肖英伟，任庆帅，郭启伟，肖俊丽

（1.国网山东省电力公司检修公司，山东济南250021；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021）

基于WinPcap的智能变电站继电保护测试关键技术研究

肖英伟1，任庆帅1，郭启伟1，肖俊丽2

（1.国网山东省电力公司检修公司，山东济南250021；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南250021）

基于IEC61850标准进行智能变电站继电保护测试系统关键技术研究，对IEC61850标准进行深入解读，并使用WinPcap工具实现了过程层与间隔层之间的通信功能。同时，还实现了保护动作行为模拟，为变电站工作人员保护测试工作提供了一种新颖而直观的方式，并提供综合分析功能：故障波形特征量计算（序量计算，功率方向分析，阻抗分析）和谐波分析。经PSCAD/EMTDC仿真算例测试，系统计算精准、功能齐全，对IEC61850标准的理解正确，为继电保护测试工作提供了一个便捷的平台，具有广阔的应用前景。

IEC61850；保护测试；WinPcap；小波算法

0 引言

基于IEC61850通信协议的智能变电站将变革传统的变电站一、二次设备，给变电站的设计、安装、调试、验收和运行带来新的挑战［1］。

对IEC61850标准进行了解读和应用，使用两台微机模拟了智能变电站过程层和间隔层之间的通信，并实现了保护测试功能。主机（微机A）可发送符合IEC61850-9-2LE标准的报文，待测保护设备接收并解析报文并发送IEC GOOSE开关命令，同时系统还提供了对比机（微机B），可模拟保护动作行为，作为判断保护装置动作是否正确的参考。在微机B中，依据精确的数据处理算法，还可进行序量、功率方向、阻抗等故障派生量计算，为保护工作人员分析故障原因以及研究原理提供新的思路和方式。

1 系统设计方案

系统包括4部分，分别为数据转换模块、数字化继电保护算法模块、以太网通信模块和人机界面。

系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 关键技术

2.1 以太网通信功能

2.1.1 以太网通信工具软件

基于IEC61850标准的采样值和GOOSE报文都是通过以太网链路层进行发送的，因而不能使用处于同层次的TCP/IP协议发送和接收，必须使用更底层的通信函数［2］。

采用WinPCap（Windows packet capture）网络开发包作为以太网通信工具软件，允许其他应用程序绕过协议栈发送和捕获网络数据包，并具有发送以太网原始数据包的功能［3］，因而非常适合开发应用于智能变电站的网络通信模块。

2.1.2 WinPcap捕获和发送IEC61850数据包

系统使用WinPcap捕获数据包的流程［4］。

1）使用pcap_findalldevs_ex函数列举以太网中可用的网络设备。

2）使用pcap_open（）函数打开一个网络设备。

3）如需对数据包进行过滤，使用pcap_setfilter函数设置过滤条件。

4）使用WinPcap捕获数据包有两种方法。一种是以回调函数的方式完成，接口函数为pcap_loop或pcap_dispatch；另一种方式是使用pcap_next_ex（）函数完成。本文使用的是第二种方法。

使用WinPcap发送数据包与捕获流程类似，首先也要列举并打开网络设备（请参见捕获流程），然后使用发送函数发送数据包。发送数据包方法有两种：一种是发送单个数据包，另一种是发送队列的方式。由于第一种方式功能足够满足要求，并且简单、效率高，因此采用发送单个数据包的方式，接口函数为pcap_sendpacket。

2.2 IEC61850报文解析

2.2.1 采样值（SV）报文解析

系统采用IEC61850-9-2LE标准，采样值报文在该标准下都是基于ISO/IEC 8802-3的以太网帧结构［5］。

采样值报文的解析流程。

1）判断以太网类型（Ethertype）是否为0x88BA。

2）读取AsduNum和AsduLength，查找ASDU。

3）根据已知标记和数据类型，解码svID（Tag等于80）、SmpCnt（Tag等于82）等数据段。

4）读取Samples数据，并按8路采样值格式进行解析［6］。

2.2.2 GOOSE报文解析

GOOSE解包最主要部分是解析APDU数据，即关键是解析Control Block Reference、StateNumber、Sequence Number、Test、Config Revision、Needs Commissioning、Number Dataset Entries等数据段，它们在报文中均是以“Tag”+“length”+“data”的形式体现的，“Tag”分别为0x80、0x81、0x82、0x83、0x84、0x85、0x86、0x87、0x88、0x89、0x8A［7］。

该部分在程序中是通过一个字符型的指针（data）来实现的，该指针指向APDU数据段的首字节，然后根据“数据长度”依次对每一部分进行解析。

2.3 数据处理

2.3.1 数据处理环节

设计数据处理流程图如图2所示。

图2 数据处理流程

1）同步采样处理。

智能变电站过程层采样为定采样率，因此必须重点考虑解决数据同步的问题。目前已有的采样值计算的算法大多是建立在同步采样基础之上的，因此在解决实际工程问题时，由于采样周期与信号周期不同步或采样时间间隔不均匀等影响，使得数据分析的准确性和精度受到严重影响［8］。

针对同步误差产生的原因，研究了同步采样的改进方法，消除误差。结果证明该方法实现简单，应用范围广泛，执行效率高，且精度满足测量要求。

同步采样处理的流程如图3所示，对输入数据的处理包括低通滤波、过零检测和插值采样3部分。

图3 同步采样处理流程

实现同步采样的关键问题是如何准确地检测信号的实时频率。模拟过零检测功能来测量信号的实时频率。当故障发生时，信号可能因为包含有高频噪声等而产生严重畸变，这对过零点的检测会带来一定误差。所以需要先对输入信号采用巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，得到有效信号进行处理［9］。

通过过零点检测，可以精确判断出信号的实时频率。根据波形的实测频率利用拉格朗日边界条件的三次样条插值方法对输入故障波形进行重采样，达到同步采样处理的目的。

2）差分处理。

差分能在一定程度上抑制衰减直流分量所带来的影响，且计算简单，实现方便；缺点是会改变数据处理算法的幅频特性，故需对计算结果进行修正［10-11］。

差分方程

幅值修正系数A和相位修正系数β分别为

式中：K为谐波系数；ω为基波角频率；Ts为采样周期。

2.3.2 数据处理算法

1）傅氏算法。

根据全周傅氏算法，第n次谐波分量的实部、虚部值分别为

式中：N为一周波的采样点数，XRen、XImn分别为n次谐波的正弦项（实部）和余弦项（虚部）的系数。

傅立叶算法可以滤除直流分量和整数次谐波分量，稳定性好。为克服基波频率偏移、衰减直流分量影响，可以先对输入数据进行同步采样和差分处理［12-14］。

2）连续复小波变换算法。

小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化性质，因此它能成为分析象故障电流电压这样非平稳变化或具有奇异性的其他信号［15-16］。

使用连续复小波变换提取信号的幅值、相位、频率

其中：am是特征尺度；C为常数，称为修正因子。

由于小波变换具有较好的时频域局部化特征，可以准确地取各分量的频率、幅值和相位，无需考虑频率偏移对测量精度的影响，可以不用将数据进行同步采样处理。差分处理方法见式（2）、式（3）。

2.4 保护模拟

以南京南瑞继保电气有限公司的RCS-902A型超高压线路成套保护装置的保护配置工作原理为依据，进行220 kV及以上电压等级输电线路的保护判据动作模拟。保护判据动作行为分析模块中的配置：1）纵联距离保护，包括纵联低压距离保护、纵联接地距离保护、纵联相间接地距离保护和纵联反方向距离保护；2）纵联零序保护；3）快速Ⅰ段保护由工频变化量距离元件构成；4）三段式接地距离保护；5）三段式相间距离保护；6）两个延时段零序方向过流保护，包括零序过流Ⅱ段保护和零序过流Ⅲ段保护。

3 仿真验证

根据设计思想，使用两台微机连接形成局域网，使用PSCAD/EMTDC搭建长度为100 km的典型双端220 kV系统模型如图4所示［17-18］。

波形数据采样周期为0.001 s，数据长度为0.6 s。0.4 s时，距A点25 km处发生a相金属性接地故障。

整个运行流程为：1）PSCAD/EMTDC导出COMTRADE格式录波数据文件；2）微机A读入录波文件，将其转换成符合IEC61850-9-2LE标准的报文，并发送到待测保护装置和微机B；3）待测保护装置和微机B捕获该报文并进行解析、计算得到保护动作信号，微机B还要进行基波幅值计算、序量分析、阻抗分析和功率方向分析；4）待测保护装置或微机B中保护模拟模块根据保护动作行为发送GOOSE报文到微机A中；5）微机A捕获GOOSE报文，解析并显示结果［19］。

篇幅所限，程序贴图不在此展示。测试所得保护判据动作情况分析结果总结如表1所示。

图4 仿真模型示意

表1 保护动作情况分析总结

由表1结论可见，本系统保护判据模拟结论正确。

4 结语

本文实现了智能变电站继电保护测试功能，使用WinPcap工具包实现了IEC61850报文的组帧和解析和以太网通信功能。针对微机B所需功能，开发了精确的数据处理算法，提供了差分和同步处理两种数据处理环节、全周傅式和连续复小波变换两种算法用于基波分量的提取，并进一步分析计算序量、功率方向、阻抗等故障派生量并模拟保护动作行为。该系统若进行进一步完善和实用化改进，必将对已有的继电保护测试技术研究起到一定的推动作用，有着广阔的应用前景。

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The Key Technologies of Relay Testing in the Intelligent Substation Based on WinPcap

We investigate the key technologies of relay testing in the intelligent substation，and analyse the core idea of IEC61850 in detail.We realize the communication between the process level and the bay level by using WinPcap.We also simulate the action of relay，which provides a new and intuitive way for the test of relay protection operators in the substation. we also provide comprehensive analysis functions：fault wave characteristics（sequence component，power，impedance）calculating and harmonics analysis.The PSCAD/EMTDC simulation shows that the system has accurate computations，complete functions and correct understanding of IEC61850.This system can provide a convenient platform for the test of protective relays and has a wide application prospect.

IEC61850；relay test；WinPcap；wavelet algorithm

TM774

：A

：1007－9904（2014）04－0009－04

2014-02-23

肖英伟（1987—），男，硕士，研究方向为电力设备自动化；

任庆帅（1980—），男，本科，研究方向为电力设备自动化；

郭启伟（1985—），男，硕士，研究方向为继电保护。