應用于智能電網(wǎng)的IED通信模擬系統(tǒng)

1、應用于智能電網(wǎng)的IED通信模擬系統(tǒng)唐喜 任雁銘 王治民 晉陽珺 杜宇 孟巖(北京四方繼保護自動化股份有限公司北京 )摘要：為了更好地對IEC61850客戶端進行極限壓力測試及網(wǎng)絡負荷測試，同時對IED（智能電子設備，以下簡稱IED）通信行為進行模擬，提出了一種基于IEC61850的IED模擬系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。系統(tǒng)以SCD（變電站配置描述，以下簡稱SCD）文件為信息源注入，虛擬出多個IED，為每個模型數(shù)據(jù)對象分配一個數(shù)據(jù)生成器，提供數(shù)據(jù)變化編輯接口，通過數(shù)據(jù)生成器產生狀態(tài)序列，實時反饋到IEC61850數(shù)據(jù)庫，通過IEC61850與站控層設備進行通信，從而實現(xiàn)全站IED模擬預演。提前暴露變電站內互

2、操作問題，詳細了解變電站網(wǎng)絡通信負荷情況。具有可操作性強、高效、配置靈活的特點。大大縮短IEC61850工程調試周期，促進IEC61850工程化實施、推廣。關鍵詞：IEC61850 服務器端 模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成器1. 引言國際電工委員會TC57在總結以前通信協(xié)議的基礎上，制定了IEC618501通信標準。該通信標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象進行統(tǒng)一建模，采用面向對象技術和獨立于網(wǎng)絡結構的抽象通信服務接口（ACSI），增強了設備間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現(xiàn)無縫連接。該標準具備配置靈活、可靠性高、安全性強的特點，代表了變電站自動化技術未來的發(fā)展方向2。IEC61850通訊協(xié)議技術廣

3、泛使用，在系統(tǒng)測試或者工程實施中，要完成相對完整的測試、調試，不僅需要客戶端工具，還需要服務器端模擬測試工具。因此用戶需要有一個專門的工具，以直觀的方式模擬服務器端。站控層與間隔層基于模型進行互操作試驗，傳統(tǒng)作法是：各IED生產廠商提供各自的ICD（智能電子設備能力描述，以下簡稱ICD）模型，由系統(tǒng)集成商通過系統(tǒng)配置器生成CID（已配置的智能電子設備描述，以下簡稱CID）模型，再下傳到IED內部，與站控層設備進行通信。實際工程中，需要通過測試儀模擬保護試驗對IED進行外部輸入，IED狀態(tài)變化后，將信號上傳到站控層，站控層將接收到的信號與IED本地信號作對比，人為判定IED通信行為是否正確，也可

4、以通過幾次雪崩試驗模擬多IED信號上送，簡單了解一下網(wǎng)絡負荷量及信號正確率。但這種作法有以下缺點：1) 不能對站控層客戶端通信能力進行全面測試2) 各IED生產廠商提供的ICD模型只能通過實際對點試驗才能校驗其正確性3) 不能全面了解全站的網(wǎng)絡通信負荷峰值基于以上幾點不足，在實際工程實施中既帶來不便，又存在通信隱患。因此，需要尋求一種方法來解決此問題。本文提出的基于IEC61850的IED模擬系統(tǒng)及方法，彌補了上述幾點不足，可以進行全站IED對外通信行為模擬，對站控層設備進行全面測試，更好地利用IEC61850通信標準，縮短工程調試時間，這是在傳統(tǒng)工程調試基礎上對IEC61850工程化推廣所做

5、的新的嘗試。2. 概述基于IEC61850的IED模擬系統(tǒng)，應用于采用IEC61850通信的數(shù)字化變電站及傳統(tǒng)變電站，其系統(tǒng)模型圖如圖1所示，系統(tǒng)由模擬器終端和模擬器控制臺兩部分組成，可以對站控層監(jiān)控、遠動、故障系統(tǒng)子站3、其它客戶端工具進行測試。模擬器終端作為集中控制器，對站內所有IED進行人機交互，通過模擬器終端為模型配置數(shù)據(jù)生成器，通過網(wǎng)絡套接字SOCKET與模擬器控制臺進行通信4,5；模擬器控制臺作為分布式控制器，每個控制臺擔當模擬一個IED角色，根據(jù)模擬器終端傳遞的數(shù)據(jù)生成器內容刷新IEC61850數(shù)據(jù)庫，實時與站控層交互通信。圖 1系統(tǒng)模型圖Fig 1 The diagram of

6、 system model3. 功能描述實際的IED功能模擬包括MMS和GOOSE兩部分，其中MMS包括遙信、遙測、遙控、定值、錄波6。對于遙信、遙測、定值上送只需要根據(jù)模型數(shù)據(jù)屬性判斷數(shù)據(jù)生成器需要填充的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)內容由使用者編輯；遙控的處理由模擬器終端提供遙控過程應答接口，也可以由系統(tǒng)默認自動處理；錄波的上送由模擬器終端提供文件選擇對話框，選擇指定的文件后，通知模擬器控制臺通過FTP進行錄波傳遞過程的模擬；GOOSE的處理包括GOOSE輸入、GOOSE輸出，由模擬器終端提供GOOSE接口端子，由使用者進行連線映射，生成GOOSE連線報表，完成后，為每個GOOSE輸入、輸出節(jié)點均配置一個

7、數(shù)據(jù)生成器，虛擬GOOSE參數(shù)設置，形成GOOSE虛擬報文，通過模擬器控制臺進行GOOSE通信。模擬器終端具備自動批處理功能，數(shù)據(jù)生成器可以自動生成狀態(tài)序列文件，無需編輯，使用者可以進行一健化操作，即選擇SCD模型后，下達系統(tǒng)啟動命令，IED模擬系統(tǒng)即自動運行。模擬器控制臺負責統(tǒng)計IED模擬器運行工況信息并上送到模擬器終端，由模擬器終端將IED運行工況信息實時顯示并生成報表，供使用者了解全站模擬運行情況。4. 系統(tǒng)設計在圖2給出了基于IEC61850的IED模擬系統(tǒng)的層次示意圖，系統(tǒng)以SCD模型為信息源輸入，模擬器終端加載SCD模型并解析，分解出IED需要的CID模型文件，以樹狀圖及列表形式進

8、行人機交互，為每個模型數(shù)據(jù)對象分配一個數(shù)據(jù)生成器，通過數(shù)據(jù)生成器產生狀態(tài)序列，并下傳到模擬器控制臺；模擬器控制臺加載模擬器終端分解出的CID模型并解析，創(chuàng)建IEC61850數(shù)據(jù)庫，有序組織IEC61850模型引用路徑信息，根據(jù)數(shù)據(jù)生成器對應的模型引用路徑尋址IEC61850數(shù)據(jù)庫，實時刷新IEC61850數(shù)據(jù)庫狀態(tài)，通過IEC61850與站控層交互通信，從而完成IED服務器端的模擬。圖 2系統(tǒng)層次示意圖Fig 2 The layer diagram of system5. 模擬器終端設計模擬器終端設計流程如圖3所示，模擬器終端啟動后，進行系統(tǒng)初始化工作，當使用者下達“讀取模型”指令后，模擬器終

9、端加載指定的模型文件，進行解析，根據(jù)解析結果，建立虛擬IED數(shù)據(jù)庫，存放模型引用路徑及數(shù)據(jù)7；同時開啟模擬器控制臺服務程序，并通知其需要解析的模型文件路徑；模擬器終端將解析完的模型分別以樹狀圖形式及列表形式顯示在人機交互界面上，供使用者查看；模擬器終端為每個模型葉子節(jié)點建立數(shù)據(jù)生成器；在確保模型引用路徑及數(shù)據(jù)生成器均有效的前提下，創(chuàng)建與模擬器控制臺的通信線程，此通信線程負責實時監(jiān)視、解析控制臺請求消息，并根據(jù)數(shù)據(jù)生成器內容實時刷新IED數(shù)據(jù)庫，確保模擬器終端與控制臺數(shù)據(jù)同步；當使用者下達停止命令時，模擬器終端釋放資源，停止模擬數(shù)據(jù)。模擬器終端是基于IEC61850 IED模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)注入部分

10、，具體包括三部分內容：一是SCD模型解析；二是數(shù)據(jù)生成器；三是與模擬器控制臺通信、調度。下面分別就這幾部分內容的實現(xiàn)加以說明。圖 3模擬器終端設計流程圖Fig 3 The flowchart of simulation terminal design5.1. SCD模型解析模擬器終端的模型解析模塊采用面向對象技術，對IEC61850功能進行封裝，簡化XML文件操作。為后續(xù)模型節(jié)點檢索作好準備。如果系統(tǒng)輸入的是SCD模型，模型器終端需要將SCD模型內多個IED分解為各自的CID模型，以供模擬器控制臺使用。模擬器終端將解析好的模型一方面以樹狀圖結構顯示，另一方面以平面列表的形式顯示，根據(jù)邏輯節(jié)點功

11、能約束對模型信息進行分類顯示，同時記錄每個模型引用路徑及對應的描述，為數(shù)據(jù)生成器設置做準備。5.2. 數(shù)據(jù)生成器模擬器終端為每個模型數(shù)據(jù)對象分配一個數(shù)據(jù)生成器，數(shù)據(jù)生成器采用腳本語言描述，以中間件形式提供，可以動態(tài)加載、創(chuàng)建；提供數(shù)據(jù)生成器內容編輯的人機交互接口8，可以編輯模型數(shù)據(jù)對象的狀態(tài)序列，與模型引用路徑一同存儲在虛擬數(shù)據(jù)庫，以模型引用路徑為檢索依據(jù)；數(shù)據(jù)生成器的編輯記錄通過XML序列化的方式存儲管理，方便歷史查詢。 5.3. 與模擬器控制臺通信、調度模擬器終端根據(jù)解析出的SCD模型判斷需要虛擬IED的數(shù)目，如果是存在多個虛擬IED，則需要開辟多個模擬器控制臺進程，對虛擬IED采用進程池

12、技術進行調度管理，根據(jù)運行狀況可以隨時開啟、關閉虛擬IED。同時模擬器終端需要實時反映數(shù)據(jù)生成器對虛擬數(shù)據(jù)庫內容作的更改，通過網(wǎng)絡套接字SOCKET方式與模擬器控制臺進行通信，將虛擬數(shù)據(jù)庫內容反饋到模擬器控制臺的IEC61850數(shù)據(jù)庫，通知模擬器控制臺進行狀態(tài)變化處理。6. 模擬器控制臺設計模擬器控制臺設計流程如圖4所示，模擬器控制臺啟動后，進行系統(tǒng)初始化工作，自動檢索有效的模型文件并解析，創(chuàng)建IEC61850實時數(shù)據(jù)庫并記憶模型引用路徑葉子節(jié)點路徑；同時創(chuàng)建模擬器終端虛擬數(shù)據(jù)庫；在確保上述兩個數(shù)據(jù)庫有效的前提下創(chuàng)建IEC61850通信線程及與模擬器終端通信線程；其中，IEC61850通信線程

13、主要完成與站控層通信工作，實時監(jiān)視客戶端請求并將IEC61850實時庫狀態(tài)反映到站控層；模擬器終端線程主要負責與模擬器終端的通信工作，實時監(jiān)視并處理模擬器終端報文請求，如實地將模擬器終端對模型的狀態(tài)設置反饋到IEC61850實時數(shù)據(jù)庫。當模擬器終端下達退出指令后，模擬器控制臺關閉所有線程，釋放申請的內存，退出運行。模擬器控制臺是基于IEC61850IED模擬系統(tǒng)的內核通信部分，具體包括三部分內容：一是CID模型解析并創(chuàng)建IEC61850數(shù)據(jù)庫；二是同步數(shù)據(jù)生成器與IEC61850數(shù)據(jù)庫；三是與站控層通信。下面分別就這幾部分內容的實現(xiàn)加以說明。6.1. CID模型解析模擬器控制臺啟動后，自動檢索

14、有效的CID模型，搜索到有效的模型文件后，開始解析模型，將樹狀模型結構映射SCL信息結構體，解析數(shù)據(jù)類型模板，開辟內存空間，創(chuàng)建邏輯設備、邏輯節(jié)點、報告控制塊信息體，初始化報告實例，生成模型葉子節(jié)點數(shù)組，創(chuàng)建IEC61850數(shù)據(jù)庫，有序組織模型引用路徑節(jié)點及數(shù)據(jù)信息，通過模型引用路徑提供尋址IEC61850數(shù)據(jù)庫依據(jù)，成功后，即進入模型解析完成狀態(tài)。6.2. 數(shù)據(jù)同步模擬器控制臺單獨開辟了網(wǎng)絡套接字SOCKET通信線程，負責監(jiān)視模擬器終端傳遞的數(shù)據(jù)生成器信息，當接收到新的數(shù)據(jù)生成器信息報文后，模擬器控制臺進行報文解析處理，提取出模型引用路徑信息和數(shù)據(jù)信息，根據(jù)模型引用路徑尋址IEC61850數(shù)

15、據(jù)庫，尋址有效后，將數(shù)據(jù)生成器內容反饋到IEC61850數(shù)據(jù)庫，同時產生數(shù)據(jù)變更有效消息，使模擬器控制臺進行IEC61850通信狀態(tài)。6.3. 與站控層通信模擬器控制臺對于站控層的IEC61850客戶端采用線程池技術進行管理，可以同時進行多個客戶端連接，當有新的客戶端連接請求成功后，單獨開辟線程并分配內存進行處理。模擬器控制臺收到IEC61850數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)變更有效消息后，實時上送給當前連接有效的客戶端，與站控層交互通信。當客戶端發(fā)出斷開連接請求后，模擬器控制臺關閉線程，并釋放已經(jīng)申請的內存。圖 4模擬器控制臺設計流程圖Fig 4 The flowchart of simulation cons

16、ole design7. 仿真效果系統(tǒng)采用2臺PC機，模擬一個220KV變電站內所有IED運行，對站控層監(jiān)控、遠動、故障信息子站進行測試9,10，模擬雪崩試驗，讓所有IED均對功能約束為ST的遙信進行同時變位，出色的測試出客戶端處理速度、處理能力，以及數(shù)據(jù)庫容量，對網(wǎng)絡最大運行負荷進行了評估，同時也檢測出多個IED模型不符合建模規(guī)范，最終形成測試報告，供站內運行人員參考，作為變電站實際運行、調試的參考依據(jù)。8. 結語本文在分析現(xiàn)有對IEC61850客戶端檢測手段不足的情況下，提出了基于IEC61850的IED模擬系統(tǒng)及方法。具有簡潔、高效的特點，可實現(xiàn)全站IED通信行為模擬預演。目前，國內外I

17、ED廠商尚未有此類檢測系統(tǒng)。仿真試驗發(fā)現(xiàn)，采有該系統(tǒng)可以對變電站系統(tǒng)內通信行為進行詳細測試，節(jié)省了大量的工程調試時間，帶來了巨大經(jīng)濟效益，大大促進了IEC61850工程化實施、推廣。參 考 文 獻1 IEC 61850 Communication networks and systems in substations. 2004.2 任雁銘,秦立軍,楊奇遜. IEC61850通信協(xié)議體系介紹和分析. 電力系統(tǒng)自動化,2000,24(8):62-64.REN Yanming, QIN Lijun, YANG Qixun. Study on IEC61850 communication proto

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23、1sf-)The server simulation system and realization method based on IEC61850TANG Xi, REN Yanming, WANG Zhimin ,JIN Yangjun, Du Yu(Beijing Sifang Automation Co.,Ltd, ,China )Abstract: It is put forward a server simulation system and realization method based on IEC61850 in order to better test the IEC61850 client limit ability and network loads , meanwhile simulate IED(intelligent electronic devices, hereinafter referred to as IED) communication behavior. The information source of the system is SCD (Substation Configuration description