基于IEC61850的數(shù)字化繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

王 濤 韓 冬

國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250002

0 引言

隨著建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)規(guī)劃的提出，智能變電站中的保護(hù)和控制裝置通信方式和功能配置方式的自動化、網(wǎng)絡(luò)化程度大大提高，這使得電網(wǎng)的二次裝置尤其是保護(hù)和控制發(fā)生非常大的變化。目前的保護(hù)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)還停留在傳統(tǒng)的對保護(hù)功能進(jìn)行簡單仿真，功能單一，而且無法支持用戶定制。這種實訓(xùn)系統(tǒng)已無法滿足未來電網(wǎng)發(fā)展對人員培訓(xùn)的要求，因此結(jié)合未來電網(wǎng)的發(fā)展特點，從人員培訓(xùn)需求入手，建立一個功能完善、界面友好并支持未來智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的保護(hù)和控制實訓(xùn)系統(tǒng)是電網(wǎng)技術(shù)人員和工作人員的共識和迫切需要［1］。

本文提出的數(shù)字化繼電保護(hù)仿真實訓(xùn)系統(tǒng)采用組件和虛擬回路映射方法，將虛擬回路與保護(hù)裝置的信號關(guān)聯(lián)映射為可視化的實體接線操作，裝置采用組件技術(shù)，對原理、邏輯進(jìn)行定制形成自定義保護(hù)。并且將二次回路可視化，展示了其信號流通和邏輯回路的動態(tài)行為。最后以網(wǎng)絡(luò)測試儀作為數(shù)據(jù)源完成單裝置測試和二次動態(tài)回路的展示。

本文第1部分介紹了該系統(tǒng)的整體框架，第2部分介紹虛擬保護(hù)與外部測試儀之間的數(shù)據(jù)通信模型，第3部分介紹虛擬保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)的建模，第4部分介紹系統(tǒng)的測試應(yīng)用。

1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)整體架構(gòu)

電力系統(tǒng)數(shù)字化保護(hù)與控制實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的目的是在軟件的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行保護(hù)建模和定值配置，通過發(fā)送虛擬故障測試信號，觀察保護(hù)裝置啟動輸出，查看保護(hù)動作特性和邏輯特性，同時觀察二次回路電氣參數(shù)和觸點開關(guān)的動態(tài)變化，提供給使用者一個清晰、直觀、完整的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程。圖1是本文提出的軟件系統(tǒng)基本功能結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)由3個部分組成，分別為虛擬數(shù)字化保護(hù)，虛擬回路映射和動態(tài)二次回路，對應(yīng)圖中的模塊①②③，并且均處于局域網(wǎng)環(huán)境中。保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)外部是由測試儀軟件、板卡和局域網(wǎng)組成。內(nèi)部和外部通過SV和GOOSE報文進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。

系統(tǒng)功能整個流程：以測試儀作為故障源，測試儀在局域網(wǎng)絡(luò)上不斷發(fā)送IEC61850-9-2采樣值數(shù)據(jù)包，虛擬保護(hù)通過采集模塊進(jìn)行抓包并且對SV報文進(jìn)行解釋，通過虛擬保護(hù)中的保護(hù)算法判據(jù)進(jìn)行故障的診斷，經(jīng)過保護(hù)控制和運行，并進(jìn)行邏輯判定，結(jié)果以GOOSE格式返回測試儀。虛擬保護(hù)的運算輸出有保護(hù)邏輯和解析的報文，通過箭頭所示，會傳遞給數(shù)據(jù)管理平臺。虛擬回路映射反映了虛擬測試儀和虛擬保護(hù)之間的對應(yīng)關(guān)系，動態(tài)二次回路根據(jù)數(shù)據(jù)中的電流電壓值動態(tài)顯示電流電壓回路，根據(jù)保護(hù)邏輯動態(tài)變化控制回路。

圖1 系統(tǒng)功能整體結(jié)構(gòu)

2 基于IEC61850通信數(shù)據(jù)建模

IEC61850［1］提出一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個規(guī)范的輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接［2］。如圖1所示，本文的繼電保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)和外部信號源之間的信息傳遞是以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)傳輸模型進(jìn)行的，GOOSE報文返回保護(hù)測試結(jié)果等信息，SV報文則實現(xiàn)電流電壓值的發(fā)送和板卡配置信息的采集。

2.1GOOSE模型

IEC61850通用變電站事件模型提供了快速和可靠的系統(tǒng)范圍內(nèi)傳輸輸入，輸出數(shù)據(jù)值?；诜植嫉母拍?，通用變電站事件模型提供了一個高效，利用廣播服務(wù)或者是多路廣播的形式向多個物理設(shè)備同時傳輸同一個通用變電站事件信息［3］。

GOOSE信息交換是基于發(fā)布方／訂閱方機(jī)制基礎(chǔ)上的。發(fā)布方和接收方都有各自的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)。發(fā)布方將要發(fā)布的值寫入它的緩沖區(qū)，接收方則會從它的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)讀取數(shù)據(jù)。在兩者之間會架起一個通訊系統(tǒng)，負(fù)責(zé)刷新當(dāng)前的各自當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)。在時間邏輯上是通過發(fā)布方那一側(cè)的通用變電站時間控制類進(jìn)行控制這個過程，其模型如圖2。

圖2 數(shù)字化保護(hù)GOOSE通信模型

GOOSE的通信服務(wù)模型，在過程層中的應(yīng)用滿足數(shù)字化繼電保護(hù)的4個基本要求，并且報文交換時基于多路廣播應(yīng)用是關(guān)聯(lián)的。GOOSE模型通過廣播服務(wù)或者是多路廣播的形式向多個物理設(shè)備傳輸信息。從數(shù)據(jù)發(fā)布方publisher中DATA發(fā)布，DATA-SET成員數(shù)目由Member Offset控制，每一個成員有特定功能約束（FC）的引用DataAttribute的Member Reference序號。實際工程中，GOOSE主要用于傳輸保護(hù)跳閘，啟動信號和測控聯(lián)閉鎖開關(guān)刀閘位置信號。

GOOSE報文在數(shù)據(jù)鏈路層采用 ISO／IEC 8802.3協(xié)議（以太網(wǎng)協(xié)議），其幀格式如圖3所示。

圖3 GOOSE報文以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

2.2 SV報文通信

SV采樣值所交換的信息也是基于發(fā)布者／訂閱者機(jī)制。在發(fā)送側(cè)發(fā)布者將值寫入發(fā)送緩沖區(qū)；在接收側(cè)訂閱者從當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)讀值。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)刷新訂戶的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)［3］，其工作原理、模型以及報文格式與GOOSE基本相同。

SV報文中發(fā)送多少個通道、每個通道發(fā)送什么數(shù)據(jù)是由保護(hù)測試儀根據(jù)保護(hù)裝置實際情況配置的，該報文配置與保護(hù)裝置一致，通道數(shù)目保護(hù)也是固定的，通道設(shè)置的順序也必須與保護(hù)一致。因此讀取配置文件信息，進(jìn)行SV報文的解析，這樣對多少通道，每個通道所表示的信息就能夠動態(tài)的獲得。

3 虛擬保護(hù)實訓(xùn)建模

虛擬保護(hù)裝置仿真系統(tǒng)模擬和仿真了實際保護(hù)裝置的功能和工作過程，利用裝置組件化的思想將保護(hù)的各種功能分解為不同的組件，設(shè)計與維護(hù)相互獨立，以便將來進(jìn)行功能擴(kuò)展和用戶自定義。主要由數(shù)據(jù)輸入解析組件、保護(hù)配置方案接口、保護(hù)算法原理庫和動作結(jié)果輸出接口組成。它不僅包含了現(xiàn)實中設(shè)備的特點，同時它直觀體現(xiàn)了接線方式，保護(hù)測試設(shè)置和虛擬保護(hù)的動作判據(jù)等，使得操作方便，并且實現(xiàn)了原理判據(jù)和邏輯判據(jù)的組件自由搭配。

圖1中的模塊1為虛擬保護(hù)裝置仿真子系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)，采集的故障信息輸入后，在保護(hù)算法組件中進(jìn)行電氣量計算，進(jìn)行判定后進(jìn)入動作邏輯輸出組件，返回跳閘信息。

3.1 基于組件的虛擬保護(hù)建模方法

由于繼電保護(hù)裝置動作仿真的復(fù)雜性，同時為了體現(xiàn)組件化的設(shè)計思想，本文采用了基于組件對象COM技術(shù)實現(xiàn)保護(hù)裝置的建模［4］，將保護(hù)的各種功能元件的數(shù)學(xué)模型分解為“模型組件”，通過用戶的自定義組合形成保護(hù)配置方案。

組件對象模型COM（Component Object Model）的核心是定義系統(tǒng)中可以重用的部分，將一個復(fù)雜的大系統(tǒng)根據(jù)其功能劃分為若干組件，每個組件可作為獨立的編譯單元并得到再利用，各定制的組件可以在運行時同其它組件連接起來以構(gòu)成某個應(yīng)用程序［5］。程序運行時，用戶在支撐平臺中配置的保護(hù)類型和保護(hù)原理的方案通過接口調(diào)用各種不同的算法組件，即可方便地組成類型、原理不同的各種繼電保護(hù)仿真模型。在需要對應(yīng)用程序進(jìn)行修改或更新時，只需用新組件替換即可，大大簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)過程，增強(qiáng)了系統(tǒng)的維護(hù)性。

具體來說就是組成保護(hù)裝置的每一功能組件都對應(yīng)1個COM對象，每個COM對象通過1個或多個接口實現(xiàn)該功能組件的各子功能。以圖4線路保護(hù)仿真的距離繼電器組件為例，它所對應(yīng)的接地距離繼電器和相間距離繼電器分別用兩個相應(yīng)的接口實現(xiàn)，通過接口指針訪問對應(yīng)的虛函數(shù)表來實現(xiàn)對接地距離或相間距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段繼電器的訪問。

圖4 線路保護(hù)仿真的組件結(jié)構(gòu)

3.2 虛擬保護(hù)系統(tǒng)組件構(gòu)成

保護(hù)裝置子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)輸入及轉(zhuǎn)換組件、連線映射組件、數(shù)據(jù)庫組件、微機(jī)保護(hù)算法組件、保護(hù)原理配置組件、保護(hù)邏輯輸出組件組成：

數(shù)據(jù)源設(shè)置及轉(zhuǎn)換組件：設(shè)置軟件測試儀的參數(shù)，完成數(shù)據(jù)輸入，然后通過軟件測試儀和數(shù)據(jù)發(fā)生器的通信，把數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為SV報文格式的形式，從而保證實時性。這樣通過軟件測試儀完成數(shù)據(jù)源輸入，通過數(shù)據(jù)發(fā)生器轉(zhuǎn)換為SV報文。

連線映射組件：對于軟件測試儀和虛擬保護(hù)通信建立起來后，那么就需要建立一個虛擬的通道，這樣就會明確各個相的電流和電壓的情況。通過窗口設(shè)置虛擬保護(hù)的端口和軟件測試儀的端口，并且把它們一一映射，并且生成配置文件信息的形式提供給虛擬保護(hù)的數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫組件：虛擬保護(hù)裝置的保護(hù)定值、設(shè)備參數(shù)、軟壓板和硬壓板的投入、控制字的投入、還有SV報文的緩沖區(qū)、連線配置信息都需要存儲在數(shù)據(jù)組件中。這樣可以方便的生成各種數(shù)據(jù)對象，并利用存儲的數(shù)據(jù)建立窗體和報表，可視性好。

微機(jī)保護(hù)算法組件：在保護(hù)中進(jìn)行電氣量的計算，對于保護(hù)啟動利用半波傅里葉算法，對于原理組件用到的保護(hù)判據(jù)，則是用到全波傅里葉，根據(jù)采樣率實時抓取數(shù)據(jù)源［5］。

保護(hù)原理配置組件：保護(hù)配置是基于用戶對于線路或者變壓器保護(hù)原理組件和邏輯組件的搭建。建立描述保護(hù)和控制裝置的功能、動作邏輯、原理的基礎(chǔ)模型，模型采用組件化設(shè)計，將保護(hù)和控制裝置的功能、邏輯和判據(jù)原理分解為“模型組件”，通過對這些組件配置和編輯。培訓(xùn)人員可通過編輯信號源組件，裝置組件自定義各種類型信號和保護(hù)裝置［6－7］。用戶在支撐平臺中配置的保護(hù)類型和保護(hù)原理的方案通過接口調(diào)用各種不同的算法組件，方便組成類型、原理不同的各種繼電保護(hù)仿真模型。

保護(hù)邏輯輸出組件：原理組件建立后，故障應(yīng)該正確動作，并需要邏輯組件的配合。虛擬保護(hù)中的邏輯，通過原理配置就會對應(yīng)1套保護(hù)邏輯框圖，根據(jù)保護(hù)邏輯框圖與或非門的判別還有延時，輸出給跳閘邏輯框圖，同時不斷刷新邏輯框圖的輸出口，只要在保護(hù)邏輯框圖中，得到保護(hù)的出口量，就給虛擬測試儀發(fā)出GOOSE變量信息。

4 數(shù)字化繼電保護(hù)測試

數(shù)字化繼電保護(hù)是本實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用核心部分，包括單裝置測試和動態(tài)二次回路兩部分。單裝置測試由裝置回路映射和虛擬保護(hù)裝置組成；動態(tài)二次回路由電流回路、電壓回路和控制回路組成；兩者的數(shù)據(jù)源都是基于IEC61850通信模型的數(shù)據(jù)。數(shù)字化保護(hù)實訓(xùn)系統(tǒng)通過應(yīng)用程序模擬繼電保護(hù)二次裝置的運行機(jī)理，輸入輸出特性和電氣回路，剖析保護(hù)裝置內(nèi)部，了解裝置工作的深層原理。通過同步配合、虛擬回路映射和輸出結(jié)果的顯示展現(xiàn)裝置組件自定義各種類型信號和保護(hù)裝置。動態(tài)二次回路可以觀察裝置的信號流和配合邏輯［8］。如圖5所示。

圖5 數(shù)字化繼電保護(hù)測試系統(tǒng)圖

4.1 單裝置測試

4.1.1 虛擬保護(hù)的可視化映射

以保護(hù)功能為基礎(chǔ)，虛擬回路的實質(zhì)是基于IEC6185局域網(wǎng)通信的配置方法和通信方式描述的虛擬測試儀和虛擬保護(hù)之間的映射關(guān)系。在數(shù)字化保護(hù)測試培訓(xùn)時，無法直觀了解保護(hù)回路功能的配置，為了達(dá)到現(xiàn)實中的接線方式的效果，通過建立真實的數(shù)字化保護(hù)柜背面的端子排模型和虛擬測試儀實體模型，在虛擬回路中對虛擬測試儀端子和端子排的可視化連線操作，完成兩者之間的端子之間的映射關(guān)系。

連接映射中虛擬測試儀端口固定，通過設(shè)置連線窗口就可以完成測試儀端口和虛擬保護(hù)端子的映射關(guān)系。如圖6所示，選擇測試儀端口，再通過添加虛擬保護(hù)端子，添加后就會形成一個配對關(guān)系，儲存在配置文件信息ini文件中。在讀取SV報文時，通過連線配置文件信息來分辨每個測試儀的通道分別是傳輸給哪個虛擬保護(hù)端子。連線完成后，測試儀和虛擬保護(hù)之間根據(jù)設(shè)置的信息依次進(jìn)行連接，來動態(tài)的展示其整個的連接過程。

圖6 虛擬回路連線映射

4.1.2 單裝置測試方法

在單裝置測試中首先設(shè)置仿真的運行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和電氣參數(shù)，運行虛擬數(shù)字化保護(hù)裝置后，在虛擬保護(hù)中設(shè)置原理配置、投入控制字、軟壓板和硬壓板。再根據(jù)試驗的要求，進(jìn)行虛擬回路映射連線，設(shè)置好的連線生成配置信息文件，傳輸過程中的電流電壓的配對關(guān)系映射完成。

運行測試儀，進(jìn)行電流電壓參數(shù)的設(shè)置和開出量的設(shè)置。保護(hù)測試儀利用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬保護(hù)測試儀發(fā)布的采樣值報文發(fā)布作為實時信號源，測試儀通過選定的板卡在網(wǎng)絡(luò)上不斷往培訓(xùn)學(xué)員PC的MAC地址發(fā)送IEC61850-9-2采樣值的數(shù)據(jù)包，虛擬保護(hù)通過抓包線程不斷抓取電壓電流瞬時值數(shù)據(jù)包并解析，以獲取數(shù)據(jù)信息。通過讀取數(shù)據(jù)庫的文件配置信息，獲取電流電壓的通道和數(shù)值信息后，經(jīng)過保護(hù)算法組件，再到虛擬保護(hù)的原理和邏輯組件進(jìn)行最后的邏輯輸出過程，并以GOOSE信息的形式回送給虛擬測試儀。

4.2 動態(tài)二次回路

一般的二次回路培訓(xùn)是以文字解釋、靜態(tài)圖片為基礎(chǔ)的教學(xué)［9］。本文提出的軟件培訓(xùn)系統(tǒng)中的二次回路子系統(tǒng)向技術(shù)人員展示一個完整變電站的二次系統(tǒng)動態(tài)全景視圖，在二次回路要每個節(jié)點都可以觀察二次信號。該系統(tǒng)以基于IEC61850的仿真故障信號為輸入，將信號流動的過程在回路中動態(tài)顯示，使得二次電流、電壓回路，控制回路可視化。

動態(tài)二次回路包含電流回路、電壓回路和控制回路3部分，這3個回路密切的結(jié)合在一起，全面立體的展現(xiàn)了系統(tǒng)中線路與變壓器二次側(cè)的保護(hù)功能的實現(xiàn)過程。電流電壓回路中虛擬保護(hù)中的保護(hù)屏的示數(shù)來源于變電站仿真中的一次系統(tǒng)值的設(shè)定和仿真故障信號，電流和電壓回路中顯示了故障數(shù)據(jù)的獲取過程，實現(xiàn)這兩種信息的輸入；而控制回路則是基于單裝置測試中的故障跳閘動作和合閘復(fù)位情況，進(jìn)行控制回路的邏輯關(guān)聯(lián)從而演示動態(tài)過程。

以電流回路為例，動態(tài)二次回路電流回路準(zhǔn)確立體地展示了系統(tǒng)二次側(cè)電流數(shù)據(jù)的獲取過程，學(xué)員就可以通過這個培訓(xùn)系統(tǒng)對二次側(cè)電流回路有個直觀的了解。如圖7所示，簡易電流回路圖能夠直觀清晰的看清一次系統(tǒng)和CT之間，以及CT和端子箱和各個保護(hù)屏之間的連接關(guān)系，能夠使學(xué)員了解到各個保護(hù)屏之間的電流示數(shù)的聯(lián)系。

圖7 簡易電流回路

圖8為詳細(xì)電流回路圖，放大簡易電流回路圖可以獲得。從詳細(xì)電流回路圖中可以看到有詳細(xì)的數(shù)據(jù)顯示，并且可以實時顯示其電流的變化，詳細(xì)而又全面的了解電流的整個走向。

通過電流互感器將一次側(cè)電流轉(zhuǎn)換為適合的二次側(cè)電流；詳細(xì)表現(xiàn)TA二次側(cè)根部連線到TA端子箱的過程，細(xì)致到每一相，并且通過顏色加以區(qū)分A、B、C三相，走線工整條理，用顏色加以區(qū)分。

圖8 詳細(xì)電流回路

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于IEC61850的數(shù)字化繼電保護(hù)實訓(xùn)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)保護(hù)測試儀作為數(shù)據(jù)源，輸入到虛擬保護(hù)裝置。應(yīng)用IEC61850格式的采樣值和GOOSE跳閘信號以數(shù)據(jù)流的形式在虛擬保護(hù)與虛擬測試儀之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。虛擬保護(hù)采用組件原理對保護(hù)的原理和邏輯判據(jù)進(jìn)行分解，使培訓(xùn)學(xué)員可以通過組件搭建自定義的保護(hù)裝置。同時，該方法將數(shù)字化保護(hù)的虛擬回路通信設(shè)置映射為可視化的實際硬接線操作，使學(xué)員從傳統(tǒng)保護(hù)自然過渡到數(shù)字化保護(hù)的培訓(xùn)。動態(tài)二次回路仿真系統(tǒng)動態(tài)展示了交流電流、電壓、控制回路信號流通路徑和各個回路之間的邏輯關(guān)系。

該系統(tǒng)提供了較為全面的繼電保護(hù)仿真模型，并且具有友好的保護(hù)裝置編輯界面和清晰完整的二次回路動態(tài)展示界面。組件化的建模方法使得系統(tǒng)同時具有良好的擴(kuò)展性和兼容性，豐富了繼電保護(hù)培訓(xùn)的手段和方式。

［1］陳禮義，顧強(qiáng).電力系統(tǒng)數(shù)字仿真及其發(fā)展［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23（23）：1－6.

［2］陳安偉.IEC 61850在變電站中的工程應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［3］任雁銘，秦立軍，楊奇遜．IEC 61850通信協(xié)議體系介紹和分析［J］．電力系統(tǒng)自動化，2000，（4）：62－64．

［4］ 方艷梅.數(shù)字信號處理 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［5］劉震．線路保護(hù)分析評價系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)［D］．濟(jì)南：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008．

［6］孫偉濤.基于組件的電力系統(tǒng)保護(hù)培訓(xùn)仿真系統(tǒng)［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

［7］葛耀中．新型繼電保護(hù)和故障測距的原理與技術(shù)［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

［8］鄒俊雄，蔡澤祥，孔華東.基于圖形平臺的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)動作邏輯［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26（8）：61-64.

［9］韓江虹，林昌年，李峰云等.基于Visio的變電站二次回路仿真系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（8）：265-270.