王瑞雪，王開宇，李忠安

(1.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽110006)

數(shù)字化變電站工程中，變電站間隔設(shè)備與過程層采集設(shè)備之間以網(wǎng)絡(luò)傳輸方式取代并行電纜連接的SMV通信受到了廣泛關(guān)注，SMV通信主要有IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2 2種格式。文獻[1]和文獻[2]以連接電子式電流互感器合并單元MU裝置為例說明了IEC 61850-9-2采樣值的建模、發(fā)送和接收過程。文獻[3]說明IEC 61850-9-2比IEC 61850-9-1更靈活、完善，除了支持直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的SendSMVMessage服務(wù)，還支持直接MMS映射服務(wù)。文獻[4]提到了自主開發(fā)的SMV報文測試與分析軟件。文獻[5]說明OMICRON測試儀器可以配置IEC 61850-9-2模塊發(fā)出IEC 61850-9-2報文用于測試數(shù)字化保護裝置，文獻[6]和文獻[7]說明可以使用WINPCAP軟件包使計算機Windows系統(tǒng)直接發(fā)出GOOSE報文用于數(shù)字化保護設(shè)備測試。目前還未見專門基于Windows平臺通過網(wǎng)卡介質(zhì)直接收發(fā)的IEC61850-9-2數(shù)據(jù)模擬測試收發(fā)軟件的報道。

文中主要使用WinPcap4.0.2版本軟件開發(fā)包設(shè)計了IEC 61850-9-2仿真收發(fā)測試軟件。設(shè)計了5個模塊：MAC嗅探模塊、CID文件讀取模塊、SNTP對時模塊、IEC 61850-9-2報文發(fā)送模塊、IEC 61850-9-2報文接受模塊。該仿真測試軟件在計算機Windows環(huán)境下網(wǎng)卡介質(zhì)上能夠直接發(fā)送和接受符合數(shù)字化變電站裝置要求的IEC 61850-9-2報文，從而方便了數(shù)字化變電站裝置測試人員的相關(guān)測試工作。

1 WinPcap和IEC 61850-9-2簡介

WinPcap由Packet.dll、函數(shù)庫Libpcap和Wpcap.dll 3個部分組成軟件開發(fā)包，可以在Windows操作平臺上實現(xiàn)對底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的截取過濾[7]。其主要執(zhí)行函數(shù)如表1所示。

表1 WinPcap函數(shù)

IEC 61850-9-2實現(xiàn)了過程層到間隔層采樣值的數(shù)字化傳輸，可以靈活定義數(shù)據(jù)集，讀寫控制塊等，對數(shù)據(jù)傳輸進行VLAN和優(yōu)先級設(shè)置[4]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 軟件結(jié)構(gòu)和流程

此仿真測試軟件首先使用Microsoft xml CORE SERVICES 3.0解析裝置配置文本CID文件，把得出IEC 61850-9-2的ASDU配置參數(shù)再配置為WinPcap可發(fā)送的sendqueue數(shù)據(jù)，使用IPHLPAPI.LIB來獲得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的MAC信息、IP信息、name信息。用pcap_open打開網(wǎng)絡(luò)適配器，pcap_sendqueue_transmit發(fā)送和pcap_next_ex接受，最后用pcap_close關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)適配器。此軟件使用SNTP對時。其程序流程如圖2所示。

3 SNTP對時

圖2 軟件程序流程

在設(shè)置時區(qū)參數(shù)、客戶端IP參數(shù)和服務(wù)器IP參數(shù)后，接受SNTP對時服務(wù)器的2種對時方式。（1）主動查詢點對點；（2）廣播對時。保證IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)報文發(fā)送和接受時間的一致性。

4 pcap_sendqueue_transmit函數(shù)的作用

WinPcap的發(fā)送函數(shù)有pcap_sendpacket和pcap_sendqueue_transmit，分別為發(fā)送單個數(shù)據(jù)包和發(fā)送隊列[7]。pcap_sendpacket函數(shù)需要的參數(shù)是1個裝有要發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)、發(fā)送的長度和1個適配器。緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)將不被WinPcap內(nèi)核緩沖協(xié)議處理，只是作為最原始的數(shù)據(jù)流被發(fā)送，發(fā)送時間隨機，不能固定。而pcap_sendqueue_transmit函數(shù)提供同步時間最優(yōu)機制來發(fā)送1組隊列數(shù)據(jù)包，pcap_sendqueue_alloc函數(shù)用來創(chuàng)建1個隊列，pcap_sendqueue_queue函數(shù)將帶有時間戳和長度的pcap_pkthdr結(jié)構(gòu)附加在隊列數(shù)據(jù)包上，然后調(diào)用pcap_sendqueue_transmit函數(shù)來發(fā)送隊列數(shù)據(jù)包，該函數(shù)的第3個參數(shù)如果非0則表示發(fā)送將是同步的，這樣能夠使發(fā)送時間精確到微秒，但是將占用很大的CPU資源，因為WinPcap的數(shù)據(jù)是在內(nèi)核級上被緩沖，最后使用pcap_sendqueue_destroy函數(shù)來釋放掉所有的隊列資源。

對于數(shù)字化變電站設(shè)備來說，IEC 61850-9-2報文在1 s內(nèi)要被發(fā)送上千次，所以需將發(fā)送IEC 61850-9-2報文的時間精確到微秒級別，這就需要使用pcap_sendqueue_transmit函數(shù)。本文實驗聯(lián)調(diào)的數(shù)字化變電站設(shè)備1 s需要接受4 000次IEC 61850-9-2報文，并且根據(jù)ASDU中數(shù)據(jù)變化計算幅值和角度。

5 微秒定時器的作用

此軟件編譯環(huán)境是Windows下的Visual C++編譯環(huán)境，Visual C++的定時器極限只能到達1 ms。本文對比使用了2種微秒定時器：rdtsc內(nèi)嵌機器碼微秒定時器和CPU時鐘頻率微秒定時器。

rdtsc內(nèi)嵌機器碼微秒定時器使用2次getcyclecount函數(shù)返回CPU時鐘周期數(shù)值差來測知時間，和CPU主頻速率直接對應(yīng)，1個計數(shù)相當(dāng)于1/s(CPU主頻Hz數(shù))，缺點是數(shù)據(jù)抖動不穩(wěn)定。

CPU時鐘頻率微秒定時器首先調(diào)用QueryPerformanceFrequency函數(shù)取得高精度運行計數(shù)器的頻率f，單位是每秒多少次，在需要定時的代碼的兩端分別調(diào)用QueryPerformanceCounter函數(shù)以取得高精度運行計數(shù)器的數(shù)值n1、n2，兩次數(shù)值的差值通過f換算成時間間隔t=(n2-n1)/f，當(dāng)t大于或等于定時時間長度時啟動定時器。

本文使用毫秒定時器內(nèi)嵌套微秒定時器和pcap_next_ex函數(shù)來接受IEC 61850-9-2報文，速度較快，接受不丟包。

6 與裝置聯(lián)調(diào)

此軟件與PCS9705B裝置進行IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)收發(fā)聯(lián)調(diào)，硬件設(shè)備連接如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)備連接

設(shè)置完電壓一次值、電壓二次值和UA，UB，UC之間相角后，計算機發(fā)送4組IEC 61850-9-2電壓數(shù)據(jù) (ua1，ub1，uc1；ua2，ub2，uc2；ua3，ub3，uc3；ua4，ub4，uc4)， 第 1組聯(lián)調(diào)電壓數(shù)據(jù)的SMV參數(shù)示意如下。

4組電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)-光纖轉(zhuǎn)換器到達PCS9705B裝置的光纖數(shù)據(jù)接入插件，4組IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)可分別持續(xù)發(fā)送1 min，裝置接受效果較好。測試人員進行分析，第1組聯(lián)調(diào)電壓數(shù)據(jù)顯示結(jié)果如下：UA=57.7V，UB=57.7V，UC=57.7V，UAB=100.0V，UBC=100.0V，UCA=100.0V。

7 結(jié)束語

本文主要設(shè)計了基于WinPcap4.0.2版軟件包、在計算機網(wǎng)卡介質(zhì)上直接收發(fā)的IEC 61850-9-2數(shù)據(jù)收發(fā)仿真測試軟件，可以用來測試數(shù)字化變電站設(shè)備的SMV數(shù)據(jù)接受。

此軟件受到pcap_sendqueue_transmit函數(shù)建立數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小的制約，需要改進以下幾點。(1)由于IEC 61850-9-2報文發(fā)送點數(shù)太多，需要的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)太大，如果想持續(xù)發(fā)送，必須不斷地建立和釋放SMV數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在建立和釋放的時間片段內(nèi)如何保證發(fā)送數(shù)據(jù)時間的連貫性是一個問題，需要改進。(2)接受的SMV數(shù)據(jù)合成波形COMTRADE格式文件用于故障分析。(3)SNTP對時精度不夠，需要改進對時方式。

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