一种智能变电站环境信号管理模拟器的研制

赵 敏，陈 峦，王 超

（电子科技大学能源科学与工程学院，四川 成都611731）



一种智能变电站环境信号管理模拟器的研制

赵 敏，陈 峦，王 超

（电子科技大学能源科学与工程学院，四川 成都611731）

摘 要：无人值守智能变电站快速发展，对变电站辅助系统建设的智能、高效、兼容、自愈要求越来越高。但智能变电站辅助系统结构、标准均不规范，搭建真实的联动测试环境成本高，可行性较低且测试过程对整个系统设备要求苛刻。提供了一种基于IEC61850和Modbus等协议的智能变电站环境信号采集管理模拟器——智能管理主机模拟器。该模拟器内置符合Modbus的通信对象模型，通过IEC61850协议实现与综合应用服务器实现互联互通，同时模拟环境数据信号采集、控制命令、模拟配置管理、模型管理、监控查看、协议转换，从而实现智能变电站复杂环境的监测与控制。此外，通过实验测试，验证其可行性和实用性。

关键词：智能管理主机模拟器；IEC61850协议；ModBus协议；综合应用服务器；协议转换

变电站作为电力系统不可或缺的一部分，担负着电力变换的任务，随着无人值守的智能变电站的快速发展，对变电站辅助系统的建设的智能化，运行稳定性，经济性等要求越来越高[1-2]。

目前常规变电站内辅助控制系统存在以下问题：（1）标准不一，互不兼容；（2）各子系统间相互独立，无联动机制；（3）报警监控模式被动，容易误报、漏报；（4）各辅助设施的控制局限性；（5）多种告警事件传输协议并存，不利于联动测试的开展。而且智能变电站环境监测是一项综合性工作，系统的实施同时受限于人力、物力以及变电站运行管理规程。有鉴于此，本文研制了一种智能变电站环境信号采集处理模拟器——智能管理主机模拟器[3]。

变电站智能辅助控制系统基于各保障子系统的底层控制，将照明系统、水泵系统、消防系统、水浸系统，周界报警系统、空调智能控制系统、温湿度检测系统、SF6检测系统、风速系统、风机系统、人员自动跟踪等各子系统有机整合，同时不影响各子系统自身的运行。通过变电站智能辅助系统智能管理主机可以很好地实现统一管理、系统兼容、减少设备重复投入、系统间有效协作、各系统间良好的信息共享，大大降低了整个辅助系统的资源消耗，提高了整体管理及系统保障能力[4]。

由于环境联动系统涉及设备种类繁多，搭建真实的联动测试环境测试成本高，可行性较低且测试过程对整个系统设备要求较高，因此在开展辅助监控系统内部以及与其他子系统之间联动的测试研究，对智能变电站辅助系统智能管理主机模拟器的研制具有极强的现实意义和实际应用价值[5]。

1　变电站辅助系统中的智能管理主机

智能管理主机用于接收辅助系统中消防、安防、环境监测等信息采集装置的数据，进行综合分析和统一展示，对外提供状态监测分析结果以及辅助应用监视与控制功能。子系统提供消防、安全警卫、环境检测等子系统的信号量，同时接送来自智能管理主机的控制和调节指令。

图1所述的是智能变电站辅助系统的整体结构，从图中分析可知，智能管理主机需要将子系统采集到的不同协议信息收取后，通过内置IEC61850模块进行转换，之后上送综合应用服务器与之建立通信[6]。

图1　系统整体结构

智能管理主机模拟器应该包括如下功能：（1）配置智能管理主机模拟器与子系统模拟器之间的联动及报警规则；（2）管理分析子系统功能模型结构或属性实现是否合乎要求，协议映射是否正确，参数设置是否合理；（3）监控查看包括查看子系统的信息模型，查看或设置子系统对象属性；（4）所述协议转换包括捕获并解释通信设备间的各层协议报文，详细记录整个通信过程；（5）实现协议转换，能够采集、模拟传感器的模拟量、数字量、开关信号的采集，485电平的MODBUS协议信号，开关变位、模拟量越限、事件顺序记录SOE、控制操作；（6）能够实现与IEC61850模块通信，与综合应用服务器通信、联动等功能[7]。

2　智能管理主机模拟器硬件设计

由于智能管理主机对上需要接收综合应用服务器下发的控制、查询等指令，对下需要对子系统设备进行控制和数据采集，与此同时，智能管理主机还需要完成协议的转换和告警事件的上报等功能，所以智能管理主机的硬件需要能够支持不同类型的数据获取与控制，以及不同类型协议的通信。具体智能管理主机的硬件平台结构图如图2所示。

图2　智能管理主机硬件平台结构图

智能管理主机的硬件部分主要由主板、485串口通信卡、以太网网卡、多功能数据采集卡组成，由于主板使用的是一般电脑的主板，这里不做过多的赘述。485串口通信卡主要用于与子系统设备的MODBUS串口通信；以太网网卡主要用于与子系统设备的MODBUS以太网通信及与综合应用服务器MMS通信；多功能数据采集卡用于采集子系统设备的模拟量和开关量，以及对开关设备的控制。

2.1485串口通信卡

串口通信卡可以使用某公司生产的PCI-1622CCE 8端口RS-485防浪涌加隔离通用PCI通信卡。此卡可以同时连接8个不同的MODBUS串口设备，通信波特率可任意设置，最高可达921.6 kbps，拥有128字节FIFO标准的16PCI954 USRT，具备提高系统性能的中断状态寄存器，预留了终端电阻空间，自动的RS-485数据流控制，同时还自带2500 Vdc浪涌保护和2500 Vdc隔离保护，完全满足项目需要。

2.2以太网网卡

以太网网卡使用主芯片为因特尔I350AM4千兆四口服务器网卡。此网卡双集成MAC+PHY和SERDES芯片控制器，具有高性能，高可靠性以及低功耗的特点，支持SR-IOV功能，使得网卡不仅可以导出多个PCI物理功能，还可以导出共享该网卡设备上的资源的一组虚拟功能，四个通道都具有数据包缓冲，可以降低CPU的使用，硬件加速的性能也使网卡可以从主处理器分载任务。

2.3多功能数据采集卡

多功能数据采集卡可以使用某公司生产的PCI-1716 16位高分辨率多功能数据采集卡。此卡的采样速率为250 ks/s，拥有16路单端或8路差分的模拟量输入，16路的数字量输入以及16路的数字量输出。对于模拟量输入功能，采集卡自带1 K字节的FIFO，支持的最大输入范围为-10 V~10 V.对于数字量输入输出功能，低电压需低于0.4 V，高电压需高于2.4 V[8].

由于主板使用的是一般电脑的主板，这里不做过多的赘述。

3　智能管理主机软件61850部分

智能管理主机对与其相连的上级综合应用服务器和下级各子系统进行协议功能测试，如图3所示。

图3　智能管理主机模拟器测试结构图

智能管理主机模拟器设计总体结构框图如图4所示。

图4　智能管理主机模拟器总体设计结构图

智能管理主机模拟器主要包括配置文件解析、通信、协议分析、显示、提示、协议转换六个模块。智能管理主机模拟器通过通信模块与被测综合应用服务器和子系统进行连接通信，接收和发送协议消息。接收到消息后交给协议分析模块进行协议验证和分析得出分析结果，并由显示模块和提示模块显示分析结果。配置文件解析模块对智能管理主机模拟器读入的配置文件进行解析并以方便测试的形式显示出来。协议转换模块完成61850-MODBUS之间的协议转换以及61850-数字量模拟量之间的转换[9]。

3.1功能模块

根据模拟器的功能需求，对综合应用服务器的测试分为61850测试模块和压力测试模块，基于61850协议的功能测试模块主要模拟智能管理主机测试综合应用服务器的以下功能：读数据，写数据，突发传送处理，告警事件响应[10]。

测试标准是检验智能管理主机与综合应用服务器之间的通信是否满足MMS制造报文规范[11]。压力测试主要针对综合应用服务器，在这里不过多赘述。其结构图如图5所示。

图5　智能管理主机模拟器功能结构图

4　实例分析

智能管理主机模拟器启动后启动站端连接，开始监听客户端连接请求，成功建立连接后开始通信，接收并响应客户端命令，同时采集信息并完成数据上送。

现对四川某公司的综合应用服务器61850标准通信进行功能测试，按照标准规定，模拟器完成的测试内容依照通信标准制造MMS报文。模拟器按照标准模型内容进行测试，标准模型如下（模型文件中建立了8个逻辑设备，如图6所示）。

图6　模型逻辑设备图

其中：LD1-LD3均为温湿度测量，分别对应高压室、主控室和低压室的温湿度；LD4为空调控制；LD5为电子围栏；LD6为SF6浓度检测；LD7为风速检测；LD8为门禁子系统。

启动模拟器之后，首先读取上述标准模型，软件模型解析模块解析、连接之后的模型作如图7所示。

图7　模型解析结果图

以连接测试成功之后的读测试为例，主要测试综合应用服务器向智能管理主机发送数据获取请求的能力，包括获取数据模型、遥测、遥信信息等。本例中模拟器IP设为192.168.3.105，被测方 IP设为192.168.3.107，当智能管理主机模拟器收到读数据请求消息后，首先对MMS报文头部分验证，检验INVOKERID头域等是否正确，验证通过后接着对MMS报文进行协议规范性验证[12]，以上二者均通过验证才判定消息体符合协议标准。验证通过后解析MMS报文中内容，智能管理主机模拟器根据报文内容从资源文件中获取相应的数据，存在则返回结果，不存在则返回404不存在消息，如图8所示。

图8　读测试过程流程图

读数据测试内容如下：

综合应用服务器需要读取的是智能管理主机的全部数据模型，即要检验综合应用服务器发送的模型读取请求是否正确。

以读取空调状态值为例，测试过程报文序列如图9所示。

图9　读测试过程报文序列

综合应用服务器的请求报文截图如图10所示。

图10　请求报文截图

读数据过程智能管理主机模拟器作为被动方，通信模块始终监听综合应用服务器的请求消息，收到消息之后进行消息验证和解析。通过测试发现，报文info是confirmed-requestPDU，invokeID值正确，报文格式符合规范，报文内容正确，读测试通过。

5　结束语

本文章研制了一种基于IEC61850、Modbus等规约的智能管理系统模拟器，通过协议转换为主要手段实现智能变电站辅助的具体功能，对智能变电站辅助系统的研发有一定意义：

（1）为智能变电站辅助系统标准化、规范化、智能化发展提供了很好的模型[13]。同时，采用该模型能够模拟智能变电站真实的环境信号，避免了搭建平台，节省了大量的人力物力，大大降低了开发辅助系统的成本。

（2）研制了智能管理主机模拟器装置，可以接收8路（-10 V~+10 V）或16路（0~10 V）的模拟量输入信号、16路开关量输入信号，控制16路开关量输出及8路串口、8路网口报文收发，可以采集或控制真实的被测动力、环境等子系统，也可以模拟子系统设备数据测试综合应用服务器。

（3）对某厂家生产的产品测试，并对实例进行分析，验证该智能管理主机模拟器的可行性及实用性。

（4）由于篇幅有限，智能管理主机应用于变电站辅助系统的功能过多，文章只对智能管理主机中的个别功能进行了测试，对其它功能没有进行详细分析。

参考文献:

[1]李兰欣，苗培青，王俊芳.基于IEC 61850的数字化变电站系统解决方案的研究[J].电网技术，2006，（S2）：61-63.

[2]赵渊，沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-5-104远动规约在电力系统中应用[J].电网技术，2003，27（10）:56-60.

[3]王雷涛，张仑山，易永辉.基于智能变电站智能辅助控制系统的研究[J].电气应用，2013，（09）:27-31.

[4]马孝名.浅谈信息系统在变电站设备巡视工作中的应用[J].科技创业月刊，2005，（05）：32-36.

[5]熊炬，靳新建，魏丽芳，等.无人值班变电站设备温度遥测系统的探讨[J].科技资讯，2009，（22）：87-91.

[6]尉镔，杨希斌，郭怀东.智能生产辅助控制系统在变电站中的应用[J].电力科学与工程，2011，（06）:93-97.

[7]张文亮，刘壮志，王明俊，等.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术，2009，（13）:55-57.

[8]陈树勇，宋书芳，李兰欣，等.智能电网技术综述[J].电网技术，2009，（08）：71-75.

[9]邸剑，肖军，王春新，等.基于物联网的变电站智能辅助系统应用研究[J].物联网技术，2013，（08）：41-46.

[10]李慧青.浅谈无人值守变电站的运行管理[J].内江科技，2006，（09）:19-23.

[11]WANG Lei-tao，ZHANG Lun-shan，YI Yong-hui.Research of Intelligence Aided System in Intelligent Substation[J]. Electrotechnical Application，2013，（9）:74-77.

[12]YU Bin，YANG Xi-bin，GUO Huai-dong.Applications of Intelligent Production Control Station System[J].Electric Power Science and Engineering，2011，（6）:37-41.

[13]KANG Jian-min，YUAN Jing-zhong，CUI Wei.The Substation Intelligent Auxiliary Control System[J].North China Electric Power，2012，（5）:63-70.

中图分类号:TM632

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0108-04

收稿日期：2016-01-06

作者简介：赵敏（1985-），男，新疆昌吉人，硕士研究生，研究方向为电力系统分析、运行及控制；陈峦（1973-），男，四川宜宾人，硕士，副教授，研究方向为可再生能源、智能电网技术；王超（1985-），男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为电力系统分析、运行及控制。

The Development of an Environmental Signal Management Simulator in the Smart Substation

ZHAO Min，CHEN Luan，WANG Chao
（Energy Science and Engineering Institute of University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China）

Abstract:At present，with the fast development of unmanned intelligent substation.It has more and more high requirement in intelligent，high efficiency，compatibility and self-healing that the construction of the auxiliary system of substation.But the current structure and the standard of intelligent substation auxiliary system are not standardized，build the real linkage test environment has high cost，and feasibility is very poor，meanwhile there are harsh demand in the testing process of the whole system equipment.This article provide a intelligent environment signal acquisition and co ntrol simulator that based on the IEC61850 and Modbus protocol-intelligent management host simulator.The simulator built to meet the Modbus communication object model，are achieved by IEC61850 protocol and integrated application server to achieve interoperability.At the same time，the simulation environment of data signal acquisition，analog control commands，configuration management，model management，monitoring view，protocol conversion，so as to realize the monitoring and control of intelligent substation in complex environment.In addition，based on a IEC61850 protocol test and verify its feasibility and practicability.

Key words:intelligent management host simulator；IEC61850 protocol；modBus protocol；xomprehensive application server；protocol conversion