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1、应用于智能电网的IED通信模拟系统唐喜 任雁铭 王治民 晋阳珺 杜宇 孟岩(北京四方继保护自动化股份有限公司北京 100085)摘要：为了更好地对IEC61850客户端进行极限压力测试及网络负荷测试，同时对IED（智能电子设备，以下简称IED）通信行为进行模拟，提出了一种基于IEC61850的IED模拟系统及实现方法。系统以SCD（变电站配置描述，以下简称SCD）文件为信息源注入，虚拟出多个IED，为每个模型数据对象分配一个数据生成器，提供数据变化编辑接口，通过数据生成器产生状态序列，实时反馈到IEC61850数据库，通过IEC61850与站控层设备进行通信，从而实现全站IED模拟预演。提前暴
2、露变电站内互操作问题，详细了解变电站网络通信负荷情况。具有可操作性强、高效、配置灵活的特点。大大缩短IEC61850工程调试周期，促进IEC61850工程化实施、推广。关键词：IEC61850 服务器端 模拟系统数据生成器61. 引言国际电工委员会TC57在总结以前通信协议的基础上，制定了IEC618501通信标准。该通信标准通过对变电站自动化系统中的对象进行统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口（ACSI），增强了设备间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。该标准具备配置灵活、可靠性高、安全性强的特点，代表了变电站自动化技术未来的发展方向2。IEC61850
3、通讯协议技术广泛使用，在系统测试或者工程实施中，要完成相对完整的测试、调试，不仅需要客户端工具，还需要服务器端模拟测试工具。因此用户需要有一个专门的工具，以直观的方式模拟服务器端。站控层与间隔层基于模型进行互操作试验，传统作法是：各IED生产厂商提供各自的ICD（智能电子设备能力描述，以下简称ICD）模型，由系统集成商通过系统配置器生成CID（已配置的智能电子设备描述，以下简称CID）模型，再下传到IED内部，与站控层设备进行通信。实际工程中，需要通过测试仪模拟保护试验对IED进行外部输入，IED状态变化后，将信号上传到站控层，站控层将接收到的信号与IED本地信号作对比，人为判定IED通信行为
4、是否正确，也可以通过几次雪崩试验模拟多IED信号上送，简单了解一下网络负荷量及信号正确率。但这种作法有以下缺点：1) 不能对站控层客户端通信能力进行全面测试2) 各IED生产厂商提供的ICD模型只能通过实际对点试验才能校验其正确性3) 不能全面了解全站的网络通信负荷峰值基于以上几点不足，在实际工程实施中既带来不便，又存在通信隐患。因此，需要寻求一种方法来解决此问题。本文提出的基于IEC61850的IED模拟系统及方法，弥补了上述几点不足，可以进行全站IED对外通信行为模拟，对站控层设备进行全面测试，更好地利用IEC61850通信标准，缩短工程调试时间，这是在传统工程调试基础上对IEC61850
5、工程化推广所做的新的尝试。2. 概述基于IEC61850的IED模拟系统，应用于采用IEC61850通信的数字化变电站及传统变电站，其系统模型图如图1所示，系统由模拟器终端和模拟器控制台两部分组成，可以对站控层监控、远动、故障系统子站3、其它客户端工具进行测试。模拟器终端作为集中控制器，对站内所有IED进行人机交互，通过模拟器终端为模型配置数据生成器，通过网络套接字SOCKET与模拟器控制台进行通信4,5；模拟器控制台作为分布式控制器，每个控制台担当模拟一个IED角色，根据模拟器终端传递的数据生成器内容刷新IEC61850数据库，实时与站控层交互通信。图 1系统模型图Fig 1 The dia
6、gram of system model3. 功能描述实际的IED功能模拟包括MMS和GOOSE两部分，其中MMS包括遥信、遥测、遥控、定值、录波6。对于遥信、遥测、定值上送只需要根据模型数据属性判断数据生成器需要填充的数据类型，数据内容由使用者编辑；遥控的处理由模拟器终端提供遥控过程应答接口，也可以由系统默认自动处理；录波的上送由模拟器终端提供文件选择对话框，选择指定的文件后，通知模拟器控制台通过FTP进行录波传递过程的模拟；GOOSE的处理包括GOOSE输入、GOOSE输出，由模拟器终端提供GOOSE接口端子，由使用者进行连线映射，生成GOOSE连线报表，完成后，为每个GOOSE输入、输出
7、节点均配置一个数据生成器，虚拟GOOSE参数设置，形成GOOSE虚拟报文，通过模拟器控制台进行GOOSE通信。模拟器终端具备自动批处理功能，数据生成器可以自动生成状态序列文件，无需编辑，使用者可以进行一健化操作，即选择SCD模型后，下达系统启动命令，IED模拟系统即自动运行。模拟器控制台负责统计IED模拟器运行工况信息并上送到模拟器终端，由模拟器终端将IED运行工况信息实时显示并生成报表，供使用者了解全站模拟运行情况。4. 系统设计在图2给出了基于IEC61850的IED模拟系统的层次示意图，系统以SCD模型为信息源输入，模拟器终端加载SCD模型并解析，分解出IED需要的CID模型文件，以树状
8、图及列表形式进行人机交互，为每个模型数据对象分配一个数据生成器，通过数据生成器产生状态序列，并下传到模拟器控制台；模拟器控制台加载模拟器终端分解出的CID模型并解析，创建IEC61850数据库，有序组织IEC61850模型引用路径信息，根据数据生成器对应的模型引用路径寻址IEC61850数据库，实时刷新IEC61850数据库状态，通过IEC61850与站控层交互通信，从而完成IED服务器端的模拟。图 2系统层次示意图Fig 2 The layer diagram of system5. 模拟器终端设计模拟器终端设计流程如图3所示，模拟器终端启动后，进行系统初始化工作，当使用者下达“读取模型”指
9、令后，模拟器终端加载指定的模型文件，进行解析，根据解析结果，建立虚拟IED数据库，存放模型引用路径及数据7；同时开启模拟器控制台服务程序，并通知其需要解析的模型文件路径；模拟器终端将解析完的模型分别以树状图形式及列表形式显示在人机交互界面上，供使用者查看；模拟器终端为每个模型叶子节点建立数据生成器；在确保模型引用路径及数据生成器均有效的前提下，创建与模拟器控制台的通信线程，此通信线程负责实时监视、解析控制台请求消息，并根据数据生成器内容实时刷新IED数据库，确保模拟器终端与控制台数据同步；当使用者下达停止命令时，模拟器终端释放资源，停止模拟数据。模拟器终端是基于IEC61850 IED模拟系统
10、的数据注入部分，具体包括三部分内容：一是SCD模型解析；二是数据生成器；三是与模拟器控制台通信、调度。下面分别就这几部分内容的实现加以说明。图 3模拟器终端设计流程图Fig 3 The flowchart of simulation terminal design5.1. SCD模型解析模拟器终端的模型解析模块采用面向对象技术，对IEC61850功能进行封装，简化XML文件操作。为后续模型节点检索作好准备。如果系统输入的是SCD模型，模型器终端需要将SCD模型内多个IED分解为各自的CID模型，以供模拟器控制台使用。模拟器终端将解析好的模型一方面以树状图结构显示，另一方面以平面列表的形式显示，
11、根据逻辑节点功能约束对模型信息进行分类显示，同时记录每个模型引用路径及对应的描述，为数据生成器设置做准备。5.2. 数据生成器模拟器终端为每个模型数据对象分配一个数据生成器，数据生成器采用脚本语言描述，以中间件形式提供，可以动态加载、创建；提供数据生成器内容编辑的人机交互接口8，可以编辑模型数据对象的状态序列，与模型引用路径一同存储在虚拟数据库，以模型引用路径为检索依据；数据生成器的编辑记录通过XML序列化的方式存储管理，方便历史查询。 5.3. 与模拟器控制台通信、调度模拟器终端根据解析出的SCD模型判断需要虚拟IED的数目，如果是存在多个虚拟IED，则需要开辟多个模拟器控制台进程，对虚拟I
12、ED采用进程池技术进行调度管理，根据运行状况可以随时开启、关闭虚拟IED。同时模拟器终端需要实时反映数据生成器对虚拟数据库内容作的更改，通过网络套接字SOCKET方式与模拟器控制台进行通信，将虚拟数据库内容反馈到模拟器控制台的IEC61850数据库，通知模拟器控制台进行状态变化处理。6. 模拟器控制台设计模拟器控制台设计流程如图4所示，模拟器控制台启动后，进行系统初始化工作，自动检索有效的模型文件并解析，创建IEC61850实时数据库并记忆模型引用路径叶子节点路径；同时创建模拟器终端虚拟数据库；在确保上述两个数据库有效的前提下创建IEC61850通信线程及与模拟器终端通信线程；其中，IEC61
13、850通信线程主要完成与站控层通信工作，实时监视客户端请求并将IEC61850实时库状态反映到站控层；模拟器终端线程主要负责与模拟器终端的通信工作，实时监视并处理模拟器终端报文请求，如实地将模拟器终端对模型的状态设置反馈到IEC61850实时数据库。当模拟器终端下达退出指令后，模拟器控制台关闭所有线程，释放申请的内存，退出运行。模拟器控制台是基于IEC61850IED模拟系统的内核通信部分，具体包括三部分内容：一是CID模型解析并创建IEC61850数据库；二是同步数据生成器与IEC61850数据库；三是与站控层通信。下面分别就这几部分内容的实现加以说明。6.1. CID模型解析模拟器控制台启
14、动后，自动检索有效的CID模型，搜索到有效的模型文件后，开始解析模型，将树状模型结构映射SCL信息结构体，解析数据类型模板，开辟内存空间，创建逻辑设备、逻辑节点、报告控制块信息体，初始化报告实例，生成模型叶子节点数组，创建IEC61850数据库，有序组织模型引用路径节点及数据信息，通过模型引用路径提供寻址IEC61850数据库依据，成功后，即进入模型解析完成状态。6.2. 数据同步模拟器控制台单独开辟了网络套接字SOCKET通信线程，负责监视模拟器终端传递的数据生成器信息，当接收到新的数据生成器信息报文后，模拟器控制台进行报文解析处理，提取出模型引用路径信息和数据信息，根据模型引用路径寻址IE
15、C61850数据库，寻址有效后，将数据生成器内容反馈到IEC61850数据库，同时产生数据变更有效消息，使模拟器控制台进行IEC61850通信状态。6.3. 与站控层通信模拟器控制台对于站控层的IEC61850客户端采用线程池技术进行管理，可以同时进行多个客户端连接，当有新的客户端连接请求成功后，单独开辟线程并分配内存进行处理。模拟器控制台收到IEC61850数据库数据变更有效消息后，实时上送给当前连接有效的客户端，与站控层交互通信。当客户端发出断开连接请求后，模拟器控制台关闭线程，并释放已经申请的内存。图 4模拟器控制台设计流程图Fig 4 The flowchart of simulati
16、on console design7. 仿真效果系统采用2台PC机，模拟一个220KV变电站内所有IED运行，对站控层监控、远动、故障信息子站进行测试9,10，模拟雪崩试验，让所有IED均对功能约束为ST的遥信进行同时变位，出色的测试出客户端处理速度、处理能力，以及数据库容量，对网络最大运行负荷进行了评估，同时也检测出多个IED模型不符合建模规范，最终形成测试报告，供站内运行人员参考，作为变电站实际运行、调试的参考依据。8. 结语本文在分析现有对IEC61850客户端检测手段不足的情况下，提出了基于IEC61850的IED模拟系统及方法。具有简洁、高效的特点，可实现全站IED通信行为模拟预演。目前，国内外IED厂商尚未有此类检测系统。仿真试验发现，采有该系统可以对变电站系统内通信行为进
