采用libiec61850和IEDScout構建智能變電站實驗平臺

傅欽翠, 陳劍云

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院, 江西 南昌 330013)

采用libiec61850和IEDScout構建智能變電站實驗平臺

傅欽翠, 陳劍云

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院, 江西 南昌 330013)

為了將IEC 61850等變電站自動化前沿技術融合到大學實驗教學中,搭建了符合IEC 61850的智能變電站實驗平臺,借助IEDScout、libiec61850等軟件模擬變電站內各IED之間的MMS、GOOSE通信,利用Wireshark捕獲報文并進行分析。以實例介紹了實驗平臺的應用。該實驗平臺設計方法避免了復雜的開發過程,實現難度小、成本低,且實驗平臺操作過程簡單直觀,使學生易于掌握和應用變電站自動化新技術。

智能變電站; 實驗教學; IEC 61850; IEDScout; libiec61850

變電站自動化技術課程是電氣工程及自動化專業的核心課程,具有很強的專業性和實踐性[1]。實驗在培養學生的電氣專業技術素養、提高電氣實踐技能等方面起著不可替代的作用。

當前,智能電網技術、信息技術、通信技術、計算機控制技術快速發展,推動了變電站自動化技術的升級換代,變電站正進入數字化、智能化時代。智能變電站以變電站一、二次系統為數字化對象,對數字化信息進行統一建模,將物理設備虛擬化,采用標準的網絡通信平臺實現信息共享和互操作[2-4]。變電站的一次設備智能化、二次設備網絡化帶來的變化,使得變電站的測試由傳統的硬接點測試轉為“軟觸點”的測試,變電站的測試、維護方法已與常規變電站完全不同[5-6]。

在我國實施卓越工程師教育培養計劃背景下,電力教育工作必須緊跟變電站自動化技術發展前沿,在實驗平臺建設、教學內容建設等方面進行探索和創新。只有在實驗模式上做到更加生動具體,才能更好地激發學生的想象力、創造力,提高學生的實踐能力[7-8]。

IEC 61850標準是電力系統自動化領域唯一的全球通用標準,它在工程實際中的應用剛起步。IEC 61850 是個龐大而復雜的體系,目前在高校科研機構和電力工業實際開發中,大多采用mms-lite軟件(SISCO公司開發)來實現IEC 61850[9-10]。mms-lite價格昂貴,難以應用于實驗教學平臺建設。為此,筆者探討搭建實現難度較小、成本低,又能較好體現IEC 61850新技術的大學智能變電站實驗平臺。IEDScout軟件的評估版本和libiec61850開源軟件為智能變電站實驗平臺的建設提供了一種思路和探索方向。

1 軟件工具

1.1 libiec61850開源軟件

libiec61850是一個實現了IEC 61850的客戶端和服務器端的開源軟件。它采用C語言實現,以提供最大的可移植性。采用libiec61850可以在運行Linux或Windows的嵌入式系統和PC上實現符合IEC 61850標準的客戶端和服務器端的應用程序。libiec61850提供了一套簡單的示例程序,開發者可以以此作為出發點,使用它提供的Server API、Client API來創建自己的符合IEC 61850的設備或與IEC 61850設備通信。libiec61850還支持GOOSE、SV報文的發布和訂閱。借助libiec61850,可以使智能變電站實驗平臺的實現周期大大縮短、難度大大降低。

圖1所示為libiec61850服務器構架。

圖1 libiec61850服務器構架

圖2是一個最簡單的IEC 61850服務器應用程序。該程序首先創建一個IedServer 對象,該對象負責管理整個MMS協議棧和IED數據模型；接著調用IedServer_start函數啟動監聽客戶端連接,對每一個新接入的客戶端連接,啟動一個線程處理該連接；然后進入應用程序的主循環,執行將過程值提供給MMS服務器或響應客戶端的活動；最后是調用IedServer_stop函數,停止MMS服務,關閉所有客戶端連接,以及釋放資源的清理工作。

圖2 應用libiec61850的簡單示例

1.2 IEDScout 軟件

IEDScout軟件是OMICRON公司開發的一款IEC 61850測試工具,是IEC 61850設備保護與變電站自動化的一個理想工具[11]。IEDScout可以接入任何符合IEC 61850要求的智能電子設備(IED),能夠查看IED設備的內部狀態和通信狀態,獲取IED設備的所有相關信息。IEDScout可以分析SCL文件,并以樹狀結構瀏覽。IEDScout不僅可作為客戶端工具與IED服務器設備通信,也可作為GOOSE報文模擬工具發布、訂閱GOOSE報文。

由于IEDScout評估版本是全免費的,且具有良好的用戶界面,信息查看直觀、形象,操作簡單,非常適合關于變電站自動化的實驗教學。

1.3 Wireshark網絡報文分析工具

Wireshark是目前流行的一款網絡報文分析軟件,也是一個開源軟件。它能夠實時捕獲網絡報文,自動解析IEC 61850中的MMS報文、GOOSE報文和SV報文,在界面上盡可能顯示出詳細的網絡報文信息[12]。

2 實驗平臺設計

利用IEDScout、libiec61850、Wireshark軟件和PC機,便可實現符合IEC 61850的智能變電站自動化系統實驗平臺,其設計方案如圖3所示。

站控層的變電站控制中心(工作站)與間隔層的IED設備采用客戶機/服務器(C/S)模式通信,工作站運行IEDScout軟件,相當于客戶端。

間隔層的模擬測控IED、模擬保護IED運行由libiec61850庫構建的Server例程,相當于服務器端。工作站與模擬測控IED、模擬保護IED的通信報文為MMS報文,網絡報文分析儀運行Wireshark軟件，實時捕獲MMS報文。間隔層與過程層IED采用發布/訂閱模式通信。模擬智能開關運行IEDScout的Simulations功能模塊作為發布者發送GOOSE報文；模擬合并單元運行由libiec61850庫構建的SV例程,作為發布者發送SV報文。模擬測控IED、模擬保護IED上運行由libiec61850庫構建的GOOSE訂閱者例程和SV訂閱者例程,分別接收GOOSE報文和SV報文,網絡報文分析儀運行Wireshark軟件實時捕獲GOOSE報文和SV報文。

由于間隔層的IED分別與站控層、過程層設備通過以太網通信,間隔層的模擬IED的PC機應配置雙網卡,充當網絡報文分析儀的PC機也應配置雙網卡。

圖3 智能變電站實驗平臺設計

由于智能變電站實驗平臺設計方案只是采用普通的PC機和IEDScout、libiec61850等軟件來實現MMS、GOOSE、SV報文,避免了難度很大的開發過程；此外,IEDScout、Wireshark軟件具有良好的界面,也使得實驗教學直觀、形象,容易理解和掌握變電站自動化新技術。

3 實驗平臺具體應用

3.1 站控層與間隔層的通信

模擬測控IED、模擬保護IED的PC上運行的是利用libiec61850庫構建的Server例程。利用libiec61850庫的服務器API創建完全符合IEC 61850的服務器IED,具體步驟如下：

(1) 采用IED配置工具生成ICD(IED Capability Description)文件,此文件描述IED的數據模型和服務以及一些預配置的值；

(2) 采用libiec61850庫提供的模型生成工具,輸入ICD文件,產生static_model.c和static_model.h兩個文件,即：將ICD文件提供的數據模型轉換為C語言源代碼,靜態編譯到應用程序中,在內存中建立IED的數據模型IEDModel；

(3) 借鑒libiec61850提供的示例,編寫應用程序,模擬過程值的變化,并向MMS server提供應用程序的過程值。

在工作站PC機上運行IEDScout,進入IEDScout主界面并選擇Discover IED,接入指定IP地址的IED。連接成功后,IEDScout通過一系列讀目錄請求服務,獲取所連接IED的完整的信息模型,并以樹狀結構顯示在左側導航面板,如圖4所示。在導航面板中,IP address、GOOSE、Reports、DataSets、Data Model等元素自上而下列出,打開其中的元素可以在導航面板右側查看它們的數據對象和數據屬性。例如,Data Model下列出該IED包含的所有邏輯設備以及邏輯設備所包含的邏輯節點,打開Data Model的邏輯設備Inverter下的邏輯節點MMXU1,在右側展開顯示該邏輯節點的TotW、TotVAr等數據對象,以及TotW包含的mag、q、t數據屬性和值。

圖4 IEDScout獲取的IED信息模型

選中某個數據對象或數據屬性,在選單欄中點擊Read、Write等按鈕,可分別實現對所選對象的讀寫操作。選中某個可控數據對象或數據屬性,在選單欄中點擊Control按鈕,啟動遙控操作。

選中Reports元素下定義的一個數據集,點擊選單欄中的Enable使能按鈕,在圖5所示的Enable Report使能報告界面中設置Trigger options(觸發選項)、Integrity period(完整性周期)、Optional fields(選項域)等參數后,啟動IED按所設的觸發條件上送報告。報告的操作可模擬總召喚、周期掃描、突發事件傳輸等變電站遙測、遙信監控功能。

圖5 Enable Report界面

利用Wireshark捕獲模擬測控IED的MMS報文如圖6所示。源地址為192.168.222.5,即模擬測控IED的IP地址,第75、77號報文為響應客戶端的讀目錄請求所發的報文,是有確認的響應PDU(confirmed-response PDU),第78號報文為上送報告報文,為無確認PDU(unconfirmed PDU)。

圖6 Wireshark捕獲MMS報文

3.2 間隔層與過程層的通信

在模擬智能開關的PC上運行IEDScout的Simulations功能模塊,在IEDScout的導航面板中選擇一個GOOSE控制塊,點擊選單欄中的Configure GOOSE按鈕,在Configure GOOSE Settings界面中進行GOOSE報文參數設置,如圖7所示。在Retransmission strategy重傳策略配置中,Initial設置為10 ms,Multiplier設置為2,Final設置為5 000 ms。設置好參數后,點擊Start按鈕,啟動GOOSE報文發送。在Configure GOOSE Settings界面的GCB DataSet欄中選擇一個指示開關位置的數據屬性(如圖7中的GGIO1.Ind1.stVal),將其值由false改變為true,用于模擬開關位置的由開變為合,然后點擊Update按鈕,模擬新事件發生。

圖7 Configure GOOSE Settings界面

在模擬IED的PC上運行libiec61850庫構建的GOOSE訂閱者例程來接收GOOSE報文,并利用Wireshark捕獲GOOSE報文,如圖8所示。從第10號至第13號,相鄰兩個報文的時間間隔都約為5.000 s,即為所設置的GOOSE心跳時間；隨后發生了事件,發送一幀變位報文,即第14號報文,時標為27.388099 s,與上一個報文的時間間隔為2.280543 s,小于心跳時間；接下來快速重傳變位報文,15號—23號報文的時標分別為27.399573,27.42057,27.461607,…,32.504682 s,考慮報文收發耗時和網絡傳輸延時等誤差,發送的這9幀報文與上一個報文的時間間隔為10,20,40,…,2560 ms,符合所設置的10×2nms(n= 0,1,2,…,8)重傳策略；之后GOOSE再次進入穩態傳輸過程,以5 s的時間間隔循環發送GOOSE心跳報文。

圖8 Wireshark捕獲GOOSE報文

GOOSE報文中攜帶有stNum和sqNum參數,stNum為狀態序號,用于記錄數據總的變位次數,sqNum為順序號,用于記錄穩態情況下發出報文的幀數。表1列出圖8中8幀GOOSE報文的stNum和sqNum參數的變化情況。表中從第10號至第13號報文為心跳報文，stNum不變，sqNum依次加1。第14號報文為一幀變位報文，stNum加1變為2，sqNum復位為0，重新開始計數。

表1 stNum和sqNum變化規律

在模擬合并單元的PC上運行由libiec61850庫構建的SV例程,作為發布者,發送SV報文,模擬測控IED、模擬保護IED的PC上運行由libiec61850庫構建的SV訂閱者例程,利用Wireshark捕獲SV報文,圖9顯示了第1號SV報文完整的信息,包括：APPID 為0x4000,報文長度為81Byte,SV的協議數據單元savPdu等具體內容。

圖9 Wireshark捕獲SV報文

4 結語

采用IEDScout、libiec61850、Wireshark等軟件構建的融合IEC 61850新技術的智能變電站教學實驗平臺,可以模擬變電站內各IED之間的MMS、GOOSE通信,避免了復雜的開發過程。在實驗教學中,通過解析ICD文件,配置、發送、接收MMS、GOOSE報文,加深了學生對IEC 61850概念和內涵的理解。該實驗平臺建成后,已用于本科生“變電站自動化技術”課程、研究生的“數字化變電站技術”課程及智能變電站相關技術培訓項目,取得了良好的實驗教學效果。

References)

[1] 張紅旗,康海珍.任務驅動教學法在“變電站自動化”課程中的應用[J].中國電力教育,2014(29)：37-38.

[2] 吳在軍,胡敏強.基于IEC61850標準的變電站自動化系統研究[J].電網技術,2003(10)：61-65.

[3] 王璐,王步華,宋麗君,等.基于IEC61850的數字化變電站的研究與應用[J].電力系統保護與控制,2008(24)：90-92,100.

[4] 徐清超.變電站自動化應用IEC61850標準的分析[J].電力系統保護與控制,2009(23)：62-65,78.

[5] 張小易,彭志強.智能變電站站控層測試技術研究與應用[J].電力系統保護與控制,2016(5)：88-94.

[6] 何世恩,劉峻.IEC61850數字化變電站對繼電保護專業的影響[J].電力系統保護與控制,2009(3)：1-4.

[7] 許正榮,賈賢龍,溫陽東,等.變電站綜合自動化實驗系統的研制[J].實驗技術與管理,2009,26(10)：81-83,93.

[8] 王濤,韓冬.基于IEC61850的數字化繼電保護實訓系統的研究與開發[J].國網技術學院學報,2015(5)：12-18.

[9] 浮明軍,劉昊昱,董磊超.智能變電站繼電保護裝置自動測試系統研究和應用[J].電力系統保護與控制,2015(1)：40-44.

[10] 陳德輝,王豐,楊志宏.智能變電站二次系統通用測試平臺方案[J].電力系統保護與控制,2016(1)：139-143.

[11] Libiec61850: Open source libraries for IEC 61850 and IEC 60870-5-104[EB/OL].[2016-07-10]. http://libiec61850.com/libiec61850/.

[12] WireShark: A Network Protocol Analyzer[EB/OL]. [2016-07-10]. https://www.wireshark.org/docs/wsug_html_chunked/.

Building experimental platform for intelligent substation by using libiec 61850 and IEDScout

Fu Qincui, Chen Jianyun

(School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

In order to integrate the cutting-edge technology of automation of IEC 61850 substation into the university experimental teaching,an experiment platform for the intelligent substation based on IEC 61850 is established. The experimental platform simulates MMS and GOOSE communication between IEDs by means of IEDScout software,libiec61850 software,etc.,and the packets are captured and analyzed by using Wireshark. The application of platform is introduced with a specific example. The design method of the experimental platform avoids the complicated development process realizes that its operation is little difficult, and its cost is low. In addition, its operational process is simple and easy for the students to master and apply the new automation technology of the substation.

intelligent substation; experimental teaching; IEC 61850; IEDScout; libiec61850

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.034

2016-12-22

2017-02-22

國家自然科學基金項目(51467004)；江西省研究生創新資金項目(YC2016-B072)；華東交通大學校立科研基金資助項目(11DQ08)

傅欽翠(1975—),女,江西南昌,在讀博士研究生,副教授,主要研究方向為數字化變電站技術.

TM63；G642.423

A

1002-4956(2017)07-0132-04