肖英偉，任慶帥，郭啟偉，肖俊麗

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東濟南250021；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東濟南250021）

基于WinPcap的智能變電站繼電保護測試關(guān)鍵技術(shù)研究

肖英偉1，任慶帥1，郭啟偉1，肖俊麗2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東濟南250021；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東濟南250021）

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進行智能變電站繼電保護測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進行深入解讀，并使用WinPcap工具實現(xiàn)了過程層與間隔層之間的通信功能。同時，還實現(xiàn)了保護動作行為模擬，為變電站工作人員保護測試工作提供了一種新穎而直觀的方式，并提供綜合分析功能：故障波形特征量計算（序量計算，功率方向分析，阻抗分析）和諧波分析。經(jīng)PSCAD/EMTDC仿真算例測試，系統(tǒng)計算精準(zhǔn)、功能齊全，對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的理解正確，為繼電保護測試工作提供了一個便捷的平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景。

IEC61850；保護測試；WinPcap；小波算法

0 引言

基于IEC61850通信協(xié)議的智能變電站將變革傳統(tǒng)的變電站一、二次設(shè)備，給變電站的設(shè)計、安裝、調(diào)試、驗收和運行帶來新的挑戰(zhàn)［1］。

對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進行了解讀和應(yīng)用，使用兩臺微機模擬了智能變電站過程層和間隔層之間的通信，并實現(xiàn)了保護測試功能。主機（微機A）可發(fā)送符合IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的報文，待測保護設(shè)備接收并解析報文并發(fā)送IEC GOOSE開關(guān)命令，同時系統(tǒng)還提供了對比機（微機B），可模擬保護動作行為，作為判斷保護裝置動作是否正確的參考。在微機B中，依據(jù)精確的數(shù)據(jù)處理算法，還可進行序量、功率方向、阻抗等故障派生量計算，為保護工作人員分析故障原因以及研究原理提供新的思路和方式。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)包括4部分，分別為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字化繼電保護算法模塊、以太網(wǎng)通信模塊和人機界面。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 以太網(wǎng)通信功能

2.1.1 以太網(wǎng)通信工具軟件

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的采樣值和GOOSE報文都是通過以太網(wǎng)鏈路層進行發(fā)送的，因而不能使用處于同層次的TCP/IP協(xié)議發(fā)送和接收，必須使用更底層的通信函數(shù)［2］。

采用WinPCap（Windows packet capture）網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包作為以太網(wǎng)通信工具軟件，允許其他應(yīng)用程序繞過協(xié)議棧發(fā)送和捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并具有發(fā)送以太網(wǎng)原始數(shù)據(jù)包的功能［3］，因而非常適合開發(fā)應(yīng)用于智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

2.1.2 WinPcap捕獲和發(fā)送IEC61850數(shù)據(jù)包

系統(tǒng)使用WinPcap捕獲數(shù)據(jù)包的流程［4］。

1）使用pcap_findalldevs_ex函數(shù)列舉以太網(wǎng)中可用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2）使用pcap_open（）函數(shù)打開一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3）如需對數(shù)據(jù)包進行過濾，使用pcap_setfilter函數(shù)設(shè)置過濾條件。

4）使用WinPcap捕獲數(shù)據(jù)包有兩種方法。一種是以回調(diào)函數(shù)的方式完成，接口函數(shù)為pcap_loop或pcap_dispatch；另一種方式是使用pcap_next_ex（）函數(shù)完成。本文使用的是第二種方法。

使用WinPcap發(fā)送數(shù)據(jù)包與捕獲流程類似，首先也要列舉并打開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（請參見捕獲流程），然后使用發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送數(shù)據(jù)包方法有兩種：一種是發(fā)送單個數(shù)據(jù)包，另一種是發(fā)送隊列的方式。由于第一種方式功能足夠滿足要求，并且簡單、效率高，因此采用發(fā)送單個數(shù)據(jù)包的方式，接口函數(shù)為pcap_sendpacket。

2.2 IEC61850報文解析

2.2.1 采樣值（SV）報文解析

系統(tǒng)采用IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)，采樣值報文在該標(biāo)準(zhǔn)下都是基于ISO/IEC 8802-3的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)［5］。

采樣值報文的解析流程。

1）判斷以太網(wǎng)類型（Ethertype）是否為0x88BA。

2）讀取AsduNum和AsduLength，查找ASDU。

3）根據(jù)已知標(biāo)記和數(shù)據(jù)類型，解碼svID（Tag等于80）、SmpCnt（Tag等于82）等數(shù)據(jù)段。

4）讀取Samples數(shù)據(jù)，并按8路采樣值格式進行解析［6］。

2.2.2 GOOSE報文解析

GOOSE解包最主要部分是解析APDU數(shù)據(jù)，即關(guān)鍵是解析Control Block Reference、StateNumber、Sequence Number、Test、Config Revision、Needs Commissioning、Number Dataset Entries等數(shù)據(jù)段，它們在報文中均是以“Tag”+“l(fā)ength”+“data”的形式體現(xiàn)的，“Tag”分別為0x80、0x81、0x82、0x83、0x84、0x85、0x86、0x87、0x88、0x89、0x8A［7］。

該部分在程序中是通過一個字符型的指針（data）來實現(xiàn)的，該指針指向APDU數(shù)據(jù)段的首字節(jié)，然后根據(jù)“數(shù)據(jù)長度”依次對每一部分進行解析。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)

設(shè)計數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

1）同步采樣處理。

智能變電站過程層采樣為定采樣率，因此必須重點考慮解決數(shù)據(jù)同步的問題。目前已有的采樣值計算的算法大多是建立在同步采樣基礎(chǔ)之上的，因此在解決實際工程問題時，由于采樣周期與信號周期不同步或采樣時間間隔不均勻等影響，使得數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和精度受到嚴重影響［8］。

針對同步誤差產(chǎn)生的原因，研究了同步采樣的改進方法，消除誤差。結(jié)果證明該方法實現(xiàn)簡單，應(yīng)用范圍廣泛，執(zhí)行效率高，且精度滿足測量要求。

同步采樣處理的流程如圖3所示，對輸入數(shù)據(jù)的處理包括低通濾波、過零檢測和插值采樣3部分。

圖3 同步采樣處理流程

實現(xiàn)同步采樣的關(guān)鍵問題是如何準(zhǔn)確地檢測信號的實時頻率。模擬過零檢測功能來測量信號的實時頻率。當(dāng)故障發(fā)生時，信號可能因為包含有高頻噪聲等而產(chǎn)生嚴重畸變，這對過零點的檢測會帶來一定誤差。所以需要先對輸入信號采用巴特沃斯低通濾波器進行低通濾波，得到有效信號進行處理［9］。

通過過零點檢測，可以精確判斷出信號的實時頻率。根據(jù)波形的實測頻率利用拉格朗日邊界條件的三次樣條插值方法對輸入故障波形進行重采樣，達到同步采樣處理的目的。

2）差分處理。

差分能在一定程度上抑制衰減直流分量所帶來的影響，且計算簡單，實現(xiàn)方便；缺點是會改變數(shù)據(jù)處理算法的幅頻特性，故需對計算結(jié)果進行修正［10-11］。

差分方程

幅值修正系數(shù)A和相位修正系數(shù)β分別為

式中：K為諧波系數(shù)；ω為基波角頻率；Ts為采樣周期。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理算法

1）傅氏算法。

根據(jù)全周傅氏算法，第n次諧波分量的實部、虛部值分別為

式中：N為一周波的采樣點數(shù)，XRen、XImn分別為n次諧波的正弦項（實部）和余弦項（虛部）的系數(shù)。

傅立葉算法可以濾除直流分量和整數(shù)次諧波分量，穩(wěn)定性好。為克服基波頻率偏移、衰減直流分量影響，可以先對輸入數(shù)據(jù)進行同步采樣和差分處理［12-14］。

2）連續(xù)復(fù)小波變換算法。

小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)，因此它能成為分析象故障電流電壓這樣非平穩(wěn)變化或具有奇異性的其他信號［15-16］。

使用連續(xù)復(fù)小波變換提取信號的幅值、相位、頻率

其中：am是特征尺度；C為常數(shù)，稱為修正因子。

由于小波變換具有較好的時頻域局部化特征，可以準(zhǔn)確地取各分量的頻率、幅值和相位，無需考慮頻率偏移對測量精度的影響，可以不用將數(shù)據(jù)進行同步采樣處理。差分處理方法見式（2）、式（3）。

2.4 保護模擬

以南京南瑞繼保電氣有限公司的RCS-902A型超高壓線路成套保護裝置的保護配置工作原理為依據(jù)，進行220 kV及以上電壓等級輸電線路的保護判據(jù)動作模擬。保護判據(jù)動作行為分析模塊中的配置：1）縱聯(lián)距離保護，包括縱聯(lián)低壓距離保護、縱聯(lián)接地距離保護、縱聯(lián)相間接地距離保護和縱聯(lián)反方向距離保護；2）縱聯(lián)零序保護；3）快速Ⅰ段保護由工頻變化量距離元件構(gòu)成；4）三段式接地距離保護；5）三段式相間距離保護；6）兩個延時段零序方向過流保護，包括零序過流Ⅱ段保護和零序過流Ⅲ段保護。

3 仿真驗證

根據(jù)設(shè)計思想，使用兩臺微機連接形成局域網(wǎng)，使用PSCAD/EMTDC搭建長度為100 km的典型雙端220 kV系統(tǒng)模型如圖4所示［17-18］。

波形數(shù)據(jù)采樣周期為0.001 s，數(shù)據(jù)長度為0.6 s。0.4 s時，距A點25 km處發(fā)生a相金屬性接地故障。

整個運行流程為：1）PSCAD/EMTDC導(dǎo)出COMTRADE格式錄波數(shù)據(jù)文件；2）微機A讀入錄波文件，將其轉(zhuǎn)換成符合IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的報文，并發(fā)送到待測保護裝置和微機B；3）待測保護裝置和微機B捕獲該報文并進行解析、計算得到保護動作信號，微機B還要進行基波幅值計算、序量分析、阻抗分析和功率方向分析；4）待測保護裝置或微機B中保護模擬模塊根據(jù)保護動作行為發(fā)送GOOSE報文到微機A中；5）微機A捕獲GOOSE報文，解析并顯示結(jié)果［19］。

篇幅所限，程序貼圖不在此展示。測試所得保護判據(jù)動作情況分析結(jié)果總結(jié)如表1所示。

圖4 仿真模型示意

表1 保護動作情況分析總結(jié)

由表1結(jié)論可見，本系統(tǒng)保護判據(jù)模擬結(jié)論正確。

4 結(jié)語

本文實現(xiàn)了智能變電站繼電保護測試功能，使用WinPcap工具包實現(xiàn)了IEC61850報文的組幀和解析和以太網(wǎng)通信功能。針對微機B所需功能，開發(fā)了精確的數(shù)據(jù)處理算法，提供了差分和同步處理兩種數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)、全周傅式和連續(xù)復(fù)小波變換兩種算法用于基波分量的提取，并進一步分析計算序量、功率方向、阻抗等故障派生量并模擬保護動作行為。該系統(tǒng)若進行進一步完善和實用化改進，必將對已有的繼電保護測試技術(shù)研究起到一定的推動作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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The Key Technologies of Relay Testing in the Intelligent Substation Based on WinPcap

We investigate the key technologies of relay testing in the intelligent substation，and analyse the core idea of IEC61850 in detail.We realize the communication between the process level and the bay level by using WinPcap.We also simulate the action of relay，which provides a new and intuitive way for the test of relay protection operators in the substation. we also provide comprehensive analysis functions：fault wave characteristics（sequence component，power，impedance）calculating and harmonics analysis.The PSCAD/EMTDC simulation shows that the system has accurate computations，complete functions and correct understanding of IEC61850.This system can provide a convenient platform for the test of protective relays and has a wide application prospect.

IEC61850；relay test；WinPcap；wavelet algorithm

TM774

：A

：1007－9904（2014）04－0009－04

2014-02-23

肖英偉（1987—），男，碩士，研究方向為電力設(shè)備自動化；

任慶帥（1980—），男，本科，研究方向為電力設(shè)備自動化；

郭啟偉（1985—），男，碩士，研究方向為繼電保護。