一种虚拟过程总线实验系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种过程总线实验系统及方法，尤其是一种以软件方式实现遵循IEC61850标准的虚拟过程总线实验系统及方法。属于电力系统自动化领域。
【背景技术】
[0002]作为当前电力系统自动化的重要协议之一，IEC61850协议在电力系统中得到了越来越多的应用，逐步成为电力智能电子设备(IED)接入电力系统的必备条件。
[0003]过程总线是基于IEC61850协议的新一代变电站的重要特征。合并单元和智能开关等新型电力设备就地采集数据和操作开关，以网络通信代替传统的电缆形式传递电力系统信息，过程总线在整个IEC61850标准分层结构中最接近电力一次系统，是整个新型变电站信息功能实现的基础。
[0004]当前过程总线基于以太网技术，过程总线实验系统，既包括了合并单元、智能开关以及各类智能电子设备等电力设备，也包括了交换机等经典的通信网络设备。涉及的设备类型众多，设备价格昂贵，搭建过程总线实验系统的成本很高，制约了过程总线实验系统的发展和推广。尤其在工程试验、培训和教育等对成本敏感的领域，构建一个高效灵活、低成本的过程总线实验系统，具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种虚拟过程总线实验系统，该系统既能兼容与PC机进行信息交换的合并单元、智能开关、智能电子设备等实体电力设备，又能以软件形式生成虚拟合并单元、虚拟智能开关、虚拟智能电子设备等虚拟电力设备，并模拟该虚拟电力设备所对应的实体电力设备的过程总线功能，并以图形化界面直观地呈现过程总线的报文流动和分析情况。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种上述虚拟过程总线实验系统的实现方法。
[0007]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0008]一种虚拟过程总线实验系统，所述系统通过在PC机上用软件方式实现过程总线及其相关设备的功能，包括网络物理层、网络硬件驱动层、IEC61850报文数据层以及虚拟总线具体实现层；其中:
[0009]所述网络物理层，用于实现PC机与实体电力自动化设备之间通信网络的物理连接;
[0010]所述网络硬件驱动层，用于实现PC机与实体电力自动化设备之间的报文交换；
[0011]所述IEC61850报文数据层，用于实现报文格式的转换，以及实现GOOSE报文不间隔发送机制；
[0012]所述虚拟总线具体实现层，用于与实体电力自动化设备进行交互，以及提供虚拟元器件、报文转发与处理以及图形化显示与分析功能。
[0013]作为一种实施方案，所述网络物理层在PC机上配备与实体电力自动化设备对应的网络适配器。
[0014]作为一种实施方案，所述网络适配器包括CAN适配器、RS485适配器、RS422适配器和以太网适配器。
[0015]作为一种实施方案，所述网络硬件驱动层，具体如下:
[0016]用于在网络物理层基础上，实现网络适配器对应的驱动软件，使得PC机与实体电力自动化设备交换网络报文，实现信息互换。
[0017]作为一种实施方案，所述IEC61850报文数据层中实现报文格式的转换，具体如下:
[0018]将进入虚拟过程总线的报文格式全部统一成IEC61850报文，或将虚拟过程总线流向实体电力自动化设备的IEC61850报文格式转换成该实体电力自动化设备自定义的报文格式。
[0019]作为一种实施方案，所述虚拟元器件包括虚拟电力自动化设备和虚拟交换机，所述虚拟电力自动化设备包括用户自定义接口和系统内置接口两种实现方法，其中用户自定义接口根据用户需要编程实现所需的电力自动化设备功能，系统内置接口是事先编好程序内置在系统中的一些常规电力自动化设备功能，用户根据自身需要选择不同的功能的电力自动化设备直接进行调用；所述虚拟交换机用于模拟网络交换机，对于运行在虚拟总线具体实现层中的各种实体电力自动化设备和虚拟电力自动化设备，能实时地进行数据传输。
[0020]本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0021 ] 一种虚拟过程总线实验系统的实现方法，所述方法包括:
[0022]通过网络物理层实现PC机与实体电力自动化设备之间通信网络的物理连接；
[0023]通过网络硬件驱动层实现PC机与实体电力自动化设备之间的报文交换；
[0024]通过IEC61850报文数据层实现报文格式的转换以及实现GOOSE报文不间隔发送机制；
[0025]通过虚拟总线具体实现层与实体电力自动化设备进行交互，以及提供虚拟元器件、报文转发与处理以及图形化显示与分析功能。
[0026]作为一种实施方案，所述通过IEC61850报文数据层实现报文格式的转换以及实现GOOSE报文不间隔发送机制是IEC61850报文数据层以接收到报文为触发事件，分别对上行报文和下行报文进行对应的处理；
[0027]对于上行报文，即实体电力自动化设备发到虚拟过程总线的报文，具体处理如下:
[0028]a)若该报文为IEC61850报文，进入步骤c);否则，将该报文转换成IEC61850报文，进入步骤b);
[0029]b)若转换后的报文为GOOSE报文，则触发GOOSE “心跳”报文发送机制，进入步骤C)，否则，直接进入步骤c);
[0030]c)该报文进入虚拟总线具体实现层；
[0031]对于下行报文，即经虚拟过程总线流向实体电力自动化设备的报文，具体处理如下:
[0032]a)若报文接收设备遵循IEC61850标准，进入步骤d);否则，进入步骤b);
[0033]b)若该报文为GOOSE报文，则进入步骤c);否则，将该报文转换成接收设备自定义报文，进入步骤d);
[0034]c)若该报文为GOOSE同一系列的第一个报文，将该报文转换成接收设备自定义报文，进入步骤d);否则，直接丢弃该报文；
[0035]d)该报文进入网络硬件驱动层。
[0036]作为一种实施方案，所述通过虚拟总线具体实现层对报文转发与处理，具体如下:
[0037]a)报文进入虚拟过程总线；
[0038]b)将该报文存储到虚拟过程总线报文存储器；
[0039]c)根据进入虚拟过程总线的报文目的地址，判断报文的接收方，若接收方包含虚拟电力自动化设备，调用该虚拟电力自动化设备的报文处理程序，进入步骤d);否则，直接进入步骤d);
[0040]d)若接收方包含实体电力自动化设备，该报文进入IEC61850报文数据层，进入步骤e)，否则，直接进入步骤e);
[0041]e)对该报文进行图形化显示与分析。
[0042]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0043]1、本发明成本低:以软件方式实现过程总线实验系统，无需网络交换机等硬件成本和实际以太网布线等建设成本。
[0044]2本发明实现灵活度高:在虚拟过程总线基础上灵活扩展其他功能设备，可通过软件编程实现智能电子设备、合并单元和智能开关等各种电力设备的功能。
[0045]3、本发明具有良好的适应性和兼容性:遵循IEC61850标准的电力自动化设备经以太网接口，直接与虚拟过程总线进行报文交换；不遵循IEC61850标准的电力自动化设备通过对应的网络适配器接入到虚拟过程总线所在的PC机，将自定义的报文与IEC61850报文转换后，实现虚拟过程总线与电力自动化设备的信息交互。
[0046]4、本发明可以在PC上直观、生动地展示过程总线的报文流动情况，避免需要额外的过程总线报文记录仪等设备进行报文捕捉、记录和显示。
【附图说明】
[0047]图1为本发明实施例1的虚拟过程总线实验系统结构框图。
[0048]图2为本发明实施例1的虚拟过程总线实验系统中IEC61850报文数据层对上行报文的处理流程图。
[0049]图3为本发明实施例1的虚拟过程总线实验系统中IEC61850报文数据层对下行报文的处理流程图。
[0050]图4为本发明实施例1的虚拟过程总线实验系统中虚拟总线具体实现层的报文转发与处理流程图。
[0051]图5为本发明实施例1的虚拟过程总线实验系统中虚拟总线具体实现层的图形化显示图。
【具体实施方式】
[0052]实施例1:
[0053]虚拟过程总线功能主要包括:1)总线上报文的实现机制与图形化显示；2)连接到该总线的电力自动化设备的信息交互，电力自动化设备既可以是实体电力自动化设备，也可以是软件编程实现的虚拟电力自动化设备，而实体电力自动化设备，又包含遵循IEC61850标准的设备和不遵循IEC61850标准的传统设备。
[0054]本实施例的虚拟过程总线实验系统，在PC机上实现，并借鉴当前计算机系统的软件体系，充分利用第三方软件以减少编程难度和工作量，采用模块化的分层的设计思路实现过程总线及其相关设备的功能，如图1所示，包括网络物理层、网络硬件驱动层、IEC61850报文数据层以及虚拟总线具体实现层；根据实验系统需要，灵活采用上述所需的功能层，当有实体电力自动化设备接入虚拟总线系统时，需要用到网络物理层和网络硬件驱动层；如果所接入的实体电力自动化设备不遵循IEC61850标准时，需IEC61850报文数据层进行报文转换，当整个实验系统只采用虚拟电力自动化设备时，则可忽略网络物理层、网络硬件驱动层和IEC61850报文数据层这三个功能层，直接采用虚拟总线具体实现层。
[0055]所述网络物理层，用于实现PC机与实体电力自动化设备之间通信网络的物理连接；由于当前电力自动化设备存在CAN/RS485/RS422/以太网等多种网络类型，为了兼容不同的网络接口，使各种电力自动化设备能接入到虚拟总线系统，在PC机上配备对应与实体电力自动化设备的网络适配器(如CAN适配器、RS485适配器、RS422适配器、以太网适配器等)，利用PC机丰富的网络接口扩展功能实现对不同电力自动化设备硬件上的兼容。
[0056]所述网络硬件驱动层，用于实现PC机与实体电力自动化设备之间的报文交换；在网络物理层基础上，实现该通信网络接口对应的网络驱动软件，使得PC机与电力自动化设备交换网络报文，实现信息互换。
[0057]所述IEC61850报文数据层主要实现电力自动化设备中非IEC61850报文；IEC61850报文数据层具有良好兼容性，遵循IEC61850标准的电力自动化设备绕过该层，报文通过以太网口直接接入虚拟过程总线；不遵循IEC61850标准的电力自动化设备，经IEC61850报文数据层转换后生成遵循IEC61850标准的报文后，接入到虚拟过程总线。
[0058]从上述IEC61850报文数据层的内容可以看出，该层主要完成的功能有两个:一个是实现报文格式的转换，即将进入虚拟过程总线的报文格式全部统一成I