照现有技术，要检测出被测系统的真实性能，需要消耗大量人力和财力。因此，开发能客观反映数字化变电站过程层的仿真测试硬件与软件，该仿真测试装置不再专注于对单台装置的测试，而是构建一个测试环境。同时，借助该测试环境，全面检测出被测系统的真实性能显得十分必要。

1 装置的组成与实现功能

IEC 61850标准的提出，为设计硬件仿真装置提供了依据。过程层总线实现功能：间隔层设备与智能终端之间信息交换、间隔层设备间失灵启动等功能的信息。

数字化变电站过程层仿真测试环境主要由硬件仿真装置和配置系统两部分组成。其中，仿真装置由插件和背板构成，基本结构为4U。插件的核心处理器采用AT91RM9200处理器，具有高可靠性和强实时性，完全能够满足通用面向对象的变电站事件（GOOSE）报文和采样值（SMV）报文发送对时间和同步的精确要求，更好地模拟过程层的智能电子设备的外部特征。仿真装置硬件配置如图1所示[3]，该装置不再专注于对单个装置的测试，而是针对多个装置的整体性能测试。

图1 仿真装置硬件配置

故障序列值通过配置系统，下载到硬件仿真装置内，为进行组包提供原始数据；并根据需要测试的智能电子设备（IED），对仿真装置的报文进行必要的配置，使IED能够识别发送的报文。

如果是实时数字仿真系统（RTDS）产生的故障序列值，可能格式与本配置系统要求的格式不尽相同，可先做相应解析，转化成该装置可以识别的数据格式。

2 仿真装置的设计实现

2.1 硬件设计

仿真装置由功能插件、1块电源插件、1块背板、1块人机界面插件构成，插件拟采用4U结构，所有插件统一软硬件设计，通过标准化降低装置的成本，提高装置的可靠性和易维护性；插件数目可以根据需要灵活配置[4-8]。

电源插件主要为整个装置提供所需要的5 V电源。人机界面插件采用芯片LXT9883，可以支持8个端口，实现网口扩展，配置简单，不需要软件配置，只需要通过管脚做相应硬件配置即可，功能上相当于1个HUB，实现数据分发，主要与计算机通信，为每个功能插件提供配置和数据分发。

每块功能插件有2个相同的模块，分别负责模拟电子互感器和智能断路器，2个模块之间采用串口进行通信，每个模块主要包括主控CPU、存储器、以太网通信、串行通信、实时时钟和看门狗等电路。每个模块都有自己对应的Flash存储数据，把Flash分成2个存储空间，第一个存储空间为预先设定的数据和应用程序，通电后，便开始发送根据此区域的数据产生的报文；第二个存储空间用于存储配置系统产生的故障数据。功能插件硬件结构如图2所示。

图2 插件硬件结构

2.2 软件设计

软件设计主要是模拟过程层IED外部通信的特征，具体功能主要包括GOOSE、SMV9-19-2报文的发送与解析，下面以GOOSE发送和SMV报文解析为例说明。

2.2.1 GOOSE报文的发送

智能开关模拟装置通过GOOSE向外传输节点状态和在线检测数据，并能接收GOOSE跳合闸、闭锁报文，其信息模型如图3所示。

图3 智能开关模拟装置IEC61850模型

发送GOOSE报文功能的实现方法如下。

发送GOOSE报文功能由GSET和GSEF 2个流程共同完成：前者负责正常情况下的周期发送，后者负责开关状态发生变化后报文的快速重传。由于发送间隔不同，每个GOOSE控制块都有各自的GSET和GSEF。软件设计流程[9-11]如图4所示。

图4 装置发送GOOSE报文软件流程

GSET首先编码MAC地址和Apdu中一般不变化的参数，如 GoCBRef、DatSet、Test、NumDatSet Entries、配置版本（ConfRev、Tag=88）和需要配置（NdsCom、Tag=89）等，如需要修改可以通过配置系统修改，继而进入一个发送循环：先根据控制块使能（GoEna）和事件标志（GoUpdate，反映 GOOSE 是否处于快速重传）判断能否发送；若能发送，令SqNum加1或复归，并读取应用数据后编码Apdu，进入定时器a中断调用SendPacket（）发送报文；若不能发送，则直接退出中断。

GSEF由更新GOOSE数据的应用直接调用。先根据GoEna和GoUpdate判断能否发送和是否为新事件（GoUpdate被调用GSEF的应用赋值为1）。若是新事件：令StNum加1或复归、SqNum=1，读取应用数据并编码Apdu，进入中断调用SendPacket()发送报文，关闭定时器a，打开定时器b，并令GoUpdate=2。

由于GoUpdate=2，当GSF被定时器b调用时，不会进入新事件发送流程，而是进入快速重传流程：首先根据函数调用次数和重传次数（GOOSE重传延时随重传次数变化）计算重传时间，以此确定定时器b发送间隔，并根据重传间隔计算TAL并令SqNum加1或复归，再更新APDU中的TAL和SqNum数据段（如其他数据段内容未变化，则不需重新编码），最后调用SendPacket（）重传报文；若重传次数已满，则关闭定时器b、打开定时器a、并令GoUpdate=3以恢复GSET的周期发送。

2.2.2 SMV报文的解析

解析与发送是一个相反的过程，下面以SMV报文的解析为例来详细说明解析过程，电子互感器信息模型如图5所示。

图5 电子互感器模拟装置IEC61850模型

SMV报文是反应采样值的报文，包括9-1和9-2两种。软件设计流程如图6所示。

具体解析方法[12-14]如下：第一步判断Apdu采用的是9-1还是9-2编码。9-1编码的Apdu长度固定为73字节（假设每个报文包括1个点的采样数据），由4字节的报头、46字节的基本数据集和23字节的状态数据集组成，2个数据集的名称分别为a和b。

图6 SMV报文解析软件流程

如果是9-1编码的Apdu，继而判断2个数据集的采样计数值（第46/47、第69/70字节）是否正确（如果Apdu只含有1个基本数据集，只需对数据集a作出判断），若正确则按照9-1的定义将Apdu解码成12个16位的模拟量值和16个1位的状态值（假设所有通道都有效），模拟量值的计算方法为：vm/vr×S（瞬时值 vm、额定值 vr、互感器因子 S）；若计数出错，则记录出错值，并根据下一帧报文的采样计数值决定是重新开始计数还是丢弃出错报文。

如果是9-2编码的Apdu，首先根据AsduNum和AsduLength等数据段在Apdu中找出所有的ASDU，根据ASN.1/BER规则解码ASDU中标记（Tag）和数据类型均固定的标识符（MsvID、Tag=80）、数据集引用（DatSet、Tag=81）和计数器（SmpCnt、Tag=82）等控制块参数，然后根据MsvID和DatSet判断数据集是否CID文件中配置，若未配置，直接退出，若已配置且计数正确，则对照由CID文件建立起来的数据结构对所有ASDU中的SMV数据集进行解码，若计数出错，处理方法同9-1。

Apdu完成后，按照相关应用的格式要求将采样值、计数器值和其他参数写入共享内存区，并对相关应用采样值更新。

2.3 数据同步方法

所有报文发送都应该是时间同步的，否则测试仿真意义不大，但是仅靠各个独立模块本身的定时器定时发送很难实现同步，即使开始可以同步，时间一长必然会有累积误差，将无法再同步发送，将会影响测量结果的准确性。因此，采用另一种可行的方法来实现同步，由第一块插件的1个模块用作引导模块负责产生定时脉冲，通过背板传递给其他插件的其他模块外部中断引脚，其他模块收到脉冲后产生中断，使能发送，然后发送报文。如图7所示。

为了减小误差，收到脉冲进入中断后便使能发送，发出上一次已经组织好的报文，而后开始组织下一帧报文，写进相应的缓冲区待发。

图7 数据同步过程

3 配置系统的设计实现

配置系统主要完成对报文的配置、解析查看以及故障序列值的产生下载。采用MFC作为开发平台,建立直观的图形界面，充分发挥计算机的运算处理能力,不仅为用户提供人性化的操作，而且大大降低硬件设计的成本。仿真装置和配置系统通过人机界面插件，利用网口来实现数据的传输通信。报文配置主要配置GOOSE的MAC地址、控制块名称、数据集名称、各个ID以及数据集个数等，并可以控制任一开关的状态，改变开关状态的同时读取电脑上的时间和CPU内部高精度计数器相配合获得时标，并更新发出的报文的开关状态和UTC时标；9-1/9-2报文配置主要对9-1/9-2报文的电压、电流值、初始相角、MAC地址以及故障前故障后电流电压等进行配置。

对于以上配置应支持手动配置和导入配置文件2种方式。

对于9-1/9-2配置后，可以通过一定的算法模拟从故障前的电流电压动态变化到故障发生后电流电压的过程，每隔250 μs（每周波采样80点）生成一组故障序列值，将产生的所有故障数据并通过网口下载到各个模块Flash的对应存储空间中。收到切换命令后，根据故障序列值组包的SMV报文，通过光纤口发出，便可模拟动态故障过程，实现整体测试。当仿真装置收到跳闸的GOOSE报文后，电流电压值将全部变为0；否则，在故障过程结束后，将继续发送先前的报文。

用户也可以自己定义试验方法，然后以附加组件的形式实现功能的扩展。

4 测试实例

为了验证硬件仿真装置基本功能，进行了如下测试（电流速断保护动作时间），这仅是验证基本功能的最小应用，通过功能扩展可以构建复杂得多的测试环境。

硬件仿真装置经两路光纤与某公司的保护装置（PSI）点对点连接，一路是向PSI发送9-1SMV报文、另一路是PSI向测试装置发送GOOSE报文，如图8所示。

图8 实验环境

装置模拟合并单元产生采样值数据，采样频率为10 000 Hz且5个ASDU打包成1个APDU，即每隔 0.5 ms向 PSI发送1帧长度为 261字节的9-1SMV报文。采样值的大小为：正常情况下，三相电压的有效值为100 V、三相电流的有效值为3 A；故障后，三相电流的有效值为8 A（PSI的电流速断保护定值为5 A）。

PSI每隔2 s向测试装置发送1帧长度为141字节（11个布尔量）的GOOSE心跳包；当PSI接收到测试装置发送的故障采样值后，经保护逻辑判断出口，立即发出1帧GOOSE跳闸报文。

故障事件由人为触发，首先，在配置系统中进行初始数据和故障数据设置，点击发送后输出正常地9-1报文，点击故障，便发出故障数据。在发送故障SMV报文的同时启动1个精度为11 ns的计数器，当其接收到GOOSE跳闸报文后从该计数器读出将其关闭并计数值，继而可由计数器值得出PSI电流速断保护的整组动作时间，如表1所示。

表1 电流速断保护动作时间

5 结束语

此数字化变电站过程层仿真测试环境能够根据一定的算法最终产生相应的符合IEC61850标准的报文，从而能够模拟动态过程，从而可以对装置进行系统测试，真实反应被测装置的性能，同时也可对装置的一些基本性能比如保护动作时间等进行定性测试。但是，仍存在一些不足之处，由于配置解析系统算法固定，因此本身只能仿真模拟发送既定模式的动态过程，有待以后进一步改进，使其能够模拟发送更多模式的动态过程。目前只进行了部分定性测试，将来还要组成与实际数字化变电站过程层高度对应的测试环境。

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