一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法

专利名称：一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法
技术领域：
本发明涉及一种电力保护技术，特别涉及一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统。
背景技术：
随着对能源安全要求的不断提升，智能电网作为一种国家战略应运而生。智能变电站将逐步取代传统的变电站综合自动化系统，成为智能电网完成其职能的基本要素。 IEC61850是TC57发布的、迄今为止最为完善的变电站系统及通信标准，实现基于IEC61850 标准的智能变电站对于我国变电站的自动化运行和管理将带来深远的影响和变革。近年来，随着IEC61850标准在国内的推广应用以及智能变电站相关技术研究的逐步深入，智能变电站试点建设在国内迅速推进。国网电科院出台了《智能变电站技术导则》，并对智能变电站进行了定义采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。从某种意义上讲智能变电站主要是指变电站二次系统的“数字化”。继电保护作为电力系统的“卫兵”，其对维护电力系统的安全稳定运行起着不可替代的作用。智能变电站中的继电保护装置与传统的变电站将有很大的不同，现代的变电站内采用了微机继电保护和监控设备等数字装置，传统的电磁式互感器的模拟输出信号到这些数字装置需要经过采样保持、多路转换交换机、A/D变换。而智能变电站中的光电式互感器输出的是数字信号，可以直接为数字装置所用，简化了自动化装置的硬件结构，消除了测量数据传输过程中所产生的系统误差。传统变电站中二次电缆非常容易受到电磁干扰的影响，而在智能变电站中简洁高效不受电磁干扰且价格比较低廉的光纤将取代昂贵的二次电缆。现代微机保护装置中占体积最大的两大部分模拟量输入回路(包括隔离变压器和模数变换等)和开关量输入输出回路(包括大量电磁继电器)都将不复存在，取而代之的是通过以太网传输符合 IEC61850标准的包含SV信号和GOOSE信号的报文。随着智能变电站的推广和其研究的不断深入，必然带来相应测试、检测的设备、方法以及手段的变革。但是，与数字化保护设备的研究热潮相比，全数字化继电保护测试系统的研究报道并不多见。通过对国内外科研单位和设备厂家提出的相关方案和产品比较， 其中虽然出现了一些符合IEC61850标准的测试装置，其提供商主要是二次设备生产厂家以及原有的微机继电保护测试仪生产厂家。这些厂家提供的测试装置有的没有仿真计算的功能，只是将事先存储的信号按照一定次序进行回放，这些测试装置只能针对单个的二次设备进行简单的开环测试，不能模拟系统的动态过程(即在线测试)以及对多套装置进行测试。在智能变电站投运之前尤其是扩建时，需要检验继电保护设备之间的相互配合是否满足要求。如果将所有保护装置联调进行试验，会耗费大量的人力物力。如果是变电站的扩建，需要将已有保护停运进行试验，更会造成不必要的停电，而且在保护装置的拆卸、运输和重新安装过程中难免会出现纰漏和查错，对用电安全造成隐患。开发一种能够模拟智能变电站继电保护设备外部特性，并且能够兼容不同变电站配置文件和装置配置文本的软件，以检验在不同的变电站构架下继电保护之间的互相配合(包括闭锁、重动)就成为变电站运行和试验维护人员的一种宿愿。

发明内容
本发明是针对现有智能变电站继电保护测试系统存在的不足问题，提出了一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，能够模拟智能变电站继电保护设备外部特性，并且能够兼容不同变电站配置文件和装置配置文本的软件，以检验在不同的变电站构架下继电保护之间互相配合(包括闭锁、重动)的软硬件相结合的系统平台。本发明的技术方案为一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，包括如下步骤
1)在RTDS(Real Time Digital Simulator)的建模软件RSCAD中完成一次系统的建模，建模时，根据不同的需求分为一次主接线建模和控制模块建模，其中一次主接线模型和控制模型需要建立在不同的子系统中，而在编译过程中，系统将子系统#351、#552丨#5511 按照顺序在RTDS的RACK (RACK1、RACK2…RACKn)中进行计算和编译，编译通过后建立操作面板，完成上述工作后，完成建模工具RSCAD与RACK联网，完成与RTDS的连接，组成一个实时数字动模系统，并对该一次系统进行编译，编译通过后与RACK联网，完成与RTDS的连接， 组成一个实时数字动模系统；
2)运用GTNET板卡将模拟量转化成为符合IEC61850格式的GOOSE报文和SMV报文，通过交换机与PCIED联机进行试验，GTNET板卡还可将状态信息数据由外部输入到RTDS系统或者由RTDS系统输出到外部设备，通过内置的IEC61850系统配置工具S⑶Editor来生成 S⑶文件，实现外部IED与GTNET-GSE模块输入接口的映射；
3)GTNET板卡通过GPC板卡上的GTIO 口实现与RTDS系统的连接，通过GPC板卡上的 GTDO 口与安装有基于Windows多线程操作系统的协同测试系统的PC机连接；
4)启动RTDS，一次系统送电，模拟各种工况和故障，检测不同保护之间的配合，运用 ethereal抓包工具通过交换机对网络报文进行分析，检验各种采样值SV报文和状态量 GOOSE报文是否来自正确的控制块；
5)在数台PC机的协同测试系统中导入待测的不同厂家生产的继电保护装置CID文件， 并选择继电保护类型，这些PC机通过交换机与RTDS或实际的IED装置连接；
6)在交换机上加装数字式故障录波仪用于故障录波、监视跳闸和联闭锁GOOSE信号；
7)通过系统的人机接口输入保护定值和查看系统运行状态；
8)协同测试系统通过PC机网口实时捕获过程层SV采样值报文，并对报文解码、译码完成保护主程序，然后将计算结果编码返回GOOSE报文作用于断路器和实际的保护装置。所述步骤2) GTNET板卡将信息数据，RSCAD组态软件平台的电网操作信息一包括开关状态、变压器分接头档位、发电机出力参考值输入到RTDS系统；在线化时，潮流数据基态输入到RTDS系统。所述步骤8)捕获报文采用Winpcap编程实现，捕获数据包的流程如下 1)通过接口函数pcap_findalldevs_ex枚举所有可用的网络设备；2)根据枚举返回的网络设备名称打开一个设备，对应接口函数为pCap_open;
3)如果需要，设置数据包的过滤条件，对应接口函数为pcapjetfilter；
4)捕获原始的数据包，采用pcap_next _ex的方法，每当一个包到达以后，接口 pcap_next_ex就会返回，返回的数据缓冲区中只包含一个包，并且设置了包过滤的条件。所述步骤8)发送报文采用Winpcap编程实现，发送数据包的流程如下
1)通过调用函数pcapjendpacketO来发送单个数据包，而sendqueues则用来发送一组数据包；
2)通过调用pCap_SendqUeUe_qUeUe()创建发送队列，并可以使用该函数将数据包添加到发送队列中；
3)使用pcapjperuofflineO打开一个捕获报文文件，将文件中的数据包移到已分配的发送队列，指定同步发送队列；
4)当队列不再需要时，我们可以使用pcap_Sendqueue_deStroy()来释放它所占用的内存。本发明的有益效果在于本发明智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，能够模拟智能变电站继电保护设备外部特性，并且能够兼容不同变电站配置文件和装置配置文本的软件，无需实际的继电保护装置即可在线检验在不同的变电站构架下、不同厂家继电保护之间的互相配合。相比于采用实际的保护装置联调进行试验，本发明将大大减小人力物力的消耗。智能变电站在改扩建时，本发明不需要将已有保护停运进行试验，不会造成不必要的停电，避免了在保护装置的拆卸、运输和重新安装过程中出现纰漏和查错。


图1为本发明智能变电站继电保护协同仿真测试系统结构框图； 图2为本发明智能变电站继电保护协同仿真测试系统软件流程图3为本发明不同的变电站构架下、不同厂家继电保护之间的互相配合图； 图4为本发明智能变电站继电保护协同仿真测试系统实施例结构示意图； 图5为本发明应用实施例中的故障录波图； 图6为本发明应用实施例中的GOOSE和故障设置信号图； 图7为本发明应用实施例中的报文返回配置信息和合并单元抓取的GOOSE报文。
具体实施例方式如图1所示智能变电站继电保护协同仿真测试系统结构框图。RTDS (Real Time Digital Simulator)表示实时数字仿真器，是目前应用广泛的电力系统实时仿真系统，RTDS带有专门用于将RTDS与其他网络设备相连的GTNET卡， GTNET卡支持IEC-61850的GOOSE信息输入输出和基于IEC-61850-9-2的采样值传送，组态PC机为与RTDS相连的建模和控制计算机；合并单元MU用于汇总和分配SV采样值报文和开关量GOOSE报文；PC机虚线框表示装有本系统软件的各台计算机，每台计算机分别装有IEDL··· IEDn等对应于表示不同继电保护装置特征的软件模块；继电保护装置虚线框内的IEDPHlEDn则表示不同厂家生产的继电保护设备。系统构成A:在RTDS (Real Time Digital Simulator)的建模软件RSCAD中完成一次系统的建模，建模时，根据不同的需求分为一次主接线建模和控制模块建模，其中一次主接线模型和控制模型需要建立在不同的子系统中，而在编译过程中，系统将子系统#351、#552丨#5511 按照顺序在RTDS的RACK (RACK1、RACK2…RACKn)中进行计算和编译，编译通过后建立操作面板，完成上述工作后，完成建模工具RSCAD与RACK联网，完成与RTDS的连接，组成一个实时数字动模系统，并对该一次系统进行编译，编译通过后与RACK联网，完成与RTDS的连接， 组成一个实时数字动模系统；
B:运用GTNET板卡将模拟量转化成为符合IEC61850格式的GOOSE报文和SMV报文，通过交换机与PCIED联机进行试验。GTNET板卡还可以实现潮流数据(RSCAD组态软件平台的电网操作信息一包括开关状态、变压器分接头档位、发电机出力参考值等输入到RTDS系统；在线化时，潮流数据基态输入到RTDS系统)由外部输入到RTDS系统或者由RTDS系统输出到外部设备。通过内置的IEC61850系统配置工具S⑶Editor来生成S⑶文件，实现外部IED与GTNET-GSE模块输入接口的映射；
C =GTNET板卡通过GPC板卡上的GTIO 口实现与RTDS系统的连接，通过GPC板卡上的 GTDO 口与安装有基于Windows多线程操作系统的协同测试系统的PC机连接。启动RTDS， 一次系统送电，模拟各种工况和故障，检测不同保护之间的配合，运用ethereal抓包工具通过交换机对网络报文进行分析，检验各种采样值SV报文和状态量GOOSE报文是否来自正确的控制块；
D:在若干台PC机的协同测试系统中导入待测的不同厂家生产的某型继电保护装置 CID文件，并选择继电保护类型，例如选择母线保护。这些PC机通过交换机与RTDS或实际的IED装置连接；
F:在交换机上加装数字式故障录波仪用于故障录波、监视跳闸和联闭锁GOOSE信号
等；
G:通过系统的人机接口输入保护定值和查看系统运行状态；
H:协同测试系统通过PC机网口实时捕获过程层SV采样值报文，并对报文解码、译码完成保护主程序，然后将计算结果编码返回GOOSE报文作用于断路器和实际的保护装置， 实现了闭环测试和过程层、间隔层各IED之间的联闭锁功能，符合继电保护调试要求以及 IEC61850对互操作性和互换性的要求，能替代实际继保装置进行变电站相关的测试与调试，从而验证了 SCD文件中的虚端子连线、各控制块发送的GOOSE信号的准确性、各IED之间的配合关系和保护动作逻辑等功能和信息，这样就在无需实际的IED装置的环境中，仅需将反映不同供货商IED外部特性的CID文件导入到协同测试系统中，即可检验在智能变电站环境中各IED之间的联闭锁等协同工作特性。本系统的软件均在Windows Visual C++ 6. 0的环境中进行开发。软件流程如图 2所示。具体的实施过程将在应用实例中详述。进程和线程都是操作系统的概念。进程是应用程序的执行实例，每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它各种系统资源组成，进程在运行过程中创建的资源随着进程的终止而被销毁，所使用的系统资源在进程终止时被释放或关闭。线程是进程内部的一个执行单元。系统创建好进程后，实际上就启动执行了该进程的主执行线程，主执行线程以函数地址形式，比如说main或WinMain函数，将程序的启动点提供给Windows系统。主执行线程终止了，进程也就随之终止。每一个进程至少有一个主执行线程，它无需由用户去主动创建，是由系统自动创建的。用户根据需要在应用程序中创建其它线程，多个线程并发地运行于同一个进程中。一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源，所以线程间的通讯非常方便，多线程技术的应用也较为广泛。多线程可以实现并行处理，避免了某项任务长时间占用CPU时间。要说明的一点是，目前大多数的计算机都是单处理器(CPU)的，为了运行所有这些线程，操作系统为每个独立线程安排一些CPU时间，操作系统以轮换方式向线程提供时间片，这就给人一种假象， 好象这些线程都在同时运行。由此可见，如果两个非常活跃的线程为了抢夺对CPU的控制权，在线程切换时会消耗很多的CPU资源，反而会降低系统的性能。这一点在多线程编程时应该注意。协同测试系统的监控程序、继电保护主程序和发包程序分属于不同的线程，以满足继电保护对实时性的要求。Win32 SDK函数支持进行多线程的程序设计，并提供了操作系统原理中的各种同步、互斥和临界区等操作。Visual C++ 6.0中，使用MFC类库也实现了多线程的程序设计， 使得多线程编程更加方便。性能特征通过Winpcap环境编程，经网口捕获报文，并利用C语言接口程序直接解析原始报文的十六进制编码，将译码结果送给保护主程序；自适应不同变电站结构和配置；自适应不同厂家继电保护配置(如图3所示)；可根据需要完成多种保护功能和逻辑；检验同一站内不同保护之间的配合(闭锁、重动)；友好的全中文人机界面；支持新一代变电站通讯标准IEC61850。以某220kV母差保护为例，对本发明做进一步详细的描述，220kV系统如图4所示。首先，根据图4，建立RTDS —次硬件系统，并设置故障点Fl。RTDS仿真系统，以广播的方式向各专用PC机发送SMV报文、GOOSE报文。其次，采用Winpcap编程捕获报文。WINPCAP程序有捕获数据包、发送数据包、统计网络流量3个主要功能。捕获数据包的基本流程如下
1)通过接口函数pcap_findalldevs_ex枚举所有可用的网络设备。2)根据枚举返回的网络设备名称打开一个设备，对应接口函数为pCap_0pen。3)如果需要，设置数据包的过滤条件，对应接口函数为pcapjetfilter。4)捕获原始的数据包，有2种方法一种方法是以回调函数的方式由接口 pcap_loop或pCap_diSpatCh完成，其基本方法是底层收集数据包，当满足一定的条件( timeout或者缓冲区满)，就调用回调函数，把收集到的原始数据包通过数据缓存区交给用户；另一种方法是pcap _next _ex的方法，每当一个包到达以后，接口 pcap_neXt_eX 就会返回，返回的数据缓冲区中只包含一个包。本发明采用pCap_neXt_ex的方法，并且设置了包过滤的条件。如捕获类型为GOOSE的数据包，即肚&1· Type为0x88的数据包。 当然，亦可采用Ethereal，Unica等捕获报文。发送报文采用Winpcap编程实现，发送数据包的流程如下
1)通过调用函数pcapjendpacketO来发送单个数据包，而sendqueues则用来发送一组数据包；
2)通过调用pCap_SendqUeUe_qUeUe()创建发送队列，并可以使用该函数将数据包添加到发送队列中；
3)使用pcapjperuofflineO打开一个捕获报文文件，将文件中的数据包移到已分配的发送队列，指定同步发送队列；
4)当队列不再需要时，我们可以使用pcap_Sendqueue_deStroy()来释放它所占用的内存。第三，解析报文。利用C语言直接解析报文的十六进制进制编码，根据IEC61850 中报文的数据结构定义以及基本编码规则(BER)和抽象语法标记(ASN. 1)，进行报文解析。 报文解码与分析分3步
a)帧头的处理；
b)APDU的处理；
c)数据集的解析；
解析SMV报文，获得经电子式互感器的二次侧电流、电压数据。第四，将二次侧电流、电压数据读入母差保护测试程序中。故障点设在Fl处，属于区内故障，保护正常启动，差动保护动作。第五，根据GOOSE报文的数据结构，将保护测试结果转换为报文的形式存储，报文中包括断路器物理地址以及断路跳闸等信息。第六，将GOOSE报文回送到RTDS，RTDS接到报文后，对应地址的断路器断开。第七，断路器断开后，RTDS中将形成GOOSE报文，该报文中包括断路器物理地址以及断路器断开状态等信息。RTDS将该报文以广播的形式发出，人机主界面收到报文，主界面显示断路器正确动作。为了更好地检验本系统和各厂家保护之间的配合行为，特设置F3C相接地故障且母联开关BRKBB2失灵进行试验，其中支路1和支路2运行于I母，而支路3运行于II母，发生区内单一故障时，设置三条支路不进行倒闸操作，这样可以更加清晰地分辨各IED之间的配合行为和故障波形。母联开关BRKBB2失灵100ms，系统运行期间启动RTDS的故障录波器，记录系统各母线和支路电流和电压波形，试验录波如图5所示，各IED所发出的GOOSE 跳闸信号及故障设置器FLTWDl和FLTWD2所发出的故障控制信号如图6所示。图6中G00SE1为本系统跳母联信号，G00SE2为跳I母信号，G00SE3为跳II母信号。从图5 (a)支路1开关BRK5处三相电流波形、图5 (b)支路2开关BRK4处三相电流波形和图5 (c)支路3开关BRK7处三相电流波形结合图6可以看出，故障发生后，本系统发出跳II母和跳母联的信号，支路3开关BRK7在14. 06ms跳开，从图5 (d)中可以看出，由于母联开关失灵以及整定延时，母联开关BRKBB2和I母上的两条出线支路1和支路2上均有故障电流，图5 (e)母线I三相电压波形和图5 (f)母线II三相电压波形中可以看出两条母线电压的故障特征也非常明显，即C相电压均突变为0。在经过整定延时后母联开关和 I母上的两条出线仍然存在故障电流，保护主程序判为母联开关失灵，在119. 79ms跳开I 母。保护程序计算结果进行编码形成的GOOSE跳闸信号如图7 (b)所示，根据图7 (a) 中的报文返回配置信息来确定跳闸信息传送的地址和间隔，报文返回配置信息是由布尔量表示的开关位置信息status (StVal)和位串字符表示的品质位quality (q)组成。图7a为反映一次设备的地址顺序，正常情况下所有开关变位信息全部为“00”，故障时，根据保护程序的计算结果将开关变位信息置为“01”。如下表1示出了在图4 一次系统中5个故障点设置故障协同测试系统的跳闸动作行为。表 权利要求
1.一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，其特征在于，包括如下步骤1)在RTDS(Real Time Digital Simulator)的建模软件RSCAD中完成一次系统的建模，建模时，根据不同的需求分为一次主接线建模和控制模块建模，其中一次主接线模型和控制模型需要建立在不同的子系统中，而在编译过程中，系统将子系统#351、#552丨#5511 按照顺序在RTDS的RACK (RACK1、RACK2…RACKn)中进行计算和编译，编译通过后建立操作面板，完成上述工作后，完成建模工具RSCAD与RACK联网，完成与RTDS的连接，组成一个实时数字动模系统，并对该一次系统进行编译，编译通过后与RACK联网，完成与RTDS的连接， 组成一个实时数字动模系统；2)运用GTNET板卡将模拟量转化成为符合IEC61850格式的GOOSE报文和SMV报文，通过交换机与PCIED联机进行试验，GTNET板卡还可将状态信息数据由外部输入到RTDS系统或者由RTDS系统输出到外部设备，通过内置的IEC61850系统配置工具S⑶Editor来生成 S⑶文件，实现外部IED与GTNET-GSE模块输入接口的映射；3)GTNET板卡通过GPC板卡上的GTIO 口实现与RTDS系统的连接，通过GPC板卡上的 GTDO 口与安装有基于Windows多线程操作系统的协同测试系统的PC机连接；4)启动RTDS，一次系统送电，模拟各种工况和故障，检测不同保护之间的配合，运用 ethereal抓包工具通过交换机对网络报文进行分析，检验各种采样值SV报文和状态量 GOOSE报文是否来自正确的控制块；5)在数台PC机的协同测试系统中导入待测的不同厂家生产的继电保护装置CID文件， 并选择继电保护类型，这些PC机通过交换机与RTDS或实际的IED装置连接；6)在交换机上加装数字式故障录波仪用于故障录波、监视跳闸和联闭锁GOOSE信号；7)通过系统的人机接口输入保护定值和查看系统运行状态；8)协同测试系统通过PC机网口实时捕获过程层SV采样值报文，并对报文解码、译码完成保护主程序，然后将计算结果编码返回GOOSE报文作用于断路器和实际的保护装置。
2.根据权利要求1所述智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，其特征在于，所述步骤2)GTNET板卡将信息数据，RSCAD组态软件平台的电网操作信息一包括开关状态、变压器分接头档位、发电机出力参考值输入到RTDS系统；在线化时，潮流数据基态输入到RTDS系统。
3.根据权利要求1所述智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，其特征在于，所述步骤8)捕获报文采用Winpcap编程实现，捕获数据包的流程如下1)通过接口函数pcap_findalldevs_ex枚举所有可用的网络设备；2)根据枚举返回的网络设备名称打开一个设备，对应接口函数为pCap_open;3)如果需要，设置数据包的过滤条件，对应接口函数为pcapjetfilter；4)捕获原始的数据包，采用pcap_next _ex的方法，每当一个包到达以后，接口 pcap_next_ex就会返回，返回的数据缓冲区中只包含一个包，并且设置了包过滤的条件。
4.根据权利要求1所述智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，其特征在于，所述步骤8)发送报文采用Winpcap编程实现，发送数据包的流程如下1)通过调用函数pcapjendpacketO来发送单个数据包，而sendqueues则用来发送一组数据包；2)通过调用pCap_sendqUeUe_qUeUe()创建发送队列，并可以使用该函数将数据包添加到发送队列中；3)使用pcapjperuofflineO打开一个捕获报文文件，将文件中的数据包移到已分配的发送队列，指定同步发送队列；4)当队列不再需要时，我们可以使用pcap_Sendqueue_deStroy()来释放它所占用的内存。
全文摘要
本发明涉及一种智能变电站继电保护协同仿真测试系统建立方法，基于PC机Windows多线程操作系统的基础上，针对IEC61850通信及数字化保护测试相关需求，通过合理分配任务优先级和任务间调度及通信，在PC机上通过导入体现不同生产厂家外部特性的CID(ConfiguredIEDDescription)文件实现该厂家生产的某型IED功能，无需实际的IED装置即可实现在线检验在不同的变电站主接线方式下智能变电站过程层和间隔层中不同厂家提供的IED间的相互配合和联闭锁关系。大大减小人力物力的消耗，在智能站扩建改建时或更换IED时不需要将已有IED停运，避免了在IED装置的拆卸、运输和重新安装过程中出现纰漏和查错。
文档编号G01R31/00GK102565585SQ20121000498
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者吴建坤, 孙嘉, 宁科, 宋杰, 崔德义, 李广跃, 沈冰, 纪元, 陈建民, 高亮, 鲍伟 申请人:上海电力学院