CN103616592A - 一种基于iec61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，包括上位机、电力系统实时数字仿真器、被测试数字化继电保护设备和数据接口。本发明针对目前RTDS中IEC61850模块与国内数字化继电保护设备报文数据格式不一致的问题，利用高通信精度芯片并结合Verilog程序设计，开发出了能够完成数据采集、数据交换、数据处理的基于RTDS的数字化继电保护设备的测试接口，与RTDS、上位机以及被测试的数字化继电保护设备共同组成了基于IEC61850的继电保护数字动态模拟试验系统，通过天津电网内某智能变电站内220kV线路数字化保护装置的闭环测试研究及试验，发现本发明完全满足工程实际需要。

Description

一种基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统

技术领域

本发明属于电力领域，涉及电力系统实时数字仿真试验，尤其是一种基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统。

背景技术

随着计算机网络、光纤技术的发展，以电子式互感器为基础并基于IEC61850标准的数字化变电站技术开始应用于电力系统，随之，保护装置也随之发生变化，新型数字化保护应运而生。在数字化变电站中，继电保护及其它二次装置的输入信号不再是传统的模拟量信号，而是利用电子式互感器及合并单元直接获取的数字量信号，然后通过以太网交换机发送至继电保护等二次装置。传统的保护测试装置和测试方法已不能满足现有的测试需求，尤其是对数字保护通信性能方面的测试，而这又是数字化保护测试的重点之一。

目前，已有很多保护厂商都推出了具有各种测试功能的保护测试仪，但保护测试仪通常为静态测试，且测试目标为单一保护，一般不进行多个保护联动的测试。RTDS数字仿真装置是由加拿大Manitoba高压直流(HVDC)研究中心开发的专门用于实时电力系统研究的数字动模系统，利用其搭建的测试系统可对保护进行动态实时闭环测试，测试结果相对保护测试仪更加符合实际的电力系统运行状态。由于国内各个保护生产厂家对IEC61850的理解都不尽相同，其设备的数据格式也都不相同，因此，需要设计开发符合特定数字接口的规约转换装置以保证数据可以在RTDS（实时数字仿真器）仿真系统和智能设备之间进行交换，并在此基础上构成基于IEC61850的继电保护数字动态模拟试验系统。

通过检索，尚未发现与本发明申请相同的公开专利文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能够完成数据采集、数据交换、数据处理的基于RTDS的数字化继电保护设备的测试接口，与RTDS、上位机以及被测试的数字化继电保护设备共同组成的基于IEC61850的继电保护数字动态模拟试验系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，包括上位机、电力系统实时数字仿真器、被测试数字化继电保护设备和数据接口，上位机通过符合TCP/IP协议的报文实现与数据接口的通信；电力系统实时数字仿真器将各节点电压、电流信息以符合IEC61850标准的SV数据报文通过RTDS的光模块输出，同时电力系统实时数字仿真器以符合IEC61850标准的GOOSE数据报文实现与被测设备的跳闸控制信号双向传输；被测试数字化继电保护设备用于响应RTDS以及数据接口的动态行为，通过由数据接口输出的SV报文实时分析计算一次侧采样数据，实现对一次侧系统监控，并接收来自电力系统实时数字仿真器、通过数据接口中转的反映断路器状态的GOOSE报文，并根据系统状态，在一次故障情况下通过数据接口中转，向电力系统实时数字仿真器发送包含断路器跳、合闸命令的GOOSE报文；数据接口作为RTDS与数字化继电保护设备的连接桥梁，进行SV报文和GOOSE报文的转换处理，以实现RTDS与被测设备的数据通信，在规约转换的同时，通过对报文具体字段的修改、对报文收发的控制实现常见通信故障的模拟仿真。

而且，所述数据接口上级与RTDS连接，将RTDS仿真模拟输出的数字信号通过规约转换环节、通信故障发生环节处理后，将符合IEC618509-1或9-2规约的报文发送给被测试数字化继电保护设备，规约转换模块主要由以太网模块和微控制单元构成。

而且，所述以太网模块选择了基于Socket模式、能够分别控制不同层协议的W5100芯片，并采用光模块SFP来作为光纤收发器。

而且，所述上位机采用型号为LenovoR60的PC机。

而且，所述电力系统实时数字仿真器由加拿大Manitoba高压直流(HVDC)研究中心开发，其型号为06IP-088CA。

而且，所述被测试数字化继电保护设备选用江苏金智科技股份有限公司研发的iPACS-5931DA(B)型超高压输电线路成套保护装置。

本发明的优点和积极效果是：

本发明针对目前RTDS中IEC61850模块与国内数字化继电保护设备报文数据格式不一致的问题，利用高通信精度芯片并结合Verilog程序设计，开发出了能够完成数据采集、数据交换、数据处理的基于RTDS的数字化继电保护设备的测试接口，与RTDS、上位机以及被测试的数字化继电保护设备共同组成了基于IEC61850的继电保护数字动态模拟试验系统，通过天津电网内某智能变电站内220kV线路数字化保护装置的闭环测试研究及试验，发现本发明完全满足工程实际需要。

附图说明

图1为本发明的系统控制方框图；

图2为本发明的数据接口设计方框图；

图3为本发明的以太网模块结构方框图；

图4为本发明的基于流水线形式的报文处理流程图。

具体实施方式：

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，包括上位机、电力系统实时数字仿真器（RTDS）、被测试数字化继电保护设备和数据接口，如图1所示。其中：

1、上位机是本发明的控制系统和监视系统，采用型号为LenovoR60的PC机，通过符合TCP/IP协议的报文实现与数据接口的通信，其主要功能是实时监控本发明的基于IEC61850的继电保护数字动态模拟试验系统的运行情况。

2、电力系统实时数字仿真器（RTDS）作为本发明的仿真计算系统，由加拿大Manitoba高压直流(HVDC)研究中心开发，其型号为06IP-088CA，主要进行系统建模，并将各节点电压、电流信息以符合IEC61850标准的SV数据报文通过RTDS的光模块输出；同时RTDS还以符合IEC61850标准的GOOSE数据报文实现与被测设备的跳闸控制信号双向传输。

3、被测试数字化继电保护设备作为本发明的测试终端，用于响应RTDS以及数据接口的动态行为，通过由数据接口输出的SV报文实时分析计算一次侧采样数据，实现对一次侧系统监控；接收来自RTDS、通过数据接口中转的反映断路器状态的GOOSE报文，并根据系统状态，在一次故障情况下通过数据接口中转，向RTDS发送包含断路器跳、合闸命令的GOOSE报文。该设备选用江苏金智科技股份有限公司研发的iPACS-5931DA(B)型超高压输电线路成套保护装置。

4、数据接口是本发明的通信协议转换系统及故障设置系统，也是本发明的核心技术，作为RTDS与数字化继电保护设备的连接桥梁，主要进行SV报文和GOOSE报文的转换处理，以实现RTDS与被测设备的数据通信；在规约转换的同时，通过对报文具体字段的修改、对报文收发的控制实现常见通信故障的模拟仿真。

数据接口作为规约转换的功能模块，主要实现将RTDS仿真系统的输出信号转换为符合IEC61850标准的且各二次设备能够识别的数据报文。具体来说，数据接口上级与RTDS连接，将RTDS仿真模拟输出的数字信号通过规约转换环节、通信故障发生环节处理后，将符合IEC618509-1或9-2规约的报文发送给被测试数字化继电保护设备，规约转换模块主要由以太网模块和微控制单元（MCU）构成。

基于IEC61850标准的通信架构均映射到以太网上，所以选择性能良好的以太网模块对系统正常运行至关重要。由于IEC61850标准中通信服务涉及到了多种不同协议栈，例如采样值报文需要在MAC层上来编程实现，而与上位机之间的通信则需要在传输层上基于TCP/IP协议来编程实现。考虑到上述要求，以太网模块选择了基于Socket模式、能够分别控制不同层协议的W5100芯片，并采用光模块SFP来作为光纤收发器。

充分考虑系统对芯片资源的具体需求以及成本的问题，本发明选择了型号为EP3C25Q240C8塑料方块平面封装的FPGA控制芯片，如图2所示，该芯片共有约24k个逻辑单元、240个管脚（其中含149个IO数据口）、66个18位内嵌乘法器、4个PLL以及594KB的总RAM容量。强大的芯片资源使得FPGA能够作为本系统理想的设备微处理器，其在工作时既保证了数据高速运算而且提供了大规模的存储的空间。这样就避免了采用ARM芯片等普通处理器时，还额外需要增加FLASH和RAM等存储芯片带来的成本问题，同时也提高了运算速率。

为了方便程序调试，在PCB板上增加了8个led数码管。考虑到在5个w5100以太网同时工作的情况下，电源模块可能会同时对5个w5100和FPGA同时供电，需要提供较大的电流，因此选择AMS1085CM-3.3型电源模块为PCB板供电，其输出电流可达3A。

本发明的软件设计：

本系统采用硬件描述语言Verilog作为基本编程语言，结合自带的宏功能模块，以Quartus软件作为开发平台，完成对过程层设备的开发。Verilog基于硬件设计思路，顶层文件将以太网模块、上位机通信模块、接收报文模块、发送报文模块、报文转换配置模块、通信故障控制模块、报文修改模块连接起来。各模块的主要功能如下：

①以太网模块：根据W5100芯片手册的要求，实现FPGA与W5100模块之间的数据通信。

②上位机通信模：实现下位机与上位机之间的通信，接收上位机的命令并上传当前的状态。

③接收、发送报文模块：实现过程层报文的接收与发送，作为整个报文处理过程的始端和末端。

④报文转换配置模块：根据上位机对报文的转换需求配置报文修改模块。

⑤通信故障控制模块：根据上位机的设定，控制各种通信故障仿真的实现。

⑥报文修改模块：根据报文转换配置模块以及通信故障控制模块的设定修改、重组报文。

由于装置的数据接收通路与发送通路的传输媒体介质相同，而且所接收的报文已通过交换机的帧校验环节，无需再进行多次校验，因此，报文在装置中可采用流水线形式的处理方式，大大缩短了报文处理的时间。报文处理流程如图4所示。

报文修改模块：作为装置对报文的最直接、最底层操作，是故障仿真装置众多功能的实现基础。该模块为报文里的每个字节分配一段存储空间，用于保存上层模块对数据的修改请求。当以太网接收模块接收到目标字节时，报文修改模块将读取对应的存储空间，若存储空间里数据为0，则该字节将不处理然后直接写入以太网发送模块，若不为0，则根据代码所对应的修改请求，对数据进行处理后再写入以太网发送模块。

报文转换开始前，首先由上位机读入采样报文，根据双方报文标准差异通过报文转换配置模块配置报文修改模块，再将涉及序号偏差测试、失步测试、错值测试、品质测试的字段位置通知通信故障控制模块，为故障仿真进行初始化。配置完毕后，装置读入接收报文，报文物理地址字段主要用于识别是否目标报文，若不是则闭锁报文修改模块，其后所接收的报文数据将不作处理直接转发，直至下一个报文到来之时再做判断决定。若是目标报文，报文修改模块将按要求逐字转换报文后再写入发送程序。

通信故障测试：

㈠丢帧测试：可设置每隔一定数目的帧中随机丢失若干帧，再根据丢帧操作，可在数字保护上观察采样电压值电流值的变化，若丢帧数太多，波形是否完全失真，保护是否会误动作。

㈡序号偏差测试：可将SMV报文中的samplecount一项向前或向后变化若干个数值。也就是说，如果序号向前偏差，将造成一些SMV报文的重合，向后偏差，将造成采样报文中间的若干断层。

㈢失步测试：可设置每隔一定数目的帧中，将随机若干帧的同步标志字段置为失步。

㈣品质测试：可设置每隔一定数目的帧中，将随机若干帧的Sample中每一路的4字节的品质设为“0x00000001”，表示无效。

㈤错值测试：可设置每隔一定数目的帧中，将随机若干帧的采样数值放大设定的倍数。

Claims (6)

1.一种基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，包括上位机、电力系统实时数字仿真器、被测试数字化继电保护设备和数据接口，上位机通过符合TCP/IP协议的报文实现与数据接口的通信；电力系统实时数字仿真器将各节点电压、电流信息以符合IEC61850标准的SV数据报文通过RTDS的光模块输出，同时电力系统实时数字仿真器以符合IEC61850标准的GOOSE数据报文实现与被测设备的跳闸控制信号双向传输；被测试数字化继电保护设备用于响应RTDS以及数据接口的动态行为，通过由数据接口输出的SV报文实时分析计算一次侧采样数据，实现对一次侧系统监控，并接收来自电力系统实时数字仿真器、通过数据接口中转的反映断路器状态的GOOSE报文，并根据系统状态，在一次故障情况下通过数据接口中转，向电力系统实时数字仿真器发送包含断路器跳、合闸命令的GOOSE报文；数据接口作为RTDS与数字化继电保护设备的连接桥梁，进行SV报文和GOOSE报文的转换处理，以实现RTDS与被测设备的数据通信，在规约转换的同时，通过对报文具体字段的修改、对报文收发的控制实现常见通信故障的模拟仿真。

2.根据权利要求1所述的基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，其特征在于：所述数据接口上级与RTDS连接，将RTDS仿真模拟输出的数字信号通过规约转换环节、通信故障发生环节处理后，将符合IEC618509-1或9-2规约的报文发送给被测试数字化继电保护设备，规约转换模块主要由以太网模块和微控制单元构成。

3.根据权利要求2所述的基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，其特征在于：所述以太网模块选择了基于Socket模式、能够分别控制不同层协议的W5100芯片，并采用光模块SFP来作为光纤收发器。

4.根据权利要求1所述的基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，其特征在于：所述上位机采用型号为LenovoR60的PC机。

5.根据权利要求1所述的基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，其特征在于：所述电力系统实时数字仿真器由加拿大Manitoba高压直流(HVDC)研究中心开发，其型号为06IP-088CA。

6.根据权利要求1所述的基于IEC61850的继电保护实时数字动态模拟试验系统，其特征在于：所述被测试数字化继电保护设备选用江苏金智科技股份有限公司研发的iPACS-5931DA(B)型超高压输电线路成套保护装置。

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