基于IEC 61850的在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

翟瑞聰，謝善益，范 穎，周 剛

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基于IEC 61850的在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

翟瑞聰，謝善益，范 穎，周 剛

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510600)

為了對電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行互操作測試和雪崩測試，提出了基于IEC 61850在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)通過加載在線監(jiān)測裝置的SCL信息模型描述文件，模擬出間隔層各類型在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)通信行為，實(shí)現(xiàn)對站控層系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真測試。實(shí)踐證明，在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)在質(zhì)量檢測和工程調(diào)試上不僅縮短了測試周期，而且降低了測試難度。

IEC 61850；在線監(jiān)測；MMS通信；仿真系統(tǒng)；互操作測試；雪崩測試

0 引言

隨著電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的迅猛發(fā)展[1-4]，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[5-7]已廣泛應(yīng)用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化通信和信息共享，有效解決了在線監(jiān)測裝置種類繁多、信息模型和數(shù)據(jù)傳輸形式不一致等問題，實(shí)現(xiàn)了變電站各個(gè)層級的在線監(jiān)測裝置之間的互聯(lián)互通和即插即用[8]。

在工程實(shí)施和系統(tǒng)測試過程中，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測裝置運(yùn)行方式多樣、數(shù)據(jù)規(guī)模較大，造成了變電站站控層在線監(jiān)測系統(tǒng)或設(shè)備的調(diào)試工作量大、復(fù)雜度高、效率低等問題。測試工作中采用仿真形式的IEC 61850服務(wù)端軟件[9]替代實(shí)際的在線監(jiān)測裝置，可有效解決上述難題。但傳統(tǒng)的IEC 61850服務(wù)端軟件存在不足：(a)?僅能模擬出部分通用的MMS通信服務(wù)和固定的監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法根據(jù)不同的裝置類型形成不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)和譜圖文件；(b)?缺少在線監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的訪問功能，造成通信模型測試缺乏全面性；(c)?不能同時(shí)模擬多個(gè)在線監(jiān)測裝置，導(dǎo)致雪崩測試難以開展。

因此，本文提出了一種基于IEC 61850在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)對在線監(jiān)測系統(tǒng)或設(shè)備全面的、高效的模擬仿真測試，簡化調(diào)試流程，縮短工程周期。

1 ?系統(tǒng)頂層構(gòu)思

基于IEC 61850在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)主要應(yīng)用于電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的IEC 61850客戶端通信測試，比如監(jiān)測子系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)、綜合處理單元及其他IEC 61850客戶端。

為操作方便和節(jié)省硬件資源，系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具備單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行和聯(lián)機(jī)集群運(yùn)行兩種模式，即根據(jù)硬件資源實(shí)際情況，系統(tǒng)可靈活部署在單臺PC機(jī)或多臺PC機(jī)上，通過運(yùn)行策略配置同時(shí)進(jìn)行多臺在線監(jiān)測裝置的通信仿真。系統(tǒng)由系統(tǒng)操作臺、裝置仿真器和仿真數(shù)據(jù)庫3部分組成，如圖1所示。其中，系統(tǒng)操作臺作為系統(tǒng)集中式管理控制的核心模塊，能靈活配置仿真策略和管理各個(gè)裝置仿真器；裝置仿真器根據(jù)系統(tǒng)操作臺設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)啟動，并從仿真數(shù)據(jù)庫中提取仿真配置信息和SCL模型文件，從而模擬出不同類型的在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例，每個(gè)仿真實(shí)例視為一臺在線監(jiān)測仿真裝置與IEC 61850客戶端進(jìn)行通信；仿真數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的存儲介質(zhì)，用于存放仿真配置信息、SCL模型文件、仿真歷史數(shù)據(jù)等。

圖1系統(tǒng)頂層架構(gòu)圖

2 ?系統(tǒng)功能需求分析

在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)的功能需求主要包括通信行為模擬、裝置仿真實(shí)例并行和人機(jī)界面3部分。

(1)?通信行為模擬。在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)需模擬在線監(jiān)測裝置的通信行為包括遙信和遙測數(shù)據(jù)上送、定值操作、譜圖文件傳輸、歷史數(shù)據(jù)讀取等。其中，遙信和遙測數(shù)據(jù)由系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)仿真策略自動生成，策略包括步進(jìn)變化、隨機(jī)變化和真實(shí)數(shù)據(jù)回放，同時(shí)運(yùn)行在測試運(yùn)行過程中手動修改實(shí)時(shí)值；對于定值操作的模擬，系統(tǒng)根據(jù)SCL模型文件的定值配置信息啟動定值狀態(tài)機(jī)，并實(shí)時(shí)響應(yīng)IEC 61850客戶端的定值操作請求；譜圖文件傳輸行為只對油氣在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測和斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測等具有譜圖生成功能的裝置進(jìn)行仿真，系統(tǒng)根據(jù)SCL模型文件的譜圖建模信息和譜圖仿真策略啟動譜圖文件生成程序，仿真實(shí)例截取當(dāng)前的數(shù)據(jù)斷面生成相應(yīng)的譜圖文件，并立即產(chǎn)生譜圖文件完成信號以通知IEC 61850客戶端；為檢驗(yàn)IEC 61850客戶端的歷史數(shù)據(jù)讀取功能，系統(tǒng)對遙信和遙測數(shù)據(jù)的數(shù)值、品質(zhì)、時(shí)標(biāo)采用數(shù)據(jù)變化策略進(jìn)行歷史存儲，并以MMS日志服務(wù)[10]實(shí)時(shí)響應(yīng)IEC 61850客戶端的歷史數(shù)據(jù)讀取請求。

(2)?裝置仿真實(shí)例并行。系統(tǒng)要求在同一臺PC機(jī)上能夠同時(shí)模擬出多個(gè)不同類型的在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的IP地址列表為每個(gè)仿真實(shí)例分配獨(dú)立的IP地址。每個(gè)仿真實(shí)例扮演一個(gè)IEC61850服務(wù)端角色，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)IEC 61850客戶端進(jìn)行通信，支持的MMS服務(wù)包括關(guān)聯(lián)、目錄、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)集、報(bào)告、日志、文件傳輸、定值、替代等。

(3)?人機(jī)界面。系統(tǒng)應(yīng)具有界面友好、操作簡便的人機(jī)交互接口，包括：a)能統(tǒng)一配置、啟動和關(guān)閉多個(gè)在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例；b)能對每個(gè)仿真實(shí)例的數(shù)據(jù)變化和譜圖文件生成進(jìn)行在線操作；c)能對仿真實(shí)例的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集、控制塊、譜圖文件進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽；d)能實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如仿真實(shí)例數(shù)量、數(shù)據(jù)生成和發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)等；e)能保存全部的由數(shù)據(jù)變化和手動修改形成的報(bào)告記錄和日志記錄，以便歷史數(shù)據(jù)查詢。

3 ?系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)由系統(tǒng)操作臺、裝置仿真器和仿真數(shù)據(jù)庫3個(gè)模塊組成，各模塊的調(diào)用流程如圖2所示。

a)?系統(tǒng)操作臺加載及解析SCL模型文件，通過SCL Schema校驗(yàn)[11-12]后提取裝置配置信息進(jìn)行模型文件的數(shù)據(jù)序列化；

b)?根據(jù)系統(tǒng)全局仿真配置信息、預(yù)設(shè)的裝置仿真策略和分配的IP地址，自動生成在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例，同時(shí)將相關(guān)仿真實(shí)例信息存入仿真數(shù)據(jù)庫；

c)?此時(shí)，用戶可選中某幾個(gè)需模擬的仿真實(shí)例啟動裝置仿真器，裝置仿真器根據(jù)設(shè)定的仿真配置策略模擬出相應(yīng)的多個(gè)仿真實(shí)例；

d)?同時(shí)，裝置仿真器通過解析SCL模型文件和讀取仿真數(shù)據(jù)庫中的裝置數(shù)據(jù)序列化信息，建立起與系統(tǒng)操作臺的數(shù)據(jù)映射，并創(chuàng)建裝置仿真器的內(nèi)存實(shí)時(shí)庫；

e)?內(nèi)存實(shí)時(shí)庫創(chuàng)建完畢后，裝置仿真器首先啟動信息交互模塊實(shí)時(shí)接收及處理系統(tǒng)操作臺下發(fā)的仿真指令，再啟動數(shù)據(jù)仿真模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)仿真策略，最后啟動IEC 61850通信服務(wù)模塊進(jìn)行與IEC 61850客戶端的數(shù)據(jù)通信；

f)?系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)操作臺通過內(nèi)部通信對裝置仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和管理，同時(shí)裝置仿真器記錄數(shù)據(jù)仿真的整個(gè)過程，以便歷史查詢。

3.1系統(tǒng)操作臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)操作臺作為系統(tǒng)集中式管理控制的核心模塊，主要包括仿真參數(shù)配置、仿真裝置管理和仿真器實(shí)時(shí)管理等三大功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)操作臺功能設(shè)計(jì)圖

3.1.1仿真參數(shù)配置

系統(tǒng)操作臺啟動后，仿真參數(shù)配置模塊先對數(shù)據(jù)變化周期、日志保存最大條目數(shù)、文件存儲最大條目數(shù)等默認(rèn)仿真參數(shù)進(jìn)行配置，然后根據(jù)用戶設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例生成默認(rèn)仿真策略、自動分配網(wǎng)絡(luò)地址等做好準(zhǔn)備。

3.1.2仿真信息管理

仿真信息管理模塊由仿真裝置管理和仿真策略配置兩部分程序組成。

仿真裝置管理程序?qū)CL模型文件進(jìn)行加載、解析和校驗(yàn)，在確保SCL模型文件正確的前提下，根據(jù)模型數(shù)據(jù)的功能約束對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行分類和序列化，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)的裝置仿真策略和IP地址自動設(shè)定在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例的運(yùn)行參數(shù)，并將最終生成的仿真實(shí)例信息存入仿真數(shù)據(jù)庫。

仿真策略配置程序用于仿真數(shù)據(jù)庫中在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例的仿真策略的定制化修改。裝置仿真策略分為默認(rèn)策略和定制策略。在默認(rèn)策略模式下，裝置仿真器對遙信、遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性的隨機(jī)變化或步進(jìn)變化的數(shù)據(jù)模擬，同時(shí)周期性地截取當(dāng)前的數(shù)據(jù)斷面生成相應(yīng)的譜圖文件；在定制策略模式下，裝置仿真器根據(jù)用戶定制的策略進(jìn)行個(gè)性化的數(shù)據(jù)模擬，比如變壓器油氣監(jiān)測裝置每當(dāng)油色譜檢測動作完成后立即根據(jù)監(jiān)測結(jié)果生成變壓器油中溶解氣體出峰圖。兩種仿真策略應(yīng)用場景有所差異，默認(rèn)策略常用于雪崩測試，定制策略一般用于互操作測試。

3.1.3仿真實(shí)時(shí)管理

仿真實(shí)時(shí)管理模塊采用進(jìn)程池技術(shù)進(jìn)行所有在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例的一體化管理。模塊為每個(gè)仿真實(shí)例分配獨(dú)立的進(jìn)程資源，并相應(yīng)建立仿真實(shí)例的運(yùn)行工況報(bào)表，這樣能夠?qū)崟r(shí)刷新所有仿真實(shí)例的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，用戶可隨時(shí)啟動或停止任意多個(gè)仿真實(shí)例，有利于各種連接中斷恢復(fù)測試場景的模擬。

由于模塊為每個(gè)仿真實(shí)例開辟了單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)套接字通信，因此用戶可隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)變化模擬。運(yùn)行時(shí)，仿真實(shí)例與系統(tǒng)操作臺時(shí)刻保持內(nèi)部通信，仿真實(shí)例主動上送仿真數(shù)據(jù)以供系統(tǒng)操作臺實(shí)時(shí)顯示，與此同時(shí)系統(tǒng)操作臺也可下發(fā)仿真指令修改仿真數(shù)據(jù)狀態(tài)。

3.2 裝置仿真器設(shè)計(jì)

裝置仿真器負(fù)責(zé)在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例的具體實(shí)現(xiàn)。其單個(gè)實(shí)例的運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 裝置仿真器的實(shí)例運(yùn)行流程圖

a)?裝置仿真器啟動后，讀取仿真數(shù)據(jù)庫中在線監(jiān)測裝置仿真實(shí)例的相關(guān)配置，開始初始化實(shí)例，實(shí)例化過程分“兩步走”；

b)?實(shí)例化第一步為根據(jù)仿真實(shí)例配置建立仿真實(shí)例的工作目錄，該目錄用于存儲運(yùn)行日志文件、譜圖文件和模型文件；

c)?實(shí)例化第二步為將解析后的SCL模型，映射至系統(tǒng)操作臺的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建相應(yīng)的內(nèi)存實(shí)時(shí)庫，此時(shí)實(shí)例初始化結(jié)束；

d)?在實(shí)例初始化結(jié)束后，啟動與系統(tǒng)操作臺聯(lián)絡(luò)的通信線程，裝置仿真器內(nèi)存實(shí)時(shí)庫中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新至系統(tǒng)操作臺，同時(shí)接收系統(tǒng)操作臺下發(fā)的仿真指令，解析后提交給數(shù)據(jù)仿真模塊進(jìn)行處理；

e)?隨后，啟動數(shù)據(jù)仿真模塊，根據(jù)設(shè)定的仿真策略進(jìn)行數(shù)據(jù)變化模擬和譜圖文件生成，并實(shí)時(shí)刷新裝置仿真器的內(nèi)存實(shí)時(shí)庫；

f)?最后，啟動IEC 61850通信線程，刷新數(shù)據(jù)的同時(shí)與IEC 61850客戶端進(jìn)行通信；

g)?此外，當(dāng)接收到系統(tǒng)操作臺下發(fā)的關(guān)閉指令時(shí)，裝置仿真器將關(guān)閉所有線程釋放資源，隨之終止運(yùn)行。

3.3 仿真數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為方便各系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)映射和快速檢索數(shù)據(jù)地址，仿真數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)了各類數(shù)據(jù)表，包括仿真系統(tǒng)信息表、仿真裝置實(shí)例信息表、邏輯設(shè)備信息表、數(shù)據(jù)集信息表、測點(diǎn)信息表、日志控制塊信息表、報(bào)告控制塊信息表、定制控制塊信息表、日志歷史表等。其表結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 仿真數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 ?應(yīng)用情況

本文提出的基于IEC 61850的在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)，已在廣東電網(wǎng)電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量檢測和工程調(diào)試得以成功應(yīng)用。2014年10月至12月，借助通信仿真系統(tǒng)進(jìn)行了6套不同廠家綜合處理單元(該設(shè)備用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯聚傳輸)的質(zhì)量檢測，在功能測試和雪崩測試上發(fā)揮重要作用。此外，截至2015年6月，廣東電網(wǎng)220 kV琴韻站、220 kV環(huán)澳站等38座變電站在在線監(jiān)測系統(tǒng)工程調(diào)試中積極推廣應(yīng)用通信仿真系統(tǒng)，大大縮短了調(diào)試周期，獲得供電局的一致認(rèn)可。

5 ?結(jié)語

隨著電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的深入應(yīng)用，在線監(jiān)測系統(tǒng)的的質(zhì)量檢測和工程調(diào)試工作量日益增多、工作要求日益嚴(yán)格，基于IEC 61850的在線監(jiān)測裝置通信仿真系統(tǒng)的提出無疑有效地解決了在線監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試工作量大、復(fù)雜度高、效率低等問題。系統(tǒng)通過加載在線監(jiān)測裝置的SCL信息模型描述文件，模擬出間隔層各類型在線監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)通信行為，實(shí)現(xiàn)對站控層系統(tǒng)進(jìn)行全方位的互操作測試和雪崩測試，及早發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信方面的缺陷和隱患，確保在線監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定上送主站系統(tǒng)，有力推動了在線監(jiān)測系統(tǒng)“替代式”檢測模式在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

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(編輯 姜新麗)

Development and application of the communication simulation system for the online monitoring device based on IEC 61850

ZHAI Ruicong, XIE Shanyi, FAN Ying, ZHOU Gang

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510600, China)

The realization method of communication simulation system for the IEC 61850-based online monitoring devices is presented for the interoperability and avalanche tests of online monitoring systems for electrical equipment. This system simulates various types of data communications between online monitoring devices in the bay level through loads of SCL information model description files for the online monitoring devices, hence the analog simulation tests for the systems in the station level are realized. It is proved that the communication simulation system for online monitoring devices may not only shorten the test cycles but also reduce test difficulties during quality tests and project debugging.

IEC 61850; on-line monitoring; MMS communication; simulation system; interoperability test; avalanche test

10.7667/PSPC151043

2015-06-23；

2015-08-14

翟瑞聰(1986-)，男，碩士，工程師，從事電網(wǎng)自動化、在線監(jiān)測研究及開發(fā)工作。E-mail: zhairuicong@163.com