一種智能變電站環(huán)境信號管理模擬器的研制

趙 敏，陳 巒，王 超

（電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731）

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一種智能變電站環(huán)境信號管理模擬器的研制

趙 敏，陳 巒，王 超

（電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731）

摘 要：無人值守智能變電站快速發(fā)展，對變電站輔助系統(tǒng)建設(shè)的智能、高效、兼容、自愈要求越來越高。但智能變電站輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、標準均不規(guī)范，搭建真實的聯(lián)動測試環(huán)境成本高，可行性較低且測試過程對整個系統(tǒng)設(shè)備要求苛刻。提供了一種基于IEC61850和Modbus等協(xié)議的智能變電站環(huán)境信號采集管理模擬器——智能管理主機模擬器。該模擬器內(nèi)置符合Modbus的通信對象模型，通過IEC61850協(xié)議實現(xiàn)與綜合應(yīng)用服務(wù)器實現(xiàn)互聯(lián)互通，同時模擬環(huán)境數(shù)據(jù)信號采集、控制命令、模擬配置管理、模型管理、監(jiān)控查看、協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)智能變電站復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測與控制。此外，通過實驗測試，驗證其可行性和實用性。

關(guān)鍵詞：智能管理主機模擬器；IEC61850協(xié)議；ModBus協(xié)議；綜合應(yīng)用服務(wù)器；協(xié)議轉(zhuǎn)換

變電站作為電力系統(tǒng)不可或缺的一部分，擔負著電力變換的任務(wù)，隨著無人值守的智能變電站的快速發(fā)展，對變電站輔助系統(tǒng)的建設(shè)的智能化，運行穩(wěn)定性，經(jīng)濟性等要求越來越高[1-2]。

目前常規(guī)變電站內(nèi)輔助控制系統(tǒng)存在以下問題：（1）標準不一，互不兼容；（2）各子系統(tǒng)間相互獨立，無聯(lián)動機制；（3）報警監(jiān)控模式被動，容易誤報、漏報；（4）各輔助設(shè)施的控制局限性；（5）多種告警事件傳輸協(xié)議并存，不利于聯(lián)動測試的開展。而且智能變電站環(huán)境監(jiān)測是一項綜合性工作，系統(tǒng)的實施同時受限于人力、物力以及變電站運行管理規(guī)程。有鑒于此，本文研制了一種智能變電站環(huán)境信號采集處理模擬器——智能管理主機模擬器[3]。

變電站智能輔助控制系統(tǒng)基于各保障子系統(tǒng)的底層控制，將照明系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、水浸系統(tǒng)，周界報警系統(tǒng)、空調(diào)智能控制系統(tǒng)、溫濕度檢測系統(tǒng)、SF6檢測系統(tǒng)、風(fēng)速系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)、人員自動跟蹤等各子系統(tǒng)有機整合，同時不影響各子系統(tǒng)自身的運行。通過變電站智能輔助系統(tǒng)智能管理主機可以很好地實現(xiàn)統(tǒng)一管理、系統(tǒng)兼容、減少設(shè)備重復(fù)投入、系統(tǒng)間有效協(xié)作、各系統(tǒng)間良好的信息共享，大大降低了整個輔助系統(tǒng)的資源消耗，提高了整體管理及系統(tǒng)保障能力[4]。

由于環(huán)境聯(lián)動系統(tǒng)涉及設(shè)備種類繁多，搭建真實的聯(lián)動測試環(huán)境測試成本高，可行性較低且測試過程對整個系統(tǒng)設(shè)備要求較高，因此在開展輔助監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部以及與其他子系統(tǒng)之間聯(lián)動的測試研究，對智能變電站輔助系統(tǒng)智能管理主機模擬器的研制具有極強的現(xiàn)實意義和實際應(yīng)用價值[5]。

1　變電站輔助系統(tǒng)中的智能管理主機

智能管理主機用于接收輔助系統(tǒng)中消防、安防、環(huán)境監(jiān)測等信息采集裝置的數(shù)據(jù)，進行綜合分析和統(tǒng)一展示，對外提供狀態(tài)監(jiān)測分析結(jié)果以及輔助應(yīng)用監(jiān)視與控制功能。子系統(tǒng)提供消防、安全警衛(wèi)、環(huán)境檢測等子系統(tǒng)的信號量，同時接送來自智能管理主機的控制和調(diào)節(jié)指令。

圖1所述的是智能變電站輔助系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，從圖中分析可知，智能管理主機需要將子系統(tǒng)采集到的不同協(xié)議信息收取后，通過內(nèi)置IEC61850模塊進行轉(zhuǎn)換，之后上送綜合應(yīng)用服務(wù)器與之建立通信[6]。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能管理主機模擬器應(yīng)該包括如下功能：（1）配置智能管理主機模擬器與子系統(tǒng)模擬器之間的聯(lián)動及報警規(guī)則；（2）管理分析子系統(tǒng)功能模型結(jié)構(gòu)或?qū)傩詫崿F(xiàn)是否合乎要求，協(xié)議映射是否正確，參數(shù)設(shè)置是否合理；（3）監(jiān)控查看包括查看子系統(tǒng)的信息模型，查看或設(shè)置子系統(tǒng)對象屬性；（4）所述協(xié)議轉(zhuǎn)換包括捕獲并解釋通信設(shè)備間的各層協(xié)議報文，詳細記錄整個通信過程；（5）實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，能夠采集、模擬傳感器的模擬量、數(shù)字量、開關(guān)信號的采集，485電平的MODBUS協(xié)議信號，開關(guān)變位、模擬量越限、事件順序記錄SOE、控制操作；（6）能夠?qū)崿F(xiàn)與IEC61850模塊通信，與綜合應(yīng)用服務(wù)器通信、聯(lián)動等功能[7]。

2　智能管理主機模擬器硬件設(shè)計

由于智能管理主機對上需要接收綜合應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的控制、查詢等指令，對下需要對子系統(tǒng)設(shè)備進行控制和數(shù)據(jù)采集，與此同時，智能管理主機還需要完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換和告警事件的上報等功能，所以智能管理主機的硬件需要能夠支持不同類型的數(shù)據(jù)獲取與控制，以及不同類型協(xié)議的通信。具體智能管理主機的硬件平臺結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　智能管理主機硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

智能管理主機的硬件部分主要由主板、485串口通信卡、以太網(wǎng)網(wǎng)卡、多功能數(shù)據(jù)采集卡組成，由于主板使用的是一般電腦的主板，這里不做過多的贅述。485串口通信卡主要用于與子系統(tǒng)設(shè)備的MODBUS串口通信；以太網(wǎng)網(wǎng)卡主要用于與子系統(tǒng)設(shè)備的MODBUS以太網(wǎng)通信及與綜合應(yīng)用服務(wù)器MMS通信；多功能數(shù)據(jù)采集卡用于采集子系統(tǒng)設(shè)備的模擬量和開關(guān)量，以及對開關(guān)設(shè)備的控制。

2.1485串口通信卡

串口通信卡可以使用某公司生產(chǎn)的PCI-1622CCE 8端口RS-485防浪涌加隔離通用PCI通信卡。此卡可以同時連接8個不同的MODBUS串口設(shè)備，通信波特率可任意設(shè)置，最高可達921.6 kbps，擁有128字節(jié)FIFO標準的16PCI954 USRT，具備提高系統(tǒng)性能的中斷狀態(tài)寄存器，預(yù)留了終端電阻空間，自動的RS-485數(shù)據(jù)流控制，同時還自帶2500 Vdc浪涌保護和2500 Vdc隔離保護，完全滿足項目需要。

2.2以太網(wǎng)網(wǎng)卡

以太網(wǎng)網(wǎng)卡使用主芯片為因特爾I350AM4千兆四口服務(wù)器網(wǎng)卡。此網(wǎng)卡雙集成MAC+PHY和SERDES芯片控制器，具有高性能，高可靠性以及低功耗的特點，支持SR-IOV功能，使得網(wǎng)卡不僅可以導(dǎo)出多個PCI物理功能，還可以導(dǎo)出共享該網(wǎng)卡設(shè)備上的資源的一組虛擬功能，四個通道都具有數(shù)據(jù)包緩沖，可以降低CPU的使用，硬件加速的性能也使網(wǎng)卡可以從主處理器分載任務(wù)。

2.3多功能數(shù)據(jù)采集卡

多功能數(shù)據(jù)采集卡可以使用某公司生產(chǎn)的PCI-1716 16位高分辨率多功能數(shù)據(jù)采集卡。此卡的采樣速率為250 ks/s，擁有16路單端或8路差分的模擬量輸入，16路的數(shù)字量輸入以及16路的數(shù)字量輸出。對于模擬量輸入功能，采集卡自帶1 K字節(jié)的FIFO，支持的最大輸入范圍為-10 V~10 V.對于數(shù)字量輸入輸出功能，低電壓需低于0.4 V，高電壓需高于2.4 V[8].

由于主板使用的是一般電腦的主板，這里不做過多的贅述。

3　智能管理主機軟件61850部分

智能管理主機對與其相連的上級綜合應(yīng)用服務(wù)器和下級各子系統(tǒng)進行協(xié)議功能測試，如圖3所示。

圖3　智能管理主機模擬器測試結(jié)構(gòu)圖

智能管理主機模擬器設(shè)計總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　智能管理主機模擬器總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

智能管理主機模擬器主要包括配置文件解析、通信、協(xié)議分析、顯示、提示、協(xié)議轉(zhuǎn)換六個模塊。智能管理主機模擬器通過通信模塊與被測綜合應(yīng)用服務(wù)器和子系統(tǒng)進行連接通信，接收和發(fā)送協(xié)議消息。接收到消息后交給協(xié)議分析模塊進行協(xié)議驗證和分析得出分析結(jié)果，并由顯示模塊和提示模塊顯示分析結(jié)果。配置文件解析模塊對智能管理主機模擬器讀入的配置文件進行解析并以方便測試的形式顯示出來。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成61850-MODBUS之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及61850-數(shù)字量模擬量之間的轉(zhuǎn)換[9]。

3.1功能模塊

根據(jù)模擬器的功能需求，對綜合應(yīng)用服務(wù)器的測試分為61850測試模塊和壓力測試模塊，基于61850協(xié)議的功能測試模塊主要模擬智能管理主機測試綜合應(yīng)用服務(wù)器的以下功能：讀數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)，突發(fā)傳送處理，告警事件響應(yīng)[10]。

測試標準是檢驗智能管理主機與綜合應(yīng)用服務(wù)器之間的通信是否滿足MMS制造報文規(guī)范[11]。壓力測試主要針對綜合應(yīng)用服務(wù)器，在這里不過多贅述。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　智能管理主機模擬器功能結(jié)構(gòu)圖

4　實例分析

智能管理主機模擬器啟動后啟動站端連接，開始監(jiān)聽客戶端連接請求，成功建立連接后開始通信，接收并響應(yīng)客戶端命令，同時采集信息并完成數(shù)據(jù)上送。

現(xiàn)對四川某公司的綜合應(yīng)用服務(wù)器61850標準通信進行功能測試，按照標準規(guī)定，模擬器完成的測試內(nèi)容依照通信標準制造MMS報文。模擬器按照標準模型內(nèi)容進行測試，標準模型如下（模型文件中建立了8個邏輯設(shè)備，如圖6所示）。

圖6　模型邏輯設(shè)備圖

其中：LD1-LD3均為溫濕度測量，分別對應(yīng)高壓室、主控室和低壓室的溫濕度；LD4為空調(diào)控制；LD5為電子圍欄；LD6為SF6濃度檢測；LD7為風(fēng)速檢測；LD8為門禁子系統(tǒng)。

啟動模擬器之后，首先讀取上述標準模型，軟件模型解析模塊解析、連接之后的模型作如圖7所示。

圖7　模型解析結(jié)果圖

以連接測試成功之后的讀測試為例，主要測試綜合應(yīng)用服務(wù)器向智能管理主機發(fā)送數(shù)據(jù)獲取請求的能力，包括獲取數(shù)據(jù)模型、遙測、遙信信息等。本例中模擬器IP設(shè)為192.168.3.105，被測方 IP設(shè)為192.168.3.107，當智能管理主機模擬器收到讀數(shù)據(jù)請求消息后，首先對MMS報文頭部分驗證，檢驗INVOKERID頭域等是否正確，驗證通過后接著對MMS報文進行協(xié)議規(guī)范性驗證[12]，以上二者均通過驗證才判定消息體符合協(xié)議標準。驗證通過后解析MMS報文中內(nèi)容，智能管理主機模擬器根據(jù)報文內(nèi)容從資源文件中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，存在則返回結(jié)果，不存在則返回404不存在消息，如圖8所示。

圖8　讀測試過程流程圖

讀數(shù)據(jù)測試內(nèi)容如下：

綜合應(yīng)用服務(wù)器需要讀取的是智能管理主機的全部數(shù)據(jù)模型，即要檢驗綜合應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送的模型讀取請求是否正確。

以讀取空調(diào)狀態(tài)值為例，測試過程報文序列如圖9所示。

圖9　讀測試過程報文序列

綜合應(yīng)用服務(wù)器的請求報文截圖如圖10所示。

圖10　請求報文截圖

讀數(shù)據(jù)過程智能管理主機模擬器作為被動方，通信模塊始終監(jiān)聽綜合應(yīng)用服務(wù)器的請求消息，收到消息之后進行消息驗證和解析。通過測試發(fā)現(xiàn)，報文info是confirmed-requestPDU，invokeID值正確，報文格式符合規(guī)范，報文內(nèi)容正確，讀測試通過。

5　結(jié)束語

本文章研制了一種基于IEC61850、Modbus等規(guī)約的智能管理系統(tǒng)模擬器，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換為主要手段實現(xiàn)智能變電站輔助的具體功能，對智能變電站輔助系統(tǒng)的研發(fā)有一定意義：

（1）為智能變電站輔助系統(tǒng)標準化、規(guī)范化、智能化發(fā)展提供了很好的模型[13]。同時，采用該模型能夠模擬智能變電站真實的環(huán)境信號，避免了搭建平臺，節(jié)省了大量的人力物力，大大降低了開發(fā)輔助系統(tǒng)的成本。

（2）研制了智能管理主機模擬器裝置，可以接收8路（-10 V~+10 V）或16路（0~10 V）的模擬量輸入信號、16路開關(guān)量輸入信號，控制16路開關(guān)量輸出及8路串口、8路網(wǎng)口報文收發(fā)，可以采集或控制真實的被測動力、環(huán)境等子系統(tǒng)，也可以模擬子系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)測試綜合應(yīng)用服務(wù)器。

（3）對某廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品測試，并對實例進行分析，驗證該智能管理主機模擬器的可行性及實用性。

（4）由于篇幅有限，智能管理主機應(yīng)用于變電站輔助系統(tǒng)的功能過多，文章只對智能管理主機中的個別功能進行了測試，對其它功能沒有進行詳細分析。

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中圖分類號:TM632

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0108-04

收稿日期：2016-01-06

作者簡介：趙敏（1985-），男，新疆昌吉人，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行及控制；陳巒（1973-），男，四川宜賓人，碩士，副教授，研究方向為可再生能源、智能電網(wǎng)技術(shù)；王超（1985-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行及控制。

The Development of an Environmental Signal Management Simulator in the Smart Substation

ZHAO Min，CHEN Luan，WANG Chao
（Energy Science and Engineering Institute of University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China）

Abstract:At present，with the fast development of unmanned intelligent substation.It has more and more high requirement in intelligent，high efficiency，compatibility and self-healing that the construction of the auxiliary system of substation.But the current structure and the standard of intelligent substation auxiliary system are not standardized，build the real linkage test environment has high cost，and feasibility is very poor，meanwhile there are harsh demand in the testing process of the whole system equipment.This article provide a intelligent environment signal acquisition and co ntrol simulator that based on the IEC61850 and Modbus protocol-intelligent management host simulator.The simulator built to meet the Modbus communication object model，are achieved by IEC61850 protocol and integrated application server to achieve interoperability.At the same time，the simulation environment of data signal acquisition，analog control commands，configuration management，model management，monitoring view，protocol conversion，so as to realize the monitoring and control of intelligent substation in complex environment.In addition，based on a IEC61850 protocol test and verify its feasibility and practicability.

Key words:intelligent management host simulator；IEC61850 protocol；modBus protocol；xomprehensive application server；protocol conversion