殷南南，胡敏強(qiáng)，竇曉波

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

國際電工委員會（IEC）最新制訂了《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)惟一的國際標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動化未來的發(fā)展指明了方向[1]。數(shù)字化變電站的最重要的特征是采用了發(fā)射單光子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（ECT）、工程驗(yàn)證（EVT）和智能斷路器，智能斷路器具有自動化、智能化、模塊化的優(yōu)點(diǎn)，它以智能控制器為核心，把微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)集成在一起；與傳統(tǒng)斷路器相比，ECT/EVT的應(yīng)用避免了電流互感器 （TA）的飽和及暫態(tài)響應(yīng)失真的問題，減少了拒動或延遲動作的幾率，提高了保護(hù)動作的正確率[2]。數(shù)字化過程層功能是與過程接口的全部功能，基本狀態(tài)量和模擬量輸入輸出功能，如：數(shù)據(jù)采集（包括采樣）、發(fā)出控制命令等。由于其信息不是模擬量而是數(shù)字量，保護(hù)測控裝置直接從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)字信號，相當(dāng)于二次回路不復(fù)存在，現(xiàn)場調(diào)試過程中一個現(xiàn)實(shí)的問題是如何對其進(jìn)行測試，傳統(tǒng)的變電站自動化系統(tǒng)檢測方法部分失效。對于數(shù)字化變電站的試驗(yàn)和檢測，由于基于光學(xué)和電子學(xué)原理的ECT、EVT和智能斷路器的使用，常規(guī)模擬信號和控制電纜將逐步被光電數(shù)字信號和光纖代替，測控、保護(hù)裝置的輸入輸出均為數(shù)字信號，變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步向現(xiàn)場延伸，將出現(xiàn)真正意義上的過程層總線，變電站自動化系統(tǒng)的性能越來越依賴于通信，對目前的檢測手段帶來了不便。

按照現(xiàn)有技術(shù)，要檢測出被測系統(tǒng)的真實(shí)性能，需要消耗大量人力和財(cái)力。因此，開發(fā)能客觀反映數(shù)字化變電站過程層的仿真測試硬件與軟件，該仿真測試裝置不再專注于對單臺裝置的測試，而是構(gòu)建一個測試環(huán)境。同時，借助該測試環(huán)境，全面檢測出被測系統(tǒng)的真實(shí)性能顯得十分必要。

1 裝置的組成與實(shí)現(xiàn)功能

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的提出，為設(shè)計(jì)硬件仿真裝置提供了依據(jù)。過程層總線實(shí)現(xiàn)功能：間隔層設(shè)備與智能終端之間信息交換、間隔層設(shè)備間失靈啟動等功能的信息。

數(shù)字化變電站過程層仿真測試環(huán)境主要由硬件仿真裝置和配置系統(tǒng)兩部分組成。其中，仿真裝置由插件和背板構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)為4U。插件的核心處理器采用AT91RM9200處理器，具有高可靠性和強(qiáng)實(shí)時性，完全能夠滿足通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录℅OOSE）報(bào)文和采樣值（SMV）報(bào)文發(fā)送對時間和同步的精確要求，更好地模擬過程層的智能電子設(shè)備的外部特征。仿真裝置硬件配置如圖1所示[3]，該裝置不再專注于對單個裝置的測試，而是針對多個裝置的整體性能測試。

圖1 仿真裝置硬件配置

故障序列值通過配置系統(tǒng)，下載到硬件仿真裝置內(nèi)，為進(jìn)行組包提供原始數(shù)據(jù)；并根據(jù)需要測試的智能電子設(shè)備（IED），對仿真裝置的報(bào)文進(jìn)行必要的配置，使IED能夠識別發(fā)送的報(bào)文。

如果是實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）產(chǎn)生的故障序列值，可能格式與本配置系統(tǒng)要求的格式不盡相同，可先做相應(yīng)解析，轉(zhuǎn)化成該裝置可以識別的數(shù)據(jù)格式。

2 仿真裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

仿真裝置由功能插件、1塊電源插件、1塊背板、1塊人機(jī)界面插件構(gòu)成，插件擬采用4U結(jié)構(gòu)，所有插件統(tǒng)一軟硬件設(shè)計(jì)，通過標(biāo)準(zhǔn)化降低裝置的成本，提高裝置的可靠性和易維護(hù)性；插件數(shù)目可以根據(jù)需要靈活配置[4-8]。

電源插件主要為整個裝置提供所需要的5 V電源。人機(jī)界面插件采用芯片LXT9883，可以支持8個端口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口擴(kuò)展，配置簡單，不需要軟件配置，只需要通過管腳做相應(yīng)硬件配置即可，功能上相當(dāng)于1個HUB，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)，主要與計(jì)算機(jī)通信，為每個功能插件提供配置和數(shù)據(jù)分發(fā)。

每塊功能插件有2個相同的模塊，分別負(fù)責(zé)模擬電子互感器和智能斷路器，2個模塊之間采用串口進(jìn)行通信，每個模塊主要包括主控CPU、存儲器、以太網(wǎng)通信、串行通信、實(shí)時時鐘和看門狗等電路。每個模塊都有自己對應(yīng)的Flash存儲數(shù)據(jù)，把Flash分成2個存儲空間，第一個存儲空間為預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序，通電后，便開始發(fā)送根據(jù)此區(qū)域的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的報(bào)文；第二個存儲空間用于存儲配置系統(tǒng)產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)。功能插件硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 插件硬件結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是模擬過程層IED外部通信的特征，具體功能主要包括GOOSE、SMV9-19-2報(bào)文的發(fā)送與解析，下面以GOOSE發(fā)送和SMV報(bào)文解析為例說明。

2.2.1 GOOSE報(bào)文的發(fā)送

智能開關(guān)模擬裝置通過GOOSE向外傳輸節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和在線檢測數(shù)據(jù)，并能接收GOOSE跳合閘、閉鎖報(bào)文，其信息模型如圖3所示。

圖3 智能開關(guān)模擬裝置IEC61850模型

發(fā)送GOOSE報(bào)文功能的實(shí)現(xiàn)方法如下。

發(fā)送GOOSE報(bào)文功能由GSET和GSEF 2個流程共同完成：前者負(fù)責(zé)正常情況下的周期發(fā)送，后者負(fù)責(zé)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化后報(bào)文的快速重傳。由于發(fā)送間隔不同，每個GOOSE控制塊都有各自的GSET和GSEF。軟件設(shè)計(jì)流程[9-11]如圖4所示。

圖4 裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文軟件流程

GSET首先編碼MAC地址和Apdu中一般不變化的參數(shù)， 如 GoCBRef、DatSet、Test、NumDatSet Entries、配置版本（ConfRev、Tag=88）和需要配置（NdsCom、Tag=89）等，如需要修改可以通過配置系統(tǒng)修改，繼而進(jìn)入一個發(fā)送循環(huán)：先根據(jù)控制塊使能（GoEna）和事件標(biāo)志（GoUpdate，反映 GOOSE 是否處于快速重傳）判斷能否發(fā)送；若能發(fā)送，令SqNum加1或復(fù)歸，并讀取應(yīng)用數(shù)據(jù)后編碼Apdu，進(jìn)入定時器a中斷調(diào)用SendPacket（）發(fā)送報(bào)文；若不能發(fā)送，則直接退出中斷。

GSEF由更新GOOSE數(shù)據(jù)的應(yīng)用直接調(diào)用。先根據(jù)GoEna和GoUpdate判斷能否發(fā)送和是否為新事件（GoUpdate被調(diào)用GSEF的應(yīng)用賦值為1）。若是新事件：令StNum加1或復(fù)歸、SqNum=1，讀取應(yīng)用數(shù)據(jù)并編碼Apdu，進(jìn)入中斷調(diào)用SendPacket()發(fā)送報(bào)文，關(guān)閉定時器a，打開定時器b，并令GoUpdate=2。

由于GoUpdate=2，當(dāng)GSF被定時器b調(diào)用時，不會進(jìn)入新事件發(fā)送流程，而是進(jìn)入快速重傳流程：首先根據(jù)函數(shù)調(diào)用次數(shù)和重傳次數(shù)（GOOSE重傳延時隨重傳次數(shù)變化）計(jì)算重傳時間，以此確定定時器b發(fā)送間隔，并根據(jù)重傳間隔計(jì)算TAL并令SqNum加1或復(fù)歸，再更新APDU中的TAL和SqNum數(shù)據(jù)段（如其他數(shù)據(jù)段內(nèi)容未變化，則不需重新編碼），最后調(diào)用SendPacket（）重傳報(bào)文；若重傳次數(shù)已滿，則關(guān)閉定時器b、打開定時器a、并令GoUpdate=3以恢復(fù)GSET的周期發(fā)送。

2.2.2 SMV報(bào)文的解析

解析與發(fā)送是一個相反的過程，下面以SMV報(bào)文的解析為例來詳細(xì)說明解析過程，電子互感器信息模型如圖5所示。

圖5 電子互感器模擬裝置IEC61850模型

SMV報(bào)文是反應(yīng)采樣值的報(bào)文，包括9-1和9-2兩種。軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

具體解析方法[12-14]如下：第一步判斷Apdu采用的是9-1還是9-2編碼。9-1編碼的Apdu長度固定為73字節(jié)（假設(shè)每個報(bào)文包括1個點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)），由4字節(jié)的報(bào)頭、46字節(jié)的基本數(shù)據(jù)集和23字節(jié)的狀態(tài)數(shù)據(jù)集組成，2個數(shù)據(jù)集的名稱分別為a和b。

圖6 SMV報(bào)文解析軟件流程

如果是9-1編碼的Apdu，繼而判斷2個數(shù)據(jù)集的采樣計(jì)數(shù)值（第46/47、第69/70字節(jié)）是否正確（如果Apdu只含有1個基本數(shù)據(jù)集，只需對數(shù)據(jù)集a作出判斷），若正確則按照9-1的定義將Apdu解碼成12個16位的模擬量值和16個1位的狀態(tài)值（假設(shè)所有通道都有效），模擬量值的計(jì)算方法為：vm/vr×S（瞬時值 vm、額定值 vr、互感器因子 S）；若計(jì)數(shù)出錯，則記錄出錯值，并根據(jù)下一幀報(bào)文的采樣計(jì)數(shù)值決定是重新開始計(jì)數(shù)還是丟棄出錯報(bào)文。

如果是9-2編碼的Apdu，首先根據(jù)AsduNum和AsduLength等數(shù)據(jù)段在Apdu中找出所有的ASDU，根據(jù)ASN.1/BER規(guī)則解碼ASDU中標(biāo)記（Tag）和數(shù)據(jù)類型均固定的標(biāo)識符（MsvID、Tag=80）、數(shù)據(jù)集引用 （DatSet、Tag=81） 和計(jì)數(shù)器（SmpCnt、Tag=82）等控制塊參數(shù)，然后根據(jù)MsvID和DatSet判斷數(shù)據(jù)集是否CID文件中配置，若未配置，直接退出，若已配置且計(jì)數(shù)正確，則對照由CID文件建立起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對所有ASDU中的SMV數(shù)據(jù)集進(jìn)行解碼，若計(jì)數(shù)出錯，處理方法同9-1。

Apdu完成后，按照相關(guān)應(yīng)用的格式要求將采樣值、計(jì)數(shù)器值和其他參數(shù)寫入共享內(nèi)存區(qū)，并對相關(guān)應(yīng)用采樣值更新。

2.3 數(shù)據(jù)同步方法

所有報(bào)文發(fā)送都應(yīng)該是時間同步的，否則測試仿真意義不大，但是僅靠各個獨(dú)立模塊本身的定時器定時發(fā)送很難實(shí)現(xiàn)同步，即使開始可以同步，時間一長必然會有累積誤差，將無法再同步發(fā)送，將會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，采用另一種可行的方法來實(shí)現(xiàn)同步，由第一塊插件的1個模塊用作引導(dǎo)模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時脈沖，通過背板傳遞給其他插件的其他模塊外部中斷引腳，其他模塊收到脈沖后產(chǎn)生中斷，使能發(fā)送，然后發(fā)送報(bào)文。如圖7所示。

為了減小誤差，收到脈沖進(jìn)入中斷后便使能發(fā)送，發(fā)出上一次已經(jīng)組織好的報(bào)文，而后開始組織下一幀報(bào)文，寫進(jìn)相應(yīng)的緩沖區(qū)待發(fā)。

圖7 數(shù)據(jù)同步過程

3 配置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

配置系統(tǒng)主要完成對報(bào)文的配置、解析查看以及故障序列值的產(chǎn)生下載。采用MFC作為開發(fā)平臺,建立直觀的圖形界面，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理能力,不僅為用戶提供人性化的操作，而且大大降低硬件設(shè)計(jì)的成本。仿真裝置和配置系統(tǒng)通過人機(jī)界面插件，利用網(wǎng)口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信。報(bào)文配置主要配置GOOSE的MAC地址、控制塊名稱、數(shù)據(jù)集名稱、各個ID以及數(shù)據(jù)集個數(shù)等，并可以控制任一開關(guān)的狀態(tài)，改變開關(guān)狀態(tài)的同時讀取電腦上的時間和CPU內(nèi)部高精度計(jì)數(shù)器相配合獲得時標(biāo)，并更新發(fā)出的報(bào)文的開關(guān)狀態(tài)和UTC時標(biāo)；9-1/9-2報(bào)文配置主要對9-1/9-2報(bào)文的電壓、電流值、初始相角、MAC地址以及故障前故障后電流電壓等進(jìn)行配置。

對于以上配置應(yīng)支持手動配置和導(dǎo)入配置文件2種方式。

對于9-1/9-2配置后，可以通過一定的算法模擬從故障前的電流電壓動態(tài)變化到故障發(fā)生后電流電壓的過程，每隔250 μs（每周波采樣80點(diǎn)）生成一組故障序列值，將產(chǎn)生的所有故障數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)口下載到各個模塊Flash的對應(yīng)存儲空間中。 收到切換命令后，根據(jù)故障序列值組包的SMV報(bào)文，通過光纖口發(fā)出，便可模擬動態(tài)故障過程，實(shí)現(xiàn)整體測試。當(dāng)仿真裝置收到跳閘的GOOSE報(bào)文后，電流電壓值將全部變?yōu)?；否則，在故障過程結(jié)束后，將繼續(xù)發(fā)送先前的報(bào)文。

用戶也可以自己定義試驗(yàn)方法，然后以附加組件的形式實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

4 測試實(shí)例

為了驗(yàn)證硬件仿真裝置基本功能，進(jìn)行了如下測試（電流速斷保護(hù)動作時間），這僅是驗(yàn)證基本功能的最小應(yīng)用，通過功能擴(kuò)展可以構(gòu)建復(fù)雜得多的測試環(huán)境。

硬件仿真裝置經(jīng)兩路光纖與某公司的保護(hù)裝置（PSI）點(diǎn)對點(diǎn)連接，一路是向PSI發(fā)送9-1SMV報(bào)文、另一路是PSI向測試裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

裝置模擬合并單元產(chǎn)生采樣值數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 000 Hz且5個ASDU打包成1個APDU，即每隔 0.5 ms向 PSI發(fā)送1幀長度為 261字節(jié)的9-1SMV報(bào)文。采樣值的大小為：正常情況下，三相電壓的有效值為100 V、三相電流的有效值為3 A；故障后，三相電流的有效值為8 A（PSI的電流速斷保護(hù)定值為5 A）。

PSI每隔2 s向測試裝置發(fā)送1幀長度為141字節(jié)（11個布爾量）的GOOSE心跳包；當(dāng)PSI接收到測試裝置發(fā)送的故障采樣值后，經(jīng)保護(hù)邏輯判斷出口，立即發(fā)出1幀GOOSE跳閘報(bào)文。

故障事件由人為觸發(fā)，首先，在配置系統(tǒng)中進(jìn)行初始數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)設(shè)置，點(diǎn)擊發(fā)送后輸出正常地9-1報(bào)文，點(diǎn)擊故障，便發(fā)出故障數(shù)據(jù)。在發(fā)送故障SMV報(bào)文的同時啟動1個精度為11 ns的計(jì)數(shù)器，當(dāng)其接收到GOOSE跳閘報(bào)文后從該計(jì)數(shù)器讀出將其關(guān)閉并計(jì)數(shù)值，繼而可由計(jì)數(shù)器值得出PSI電流速斷保護(hù)的整組動作時間，如表1所示。

表1 電流速斷保護(hù)動作時間

5 結(jié)束語

此數(shù)字化變電站過程層仿真測試環(huán)境能夠根據(jù)一定的算法最終產(chǎn)生相應(yīng)的符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文，從而能夠模擬動態(tài)過程，從而可以對裝置進(jìn)行系統(tǒng)測試，真實(shí)反應(yīng)被測裝置的性能，同時也可對裝置的一些基本性能比如保護(hù)動作時間等進(jìn)行定性測試。但是，仍存在一些不足之處，由于配置解析系統(tǒng)算法固定，因此本身只能仿真模擬發(fā)送既定模式的動態(tài)過程，有待以后進(jìn)一步改進(jìn)，使其能夠模擬發(fā)送更多模式的動態(tài)過程。 目前只進(jìn)行了部分定性測試，將來還要組成與實(shí)際數(shù)字化變電站過程層高度對應(yīng)的測試環(huán)境。

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