CN102590661B - 基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法 - Google Patents

基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法 Download PDF

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Abstract

一种基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法，该方法用一台笔记本通过网络控制多台子机，每台子机和被测IED装置相连，组网形成一个分布式测试系统；每个子机实时收集、发送、分析处理被测IED的数据，并实时发送到主机上；主机根据用户参数和子机信息进行数据处理，并实时发送控制信息，整个系统利用多个子机完成负责系统的闭环测试。本发明方法实现了现场多装置和整站的系统级仿真测试功能，解决了在Windows非实时系统中网络分布式测试系统测试的高速实时性，使分布式计算成为可能；它使实时动态仿真技术能成功运用在复杂的现场；解决了现场多个相距很远的智能装置同时测试的功能。本发明适用于基于网络的智能变电站现场测试。

Description

基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法
技术领域    
本发明涉及一种基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法，属智能变电站测试技术领域。
背景技术    
随着IEC61850技术在变电站的成功应用，对智能变电站的测试工作变得越来越重要。对于一个变电站，对其整体功能的测试，特别是在变电站现场的系统测试是很有必要的，这对变电站的日常运营和维护能起到重要作用。因此越来越多的测试仪和仿真装置进入了智能装置测试领域。
目前使用的智能变电站现场普通继电保护测试装置只能进行单装置的测试，不具备对多个设备的整体功能测试能力，特别是不能对现场在不同位置的多个智能装置IED进行实时同时测试，不具备对多个设备的整体功能测试能力。
一般测试方法采用单个子机和IED装置的测试，其原理如图2所示，一台测试仪只能测试相邻的一到两台IED装置，仅能进行简单的性能测试；要进行多台IED测试只能相互独立，用测试仪一台IED、一台IED测试，根本没有关联，无法测试其相互动态特性。
即使有的测试仪也采用笔记本加测试仪的布局方式，其结构如图3所示，但其笔记本和测试仪是一体的，其网络连接采用了点对点模式，一台笔记本对应一台测试仪，不是组网模式。这种测试采用笔记本主要是方便用户使用，不是测试方法的改变。
而大型的仿真测试装置如RTDS等，体积大，测试成本高，根本不适合现场使用，只能使用在实验室中，对智能变电站的日常维护没有作用，而且测试工作非常繁琐，工作量大。
以上这些测试系统都是基于一个集成式的测试方法，即所有测试系统全是基于一个整体平台，即主要计算部分全集中在一起。例如普通测试仪就是一个测试机箱；RTDS装置全部集中在一个或几个相邻的机柜中。
因此对于智能变电站，越来越需要一种能在现场方便使用的新的系统级测试方法。
发明内容
本发明的目的是，利用网络连接发明一种低成本的能符合实际测试现场要求的分布式系统级测试方法，能在环境复杂的变电站现场实现对整站或多个关联智能设备的整体动态测试。本发明测试方法主要是解决在现场或实验室对多台关联的变电站智能设备（IED）进行动态测试，采用联网方式对多个设备进行检测。
本发明的技术方案是，本发明测试方法，是用一台笔记本通过网络控制多台子机（测试装置），每台子机和被测IED装置相连，组网形成一个分布式测试系统；每个子机实时收集、发送、分析处理被测IED的数据，并实时发送到主机上；主机根据用户参数和子机信息进行数据处理，并实时发送控制信息，整个系统利用多个子机完成负责系统的闭环测试；可以组合主机和多个子机完成变电站现场的系统级测试。本测试方法的原理如图1所示。
本发明测试方法采用的智能测试系统主要包含三个部分：
（1）主机
采用笔记本电脑，主要负责人机界面、控制、数据分析等，在系统中只有一台；
（2）交换机
普通的程控交换机，具体型号和系统的规模有关；
（3）子机
子机和实际被测IED直接相连；在系统中的数目与被测试IED数目有关，一般一台子机配一个或两个被测IED。
本发明测试方法在网络通讯程序中，为保证其数据通讯的实时运行，设计了新的底层实时网络通信程序，使用的底层实时网络通信程序采用了内核模式下的TDI技术。
本发明方法测试方法在系统分布式处理流程中，通过把复杂的数学模型解耦分解，变成简单的子模型，分散到各个子机中，各个子机直接和被测试智能装置连接；各个子机把数据和信息通过网络实时高速传递给主机，主机分析后把参数和变量值发送给相关子机，子机结合参数和被测智能装置的状态改变输出，完成一个完整的测试过程。
由于本发明采用分布式处理方式，为解决各子机间的相互间影响，在本发明测试方法中对数据模型作以下处理：
如果和子机相连的智能装置的动作仅仅影响该子机的数据模型则可以在子机中直接处理，对主机和其他子机的影响可以通过正常的数据交换来实现。
如果智能装置的动作不仅仅影响到关联的子机，也要影响其他子机时，采取先将信息发送给主机，主机根据情况修改参数，把参数发送给相关子机。例如在仿真模型中，断路器往往通过改变阻抗值来模型断路器工作，在本方法中主机传送给相关子机的就是断路器阻值，而不是一大堆数学模型或数据，由子机自己根据阻值来计算。这样大大减少了各子机的数据流，加强解耦性。
本测试方法改变了常规方式的集中输出的布局特点，由于采用交换机和主机、子机模式，可以灵活改变子机位置，很方便在每个或每套被测IED装置附近布置一个子机，很方便变电站现场使用。
本测试方法采用分布式组网模式，各个子机可以组合成一个测试整体，可以形成一个强大的测试平台，可以完成一般测试仪无法完成的功能，如复杂的闭环动态测试；而一些系统级的测试功能等原本只能在大型测试系统上且只能在实验室完成的功能，通过本测试方法也能使其应用在现场。
组合主机和多个子机完成变电站现场的系统级测试，是通过网络，根据现场变电站的实际情况，实现整个变电站的现场系统级测试。
由于采用组网模式，可以实现一些对GOOSE网和站控层通讯和协议方面的测试功能，这是一般测试仪和大型测试系统所不具备的。
在本测试方法中，各个主机及子机间的数据交换有很高的实时性要求。各子机接受到智能装置的GOOSE信息会解译成带时标的接点信息发送到主机中，主机根据各子机的接点信息来改变各个子机中的参数及改变时标，子机根据参数、时标的改变来实现输出的改变。这样主机、子机间的通讯量大大减少，结合TDI通讯技术，实现了数据交换的高速实时性。
本测试方法基于网络交换机，布线成熟、可靠、简单，便于检查和布线；而测试装置与被测试IED距离比较近，利于现场人员接线；而一般现场使用的测试仪根本不具有多装置测试功能，每次测试只能一个一个测试，每次测试都要换线；大型测试装置例如RTDS等必须使用在实验室中，其接线比较麻烦，很容易出错，检查也很不方便。
本测试方法采用分布式布局，可以根据系统要求任意改变测试位置和测试装置数目，具有很强的灵活性；一般测试仪只能测试一台或相邻的两台IED装置，如果要测试的装置距离较远，无法测试，谈不上灵活性；大型测试装置由于分布是固定的，移动很不方便，只能被测IED迁就测试系统，灵活性很差。
由于本发明采用分布方式，把系统的计算分布到多个测试装置中，可以把复杂的计算任务分解，大大减低了每个子机的计算难度和硬件要求，每个子机的硬件成本大大降低和体积变小；一般的测试仪虽然硬件简单、体积小，但功能单一，不能完成很多实验，而且一般测试仪的价格并不便宜；而本方法使用的测试子机可以单独使用，完成一般测试仪的功能，成本要低得多；大型的测试装置其体积和成本非常高昂，只能使用在实验室中，本测试方法能使测试系统使用在现场和实验室中，其测试成本非常低廉。 
本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明测试方法实现了现场多装置和整站的系统级仿真测试功能，它解决了在Windows非实时系统中网络分布式测试系统测试的高速实时性，使分布式计算成为可能；它使实时动态仿真技术能成功运用在复杂的现场，并大大降低了测试成本；它解决了现场多个相距很远的智能装置同时测试的问题。
    本发明适用于智能变电站现场系统测试和实验室系统测试。
附图说明    
图1为本发明测试方法的原理图；
图2为已有技术一般采用的单个子机和IED装置的测试原理图；
图3为已有技术采用笔记本加测试仪的布局测试结构图；
图4为传输协议栈；
图5为本发明主机系统程序的结构图；
图6为本发明数据通讯程序中内核中数据通讯程序与TDI的接口示意图；
图7为数据通讯程序与TDI的连接示意图；
图8为数据包的发送示意图；
图9为数据包的接收示意图；
图10为系统分布式处理流程框图。
具体实施方式   
本发明具体实施方式如图1所示。
本发明实施采用的智能测试系统主要包含主机、交换机和子机。主机采用笔记本电脑，主要负责人机界面、控制、数据分析等，在系统中只有一台；交换机为普通程控交换机；子机为具体测试装置，它和具体的被测IED相连；在本实施例系统中为一台子机配两个被测IED。
本实施例具体测试方法采用联网分布方式，多个测试子机间的测试数据必须实时收集，分析和并行处理，保证数据通信严格的实时性和可靠性；系统采用分布式处理，进行分配和实现实时计算。
1、底层实时网络数据通讯程序的建立
在现场测试环境中，一般使用笔记本电脑和Windows系统。Windows系统是多任务抢先调度方式，普通的网络通讯程序易受到其他程序和系统的影响，无法保证网络通信的实时运行，为保证其数据通讯的实时运行，本发明设计了新的底层实时网络通信程序。       
Windows系统的传送驱动程序负责实现特定的网络协议，例如TCP/IP等，而传送驱动程序通过传送驱动程序接口（Transport Driver Interface - TDI）为内核模式网络客户程序提供服务。TDI 定义在传输协议栈中较高级别公开的内核模式网络接口，图4传输协议栈显示了一个示例，TDI应用程序通过TDI接口和具体的网卡驱动程序（NIC）连接。
本测试方法中使用的底层实时网络通信程序是编写内核模式下的TDI程序，具有以下优点：
（1）更强的硬件兼容性：由于底层实时网络通信程序不关心网卡驱动（NIC drivers）的细节问题，更换网卡不会影响程序的使用，也就是我们的测试程序可以在任何笔记本电脑和Windows系统下运行；而其他一些实时操作系统，例如RTX系统，它只支持几种有限的网卡，程序不具有通用性。
（2）良好的实时性和可靠性：由于系统运行在操作系统的核心层，能有效保证网络通讯的优先处理，在Windows系统中充分保证了实时性和可靠性。
主机系统程序流程的结构如图5所示。主机中应用程序主要负责人机界面和参数计算，这运行在用户层；实时计算和数据通讯运行于内核层。数据通讯程序通过TDI与NIC（网卡驱动）实时交换网络上的数据，也就是各个子机的数据，并反馈到实时计算中，实现主机和子机的数据互动，实现整个系统的测试功能。
内核中数据通讯程序与TDI的接口如图6所示。数据通讯程序与TDI的连接在通讯前，必须要配置IP地址和端口，并和子机建立连接。调用内核函数ZwCreateFile来创建或打开网络地址和端口，建立文件对象，用于进行有连接或无连接的网络通讯。数据通讯程序与TDI的连接如图7所示。
建立了网络地址和端口文件对象后，就可以发送数据包，注册数据报接收的回调函数并接收数据包等。
发送数据包如图8所示，先调用 TdiBuildInternalDeviceControlIrp构造一个Irp，然后将构造好的Irp传递给 TdiBuildSendDatagram，并调用IoCallDeiver将Irp传送给 Tdi Driver，向网络发送数据包。
接收数据包如图9所示。数据包的接收有两种模式，一是像发送数据包一样接收命令TdiBuildReceiveDatagram，但一次只能接收一次数据；第二种方式是注册一个网络事件处理函数，当该地址有数据到达时，驱动程序调用该处理函数，并将数据包传递上来。
调用 ZwClose 可以对网络进行必要的清除工作，保证驱动程序能正确退出，和各子机的正确退出。
2、测试系统分布式处理方法
系统通过把计算分配到各个子机中，完成很多单个测试装置不能完成的计算和测试功能。但分布式处理必须要正确处理好子机和主机的数据分配和交换问题，除了交换的正确性和高速，必须要考虑到其计算的合理性和效率性，即既能充分利用各个子机的计算处理能力，又不能影响实际结果的正确性。
图10是本发明实施例系统分布式处理流程框图。本方法通过把复杂的数学模型解耦分解，变成简单的子模型，分散到各个子机中，各个子机直接和被测试智能装置连接。各个子机把数据和信息通过网络实时高速传递给主机，主机分析后把参数和变量值发送给子机，子机结合参数和被测智能装置的状态改变输出。这样就完成了一个完整的测试过程。
在本测试方法中，各个主机及子机间的数据交换有很高的实时性要求。各子机接受到智能装置的GOOSE信息会解译成带时标的接点信息发送到主机中，主机根据各子机的接点信息来改变各个子机中的参数及改变时标，子机根据参数、时标的改变来实现输出的改变。这样主机、子机间的通讯量大大减少，结合TDI通讯技术，实现了数据交换的高速实时性。

Claims (4)

1.一种基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法，其特征在于，所述方法用一台笔记本通过网络控制多台子机，每台子机和被测IED装置相连，组网形成一个分布式测试系统；每个子机实时收集、发送、分析处理被测IED的数据，并实时发送到主机上；主机根据用户参数和子机信息进行数据处理，并实时发送控制信息，整个系统利用多个子机完成负责系统的闭环测试；可以组合主机和多个子机完成变电站现场的系统级测试；
所述分布式测试系统的分布式处理流程中，通过把复杂的数学模型解耦分解，变成简单的子模型，分散到各个子机中，各个子机直接和被测试智能装置连接；各个子机把数据和信息通过网络实时高速传递给主机，主机分析后把参数和变量值发送给子机，子机结合参数和被测智能装置的状态改变输出，完成一个完整的测试过程。
2.根据权利要求1所述的基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法，其特征在于，所述方法对数据模型作以下处理：
如果和子机相连的智能装置的动作仅仅影响该子机的数据模型则可以在子机中直接处理，对主机和其他子机的影响可以通过正常的数据交换来实现；
如果智能装置的动作不仅仅影响到关联的子机，也要影响其他子机时，采取先将信息发送给主机，主机根据情况修改参数，把参数发送给相关子机。
3.根据权利要求1所述的基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法，其特征在于，所述方法中，各子机接受到智能装置的GOOSE信息会解译成带时标的接点信息发送到主机中，主机根据各子机的接点信息来改变各个子机中的参数及改变时标，子机根据参数、时标的改变来实现输出的改变；这样主机、子机间的通讯量大大减少，结合TDI通讯技术，实现了数据交换的高速实时性。
4.根据权利要求1所述的基于网络的智能变电站现场分布式智能测试方法，其特征在于，所述组合主机和多个子机完成变电站现场的系统级测试，是通过网络，根据现场变电站的实际情况，实现整个变电站的现场系统级测试。
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