智能變電站的合并單元仿真系統(tǒng)研究

張祥文，繆文貴，楊洪濤

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

近年來，隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的研究和推廣以及智能變電站的建設(shè)，人們對智能變電站的認(rèn)識漸漸統(tǒng)一到三層架構(gòu)上：智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備和自動化的運(yùn)行管理系統(tǒng)。采樣IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站在邏輯上分為三層，即過程層，間隔層和站控層，目前過程層的實(shí)現(xiàn)依賴于電子式互感器和合并單元（MU）。為此，國際電工委員會制定了相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 600447/8和IEC 61850-9-1，定義和描述了電子式互感器與MU。MU的主要功能[1]是對同步采集的三相電流、三相電壓輸出信息匯總，并按照一定的格式輸出給二次設(shè)備。MU是智能變電站的重要組成部分[2]，二次設(shè)備的研制和調(diào)試也需要大量的MU信號，尤其是高壓主變保護(hù)需要3或4路MU信號。采用MU仿真系統(tǒng)可以極大降低開發(fā)成本、減少物理裝置的接線和縮短開發(fā)周期。采用仿真系統(tǒng)可以靈活模擬各種數(shù)據(jù)，發(fā)出快速采樣值報(bào)文到二次設(shè)備，檢測二次設(shè)備能否正確響應(yīng)，為相關(guān)裝置的開發(fā)和調(diào)試提供了便利。

1 MU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

MU用于連接電子式互感器與保護(hù)測控等二次設(shè)備，同步采集7路電流信號和5路電壓信號，為二次設(shè)備提供時(shí)間一致的電流和電壓數(shù)據(jù)，它接入的信號包括電子式互感器輸出的數(shù)字化采樣值信號、智能化開關(guān)設(shè)備的開關(guān)信號和傳統(tǒng)互感器的模擬信號。IEC 61850-9-1[3]引用了IEC 60044-7/8[4]，通過特定通信服務(wù)映射將MU的單向多路點(diǎn)對點(diǎn)串行通信鏈路映射到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層。

1.1 物理層

MU與二次設(shè)備的連接可采用光纖傳輸系統(tǒng)。考慮并解決電磁兼容性的問題，也可選擇基于銅質(zhì)材料的傳輸系統(tǒng)。

1.2 鏈路層

地址域由全部為“1”組成的以太網(wǎng)廣播地址作為目標(biāo)地址的缺省值，然而作為一個(gè)可選性能，目標(biāo)地址應(yīng)當(dāng)是可配置的，例如，通過改變多播傳送地址可以借助交換機(jī)將MU與間隔層設(shè)備連接。為了區(qū)分與保護(hù)應(yīng)用相關(guān)的強(qiáng)實(shí)時(shí)高優(yōu)先級的總線負(fù)載和低優(yōu)先級的總線負(fù)載，采用了符合IEEE 802.1Q的優(yōu)先級標(biāo)記。優(yōu)先級標(biāo)記頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 優(yōu)先級標(biāo)記頭的結(jié)構(gòu)

基于ISO/IEC 8802-3 MAC子層的以太網(wǎng)類型由IEEE注冊。以太網(wǎng)類型值為88-BA（16進(jìn)制）。

1.3 表示層

采用了ASN.1對采樣值進(jìn)行BER編碼，編碼格式為TLV。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）被遞交到傳輸緩沖區(qū)以前將若干個(gè)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）連接成1個(gè)APDU，APDU結(jié)構(gòu)如圖2所示。被連接為1個(gè)APDU的ASDU的數(shù)目可通過配置參數(shù)進(jìn)行定義并且與采樣速率有關(guān)。

圖2 APDU結(jié)構(gòu)

根據(jù)ISO/IEC 8825-1的要求在幀前增加了1個(gè)ASN.1標(biāo)記和長度作為應(yīng)用協(xié)議控制信息（APCI）的一部分。根據(jù)ASN.1基本編碼規(guī)則，這個(gè)標(biāo)記描述了1個(gè)8位位組串并且被定義為0x80。為了保證與所述的另外的采樣值信息組合時(shí)數(shù)據(jù)的一致性，用于模擬量采樣值信息的ASN.1語法定義如下：

2 MU數(shù)字仿真設(shè)計(jì)

目前在調(diào)試智能二次設(shè)備時(shí)需要接CT和PT到MU，然后再接到二次設(shè)備，尤其需要同時(shí)接入多路MU數(shù)據(jù)時(shí)非常麻煩，給開發(fā)調(diào)試帶來不便，為此設(shè)計(jì)了純軟件的MU仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)為能支持模擬同時(shí)發(fā)送6個(gè)MU數(shù)據(jù)，以采樣速率 SR＝5000點(diǎn)(100點(diǎn)×50 Hz)，每個(gè)APDU包含4個(gè)ASDU而不含狀態(tài)量數(shù)據(jù)集為例：最大的報(bào)文長度TL＝26字節(jié)以太網(wǎng)報(bào)頭+4字節(jié)優(yōu)先權(quán)標(biāo)記+8字節(jié)以太網(wǎng)型PDU+2字節(jié)ASN.1標(biāo)記/長度+2字節(jié)塊的數(shù)目+46字節(jié)通用數(shù)據(jù)集×4+96位幀間隔＝1904位。

保留10%的裕度，模擬6個(gè)MU所需帶寬為：（5000÷4）×1904×1.1×6＝15.708 Mbps ＜100 Mbps，理論上，100 Mbps以太網(wǎng)接口滿足帶寬要求。

仿真系統(tǒng)包含4個(gè)重要模塊：管理模塊、配置模塊、組包模塊和發(fā)送模塊。

2.1 管理模塊

管理模塊的功能主要包括：參數(shù)文件的新建、打開、保存，自適應(yīng)COMMTRADE文件和自定義文件2種格式。用例的新建、用例的修改、用例的刪除、用例的導(dǎo)入導(dǎo)出、用例的生成以及用例的運(yùn)行，每1個(gè)用例都對應(yīng)1個(gè)完整的仿真需求。當(dāng)1個(gè)用例運(yùn)行時(shí)先初始化必要的參數(shù)，然后讀取COMMTRADE文件或配置模塊生成的數(shù)據(jù)文件，最后調(diào)用組包模塊和發(fā)送模塊發(fā)送報(bào)文。

2.2 配置模塊

配置模塊的主要功能是對仿真的數(shù)據(jù)源進(jìn)行參數(shù)配置，對應(yīng)每個(gè)配置文件可配的參數(shù)有MU的數(shù)目，時(shí)間段數(shù)，每個(gè)時(shí)間段的時(shí)間，目的端的MAC地址和LDname，每個(gè)APDU包含的ASDU的數(shù)目，以及每個(gè)MU每個(gè)時(shí)間段的額定相電流、額定相電壓、額定中線電流、額定時(shí)延、保護(hù)用相電流（幅值和相角）、測量用相電流（幅值和相角）、中線電流（幅值和相角）、相電壓（幅值和相角）、中線電壓（幅值和相角）和母線電壓（幅值和相角）、采樣頻率、狀態(tài)字1和狀態(tài)字2。這些參數(shù)都配置好后給組包模塊提供數(shù)據(jù)源，也可以生成文件本地保存方便以后重復(fù)使用。

2.3 組包模塊

組包模塊的主要功能是讀取數(shù)據(jù)源文件，按照參數(shù)配置生成周期性的交流量數(shù)據(jù)，每個(gè)目的MAC地址對應(yīng)1個(gè)模擬MU，讀取相應(yīng)的參數(shù)和交流量數(shù)據(jù)組成ASDU，給每個(gè)ASDU打上編號后組成APDU幀，然后給每個(gè)待發(fā)送包打上時(shí)間標(biāo)記，最后依次從每個(gè)模擬MU中取出對應(yīng)的包組成1個(gè)待發(fā)送的包序列。

2.4 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊主要功能是完成包序列的發(fā)送，因?yàn)橐l(fā)送的數(shù)據(jù)量很大，且實(shí)時(shí)性要求高，一般的PC機(jī)系統(tǒng)無法直接實(shí)現(xiàn)，所以開發(fā)了基于WpdPack開發(fā)包的控制包去控制系統(tǒng)的CPU內(nèi)核，使時(shí)間的分辨率達(dá)到微秒級，驅(qū)動網(wǎng)卡按照待發(fā)送包序列中每包對應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記直接發(fā)送包序列。控制包體系結(jié)構(gòu)是由1個(gè)核心的包過濾驅(qū)動程序、1個(gè)底層的動態(tài)連接庫Packet.dll和1個(gè)高層的獨(dú)立于系統(tǒng)的函數(shù)庫Libpcap組成。底層的包捕獲驅(qū)動程序?yàn)?個(gè)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序、通過對NDIS中函數(shù)的調(diào)用為windows提供類似于UNIX系統(tǒng)下Berkeley Packet Filter的捕獲和發(fā)送原始數(shù)據(jù)包的能力。Packet.dll是對這個(gè)BPF驅(qū)動程序進(jìn)行訪問的API接口，同時(shí)有1套符合Libpcap接口的函數(shù)庫。控制包通過對內(nèi)核的排他性占用，使多任務(wù)的操作系統(tǒng)只執(zhí)行發(fā)包的單任務(wù)來保證實(shí)時(shí)性。時(shí)間本應(yīng)同步的多個(gè)模擬MU產(chǎn)生的微秒級的時(shí)間延時(shí)在二次設(shè)備的許可之內(nèi)，一起發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包都有各自的目的MAC地址，因此這些數(shù)據(jù)包可以順利到達(dá)對應(yīng)的二次設(shè)備。

3 應(yīng)用示例

下面用仿真系統(tǒng)模擬帶橋變壓器主保護(hù)所需要的4個(gè)MU。

以常見的每個(gè)周期采100點(diǎn)，每個(gè)APDU包含4個(gè)ASDU為例，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包的間隔為4×20 ms/100=0.8 ms，3個(gè)時(shí)間段分別對應(yīng)正常狀態(tài)、故障狀態(tài)和故障恢復(fù)，設(shè)置4側(cè)的MAC地址依次為01-0c-cd-04-01-01（MU1）、01-0c-cd-04-01-02（MU2）、01-0c-cd-04-01-03（MU3）、01-0c-cd-04-01-04（MU4）。

通過第三方的協(xié)議分析軟件抓包分析，按照發(fā)送順序抓包所得發(fā)送報(bào)文間隔如圖4所示，時(shí)間為相對上一包的時(shí)間差（s），根據(jù)目的MAC可見，對于編號相同的數(shù)據(jù)包MU4與MU1之間最大的時(shí)間延時(shí)為 0.000021 s+0.000029 s+0.00003 s＝80 μs。

圖4 發(fā)送報(bào)文間隔

MU1一側(cè)數(shù)據(jù)包隊(duì)列的發(fā)送間隔降序排列如圖5所示，其最大間隔0.809 ms，MU1一側(cè)數(shù)據(jù)包隊(duì)列的發(fā)送間隔升序排列如圖6所示，其最小間隔0.790 ms，這兩個(gè)時(shí)間間隔和標(biāo)準(zhǔn)的0.8 ms的誤差僅為 10μs。

圖5 發(fā)送間隔降序排列

MU2，MU3，MU4的數(shù)據(jù)包隊(duì)列中時(shí)間間隔最大誤差分別為 10 μs，9 μs，5 μs。 實(shí)驗(yàn)表明時(shí)間延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU的處理能力有關(guān)系。

可見，MU仿真系統(tǒng)所模擬的多路報(bào)文在性能上非常出色，在實(shí)驗(yàn)室二次設(shè)備的開發(fā)和調(diào)試過程中完全可以替代實(shí)際的MU裝置。

圖6 發(fā)送間隔升序排列

4 結(jié)束語

MU仿真系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)模擬出多路MU發(fā)出的采樣值報(bào)文，而且在延時(shí)許可范圍內(nèi)完全可以達(dá)到MU裝置的性能。MU仿真系統(tǒng)是用純軟件的方式實(shí)現(xiàn)了MU的功能，可以減少M(fèi)U裝置和交流源需求，節(jié)約了成本，在裝置調(diào)試過程中減少接線，方便靈活的參數(shù)配置大大縮短了開發(fā)周期，為二次設(shè)備和智能變電站提供了靈活方便的調(diào)試手段。

[1]殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.一種遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元同步的實(shí)現(xiàn)新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（11）：57-61.

[2]梁曉兵，周捷，楊永標(biāo)，等.基于IEC 61850的新型合并單元的研制[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（7）：85-89.

[3]IEC 61850-9-1，Communication Networks and Systems in Substations:Part 9-1:Specific Communication Service Mapping—Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link[S].2003.

[4]IEC 60044-8，Instrument transformers:Part 8 electronic current transducers[S].2002.