CN111884212B - 一种智能变电站保护单元仿真系统及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能变电站保护单元仿真系统及其构建方法，其特征在于，包括保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块；保护单元应用层模块用于接收来自合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，提取其中的电气模拟量信息或开关量信息，并发送GOOSE心跳报文或GOOSE跳闸报文；保护单元接口层模块用于将报文发送至保护单元应用层模块或保护单元数据链路层模块；保护单元数据链路层模块用于将报文发送至保护单元物理层模块或保护单元接口层模块或销毁；保护单元物理层模块用于将报文发送至保护单元数据链路层模块或外部仿真元件，本发明可以广泛应用于智能变电站领域中。

Description

一种智能变电站保护单元仿真系统及其构建方法
技术领域
本发明是关于一种智能变电站保护单元仿真系统及其构建方法，属于智能变电站领域。
背景技术
智能变电站的继电保护系统与常规继电保护相比，在系统结构、实现方式及工作模式等方面有很大变化，原先独立的继电保护装置分解在不同的智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)中实现，间隔层的保护单元只需完成保护数据计算、逻辑处理和生成指令等相对较少的功能，而数据的采集和对断路器的控制等功能从继电保护装置中分离出来，由过程层的电子式互感器、合并单元和智能断路器控制器等设备完成。
实现保护算法所需的电气模拟量信息从合并单元的SV(采样值)报文中解析，而继电保护装置开关量的获取、保护跳闸的执行均需要通过GOOSE(面向通用对象的变电站事件)报文方式来实现。保护单元可能需要接入多个间隔的报文，也可能需要对多个间隔进行跳闸控制，例如变压器保护需要接入最多4个间隔的数据，母线差动保护一般需要接入10个以上间隔的数据，并对这些间隔实施跳闸操作。目前，采用通信网络的仿真软件进行智能变电站仿真时，保护单元采用3层结构的节点模型加以模拟，即数据报文只经过应用层、数据链路层和物理层。
但是，3层结构的节点模型并不能完全模拟保护单元的全部功能，主要存在以下问题：1)3层结构的节点模型只配置一对收发信机，不能满足智能变电站保护单元模拟的“多收多发”功能需求，保护单元需要接入多个间隔的合并单元SV报文，需要向多个间隔的智能终端发送GOOSE报文操作断路器跳闸。2)3层结构的节点模型只能通过网络域的属性设置来定义发包的大小和规律，按照相应属性设置发送出去的报文不带有任何电气量信息，这样二次系统仿真只能模拟报文在通信网络中的传递过程，保护单元也就无法根据报文的内容解析实现相应保护算法。3)因为报文中没有真实的数据内容，也没有集成保护算法，所以保护控制系统并不会根据电力系统运行状态真正触发GOOSE跳闸信号，只能采用某种随机数学模型模拟GOOSE信息流的发送规律。目前，现有技术中并没有完整的能够在仿真过程中实现保护单元功能的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在仿真过程中实现保护单元功能的智能变电站保护单元仿真系统及其构建方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种智能变电站保护单元仿真系统，包括保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块；所述保护单元应用层模块用于接收来自智能变电站合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，提取其中的电气模拟量信息或开关量信息，并根据提取的信息，采用继电保护算法，发送GOOSE心跳报文或GOOSE跳闸报文至所述保护单元接口层模块；所述保护单元接口层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元应用层模块或保护单元数据链路层模块；所述保护单元数据链路层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元物理层模块或保护单元接口层模块或销毁；所述保护单元物理层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元数据链路层模块或外部仿真元件。
一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，包括以下内容：1)构建保护单元应用层模块，用于接收来自智能变电站合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，提取其中的电气模拟量信息或开关量信息，并根据提取的信息，采用继电保护算法，发送GOOSE心跳报文或GOOSE跳闸报文；2)构建保护单元接口层模块，用于接收报文判断报文的来源和传递方向，并根据判断结果发送报文；3)构建保护单元数据链路层模块，用于接收报文判断报文的来源和传递方向，并根据判断结果发送或销毁报文；4)根据保护单元数据链路层模块中的各子模块，构建对应的保护单元物理层模块，用于接收报文判断报文的来源和传递方向，并根据判断结果，将报文发送至保护单元数据链路层模块或外部仿真元件；5)采用包流线，对构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行封装，得到保护单元仿真系统；6)设置保护单元仿真系统的外部属性，完成保护单元仿真系统的构建。
进一步地，所述保护单元应用层模块包括接收报文子模块和发送报文子模块。
进一步地，所述接收报文子模块的构建过程为：1.1.1)设置接收报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“SV报文接收”状态、“GOOSE报文接收”状态和“继电保护算法”状态；
1.1.2)根据设置的状态，设定接收报文子模块的功能，包括：初始化接收报文子模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；等待报文的到达并判断报文的类型，如果报文为SV报文，则提取SV报文中的电气模拟量信息；如果报文为GOOSE报文，则提取GOOSE报文中的开关量信息；根据提取的信息，运行内置的继电保护算法进行计算，如果继电保护启动，则触发中断启动发送报文子模块；更新接收报文的统计量信息；
1.1.3)设定接收报文子模块的执行逻辑，包括：触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；如果SV报文到达，则触发流中断进入“SV报文接收”状态；如果GOOSE报文到达，则触发流中断进入“GOOSE报文接收”状态；运行继电保护算法，如果继电保护启动，则触发远程中断直接进入发送报文子模块；如果保护没有启动，则继电保护算法执行完毕后转移到“等待”状态，等待下一次流中断。
进一步地，所述发送报文子模块的构建过程为：1.2.1)设置GOOSE报文心跳间隔和GOOSE报文重传时间的变化规律以及发送报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“GOOSE心跳报文发送”状态、和“GOOSE跳闸报文发送”状态；
1.2.2)根据设置的状态，设定发送报文子模块的功能，包括：初始化发送报文子模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；如果接收报文子模块没有发送流中断信号，则创建GOOSE心跳报文，将GOOSE心跳报文通过包流线发送至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文心跳间隔，确定下一次GOOSE心跳报文的发送时刻；如果接收报文子模块发送流中断信号，则创建GOOSE跳闸报文，将建GOOSE跳闸报文通过包流线发送至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文重传时间的变化规律，确定下一次GOOSE跳闸报文的发送时刻；如果根据设置的变化规律，最后一次GOOSE跳闸报文发送完毕，则进入GOOSE心跳报文发送；更新发包的统计量信息；
1.2.3)设定发送报文子模块的执行逻辑，包括：触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，设置自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态；“GOOSE心跳报文发送”状态结束后，如果下一心跳报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE心跳报文发送”状态；如果接收报文子模块执行“继电保护算法”产生跳闸信号，则触发远程中断进入“GOOSE跳闸报文发送”状态；“GOOSE跳闸报文发送”状态运行结束后，如果根据设置的变化规律确定下一次GOOSE跳闸报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE跳闸报文发送”状态；如果根据设置的变化规律最后一次GOOSE跳闸报文发送完毕，则触发自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
进一步地，所述步骤2)的具体过程为：2.1)设置保护单元接口层模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“应用层数据到达”状态和“数据链路层数据到达”状态；
2.2)根据设置的状态，设定保护单元接口层模块的功能，包括：初始化保护单元接口层模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；等待数据链路层中所有子模块初始化完成；创建用于记录所连接的数据链路层中所有子模块信息的一个链表，包括子模块数量s和包流线的索引；将m个子模块的功能设置为接收外部报文，n个子模块的功能设置为对外发送报文，同时，将对外发送报文的目的地址设置为广播地址，其中，s＝m+n；判断接收的报文的来源和传递方向，如果报文从应用层下达，则将报文通过包流线发送至所有对外发送报文的数据链路层子模块；如果报文从数据链路层上传，则将报文通过包流线传送至保护单元应用层模块；
2.3)设定保护单元接口层模块的执行逻辑，包括：触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；如果应用层的报文到达，则触发流中断进入“应用层数据到达”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断；如果数据链路层的报文到达，则触发流中断进入“数据链路层数据到达”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
进一步地，所述步骤3)的具体过程为：3.1)设置保护单元数据链路层模块中各子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态和“报文到达”状态；
3.2)根据设置的状态，设定保护单元数据链路层模块中各子模块的功能，包括：初始化保护单元数据链路层模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；为端口设置MAC地址，其中，数据链路层模块中设置有s个独立的子模块，每一子模块均有独立的MAC地址；判断接收的报文的来源和传递方向，如果报文从应用层下达，则按照以太网协议帧格式封装报文，并遵循以太网协议将报文通过包流线发送至物理层；如果报文从物理层下达，则按照以太网协议帧格式解析报文，如果该报文的MAC地址与数据链路层模块中某一子模块的MAC地址匹配，则将解析后的报文通过包流线发送至保护单元接口层模块，如果该报文的MAC地址与数据链路层模块中每一子模块的MAC地址均不匹配，则销毁该报文；
3.3)设定保护单元数据链路层模块中各子模块的执行逻辑，包括：触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，设置自中断进入“等待”状态；如果有报文到达，则触发流中断进入“报文到达”状态，“报文到达”状态执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
进一步地，所述步骤4)的具体过程为：4.1)设置保护单元物理层模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“发信机发送”状态和“收信机接收”状态；
4.2)根据设置的状态，设定保护单元物理层模块的功能，包括：初始化保护单元物理层模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；判断接收的报文的来源和传递方向，如果等待发送的报文到达，则将报文输出速率与所直连链路进行匹配，将报文转换为比特流发送至外部仿真元件；如果等待接收的报文到达，则将报文通过包流线发送至保护单元数据链路层模块；
4.3)设定保护单元物理层模块的执行逻辑，包括：触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；如果有报文到达，则触发流中断进入“发信机发送”或“收信机接收”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
进一步地，所述步骤5)的具体过程为：5.1)采用包流线将构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行连接，报文沿包流线传递；5.2)将连接后的各模块封装为一整体构成保护单元仿真系统。
进一步地，所述步骤6)中保护单元仿真系统的外部属性包括内置的继电保护算法选择及其整定值设置，保护单元接收SV报文的端口数量，保护单元接收GOOSE报文的端口数量，保护单元发送GOOSE报文的端口数量，GOOSE报文的重传规律，以及报文的发送和接收的统计信息。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明立足于智能变电站二次系统仿真，开发保护单元仿真系统，只需考虑如何实现仿真过程中保护单元的功能实现，而无需考虑实际物理器件的结构、尺寸和材料等因素。
2、本发明能够接收并解析SV报文和GOOSE报文中的电气模拟量和开关量信息，集成继电保护算法，从真正意义上实现电力二次系统仿真。
3、本发明的继电保护能够根据电力系统故障发生真正触发GOOSE跳闸信号，而不是只采用某种随机数学模型模拟GOOSE信息流的发送规律。
4、本发明可以满足保护单元的“多收多发”功能，能够实现多间隔接收和发送报文，符合工程实践中保护单元的通信模型，可以广泛应用于智能变电站领域中。
附图说明
图1是本发明中保护单元仿真系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中接收报文子模块的进程域模型示意图；
图3是本发明实施例中发送报文子模块的进程域模型示意图；
图4是本发明实施例中保护单元接口层模块的进程域模型示意图；
图5是本发明实施例中保护单元数据链路层模块的进程域模型示意图；
图6是本发明实施例中保护单元仿真系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
本发明提供的智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，包括以下步骤：
1)构建保护单元应用层模块，包括接收报文子模块和发送报文子模块，用于接收来自合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，具体为：
1.1)构建接收报文子模块
1.1.1)设置接收报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”、“等待”、“SV报文接收”、“GOOSE报文接收”和“继电保护算法”等状态，其中，“继电保护算法”状态中的继电保护算法包括电流保护算法、差动保护算法等。
1.1.2)根据设置的状态，设定接收报文子模块的功能，包括：
①初始化接收报文子模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息。
在仿真开始时，一些通用的变量(例如进程模型的状态变量等)需要初始化，一些通用的统计句柄(例如接收或发送报文的统计量等)需要注册，特定子模块属性的设置值(例如电流保护整定值)需要获取等。一些变量和统计句柄通用于所有仿真元件，而某些变量、统计句柄和属性的设置值只需在特定的仿真元件中初始化，仿真元件需要完成上述这些功能才可开始正常仿真。
例如：接收报文子模块需要初始化用于纵联保护的电流向量，获取过电流保护和纵联保护的相关参数等。
②等待报文的到达，并判断报文的类型，如果报文为SV报文，则提取SV报文中的电气模拟量信息；如果报文为GOOSE报文，则提取GOOSE报文中的开关量信息。
③根据提取的信息，运行内置的继电保护算法进行计算，如果继电保护启动，则触发中断启动发送报文子模块。
④更新接收报文的统计量信息，即每接收到一个报文，则对“接收到的报文量”这一统计量进行更新。
1.1.3)设定接收报文子模块的执行逻辑，包括：
①触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态。
②如果SV报文到达，则触发流中断进入“SV报文接收”状态；如果GOOSE报文到达，则触发流中断进入“GOOSE报文接收”状态。
③运行继电保护算法，如果继电保护启动，则触发远程中断直接进入发送报文子模块；如果保护没有启动，则继电保护算法执行完毕后转移到“等待”状态，等待下一次流中断。
1.2)构建发送报文子模块
1.2.1)设置GOOSE报文心跳间隔和GOOSE报文重传时间的变化规律以及发送报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”、“GOOSE心跳报文发送”、和“GOOSE跳闸报文发送”等状态。
1.2.2)根据设置的状态，设定发送报文子模块的功能，包括：
①初始化发送报文子模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息。
例如：发送报文子模块需要初始化报文发送周期和断路器、开关的位置信息等。
②如果接收报文子模块没有发送流中断信号，则按照协议标准创建GOOSE心跳报文，将GOOSE心跳报文通过包流线发送至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文心跳间隔，确定下一次GOOSE心跳报文的发送时刻。
如果接收报文子模块发送流中断信号，则按照协议标准创建GOOSE跳闸报文，将所创建的GOOSE跳闸报文通过包流线发送至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文重传时间的变化规律，确定下一次GOOSE跳闸报文的发送时刻。
如果根据设置的变化规律，最后一次GOOSE跳闸报文发送完毕，则进入GOOSE心跳报文发送。
③更新发包的统计量信息。
1.2.3)设定发送报文子模块的执行逻辑，包括：
①触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，设置自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
②“GOOSE心跳报文发送”状态结束后，如果下一心跳报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE心跳报文发送”状态；如果接收报文子模块执行“继电保护算法”产生跳闸信号，则触发远程中断进入“GOOSE跳闸报文发送”状态。
③“GOOSE跳闸报文发送”状态运行结束后，如果根据设置的变化规律确定下一次GOOSE跳闸报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE跳闸报文发送”状态；如果根据设置的变化规律最后一次GOOSE跳闸报文发送完毕，则触发自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
2)构建保护单元接口层模块，具体为：
2.1)设置保护单元接口层模块的状态及其转移条件，包括“初始化”、“等待”、“应用层数据到达”和“数据链路层数据到达”等状态。
2.2)根据设置的状态，设定保护单元接口层模块的功能，包括：
①初始化保护单元接口层模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息。
例如：保护单元接口层模块需要获取自身的模块ID和所连接的数据链路层中所有子模块的模块ID等。
②等待数据链路层中所有子模块初始化完成。
③创建一个链表，用于记录所连接的数据链路层中所有子模块的信息，包括子模块数量s和包流线的索引；将m个子模块的功能设置为接收外部报文，n个子模块的功能设置为对外发送报文，同时，将对外发送报文的目的地址设置为广播地址，其中，s＝m+n。
④判断接收的报文的来源和传递方向，如果报文从应用层下达，则将报文通过包流线发送至所有对外发送报文的数据链路层子模块；如果报文从数据链路层上传，则将报文通过包流线传送至保护单元应用层模块。
2.3)设定保护单元接口层模块的执行逻辑，包括：
①触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态。
②如果应用层的报文到达，则触发流中断进入“应用层数据到达”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断；如果数据链路层的报文到达，则触发流中断进入“数据链路层数据到达”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
3)构建保护单元数据链路层模块，其中，保护单元数据链路层模块包括至少一个子模块，具体为：
3.1)设置保护单元数据链路层模块中各子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”、“等待”和“报文到达”等状态。
3.2)根据设置的状态，设定保护单元数据链路层模块中各子模块的功能，包括：
①初始化保护单元数据链路层模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息。
例如：保护单元数据链路层模块需要初始化自身的状态变量、模拟日志包等。
②为端口设置MAC(媒体存取控制位址)地址，为实现多收多发功能，数据链路层模块中设置有s个独立的子模块，其中，子模块的数量s可以根据实际情况进行设置，每一子模块均有独立的MAC地址。
③判断接收的报文的来源和传递方向，如果报文从应用层下达，则按照以太网协议帧格式封装报文，并遵循以太网协议将报文通过包流线发送至物理层；如果报文从物理层下达，则按照以太网协议帧格式解析报文，如果该报文的MAC地址与数据链路层模块中某一子模块的MAC地址匹配，则将解析后的报文通过包流线发送至保护单元接口层模块，如果该报文的MAC地址与数据链路层模块中每一子模块的MAC地址均不匹配，则销毁该报文。
特别地，每一子模块接收到来自物理层的报文后，均需要判断该报文的MAC地址与该子模块的MAC地址是否匹配。
3.3)设定保护单元数据链路层模块中各子模块的执行逻辑，包括：
①触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，设置自中断进入“等待”状态。
②如果有报文到达，则触发流中断进入“报文到达”状态，“报文到达”状态执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
4)根据保护单元数据链路层模块中的各子模块，构建对应的保护单元物理层模块，具体为：
4.1)设置保护单元物理层模块的状态及其转移条件，包括“初始化”、“等待”、“发信机发送”和“收信机接收”等状态。
4.2)根据设置的状态，设定保护单元物理层模块的功能，包括：
①初始化保护单元物理层模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，其中，保护单元物理层模块只需初始化通用的变量和注册通用的统计句柄即可。
②判断接收的报文的来源和传递方向，如果等待发送的报文到达，则将报文输出速率与所直连链路进行匹配，将报文转换为比特流发送至外部仿真元件例如智能终端；如果等待接收的报文到达，则将报文通过包流线发送至保护单元数据链路层模块。
4.3)设定保护单元物理层模块的执行逻辑，包括：
①触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态。
②如果有报文到达，则触发流中断进入“发信机发送”或“收信机接收”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
5)采用包流线，对构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行封装，得到保护单元仿真系统，如图1所示，具体为：
5.1)采用包流线将构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行连接，报文沿包流线传递，如图1所示。
5.2)将连接后的各模块封装为一整体构成保护单元仿真系统。
6)为允许用户通过参数的设置控制保护单元仿真系统数据的读取和动作行为，设置保护单元仿真系统的外部属性，包括内置的继电保护算法选择及其整定值设置，保护单元接收SV报文的端口数量，保护单元接收GOOSE报文的端口数量，保护单元发送GOOSE报文的端口数量，GOOSE报文的重传规律，以及报文的发送和接收的统计信息等。
下面以OPNET仿真软件为平台，通过具体实施例详细说明本发明的智能变电站保护单元仿真系统的设计方法。
1)构建保护单元应用层模块，包括接收报文子模块pu_rec和发送报文子模块pu_gen，具体为：
1.1)构建接收报文子模块pu_rec
1.1.1)设置接收报文子模块pu_rec的状态及其转移条件，以及根据设置的状态，设定接收报文子模块pu_rec的功能：
①设置“初始化”(init)状态，转移条件为仿真开始，功能为初始化本模块的相关功能以及获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备。
②设置“空闲”(idle)状态(“空闲”状态为OPNET仿真软件的习惯性命名，其实际功能即为上述“等待”状态的等待流中断的到达)，转移条件为“初始化”状态结束、“GOOSE报文接收”状态结束、“SV报文接收”状态以及“其他进程”(即除“GOOSE报文接收”和“SV报文接收”外的其它处理方法)状态结束，功能为等待报文到达和判断报文的类型。
③设置“GOOSE报文接收”(goose_process)状态，转移条件为“空闲”状态结束且GOOSE报文到达，功能为提取GOOSE报文中的信息、更新断路器状态信息以及更新收包统计量信息。
④设置“SV报文接收”(sv_process)状态，转移条件为“空闲”状态结束且SV报文到达，功能为提取SV报文中的电气量信息以及更新收包统计量信息。
⑤设置“其他进程”(other_process)状态，转移条件为“空闲”状态结束且除SV报文和GOOSE报文外的报文到达，功能为根据采用的继电保护算法对数据进行处理，根据保护逻辑决定是否触发跳闸GOOSE信号。
1.1.2)根据状态的转换关系，得到接收报文子模块pu_rec的进程域模型如图2所示，接收报文子模块pu_rec的执行逻辑为：
①当OPNET仿真开始时，触发仿真起始中断进入“初始化”状态，“初始化”状态执行完毕后直接进入“空闲”状态。
②如果GOOSE报文到达，则触发流中断进入“GOOSE报文接收”状态，“GOOSE报文接收状态结束后直接转移至“空闲”状态，等待下一次流中断。
③如果SV报文到达，则触发流中断进入“SV报文接收”状态，“SV报文接收”状态结束后直接转移到“空闲”状态，等待下一次流中断。
④如果SV报文和GOOSE报文以外的报文到达，则触发流中断进入“其他进程”状态，“其他进程”状态结束后直接转移至“空闲”状态，等待下一次流中断。
1.2)构建发送报文子模块pu_gen
1.2.1)设置发送报文子模块pu_gen的状态及其转移条件，以及根据设置的状态，设定发送报文子模块pu_gen的功能：
①设置“初始化”(init)状态，转移条件为仿真开始，功能为初始化本模块的相关功能以及获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备。
②设置“GOOSE心跳报文发送”(heartbeat)状态，转移条件为“初始化”状态结束、“GOOSE心跳报文发送”状态结束且下一个心跳报文的发送时刻到达、“GOOSE跳闸报文发送”状态结束且GOOSE报文变周期发送的最后一个跳闸报文发送完毕，功能为按照GOOSE报文格式创建报文，将断路器不跳闸信号封装进所创建的报文的相应字段中，将报文沿着包流线输出到接口层，同时根据设置的GOOSE报文心跳间隔计算下一次发包时刻，且更新发包统计量。
③设置“GOOSE跳闸报文发送”(emergency)状态，转移条件为“GOOSE跳闸报文发送”状态结束且下一个发送变周期报文的时刻到达、“GOOSE心跳报文发送”状态结束且“SV报文接收”状态触发跳闸信号，功能为按照GOOSE报文格式创建报文，将断路器跳闸信号封装进所创建报文的相应字段中，将报文通过包流线输出至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文变间隔发包规律，计算下一次发送变周期报文的时刻，更新发包统计量。
1.2.1)根据状态的转换关系，得到发送报文子模块pu_gen的进程域模型如图3所示，发送报文子模块pu_gen的执行逻辑为：
①当OPNET仿真开始时，触发仿真起始中断进入“初始化”状态，“初始化”状态结束后设置自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
②“GOOSE心跳报文发送”状态结束后，如果下一个心跳报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
③如果接收报文子模块执行“其他进程”产生跳闸信号，则触发远程中断进入“GOOSE跳闸报文发送”状态。
④“GOOSE跳闸报文发送”状态运行结束后，如果下一变周期跳闸报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE跳闸报文发送”状态。
⑤如果GOOSE报文最后一个变周期发送的跳闸报文发送完毕，则触发自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
2)构建保护单元接口层模块pu_intf，具体为：
2.1)设置保护单元接口层模块pu_intf的状态及其转移条件，以及根据设置的状态，设定保护单元接口层模块的功能：
①设置“第一初始化”(init)状态，转移条件为仿真开始，功能为在仿真启动时初始化本模块的相关功能以及获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备。
②设置“第二初始化”(init2)状态，转移条件为“第一初始化”状态结束，功能为等待数据链路层中所有子模块初始化完成。
③设置“等待”(wait)状态，转移条件为“第二初始化”状态结束，功能为创建一个链表，用于记录所连接的数据链路层中所有子模块的信息，包括子模块数量和包流线的索引，同时，将对外发送报文的目的地址设置为广播地址。
④设置“空闲”(idle)状态，转移条件为“等待”状态结束、“应用层数据到达”状态结束、“数据链路层数据到达”状态结束，功能为判断接收的报文的来源和传递方向(从上层到达还是从下层到达)。
⑤设置“应用层数据到达”(appl_layer_arr)状态，转移条件为“空闲”状态结束且上层报文到达，功能为将报文通过包流线发送至所有数据链路层子模块中。
⑥设置“数据链路层数据到达”(mac_layer_arr)状态，转移条件为“空闲”状态结束且下层报文到达，功能为将报文通过包流线发送到应用层中。
2.2)根据状态的转换关系，得到保护单元接口层模块pu_intf的进程域模型如图4所示，保护单元接口层模块pu_intf的执行逻辑为：
①当OPNET仿真开始时，触发仿真起始中断进入“第一初始化”状态，“第一初始化”状态执行完毕后设置自中断进入“第二初始化”状态。
②“第二初始化”状态执行完毕后设置自中断进入“等待”状态。
③“等待”状态执行完毕后设置自中断进入“空闲”状态。
④如果上层报文到达(APPL_LAYER_PKT_ARRVL)，则触发流中断进入“应用层数据到达”状态，“应用层数据到达”状态执行完毕后直接返回至“空闲”状态，等待下一次流中断。
⑤如果下层报文到达后(MAC_LAYER_PKT_ARRVL)，则触发流中断进入“数据链路层数据到达”状态，“数据链路层数据到达”状态执行完毕后直接返回至“空闲”状态，等待下一次流中断。
3)构建保护单元数据链路层模块mac，为实现多收多发功能，保护单元数据链路层模块mac中需要包括至少一个子模块，每一子模块仿真一个独立端口，具体为：
3.1)设置保护单元数据链路层模块mac中各子模块的状态及其转移条件，以及根据设置的状态，设定保护单元接口层模块mac的功能：
①设置“初始化”(init)状态，转移条件为仿真开始，功能为在仿真启动时初始化本模块的相关功能以及获取进程模型运行所需的相关信息，为端口设置MAC地址，为仿真做准备。
②设置“空闲”(idle)状态，转移条件为“初始化”状态结束、“报文到达”状态结束，功能为等待报文到来。
③设置“报文到达”(packet arrives)状态，转移条件为“空闲”状态结束且报文到达，功能为判断报文来自上层还是下层，如果报文从应用层下达，则按照以太网协议帧格式封装报文，并遵循以太网协议将报文通过包流线发送至物理层；如果报文从物理层下达，则按照以太网协议帧格式解析报文，如果该报文能被接收(即地址匹配)，则将解析后的报文通过包流线发送至接口层；如果报文不能被接收，则销毁该报文。
3.2)根据状态的转换关系，得到保护单元数据链路层模块mac的进程域模型如图5所示，保护单元数据链路层模块mac中各子模块的执行逻辑为：
①当OPNET仿真开始时，触发仿真起始中断进入“初始化”状态，“初始化”状态执行完毕后，设置自中断进入“空闲”状态。
②如果有报文到达(PACKET_ARRVL)，则触发流中断进入“报文到达”状态，“报文到达”状态执行完毕后直接返回至“空闲”状态，等待下一次流中断。
4)根据保护单元数据链路层模块mac中的各子模块，构建对应保护单元物理层模块，具体为：
4.1)设置保护单元物理层模块的状态及其转移条件，并根据设置的状态，设定保护单元物理层模块的功能：
①设置“初始化”(init)状态，转移条件为仿真开始，功能为在仿真启动时初始化本模块的相关功能以及获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备。
②设置“空闲”(idle)状态，转移条件为“初始化”状态结束、“发信机发送”状态结束、“收信机接收”状态结束，功能为等待报文到来，判断接收的报文的来源。
③设置“发信机发送”(send)状态，转移条件为“空闲”状态结束且上层报文到达，功能为将报文输出速率与所直连链路进行匹配，将报文转换为比特流发送。
④设置“收信机接收”(receive)状态，转移条件为“空闲”状态结束且所直连链路的报文到达，功能为将报文通过包流线发送至数据链路层。
4.2)设定保护单元物理层模块的执行逻辑：
OPNET中的物理层不提供进程模型，直接采用自带的收、发信机模型构建物理层模块，设置收发信机的属性，例如收发包格式、速率等。
5)采用包流线，对构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行封装，得到保护单元仿真系统，如图6所示。
6)为允许用户通过参数的设置来控制保护单元仿真系统数据的读取和模型的行为，设置保护单元仿真系统的外部属性，例如心跳报文间隔(Heartbeat period)和触发事件后的GOOSE报文变周期发送规律的最小间隔(Emergency min time)，其中，Heartbeatperiod用于指定GOOSE心跳报文发送周期，Emergency min time用于指定GOOSE报文变周期发送的第一个时间间隔。
经过二次建模的保护单元仿真系统能够接收和解析来自智能变电站中合并单元的SV报文和来自智能终端的GOOSE报文，能够根据内置的继电保护算法进行决策，能够完全遵循GOOSE报文的报文发送规律，能够发送携带真实跳闸信号的报文。同时，保护单元仿真系统内有多个对外的端口，可实现保护的冗余配置，且保护单元仿真系统具有对报文的发送和接收进行统计(发/收包量、发/收包速率等)的功能。其中，智能变电站中的合并单元主要用于采集电气量信息并封装为SV报文发送至保护单元。
基于上述智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，本发明还提供一种智能变电站保护单元仿真系统，包括保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块，其中：
保护单元应用层模块用于接收来自智能变电站合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，提取其中的电气模拟量信息或开关量信息，并根据提取的信息，采用继电保护算法，发送GOOSE心跳报文或GOOSE跳闸报文至所述保护单元接口层模块；
保护单元接口层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元应用层模块或保护单元数据链路层模块；
保护单元数据链路层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元物理层模块或保护单元接口层模块或销毁；
保护单元物理层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元数据链路层模块或外部仿真元件。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种智能变电站保护单元仿真系统，其特征在于，包括保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块；
所述保护单元应用层模块用于接收来自智能变电站合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，提取其中的电气模拟量信息或开关量信息，并根据提取的信息，采用继电保护算法，发送GOOSE心跳报文或GOOSE跳闸报文至所述保护单元接口层模块；
所述保护单元应用层模块包括接收报文子模块和发送报文子模块；
所述接收报文子模块的构建过程为：
1.1.1)设置接收报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“SV报文接收”状态、“GOOSE报文接收”状态和“继电保护算法”状态；
1.1.2)根据设置的状态，设定接收报文子模块的功能，包括：
初始化接收报文子模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；
等待报文的到达并判断报文的类型，如果报文为SV报文，则提取SV报文中的电气模拟量信息；如果报文为GOOSE报文，则提取GOOSE报文中的开关量信息；
根据提取的信息，运行内置的继电保护算法进行计算，如果继电保护启动，则触发中断启动发送报文子模块；
更新接收报文的统计量信息；
1.1.3)设定接收报文子模块的执行逻辑，包括：
触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；
如果SV报文到达，则触发流中断进入“SV报文接收”状态；如果GOOSE报文到达，则触发流中断进入“GOOSE报文接收”状态；
运行继电保护算法，如果继电保护启动，则触发远程中断直接进入发送报文子模块；如果保护没有启动，则继电保护算法执行完毕后转移到“等待”状态，等待下一次流中断；所述保护单元接口层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元应用层模块或保护单元数据链路层模块；
所述保护单元数据链路层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元物理层模块或保护单元接口层模块或销毁；
所述保护单元物理层模块用于接收报文并判断报文的来源和传递方向，以及根据判断结果，将报文发送至所述保护单元数据链路层模块或外部仿真元件。
2.一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，包括以下内容：
1)构建保护单元应用层模块，用于接收来自智能变电站合并单元的SV报文或来自智能终端的GOOSE报文，提取其中的电气模拟量信息或开关量信息，并根据提取的信息，采用继电保护算法，发送GOOSE心跳报文或GOOSE跳闸报文；
所述保护单元应用层模块包括接收报文子模块和发送报文子模块；
所述接收报文子模块的构建过程为：
1.1.1)设置接收报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“SV报文接收”状态、“GOOSE报文接收”状态和“继电保护算法”状态；
1.1.2)根据设置的状态，设定接收报文子模块的功能，包括：
初始化接收报文子模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；
等待报文的到达并判断报文的类型，如果报文为SV报文，则提取SV报文中的电气模拟量信息；如果报文为GOOSE报文，则提取GOOSE报文中的开关量信息；
根据提取的信息，运行内置的继电保护算法进行计算，如果继电保护启动，则触发中断启动发送报文子模块；
更新接收报文的统计量信息；
1.1.3)设定接收报文子模块的执行逻辑，包括：
触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；
如果SV报文到达，则触发流中断进入“SV报文接收”状态；如果GOOSE报文到达，则触发流中断进入“GOOSE报文接收”状态；
运行继电保护算法，如果继电保护启动，则触发远程中断直接进入发送报文子模块；如果保护没有启动，则继电保护算法执行完毕后转移到“等待”状态，等待下一次流中断；
2)构建保护单元接口层模块，用于接收报文判断报文的来源和传递方向，并根据判断结果发送报文；
3)构建保护单元数据链路层模块，用于接收报文判断报文的来源和传递方向，并根据判断结果发送或销毁报文；
4)根据保护单元数据链路层模块中的各子模块，构建对应的保护单元物理层模块，用于接收报文判断报文的来源和传递方向，并根据判断结果，将报文发送至保护单元数据链路层模块或外部仿真元件；
5)采用包流线，对构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行封装，得到保护单元仿真系统；
6)设置保护单元仿真系统的外部属性，完成保护单元仿真系统的构建。
3.如权利要求2所述的一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，所述发送报文子模块的构建过程为：
1.2.1)设置GOOSE报文心跳间隔和GOOSE报文重传时间的变化规律以及发送报文子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“GOOSE心跳报文发送”状态、和“GOOSE跳闸报文发送”状态；
1.2.2)根据设置的状态，设定发送报文子模块的功能，包括：
初始化发送报文子模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；
如果接收报文子模块没有发送流中断信号，则创建GOOSE心跳报文，将GOOSE心跳报文通过包流线发送至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文心跳间隔，确定下一次GOOSE心跳报文的发送时刻；
如果接收报文子模块发送流中断信号，则创建GOOSE跳闸报文，将建GOOSE跳闸报文通过包流线发送至接口层，同时，根据设置的GOOSE报文重传时间的变化规律，确定下一次GOOSE跳闸报文的发送时刻；
如果根据设置的变化规律，最后一次GOOSE跳闸报文发送完毕，则进入GOOSE心跳报文发送；
更新发包的统计量信息；
1.2.3)设定发送报文子模块的执行逻辑，包括：
触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，设置自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态；
“GOOSE心跳报文发送”状态结束后，如果下一心跳报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE心跳报文发送”状态；如果接收报文子模块执行“继电保护算法”产生跳闸信号，则触发远程中断进入“GOOSE跳闸报文发送”状态；
“GOOSE跳闸报文发送”状态运行结束后，如果根据设置的变化规律确定下一次GOOSE跳闸报文的发送时刻到达，则触发自中断再次进入“GOOSE跳闸报文发送”状态；如果根据设置的变化规律最后一次GOOSE跳闸报文发送完毕，则触发自中断进入“GOOSE心跳报文发送”状态。
4.如权利要求2所述的一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：
2.1)设置保护单元接口层模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“应用层数据到达”状态和“数据链路层数据到达”状态；
2.2)根据设置的状态，设定保护单元接口层模块的功能，包括：
初始化保护单元接口层模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；
等待数据链路层中所有子模块初始化完成；
创建用于记录所连接的数据链路层中所有子模块信息的一个链表，包括子模块数量s和包流线的索引；将m个子模块的功能设置为接收外部报文，n个子模块的功能设置为对外发送报文，同时，将对外发送报文的目的地址设置为广播地址，其中，s＝m+n；
判断接收的报文的来源和传递方向，如果报文从应用层下达，则将报文通过包流线发送至所有对外发送报文的数据链路层子模块；如果报文从数据链路层上传，则将报文通过包流线传送至保护单元应用层模块；
2.3)设定保护单元接口层模块的执行逻辑，包括：
触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；
如果应用层的报文到达，则触发流中断进入“应用层数据到达”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断；如果数据链路层的报文到达，则触发流中断进入“数据链路层数据到达”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
5.如权利要求2所述的一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程为：
3.1)设置保护单元数据链路层模块中各子模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态和“报文到达”状态；
3.2)根据设置的状态，设定保护单元数据链路层模块中各子模块的功能，包括：
初始化保护单元数据链路层模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；
为端口设置MAC地址，其中，数据链路层模块中设置有s个独立的子模块，每一子模块均有独立的MAC地址；
判断接收的报文的来源和传递方向，如果报文从应用层下达，则按照以太网协议帧格式封装报文，并遵循以太网协议将报文通过包流线发送至物理层；
如果报文从物理层下达，则按照以太网协议帧格式解析报文，如果该报文的MAC地址与数据链路层模块中某一子模块的MAC地址匹配，则将解析后的报文通过包流线发送至保护单元接口层模块，如果该报文的MAC地址与数据链路层模块中每一子模块的MAC地址均不匹配，则销毁该报文；
3.3)设定保护单元数据链路层模块中各子模块的执行逻辑，包括：
触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，设置自中断进入“等待”状态；
如果有报文到达，则触发流中断进入“报文到达”状态，“报文到达”状态执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
6.如权利要求2所述的一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程为：
4.1)设置保护单元物理层模块的状态及其转移条件，包括“初始化”状态、“等待”状态、“发信机发送”状态和“收信机接收”状态；
4.2)根据设置的状态，设定保护单元物理层模块的功能，包括：
初始化保护单元物理层模块的功能，获取进程模型运行所需的信息；
判断接收的报文的来源和传递方向，如果等待发送的报文到达，则将报文输出速率与所直连链路进行匹配，将报文转换为比特流发送至外部仿真元件；
如果等待接收的报文到达，则将报文通过包流线发送至保护单元数据链路层模块；
4.3)设定保护单元物理层模块的执行逻辑，包括：
触发仿真起始中断进入“初始化”状态，初始化执行完毕后，进入“等待”状态；
如果有报文到达，则触发流中断进入“发信机发送”或“收信机接收”状态，执行完毕后直接返回至“等待”状态，等待下一次流中断。
7.如权利要求2所述的一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，所述步骤5)的具体过程为：
5.1)采用包流线将构建的保护单元应用层模块、保护单元接口层模块、保护单元数据链路层模块和保护单元物理层模块进行连接，报文沿包流线传递；
5.2)将连接后的各模块封装为一整体构成保护单元仿真系统。
8.如权利要求2所述的一种智能变电站保护单元仿真系统的构建方法，其特征在于，所述步骤6)中保护单元仿真系统的外部属性包括内置的继电保护算法选择及其整定值设置，保护单元接收SV报文的端口数量，保护单元接收GOOSE报文的端口数量，保护单元发送GOOSE报文的端口数量，GOOSE报文的重传规律，以及报文的发送和接收的统计信息。
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