CN111884851B - 一种智能变电站过程层设备仿真设计方法 - Google Patents

一种智能变电站过程层设备仿真设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请一种智能变电站过程层设备仿真设计方法，在应用层和数据链路层之间增加接口层使得数据实现从应用层直接映射到数据链路层，使得收发的报文带有真实的电气量信息；对数据链路层设置多个子模块并配置独立的MAC地址，实现多端口收发报文，符合工程实践中过程层设备的通信模型；通过对本发明的实施，可在仿真平台中搭建具备完整功能的过程层设备仿真模型，不受实际物理结构、尺寸、材料等因素的限制，可适应IEC61850通信标准和电力自动化通信网络和系统中特定通信服务映射的要求。

Description

一种智能变电站过程层设备仿真设计方法
技术领域
本发明属于智能变电站仿真领域，具体涉及一种智能变电站过程层设备仿真设计方法。
背景技术
智能变电站由电子式互感器、智能化开关等智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，是建立在IEC61850通信标准基础上实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站，包括站控层、间隔层和过程层，其中过程层主要包括合并单元和智能终端；进行智能变电站仿真时对合并单元的功能要求主要是获取电气模拟量信息和封装发送SV报文，对智能终端的功能要求主要是获取电气开关量信息和封装发送GOOSE报文。
根据IEC61850标准推荐采用的以太网通信协议和DL/T 860.92中涉及到的特定服务映射，合并单元所发送的SV报文、智能终端收发的GOOSE报文均采用的是从应用层直接映射到数据链路层的方式，根据这一特点，采用通信网络的仿真软件进行智能变电站仿真时，合并单元和智能终端均可以采用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层结构的节点模型存在以下缺陷：只配置一对收发信机不能实现多端口收发报文；根据网络域属性设置发送的报文不带有任何电气量信息；无法真正触发GOOSE信号，因此现有的仿真设计方法并不能完全模拟出过程层设备的全部功能。
发明内容
基于此，本发明提出一种智能变电站过程层设备仿真设计方法，建立过程层设备的通用模型，以克服现有技术的缺陷。
本发明一种智能变电站过程层设备仿真设计方法，包括：
配置应用层模块；
为数据链路层配置s个子模块，为每个子模块配置独立的MAC地址，在应用层模块和数据链路层子模块之间构建接口层模块，由接口层模块设置数据链路层子模块的收发功能；
为数据链路层的每个子模块独立构建一个物理层模块；
分别设置应用层模块、接口层模块、数据链路层子模块、物理层模块的若干个状态和执行逻辑；
依次连接应用层模块、接口层模块、数据链路层子模块、物理层模块并封装为仿真元件。
优选地，配置应用层模块包括：
配置接收报文子模块和发送报文子模块。
优选地，当过程层设备为合并单元且电气量数据来自电子式互感器时，应用层模块的执行逻辑包括：
解析电子式互感器报文中的电气量信息，把与合并单元所连接的所有电子式互感器解析得到的同一时标下的电气量信息根据IEC61850协议标准封装生成SV报文向接口层发送。
优选地，当过程层设备为合并单元且电气量数据来自模拟式互感器时，应用层模块的执行逻辑包括：
利用外部访问接口导入电气量输入文件并根据其文件格式解析电气量信息，把与合并单元所连接的所有模拟式互感器解析得到的同一时标下的电气量信息根据IEC61850协议标准封装生成SV报文向接口层发送。
优选地，接口层模块设置数据链路层子模块的收发功能包括：
待数据链路层的s个子模块初始化完成后创建链表记录所有子模块的信息，把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，把对外发送报文的子模块的MAC地址设置为广播地址，其中s＝m+n。
优选地，接口层模块的执行逻辑包括：
接收报文且当报文来自应用层模块时把报文发送至负责对外发送报文的数据链路层子模块；
接收报文且当报文来自数据链路层的子模块时把报文发送至应用层模块。
优选地，数据链路层的子模块的执行逻辑包括：
仿真过程触发后等待报文，当报文来自应用层模块时根据以太网协议帧格式封装报文并沿线发送至物理层模块。
优选地，数据链路层的子模块的执行逻辑还包括：
仿真过程触发后等待报文，当报文来自物理层模块时根据以太网协议帧格式解析报文根据MAC地址向接口层发送，MAC地址不匹配时销毁报文。
优选地，物理层模块的执行逻辑包括：
待发送报文到达物理层模块时匹配报文的输出速率和所直连链路，把数据包转变为比特流发送；待接收报文到达物理层模块时沿线把报文发送至数据链路层。
优选地，当传输的报文为GOOSE报文时，接收报文子模块的执行逻辑包括：
根据IEC61850协议标准解析GOOSE报文且为跳闸报文时，提取GOOSE报文中的断路器跳闸信息，发出跳闸指令。
优选地，当传输的报文为GOOSE报文时，发送报文子模块的执行逻辑包括：
利用外部模块访问接口导入电气开关量数据，读取开关状态信息以及关联的时间信息；
当开关状态未发生改变时按照IEC61850协议标准创建开关量输入的GOOSE心跳报文并发送至接口层模块；
当开关状态发生改变时按照协议标准创建开关量变位的GOOSE报文，将报文沿着包流线传送到接口层，同时根据设置的GOOSE报文重传间隔规律确定下一次开关量输入的GOOSE报文的发送时刻。
优选地，应用层模块的执行逻辑还包括更新报文的收发包统计量信息。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明一种智能变电站过程层设备仿真设计方法，在应用层和数据链路层之间增加接口层使得数据实现从应用层直接映射到数据链路层，使得收发的报文带有真实的电气量信息；对数据链路层设置多个子模块并配置独立的MAC地址，实现多端口收发报文，符合工程实践中过程层设备的通信模型；通过对本发明的实施，可在仿真平台中搭建具备完整功能的过程层设备仿真模型，不受实际物理结构、尺寸、材料等因素的限制，可适应IEC61850通信标准和电力自动化通信网络和系统中特定通信服务映射的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1本发明一种实施例智能变电站合并单元仿真设计方法实施流程图
图2本发明一种实施例智能变电站智能终端仿真设计方法实施流程图
图3本发明另一实施例合并单元应用层模块进程域模型示意图
图4本发明另一实施例合并单元接口层模块进程域模型示意图
图5本发明另一实施例合并单元数据链路层模块进程域模型示意图
图6本发明另一实施例合并单元节点模型原理示意图
图7本发明另一实施例智能终端应用层模块的接收报文子模块进程域模型示意图
图8本发明另一实施例智能终端应用层模块的发送报文子模块进程域模型示意图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例介绍一种智能变电站合并单元仿真元件的设计方法，包括：
S1.构建合并单元应用层模块，
(1)状态设置
至少需要设置的状态有：“初始化”、“等待”、“电子式互感器数据接收”、“模拟式互感器数据接收”和“SV报文生成和发送”。
(2)功能实现
初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息；判断互感器类型，如果是电子式互感器，按照规约格式解析并提取电子式互感器报文中的电气量信息；如果是模拟式互感器，利用外部模块访问接口导入电气量输入文件，按文件格式解析并提取电气量信息；
将从所连接的全部互感器提取的同一个时标下的电气量数据封装进SV报文对应的字段中，按照IEC61850协议标准生成SV报文，然后将SV报文沿着包流线向接口层发送；更新收包和发包的统计量信息。
(3)执行逻辑
触发仿真起始进入“初始化”状态；初始化执行完毕后，进入“等待”状态。如果电子式互感器的报文到达后，触发中断进入“电子式互感器数据接收”状态，直到所连接的全部电子式互感器同一时标下的报文接收完毕；如果合并单元有接入模拟式互感器，触发中断进入“模拟式互感器数据接收”状态，直到所连接的全部模拟式互感器同一时标下的数据接收完毕。触发自中断进入“SV报文生成和发送”状态，按照IEC61850协议标准生成SV报文，SV报文发送完毕后直接转移到“等待”状态，等待下一次流中断的到来。
S2.构建合并单元接口层模块，
(1)状态设置
至少需要设置的状态有：“初始化”、“等待”、“应用层数据到达”和“数据链路层数据到达”。
(2)功能实现
初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息；等待数据链路层中所有子模块初始化完成，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以及包流线的索引)，将m个子模块功能设置为接收外部报文，n个子模块功能设置为对外发送报文，同时将对外发送的报文的目的地址设置为广播地址，有s＝m+n；等待报文的到来，判断收到的报文的来源和传递方向，如果是从应用层下达的报文，则将报文沿着包流线传送到所有对外发送报文的数据链路层子模块，如果是从数据链路层上传的报文，将报文沿着包流线传送到应用层。
(3)执行逻辑
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，触发流中断进入“应用层数据到达”状态，执行完毕后直接转移回到“等待”状态，等待下一次流中断的到来。如果数据链路层的报文到达，触发流中断进入“数据链路层数据到达”状态，执行完毕后直接转移回到“等待”状态，等待下一次流中断的到来。
S3.构建合并单元数据链路层模块。
(1)状态设置
至少需要设置的状态有：“初始化”、“等待”和“报文到达”。
(2)功能实现
初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息；为端口设置MAC地址，为了实现多收多发功能，数据链路层模块中有s个独立的子模块，子模块的数量s根据需要可设置，每一个子模块有独立MAC地址；等待报文的到来，判断收到的报文的来源和传递方向，如果是来自于应用层的报文，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沿着包流线发送到物理层；如果是来自于物理层的报文，按照以太网协议帧格式解析报文，如果该报文的MAC地址匹配能够被接收，将解析后的报文沿包流线向接口层发送，如果报文地址不匹配则将该报文销毁。
(3)执行逻辑
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，触发流中断进入“报文到达”状态，执行完毕后直接转移回到“等待”状态，等待下一次流中断的到来。
根据DL/T282中的标准，合并单元应能满足接收来自一个设备间隔的最多12路电子式互感器的通道输入并对各路数据进行合并成SV报文。同时，合并单元需要多端口输出若干组数字量信号分别满足继电保护、测量、计量等不同应用的要求，根据国家电网公司继电保护装置的相关规范，要求合并单元至少配置8个发送端口。智能终端可以从多个保护单元收到GOOSE跳闸报文，如线路保护和母线保护，也需要向多个保护和测控单元发送开关量GOOSE报文。以上各个标准和规范均意味着模拟合并单元和智能终端的节点模型需满足“多收多发”功能，即能够实现多端口收发报文，本实施例通过构建多个数据链路层子模块并配置独立的MAC地址以实现多端口收发报文，符合工程实践中对过程层设备收发报文通信模型的要求。
S4.构建合并单元物理层模块。
(1)状态设置
至少需要设置的状态有：“初始化”、“等待”、“发信机发送”和“收信机接收”。
(2)功能实现
初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息；等待报文的到来，判断收到的报文的来源和传递方向，如果等待发送的报文到达，将报文输出速率与所直连链路匹配，将数据包转变成比特流发送；如果等待接收的报文到达，将报文沿包流线向数据链路层传送。
(3)执行逻辑
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，触发流中断进入“发信机发送”或“收信机接收”状态，执行完毕后直接转移回到“等待”状态，等待下一次流中断的到来。
S5.封装合并单元仿真元件。
完成合并单元应用层模块、接口层模块、数据链路层模块、物理层模块的构建后，用包流线将各模块连接起来，报文沿包流线传递，然后封装成自定义的合并单元仿真元件。
S6.设置外部属性。
对封装的自定义“合并单元仿真元件”，允许用户通过参数的设置来控制数据的读取和动作行为，“合并单元仿真元件”可设置的外部属性有：合并单元所连接的电子式互感器的数量，合并单元所连接的模拟式互感器的数量，合并单元读取外部文件的路径，合并单元接收报文的端口数量，合并单元发送报文的端口数量，报文的发送和接收的统计信息等。
如图2所示，在进一步的实施例中对过程层中的智能终端的仿真设计与合并单元类似，只在应用层模块有所区别，智能终端的应用层模块构建包括：
(1)状态设置
至少需要设置的状态有：“初始化”、“等待”、“GOOSE报文接收”和“GOOSE报文发送”。
(2)功能实现
初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，利用外部模块访问接口导入文件，文件中包含断路器、刀闸的开关状态信息以及关联的时间信息；判别断路器刀闸的开关状态信息，如果没有开关状态发生改变，则按照IEC61850协议标准创建开关量输入的GOOSE心跳报文，如果有开关状态发生改变，则按照协议标准创建开关量变位的GOOSE报文，将报文沿着包流线传送到接口层，同时根据设置的GOOSE报文重传间隔规律确定下一次开关量输入的GOOSE报文的发送时刻；
如果有报文的到达，接收GOOSE报文，根据IEC61850协议标准解析GOOSE报文，如果判定为GOOSE心跳报文，则不实施断路器动作指令，如果判定为GOOSE跳闸报文，提取GOOSE跳闸报文中的断路器跳闸信息，发出断路器跳闸指令；更新收包和发包的统计量信息。
(3)执行逻辑
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GOOSE报文到达后，触发流中断进入“GOOSE报文接收”状态，如果判定为GOOSE跳闸报文，发出断路器跳闸指令。设置自中断进入“GOOSE报文发送”状态，根据设置的GOOSE报文重传间隔规律确定的GOOSE报文发送时刻将开关量输入的GOOSE报文发送出去，等待下一次中断的到来。
智能终端其余模块的设置与合并单元类似，在此不再赘述。
同样地，对封装的自定义“智能终端仿真元件”，允许用户通过参数的设置来控制数据的读取和动作行为，“智能终端仿真元件”可设置的外部属性有：智能终端读取外部文件的路径，智能终端接受GOOSE报文的端口数量，智能终端发送GOOSE报文的端口数量，GOOSE报文的重传规律，报文的发送和接收的统计信息等。
下面介绍本发明的另一个实施例，以OPNET仿真软件为平台，通过具体的算例说明本发明的智能变电站过程层设备的仿真设计方法，本发明提供的仿真设计方法并不局限于OPNET仿真软件，其余的通信网络仿真平台例如NS2、MATLAB等同样可实施。
下面为在OPNET平台中对合并单元节点模型的仿真建模步骤，该算例中只说明合并单元连接电子式互感器的情形：
第一步，构建合并单元应用层模块MU_gen，在仿真中需要实现的状态及逻辑如下：
(1)设置“init”状态
转移条件：仿真开始；
功能：初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备；
(2)设置“idle”状态
转移条件：“init”状态结束；“send”状态结束；“other_arrived”状态结束；“et_arrived”状态结束且没有收到与之相连的所有电子式互感器发送过来的同一时标下的报文。
功能：等待报文的到达，判断报文的类型；
(3)设置“et_arrived”状态
转移条件：“idle”状态结束且电子式互感器报文到达；
功能：提取电子式互感器报文中的数据，并根据报文中的电气量数据种类的不同将数据存储在不同的变量中，判断是否收到了同一个时标下本合并单元连接的所有电子式互感器的报文，更新收包统计量信息；
(4)设置“other_arrived”状态
转移条件：“idle”状态结束且非电子式互感器报文到达；
功能：读取外部文件中指定的电气量数据(电压或电流)以及时间信息，并根据电气量数据种类的不同将数据存储在不同的变量中，判断是否收到了同一个时标下本合并单元连接的所有模拟式互感器的信息；
(5)设置“send”状态
转移条件：“et_arrived”状态结束或“other_arrived”状态结束且本合并单元连接的所有电子式互感器和/或模拟式互感器同一个时标下的报文均到达；
功能：生成相应格式的SV报文，并将从电子式互感器和模拟式互感器发送过来的报文中提取的同一个时标下的所有数据封装进SV报文中对应的字段中，将报文沿着包流线向接口层发送，更新发包统计量信息。
如图3所示，应用层模块MU_gen的执行逻辑为：当OPNET仿真开始的时候触发仿真起始中断进入“init”状态，“init”状态执行完毕后直接进入“idle”状态。如果电子式互感器的报文到达后(ARRVL)，触发流中断进入“et_arrived”状态，“et_arrived”状态结束后判断当前是否已经将同一时标下的所有互感器报文接收完毕，如果是(ENOUGH)，触发自中断进入“send”状态，“send”状态执行完毕后直接转移到“idle”状态，等待下一次流中断的到来，如果不是(NOT_ENOUGH),触发自中断进入到“idle”状态，等待下一次流中断的到来；如果模拟式互感器的报文到达后(OTHER)，触发流中断进入模拟式互感器数据接收的“other_arrived”状态，“other_arrived”状态结束后判断当前是否已经将同一时标下的所有互感器报文接收完毕，如果是(ENOUGH)，触发自中断进入“send”状态，“send”状态执行完毕后直接转移到“idle”状态，等待下一次流中断的到来，如果不是(NOT_ENOUGH),触发自中断进入到“idle”状态，等待下一次流中断的到来
第二步，构建合并单元接口层模块app_mac_intf，在仿真中需要实现的状态及逻辑如下：
(1)设置“init”状态
转移条件：仿真开始；
功能：在仿真启动时初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备；
(2)设置“init2”状态
转移条件：“init”状态结束；
功能：等待数据链路层中所有子模块初始化完成；
(3)设置“wait”状态
转移条件：“init2”状态结束；
功能：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(包括数量以及包流线的索引)，将12个子模块设置为仅接收外部报文，其余子模块设置为对外发送报文，同时将对外发送的报文的目的地址设置为广播地址；
(4)设置“idle”状态
转移条件：“wait”状态结束；“app layer arrival”状态结束；“mac layerarrival”状态结束；
功能：等待报文的到来，判断收到的报文的来源(从上层到达还是下层到达)；
(5)设置“app layer arrival”状态
转移条件：“idle”状态结束且上层的报文到达；
功能：将报文沿着包流线发送到所有对外发送报文的数据链路层子模块中；
(6)设置“mac layer arrival”状态
转移条件：“idle”状态结束且下层的报文到达；
功能：将报文沿着包流线发送到应用层中；
如图4所示，接口层模块app_mac_intf的执行逻辑为：当OPNET仿真开始的时候触发仿真起始中断进入“init”状态，“init”状态执行完毕后设置自中断进入“init2”状态，“init2”状态执行完毕后设置自中断进入“wait”状态，“wait”状态执行完毕后设置自中断进入“idle”状态，如果上层的数据包到达后(APPL_LAYER_PKT_ARRVL)，触发流中断进入“app layer arrival”状态，“app layer arrival”状态执行完毕后直接转移回到“idle”状态，等待下一次流中断的到来；如果下层的数据包到达后(MAC_LAYER_PKT_ARRVL)，触发流中断进入“mac layer arrival”状态，“mac layer arrival”状态执行完毕后直接转移回到“idle”状态，等待下一次流中断的到来。
第三步，构建合并单元数据链路层模块mac，为了实现多收多发功能，数据链路层模块中需要包含多个子模块(子模块的数量根据需要可设置)，每一个子模块仿真一个独立端口即MAC地址，在仿真中每个子模块需要实现的状态及逻辑如下：
(1)设置“init”状态
转移条件：仿真开始；
功能：在仿真启动时初始化本模块的相关功能，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“idle”状态
转移条件：“init”状态结束；“packet arrives”状态结束；
功能：等待报文的到来；
(3)设置“packet arrives”状态
转移条件：“idle”状态结束且报文到达；
功能：判断报文来自于上层还是下层，如果是来自于上层的报文，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沿着包流线发送到物理层；如果是来自于下层的报文，按照以太网协议帧格式解析报文，如果该报文能被接收(地址匹配)，将解析后的报文沿包流线向接口层发送，如果报文不能被接收则将该报文销毁。
如图5所示，数据链路层模块mac的执行逻辑为：当OPNET仿真开始的时候触发仿真起始中断进入“init”状态，“init”状态执行完毕后设置自中断进入“idle”状态，如果数据包到达后(PACKET_ARRVL)，触发流中断进入“packet arrives”状态，“packet arrives”状态执行完毕后直接转移回到“idle”状态，等待下一次流中断的到来。在OPNET平台中为了实现“packet arrives”状态，该状态还调用了OPNET自带的子进程域模型来实现相关功能，图中并未显示。
第四步，构建合并单元物理层模块hub，为每一个数据链路层子模块构建合并单元物理层模块，在仿真中需要实现的状态及逻辑如下：
(1)设置“init”状态
转移条件：仿真开始；
功能：在仿真启动时初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备；
(2)设置“idle”状态
转移条件：“init”状态结束；“send”状态结束；“receive”状态结束；
功能：等待报文的到来，判断收到的报文的来源；
(3)设置“send”状态
转移条件：“idle”状态结束且上层的报文到达；
功能：将报文输出速率与所直连链路匹配，将数据包转变成比特流输送出去；
(4)设置“receive”状态
转移条件：“idle”状态结束且所直连链路的报文到达；
功能：将报文沿包流线向数据链路层发送。
OPNET中的物理层不提供进程模型，直接使用自带的收、发信机模型构建物理层模块，设置好收发信机的属性，如收发包格式、速率等即可。
第五步，完成各模块的构建后，用包流线将各模块连接起来，合并单元节点模型的原理图如图6所示，数据包沿包流线传递。
第六步，模型构建完毕后，为了允许用户通过参数的设置来控制数据的读取和模型的行为，给模型设置可以由用户自定义的外部属性，包括合并单元所连接的电子式互感器的数量，合并单元所连接的模拟式互感器的数量，合并单元读取外部文件的路径，合并单元接收报文的端口数量，合并单元发送报文的端口数量，报文的发送和接收的统计信息等。
通过本实施例在OPNET平台中对合并单元节点模型的建模，使得仿真过程中的合并单元具有接收汇集多个电子式互感器发送过来的电压电流量，也可以接收模拟式互感器的数据文件，封装合并成SV报文并对外发送给多个端口，且能对报文发送和接收进行统计(发/收包量、发/收包速率等)的功能。
过程层中的智能终端同样可以通过本实施例提供的设计方法在OPNET平台中建立智能终端的节点模型，由于智能终端在报文传送和接收过程中与合并单元的区别主要在于应用层模块，因此在此只描述应用层模块的建立，其余模块可通过上述合并单元的建模过程同理可得。
智能终端对GOOSE报文可接收可发送，因此在构建应用层模块时设置两个子模块，一个子模块it_rec用于接收报文，另一个子模块it_gen用于发送报文。
接收报文子模块it_rec在仿真中需要实现的状态及逻辑如下：
(1)设置“init”状态
转移条件：仿真开始；
功能：初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，为仿真做准备；
(2)设置“idle”状态
转移条件：“init”状态结束；“goose_process”状态结束；“other_process”状态结束；
功能：等待报文的到达，判断报文的类型；
(3)设置“goose_process”状态
转移条件：“idle”状态结束且GOOSE报文到达；
功能：提取GOOSE报文中的信息，判断GOOSE报文中是否带有断路器变位信号，更新收包统计量信息；
(4)设置“other_process”状态
转移条件：“idle”状态结束且非GOOSE报文到达；
功能：将报文销毁。
如图7所示，接收报文子模块it_rec的执行逻辑为：当OPNET仿真开始的时候触发仿真起始中断进入“init”状态，“init”状态执行完毕后直接进入“idle”状态，如果GOOSE报文到达后(GOOSE_ARRVL)，触发流中断进入“goose_process”状态，“goose_process”状态结束后直接转移到“idle”状态，等待下一次流中断的到来；如果GOOSE报文以外的报文到达后(OTHER_ARRVL)，触发流中断进入“other_process”状态，“other_process”状态结束后直接转移到“idle”状态，等待下一次流中断的到来。
发送报文子模块it_gen在仿真中需要实现的状态及逻辑如下：
(5)设置“init”状态
转移条件：仿真开始；
功能：初始化本模块的相关功能，获取进程模型运行所需的相关信息，读取外部PSCAD所输出的.out文件中包含断路器开关状态信息以及时间信息，并将其存储为一个数据表，如表1所示，为仿真做准备；
表1发送报文子模块it_gen存储的数据表
时间 开关状态(单相或三相)(0表示闭合，1表示断开)
T1 0或1(；0或1；0或1)
…… ……
Tm 0或1；(0或1；0或1)
(6)设置“heartbeat”状态
转移条件：“init”状态结束；“heartbeat”状态结束且下一个发心跳报文的时刻到达；“emergency”状态结束且GOOSE报文变位周期最后一个报文发送完毕；
功能：按照GOOSE报文格式创建报文，将断路器变位前的开关状态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；
(7)设置“emergency”状态
转移条件：“emergency”状态结束且下一个发变位周期报文的时刻到达；“heartbeat”状态结束且断路器开关状态改变；
功能：按照GOOSE报文格式创建报文，将断路器变位后的开关状态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报文变位间隔发包规律计算下一次发包时刻，且更新发包统计量。
如图8所示，发送报文子模块it_gen的执行逻辑为：当OPNET仿真开始的时候触发仿真起始中断进入“init”状态，“init”状态结束后设置自中断进入“heartbeat”状态。“heartbeat”状态结束后，如果下一个心跳报文的发送时刻到达(PERIOD_SEND)，触发自中断再次进入“heartbeat”状态；如果断路器开关状态改变(CHANGE)，触发自中断进入“emergency”状态。“emergency”状态结束后，如果下一个变位周期报文的发送时刻到达(REMAIN_EMERGENCY)，触发自中断再次进入“emergency”状态；如果GOOSE报文最后一个变位周期报文发送完毕(JUMP_OUT_EMERGENCY),触发自中断进入“heartbeat”状态。
同样地在OPNET平台中为智能终端的节点模型设置用户自定义的外部属性，包括指定GOOSE心跳报文发送周期、指定GOOSE报文变周期发送的第一个时间间隔、指定所要读取的.out文件的路径、指定.out文件中所要读取的数据的列数、指定进程模型启动时间、指定进程模型结束时间等。
经过二次建模的智能终端具有读取外部数据文件中的断路器刀闸开关状态、将开关量信息封装成GOOSE报文，可以将开入量GOOSE报文发送给多个保护测控单元，也能够接收多个保护单元发送的GOOSE报文，且能对报文发送和接收进行统计(发/收包量、发/收包速率等)的功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，包括：
配置应用层模块；
为数据链路层配置s个子模块，为每个子模块配置独立的MAC地址，在应用层模块和数据链路层的子模块之间构建接口层模块，由接口层模块设置数据链路层子模块的收发功能；
为数据链路层的每个子模块独立构建一个物理层模块；
所述s个子模块均连接至所述接口层模块，所述接口层模块与所述应用层模块连接；
分别设置应用层模块、接口层模块、数据链路层子模块、物理层模块的若干个状态和执行逻辑；
依次连接应用层模块、接口层模块、数据链路层子模块、物理层模块并封装为仿真元件。
2.根据权利要求1所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，所述配置应用层模块包括：
配置接收报文子模块和发送报文子模块。
3.根据权利要求1所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，当过程层设备为合并单元且电气量数据来自电子式互感器时，所述应用层模块的执行逻辑包括：
解析电子式互感器报文中的电气量信息，把与合并单元所连接的所有电子式互感器解析得到的同一时标下的电气量信息根据IEC61850协议标准封装生成SV报文向接口层发送。
4.根据权利要求1所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，当过程层设备为合并单元且电气量数据来自模拟式互感器时，应用层模块的执行逻辑包括：
利用外部访问接口导入电气量输入文件并根据其文件格式解析电气量信息，把与合并单元所连接的所有模拟式互感器解析得到的同一时标下的电气量信息根据IEC61850协议标准封装生成SV报文向接口层发送。
5.根据权利要求1所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，所述由接口层模块设置数据链路层子模块的收发功能包括：
待数据链路层的s个子模块初始化完成后创建链表记录所有子模块的信息，把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，把对外发送报文的子模块的MAC地址设置为广播地址，其中s＝m+n。
6.根据权利要求5所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，接口层模块的执行逻辑包括：
接收报文且当报文来自应用层模块时把报文发送至负责对外发送报文的数据链路层子模块；
当报文来自数据链路层的子模块时把报文发送至应用层模块。
7.根据权利要求1所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，数据链路层的子模块的执行逻辑包括：
仿真过程触发后等待报文，当报文来自应用层模块时根据以太网协议帧格式封装报文并沿线发送至物理层模块；
当报文来自物理层模块时根据以太网协议帧格式解析报文并根据MAC地址向接口层发送，MAC地址不匹配时销毁报文。
8.根据权利要求1所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，所述物理层模块的执行逻辑包括：
待发送报文到达所述物理层模块时匹配报文的输出速率和所直连链路，把数据包转变为比特流发送；待接收报文到达物理层模块时沿线把报文发送至数据链路层。
9.根据权利要求2所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，当传输的报文为GOOSE报文时，所述接收报文子模块的执行逻辑包括：
根据IEC61850协议标准解析GOOSE报文且为跳闸报文时，提取GOOSE报文中的断路器跳闸信息，发出跳闸指令。
10.根据权利要求2所述的智能变电站过程层设备仿真设计方法，其特征在于，当传输的报文为GOOSE报文时，所述发送报文子模块的执行逻辑包括：
利用外部模块访问接口导入电气开关量数据，读取开关状态信息以及关联的时间信息；
当开关状态未发生改变时按照IEC61850协议标准创建开关量输入的GOOSE心跳报文并发送至接口层模块；
当开关状态发生改变时按照协议标准创建开关量变位的GOOSE报文，将报文沿着包流线传送到接口层，同时根据设置的GOOSE报文重传间隔规律确定下一次开关量输入的GOOSE报文的发送时刻。
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