一種智能變電站環境信號管理模擬器的研制

趙 敏，陳 巒，王 超

（電子科技大學能源科學與工程學院，四川 成都611731）

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一種智能變電站環境信號管理模擬器的研制

趙 敏，陳 巒，王 超

（電子科技大學能源科學與工程學院，四川 成都611731）

摘 要：無人值守智能變電站快速發展，對變電站輔助系統建設的智能、高效、兼容、自愈要求越來越高。但智能變電站輔助系統結構、標準均不規范，搭建真實的聯動測試環境成本高，可行性較低且測試過程對整個系統設備要求苛刻。提供了一種基于IEC61850和Modbus等協議的智能變電站環境信號采集管理模擬器——智能管理主機模擬器。該模擬器內置符合Modbus的通信對象模型，通過IEC61850協議實現與綜合應用服務器實現互聯互通，同時模擬環境數據信號采集、控制命令、模擬配置管理、模型管理、監控查看、協議轉換，從而實現智能變電站復雜環境的監測與控制。此外，通過實驗測試，驗證其可行性和實用性。

關鍵詞：智能管理主機模擬器；IEC61850協議；ModBus協議；綜合應用服務器；協議轉換

變電站作為電力系統不可或缺的一部分，擔負著電力變換的任務，隨著無人值守的智能變電站的快速發展，對變電站輔助系統的建設的智能化，運行穩定性，經濟性等要求越來越高[1-2]。

目前常規變電站內輔助控制系統存在以下問題：（1）標準不一，互不兼容；（2）各子系統間相互獨立，無聯動機制；（3）報警監控模式被動，容易誤報、漏報；（4）各輔助設施的控制局限性；（5）多種告警事件傳輸協議并存，不利于聯動測試的開展。而且智能變電站環境監測是一項綜合性工作，系統的實施同時受限于人力、物力以及變電站運行管理規程。有鑒于此，本文研制了一種智能變電站環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基于各保障子系統的底層控制，將照明系統、水泵系統、消防系統、水浸系統，周界報警系統、空調智能控制系統、溫濕度檢測系統、SF6檢測系統、風速系統、風機系統、人員自動跟蹤等各子系統有機整合，同時不影響各子系統自身的運行。通過變電站智能輔助系統智能管理主機可以很好地實現統一管理、系統兼容、減少設備重復投入、系統間有效協作、各系統間良好的信息共享，大大降低了整個輔助系統的資源消耗，提高了整體管理及系統保障能力[4]。

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

1　變電站輔助系統中的智能管理主機

智能管理主機用于接收輔助系統中消防、安防、環境監測等信息采集裝置的數據，進行綜合分析和統一展示，對外提供狀態監測分析結果以及輔助應用監視與控制功能。子系統提供消防、安全警衛、環境檢測等子系統的信號量，同時接送來自智能管理主機的控制和調節指令。

圖1所述的是智能變電站輔助系統的整體結構，從圖中分析可知，智能管理主機需要將子系統采集到的不同協議信息收取后，通過內置IEC61850模塊進行轉換，之后上送綜合應用服務器與之建立通信[6]。

圖1　系統整體結構

智能管理主機模擬器應該包括如下功能：（1）配置智能管理主機模擬器與子系統模擬器之間的聯動及報警規則；（2）管理分析子系統功能模型結構或屬性實現是否合乎要求，協議映射是否正確，參數設置是否合理；（3）監控查看包括查看子系統的信息模型，查看或設置子系統對象屬性；（4）所述協議轉換包括捕獲并解釋通信設備間的各層協議報文，詳細記錄整個通信過程；（5）實現協議轉換，能夠采集、模擬傳感器的模擬量、數字量、開關信號的采集，485電平的MODBUS協議信號，開關變位、模擬量越限、事件順序記錄SOE、控制操作；（6）能夠實現與IEC61850模塊通信，與綜合應用服務器通信、聯動等功能[7]。

2　智能管理主機模擬器硬件設計

由于智能管理主機對上需要接收綜合應用服務器下發的控制、查詢等指令，對下需要對子系統設備進行控制和數據采集，與此同時，智能管理主機還需要完成協議的轉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據獲取與控制，以及不同類型協議的通信。具體智能管理主機的硬件平臺結構圖如圖2所示。

圖2　智能管理主機硬件平臺結構圖

智能管理主機的硬件部分主要由主板、485串口通信卡、以太網網卡、多功能數據采集卡組成，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設備的MODBUS串口通信；以太網網卡主要用于與子系統設備的MODBUS以太網通信及與綜合應用服務器MMS通信；多功能數據采集卡用于采集子系統設備的模擬量和開關量，以及對開關設備的控制。

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串口設備，通信波特率可任意設置，最高可達921.6 kbps，擁有128字節FIFO標準的16PCI954 USRT，具備提高系統性能的中斷狀態寄存器，預留了終端電阻空間，自動的RS-485數據流控制，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以太網網卡

以太網網卡使用主芯片為因特爾I350AM4千兆四口服務器網卡。此網卡雙集成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，使得網卡不僅可以導出多個PCI物理功能，還可以導出共享該網卡設備上的資源的一組虛擬功能，四個通道都具有數據包緩沖，可以降低CPU的使用，硬件加速的性能也使網卡可以從主處理器分載任務。

2.3多功能數據采集卡

多功能數據采集卡可以使用某公司生產的PCI-1716 16位高分辨率多功能數據采集卡。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路的數字量輸入以及16路的數字量輸出。對于模擬量輸入功能，采集卡自帶1 K字節的FIFO，支持的最大輸入范圍為-10 V~10 V.對于數字量輸入輸出功能，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用服務器和下級各子系統進行協議功能測試，如圖3所示。

圖3　智能管理主機模擬器測試結構圖

智能管理主機模擬器設計總體結構框圖如圖4所示。

圖4　智能管理主機模擬器總體設計結構圖

智能管理主機模擬器主要包括配置文件解析、通信、協議分析、顯示、提示、協議轉換六個模塊。智能管理主機模擬器通過通信模塊與被測綜合應用服務器和子系統進行連接通信，接收和發送協議消息。接收到消息后交給協議分析模塊進行協議驗證和分析得出分析結果，并由顯示模塊和提示模塊顯示分析結果。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。協議轉換模塊完成61850-MODBUS之間的協議轉換以及61850-數字量模擬量之間的轉換[9]。

3.1功能模塊

根據模擬器的功能需求，對綜合應用服務器的測試分為61850測試模塊和壓力測試模塊，基于61850協議的功能測試模塊主要模擬智能管理主機測試綜合應用服務器的以下功能：讀數據，寫數據，突發傳送處理，告警事件響應[10]。

測試標準是檢驗智能管理主機與綜合應用服務器之間的通信是否滿足MMS制造報文規范[11]。壓力測試主要針對綜合應用服務器，在這里不過多贅述。其結構圖如圖5所示。

圖5　智能管理主機模擬器功能結構圖

4　實例分析

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

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

圖6　模型邏輯設備圖

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

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　模型解析結果圖

以連接測試成功之后的讀測試為例，主要測試綜合應用服務器向智能管理主機發送數據獲取請求的能力，包括獲取數據模型、遙測、遙信信息等。本例中模擬器IP設為192.168.3.105，被測方 IP設為192.168.3.107，當智能管理主機模擬器收到讀數據請求消息后，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報文進行協議規范性驗證[12]，以上二者均通過驗證才判定消息體符合協議標準。驗證通過后解析MMS報文中內容，智能管理主機模擬器根據報文內容從資源文件中獲取相應的數據，存在則返回結果，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

讀數據測試內容如下：

綜合應用服務器需要讀取的是智能管理主機的全部數據模型，即要檢驗綜合應用服務器發送的模型讀取請求是否正確。

以讀取空調狀態值為例，測試過程報文序列如圖9所示。

圖9　讀測試過程報文序列

綜合應用服務器的請求報文截圖如圖10所示。

圖10　請求報文截圖

讀數據過程智能管理主機模擬器作為被動方，通信模塊始終監聽綜合應用服務器的請求消息，收到消息之后進行消息驗證和解析。通過測試發現，報文info是confirmed-requestPDU，invokeID值正確，報文格式符合規范，報文內容正確，讀測試通過。

5　結束語

本文章研制了一種基于IEC61850、Modbus等規約的智能管理系統模擬器，通過協議轉換為主要手段實現智能變電站輔助的具體功能，對智能變電站輔助系統的研發有一定意義：

（1）為智能變電站輔助系統標準化、規范化、智能化發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境信號，避免了搭建平臺，節省了大量的人力物力，大大降低了開發輔助系統的成本。

（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路開關量輸入信號，控制16路開關量輸出及8路串口、8路網口報文收發，可以采集或控制真實的被測動力、環境等子系統，也可以模擬子系統設備數據測試綜合應用服務器。

（3）對某廠家生產的產品測試，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，智能管理主機應用于變電站輔助系統的功能過多，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、智能電網技術；王超（1985-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為電力系統分析、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