王輝東，張 盛，丁葉強，王 偉，劉文博

(國網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 311100)

智能變電站采用“三層兩網(wǎng)”的框架體系，基于通信網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化進行全站信息的交互和共享，推進了一次、二次設(shè)備融合，實現(xiàn)了各設(shè)備數(shù)據(jù)采集、信號傳遞、動作控制的一體化發(fā)展，為電網(wǎng)運行的協(xié)同控制、分析決策、智能調(diào)節(jié)提供了有效支撐。而實體變電設(shè)備一旦投運，其運行參數(shù)及狀態(tài)就不可輕易更改，真實培訓(xùn)無法完全模擬設(shè)備運行的全部狀態(tài)，且影響設(shè)備的正常使用，故而，建立一種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)勢在必行。要完全契合實景培訓(xùn)，要根據(jù)“三層兩網(wǎng)”框架標準建設(shè)一次、二次設(shè)備的仿真模型，且要搭建設(shè)備之間的通信連接，以實現(xiàn)電氣與通信仿真的全融合，達到全面培訓(xùn)的目的。目前研究中，倪時龍[1]以實時數(shù)字仿真和動態(tài)模擬功能的一次系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探究二次設(shè)備仿真的關(guān)鍵技術(shù)及效果；張艷杰等[2]利用RTDS建立電網(wǎng)暫態(tài)模型，采用數(shù)字物理混合的方法，通過一次設(shè)備虛擬3D 模型與二次實景設(shè)備的全融合，建構(gòu)變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；宋福海[3]就智能變電站電磁暫態(tài)仿真的元件模型構(gòu)建、仿真速度優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)進行了創(chuàng)新性的研究；戴觀權(quán)等[4]利用OPNET仿真平臺建立不同場景的變電站網(wǎng)絡(luò)化保護通信仿真模型，可見，以往的仿真系統(tǒng)僅從一次、二次設(shè)備或通信層面，進行建模與仿真，未實現(xiàn)兩者融合，而“三層兩網(wǎng)”框架對物理或信息模型均進行了標準化規(guī)范，僅從一方面進行仿真建模，無法實現(xiàn)智能變電站全場景的仿真培訓(xùn)，影響了培訓(xùn)效果，故而，將兩者融合視為本文研究重點；同時，因變電設(shè)備眾多，本文結(jié)合裝配技術(shù)原理，通過建構(gòu)可復(fù)用的可視化組件，基于“積木拼裝”的方法來建構(gòu)不同場景的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，以此優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)、利用效率。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

根據(jù)IEC61850標準，智能變電站的“三層兩網(wǎng)”框架中包含變空層、間隔層、過程層“三層”，以及站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)“兩網(wǎng)”[5]，其中，站控層用以采集全站設(shè)備信息的監(jiān)控系統(tǒng)，并提供數(shù)據(jù)交互、存儲等功能；間隔層運行合并單元、測控裝置、繼電保護等二次設(shè)備；過程層則包含互感器、斷路器、變壓器等一次設(shè)備及智能組件；而“兩網(wǎng)”則分別是站控層與間隔層、間隔層與過程層IED設(shè)備之間交互的網(wǎng)絡(luò)，均以IEC61850標準下的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)。

結(jié)合智能變電站的分層結(jié)構(gòu)，仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的重點在于電氣與通信網(wǎng)絡(luò)的一體化仿真，本文采用PSCAD與OPNET協(xié)同仿真技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計，整個系統(tǒng)由PSCAD/EMTDC、OPNET及協(xié)同仿真控制3大模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能變電站的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Simulation training system architecture of intelligent substation

(1)PSCAD/EMTDC。該模塊為電磁暫態(tài)仿真軟件，可通過編寫Fortran接口調(diào)用C語言的外部代碼，運行C語言編寫自定義的仿真數(shù)據(jù)處理、存儲及交互模塊等自定義模塊[6]，以適用不同的仿真需求。該模塊主要用于智能變電站一次、二次設(shè)備的電磁穩(wěn)態(tài)特性的仿真模擬，并可基于擴展接口靈活配置各類合并單元、繼電保護、監(jiān)視系統(tǒng)、測控裝置、智能開關(guān)等IED設(shè)備的仿真模塊，以實時監(jiān)測全站設(shè)備的運行狀況。通過搭建擴展接口將PSCAD/EMTDC模塊與仿真協(xié)同控制模塊連接，將電磁暫態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳輸至仿真協(xié)調(diào)控制模塊，便于實現(xiàn)信息同步，增強控制的協(xié)調(diào)性。

(2)OPNET。該模塊為通信網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，其包含OPNET內(nèi)部仿真、外部系統(tǒng)Esys及OPNET與外部系統(tǒng)Esys的接口，其中，OPNET內(nèi)部仿真用于對智能變電站系統(tǒng)中所有通信網(wǎng)絡(luò)功能進行仿真；OPNET與外部系統(tǒng)Esys的接口可實現(xiàn)內(nèi)外部系統(tǒng)的交互通信，其配設(shè)的外部仿真擴展接口Cosim可支撐不同仿真模塊的運行，在Cosim中通過調(diào)用OPNET的ESA API函數(shù)可與OPNET仿真內(nèi)核建立交互通道，提高模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸速度。通過調(diào)用WinSock程序，OPNET模塊可與仿真協(xié)調(diào)控制模塊建立交互通道[7]，實時接收仿真協(xié)調(diào)控制模塊的控制信息，可實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)的仿真。

(3)仿真協(xié)調(diào)控制。該模塊是協(xié)調(diào)PSCAD/EMTDC與OPNET進行電氣與通信同步仿真的服務(wù)端，因PSCAD/EMTDC與OPNET分別基于步長、事件驅(qū)動仿真，故而，仿真協(xié)同控制的步調(diào)由PSCAD/EMTDC決定，仿真過程中PSCAD/EMTDC將仿真需求打包傳遞給內(nèi)置擴展接口建立的各類IED設(shè)備模塊。根據(jù)IEC61850規(guī)約進行組幀編碼后，以SV、GOOSE報文方式，經(jīng)由WinSock接口傳遞給PSCAD/EMTDC模塊與OPNET模塊，實現(xiàn)3組模塊數(shù)據(jù)的實時交換，從而提高了控制的協(xié)調(diào)性，提升系統(tǒng)的工作性能。

2 系統(tǒng)的仿真建模

2.1 智能變電設(shè)備的仿真建模

為實現(xiàn)“三層兩網(wǎng)”框架標準下一次、二次變電設(shè)備的仿真建模，本文將利用PSCAD/EMTDC附帶豐富的元件模型[8]，采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，以客戶機/服務(wù)器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式，定義IEC61850標準下變電設(shè)備模型的分層結(jié)構(gòu)，也即每個IED設(shè)備依次可分解為：“服務(wù)器→邏輯設(shè)備→邏輯節(jié)點→數(shù)據(jù)對象”[9]，據(jù)此，一次、二次IED設(shè)備建模的步驟：①步驟1。分解應(yīng)用功能和信息：邏輯節(jié)點是智能變電站“三層兩網(wǎng)”框架標準中的最小功能單位，通過彼此間的邏輯關(guān)聯(lián)可組合構(gòu)建IED設(shè)備的功能和邏輯結(jié)構(gòu)。為此，進行IED建模，首要的就是分解IED功能，以匹配相應(yīng)的邏輯節(jié)點，用以表征IED的各種功能。但是IEC61850標準定義的邏輯節(jié)點類型多樣，采用的功能邏輯各異，且各類智能變電站的功能需求和實現(xiàn)方式不同[10-11]，配設(shè)的IED設(shè)備類型各不相同，故而，IED建模時序細化分解每個邏輯節(jié)點所需信息，以為之匹配專用的服務(wù)交換數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性代表信息，用以準確描述IED每個應(yīng)用功能，實現(xiàn)IED設(shè)備精準建模。②步驟2。邏輯設(shè)備及服務(wù)器建構(gòu)：通過IED設(shè)備應(yīng)用功能(邏輯節(jié)點)和信息的分解，將功能近似的邏輯節(jié)點組合為一個邏輯設(shè)備，以此將IED設(shè)備(服務(wù)器)分解為1個或數(shù)個的邏輯設(shè)備；且在“兩網(wǎng)”的通信網(wǎng)絡(luò)中每個作為服務(wù)器/客戶機的IED設(shè)備均是一個功能節(jié)點，其需要與其他功能節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互、訪問，為此，需要為每個IED設(shè)備配設(shè)一個服務(wù)器，涵蓋該IED設(shè)備的全部邏輯設(shè)備，其中聚集著多個邏輯節(jié)點及GOOSE、SV交換等附屬功能，包含被頻繁訪問和引用的數(shù)據(jù)列表Data Set。如此，便可完成IED設(shè)備信息服務(wù)模型的建模。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)的仿真建模

為實現(xiàn)“三層兩網(wǎng)”框架標準下智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一，利用OPNET軟件結(jié)合現(xiàn)場的實景建構(gòu)變電站的通信網(wǎng)絡(luò)模型，將智能變電站的封層結(jié)構(gòu)和IED設(shè)備模型對應(yīng)的服務(wù)和數(shù)據(jù)類型，通過抽象通信服務(wù)接口ASCI，利用SCSM將面向變電站事件對象GOOSE、采樣值SV等報文映射至MMS報文規(guī)則上，而后，利用ASN.1 編碼完成MMS報文在TCP/IP+Ethernet 上的通信過程[12-14]，以實現(xiàn)IED設(shè)備之間的信息交互，通信網(wǎng)絡(luò)仿真建模過程：①步驟1。ASCI通信接口建構(gòu)：ASCI接口支持訪問、連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙矐?yīng)用服務(wù)，定義了通信對象、訪問及檢索等，且為實現(xiàn)“三層兩網(wǎng)”框架標準下多種通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)模型的兼容，此處采用Client/Server及發(fā)布者/訂閱者機制作為通信方式，前者負責(zé)操控指令、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)讀寫等功能，主要用于站控層與間隔層之間IED設(shè)備之間的通信；而后者需支持SV模擬量、GOOSE開關(guān)量信息號采集、傳輸，可支撐間隔層與過程層之間高時效、可靠性的通信。最后，通過對基本數(shù)據(jù)類型、信息模型和對應(yīng)數(shù)據(jù)屬性和服務(wù)的Java實現(xiàn)函數(shù)，便可完成ASCI接口的構(gòu)建。②步驟2。ASCI通信服務(wù)的映射：因“三層兩網(wǎng)”框架并行多種通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)傳輸類型，為了統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需基于ACSI接口利用特定通信服務(wù)接口SCSM將報文信息映射至MMS上，這其中存在對象、數(shù)據(jù)、服務(wù)等3種映射方式[15]，本文選用對象類映射方法，結(jié)合上述IED設(shè)備模型的服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)的分類，將其分別映射至MMS的VMD、域模型Domain、數(shù)據(jù)類Data Class、命名變量列表NamedvatiableLis[16-18]。映射過程中，Client依據(jù)指令調(diào)用ACSI接口相應(yīng)的Java函數(shù)，根據(jù)優(yōu)先級生成映射列表傳輸至SCSM，由其生成MMS消息構(gòu)造成為MMS報文規(guī)范后，進行ASN.1編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)流，即可完成異構(gòu)環(huán)境下不同IED設(shè)備在TCP/IP+Ethernet 上的網(wǎng)絡(luò)通信過程。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 協(xié)同仿真的實現(xiàn)

為實現(xiàn)電氣與通信網(wǎng)絡(luò)的同步仿真，需要在計算機平臺上建構(gòu)基于PSCAD與OPNET兩軟件的協(xié)同仿真機制，但PSCAD軟件，內(nèi)部代碼非開源，OPNET軟件無法直接調(diào)用其內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)，需要搭建接口模塊；而OPNET軟件為開源的，可通過修改內(nèi)部通信協(xié)議，完成與外部程序的數(shù)據(jù)交換。故而，本文引入基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的Socket接口，利用Window中的WinSock API，建構(gòu)協(xié)同仿真的數(shù)據(jù)交互機制，具體的構(gòu)建過程：①步驟1。構(gòu)建WinSock接口：WinSock API封裝了從物理層至傳輸層的協(xié)議棧，并以套接字功能函數(shù)、協(xié)議控制函數(shù)直接配置套接字通道，實現(xiàn)與外部程序連接，為此，本文利用WSAStartup()函數(shù)加載WinSock的動態(tài)鏈接庫，初始WinSock API，在Windows環(huán)境下分別構(gòu)建在PSCAD與OPNET應(yīng)用程序中套接字[19]；而后，在兩軟件需要協(xié)同仿真時，采用WinSock定義的bind()函數(shù)將套接字與主機信息綁定，如此，支持WinSock套接字的PSCAD與OPNET軟件便可通過其綁定的主機和端口發(fā)送數(shù)據(jù)交互的連接請求。②步驟2。套接字的連接：在Windows環(huán)境下PSCAD與OPNET軟件需要協(xié)同仿真時，需基于TCP連接流程如圖2所示，利用WinSock定義的函數(shù)對兩軟件的套接字進行連接。首先，請求端使用Connect()函數(shù)向服務(wù)端發(fā)送連接請求，服務(wù)端以listen()函數(shù)偵聽端口的請求連接，若存在請求，則需調(diào)用accept()函數(shù)接收連接，且存在客戶端存在多個請求連接時，需加入請求隊列中需逐一等待接收端口的釋放[20]，對請求進行響應(yīng)，實現(xiàn)與客戶端的連接通信。

圖2 協(xié)同仿真的TCP連接流程Fig.2 TCP connection process of collaborative simulation

3.2 仿真環(huán)境的構(gòu)建

為構(gòu)造通用型的仿真系統(tǒng)，基于“積木拼搭”的設(shè)計理念，引入3ds Max三維建模、圖模一體化、ICD、SCD 文件解析等多種技術(shù)，通過建構(gòu)一次、二次IED設(shè)備的可視化組件，基于裝配技術(shù)來建構(gòu)“高內(nèi)聚、低耦合”的仿真系統(tǒng)，由此系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。可視化組件建構(gòu)：使用3ds Max建構(gòu)仿真系統(tǒng)的可視化組件，結(jié)合“三層兩網(wǎng)”的實景框架，將CAD圖紙導(dǎo)入3ds Max軟件，采用1∶1的比例對IED設(shè)備及場景進行建模，并使用模型庫建模方式，進行可視化組件的建模，而后再裝配為一體，完成仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。通過3ds Max、Unity3D、圖模一體化、ICD、SCD文件解析技術(shù)完成可視化組件構(gòu)建后，搭建一次設(shè)備可視化組件與二次設(shè)備可視化組件，利用Unity3D的預(yù)制體功能生成一次、二次IED設(shè)備三維模塊的預(yù)制體文件，通過拖拽方法在三維場景中實例化，便可完成可視化組件在不同仿真系統(tǒng)中的復(fù)用。

圖3 仿真系統(tǒng)的可視化組件及構(gòu)造技術(shù)Fig.3 Visual components and construction technology of simulation system

具體建模時，為確保一次設(shè)備的參數(shù)、二維圖元、三維模型的一致性，引入圖模一體化技術(shù)，利用Visio繪制二維圖元來表征一次設(shè)備及拓撲結(jié)構(gòu)，并通過點、線位置和角度的更改、JavaScript腳本的綁定，分別完成對二維圖元的動畫渲染和控制；而后，在Unity3D 中結(jié)合一次設(shè)備的功能，利用Update()函數(shù)、潮流計算仿真算法，通過設(shè)備參數(shù)及輸出輸出參數(shù)的計算，生成與之對應(yīng)的腳本，以完成可視化組件的搭建。同時，因每個IED設(shè)備配置一個描述設(shè)備類型、功能及通信參數(shù)的ICD文件，所以，為了精準構(gòu)造通信模塊，利用ICD解析技術(shù)，引入廣度優(yōu)先遍歷算法通過隊列獲取“服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點及數(shù)據(jù)”等節(jié)點信息，并據(jù)此解析二次設(shè)備的ICD文件，生成二次設(shè)備的通信模型，以建構(gòu)可視化組件的通信模型。而且，SCD為描述“三層兩網(wǎng)”智能變電站系統(tǒng)IED模型、子網(wǎng)分配、虛回路等配置信息的文件，為獲取IED設(shè)備關(guān)于GOOSE/SV的虛回路信息，需解析SCD文件結(jié)構(gòu)內(nèi)LN0下的inputs、SV及GOOSE控制塊節(jié)點內(nèi)的信息；而后，再利用LibIEC61850中二次IED設(shè)備通信模型實例化一個服務(wù)線程，并為之匹配相應(yīng)的端口，此時，根據(jù)GOOSE/SV的虛回路信息，調(diào)用不同的端口，即可分別建立間隔層與過程層IED設(shè)備的“發(fā)布者/訂閱者”通信機制、站控層與間隔層的“客戶端/服務(wù)器”通信機制，由此搭建出二次設(shè)備可視化組件的通信結(jié)構(gòu)。

可視化組件的裝配：以.FBX格式將可視化組件模型導(dǎo)入Unity3D引擎中，通過配置天空盒、燈光等創(chuàng)設(shè)虛擬仿真環(huán)境，并基于角色控制、碰撞體的添加，來仿真變電站實際運行狀態(tài)，以此來創(chuàng)設(shè)“三層兩網(wǎng)”標準下變電站虛擬仿真環(huán)境；同時，因為Unity3D中，每個IED設(shè)備及組件、環(huán)境等均為一個GameObject，但三維場景中的燈光、相機等GameObject并非均是需要控制的三維模型對象，所以，為精準控制IED設(shè)備模型，為其配設(shè)一個專有的Node的腳本，通過控制模塊與可視化組件上Node腳本的綁定，即可實現(xiàn)三維模型中可視化組件的靈活控制。

4 系統(tǒng)應(yīng)用分析

為驗證系統(tǒng)的性能，以某大型供電站為研究對象，采用所研究系統(tǒng)進行培訓(xùn)。為實測仿真系統(tǒng)培訓(xùn)應(yīng)用效果，將以該大型變電站內(nèi)典型的220 kV智能變電站來設(shè)計仿真系統(tǒng)，其一次系統(tǒng)配置2臺主變、220、110 kV各2回出線，220、110 kV兩個電壓等級均使用雙母線接線方式，且系統(tǒng)通過可視化組件建構(gòu)，結(jié)合實景的仿真培訓(xùn)需求，完成了系統(tǒng)各IED設(shè)備功能的精準建模。仿真過程如圖4所示。

圖4 智能變電站協(xié)同仿真培訓(xùn)測試的過程Fig.4 Process of collaborative simulation training and testing of Intelligent substation

首先采用C/C++語言在Visual Studio 2015環(huán)境下進行仿真系統(tǒng)的開發(fā)，使用3ds Max建構(gòu)智能變電站可視化組件，并根據(jù)現(xiàn)場實景及CAD圖紙，結(jié)合站內(nèi)一次、二次IED設(shè)備的功能，基于可視化組件的建構(gòu)，在Unity3D中配設(shè)環(huán)境參數(shù)，即可完成系統(tǒng)仿真環(huán)境的快速構(gòu)建，且其可根據(jù)智能變電站場景變動，靈活設(shè)計、調(diào)用相應(yīng)的組件庫，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率和經(jīng)濟性。為了實現(xiàn)電氣及通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同仿真，測試時以外部將仿真控制程序Cosim來支撐不同仿真模塊的數(shù)據(jù)交互，仿真系統(tǒng)配設(shè)仿真平臺、網(wǎng)卡，通過測試，“三層兩網(wǎng)”框架標準下，PSCAD軟件中IED設(shè)備生成的數(shù)據(jù)流經(jīng)過網(wǎng)卡后被端口捕獲數(shù)據(jù)包后，將其傳輸至仿真平臺，仿真平臺中的協(xié)同仿真程序通過WinPcap驅(qū)動的API函數(shù)，獲取網(wǎng)卡傳遞的數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送至OPNET仿真內(nèi)核之中；利用OPNET外部接口ESA API函數(shù)，即可實現(xiàn)與OPNET內(nèi)核的仿真協(xié)同，并分別基于PSCAD和OPNET完成電氣及通信網(wǎng)絡(luò)的仿真，輸出仿真結(jié)果，可見，該仿真過程操作簡便，方便仿真培訓(xùn)。

實驗中，通過仿真培訓(xùn)的模擬值Tv與二次設(shè)備實際采樣值Mv的誤差，測試系統(tǒng)的應(yīng)用性能，誤差計算公式為：

(1)

系統(tǒng)仿真培訓(xùn)過程中，觀測繼電保護設(shè)備一次電壓或電流的仿真值與試劑采樣值，通過式(1)計算得出兩者之間的誤差均在2%以下，見表1、表2。表明該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)貼近于現(xiàn)場，具有應(yīng)用可行性。

表1 繼電保護的電流仿真值與采樣值之間誤差Tab.1 Error between current simulation value and sampling value of relay protection

表2 繼電保護的電壓仿真值與采樣值之間誤差Tab.2 Error between voltage simulation value and sampling value of relay protection

5 結(jié)語

智能變電站中新型IED設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化、集成化發(fā)展，驅(qū)動了新技術(shù)、新功能的應(yīng)用，而為實現(xiàn)精準培訓(xùn)，上述研究建構(gòu)了一種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，利用PSCAD及OPNET軟件的協(xié)同控制來實現(xiàn)電氣與通信網(wǎng)絡(luò)一體化仿真培訓(xùn)，且基于3ds Max、ICD及SCD文件解析技術(shù)等建構(gòu)的一次、二次設(shè)備可視化組件，可在Unity3D中完成實景環(huán)境的三維再現(xiàn)，并可基于可視化組件的復(fù)用建構(gòu)仿真系統(tǒng)，以適用不同的仿真培訓(xùn)需求，優(yōu)化了系統(tǒng)的可擴展性和成本性，但是其需要引入多種建模、解析技術(shù)，一定程度上增加了運算復(fù)雜性和仿真培訓(xùn)操作的復(fù)雜性，未來需予以簡化設(shè)計。