王 涛 韩 冬

国网技术学院 山东 济南 250002

0 引言

随着建设坚强智能电网规划的提出，智能变电站中的保护和控制装置通信方式和功能配置方式的自动化、网络化程度大大提高，这使得电网的二次装置尤其是保护和控制发生非常大的变化。目前的保护实训仿真系统还停留在传统的对保护功能进行简单仿真，功能单一，而且无法支持用户定制。这种实训系统已无法满足未来电网发展对人员培训的要求，因此结合未来电网的发展特点，从人员培训需求入手，建立一个功能完善、界面友好并支持未来智能电网技术发展的保护和控制实训系统是电网技术人员和工作人员的共识和迫切需要［1］。

本文提出的数字化继电保护仿真实训系统采用组件和虚拟回路映射方法，将虚拟回路与保护装置的信号关联映射为可视化的实体接线操作，装置采用组件技术，对原理、逻辑进行定制形成自定义保护。并且将二次回路可视化，展示了其信号流通和逻辑回路的动态行为。最后以网络测试仪作为数据源完成单装置测试和二次动态回路的展示。

本文第1部分介绍了该系统的整体框架，第2部分介绍虚拟保护与外部测试仪之间的数据通信模型，第3部分介绍虚拟保护实训系统的建模，第4部分介绍系统的测试应用。

1 仿真培训系统整体架构

电力系统数字化保护与控制实训仿真系统的目的是在软件的虚拟环境中，进行保护建模和定值配置，通过发送虚拟故障测试信号，观察保护装置启动输出，查看保护动作特性和逻辑特性，同时观察二次回路电气参数和触点开关的动态变化，提供给使用者一个清晰、直观、完整的学习认知过程。图1是本文提出的软件系统基本功能结构框图，该系统由3个部分组成，分别为虚拟数字化保护，虚拟回路映射和动态二次回路，对应图中的模块①②③，并且均处于局域网环境中。保护实训系统外部是由测试仪软件、板卡和局域网组成。内部和外部通过SV和GOOSE报文进行数据的传递。

系统功能整个流程：以测试仪作为故障源，测试仪在局域网络上不断发送IEC61850-9-2采样值数据包，虚拟保护通过采集模块进行抓包并且对SV报文进行解释，通过虚拟保护中的保护算法判据进行故障的诊断，经过保护控制和运行，并进行逻辑判定，结果以GOOSE格式返回测试仪。虚拟保护的运算输出有保护逻辑和解析的报文，通过箭头所示，会传递给数据管理平台。虚拟回路映射反映了虚拟测试仪和虚拟保护之间的对应关系，动态二次回路根据数据中的电流电压值动态显示电流电压回路，根据保护逻辑动态变化控制回路。

图1 系统功能整体结构

2 基于IEC61850通信数据建模

IEC61850［1］提出一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接［2］。如图1所示，本文的继电保护实训系统和外部信号源之间的信息传递是以IEC61850标准传输模型进行的，GOOSE报文返回保护测试结果等信息，SV报文则实现电流电压值的发送和板卡配置信息的采集。

2.1GOOSE模型

IEC61850通用变电站事件模型提供了快速和可靠的系统范围内传输输入，输出数据值。基于分布的概念，通用变电站事件模型提供了一个高效，利用广播服务或者是多路广播的形式向多个物理设备同时传输同一个通用变电站事件信息［3］。

GOOSE信息交换是基于发布方／订阅方机制基础上的。发布方和接收方都有各自的当地缓冲区。发布方将要发布的值写入它的缓冲区，接收方则会从它的当地缓冲区读取数据。在两者之间会架起一个通讯系统，负责刷新当前的各自当地缓冲区。在时间逻辑上是通过发布方那一侧的通用变电站时间控制类进行控制这个过程，其模型如图2。

图2 数字化保护GOOSE通信模型

GOOSE的通信服务模型，在过程层中的应用满足数字化继电保护的4个基本要求，并且报文交换时基于多路广播应用是关联的。GOOSE模型通过广播服务或者是多路广播的形式向多个物理设备传输信息。从数据发布方publisher中DATA发布，DATA-SET成员数目由Member Offset控制，每一个成员有特定功能约束（FC）的引用DataAttribute的Member Reference序号。实际工程中，GOOSE主要用于传输保护跳闸，启动信号和测控联闭锁开关刀闸位置信号。

GOOSE报文在数据链路层采用 ISO／IEC 8802.3协议（以太网协议），其帧格式如图3所示。

图3 GOOSE报文以太网帧结构

2.2 SV报文通信

SV采样值所交换的信息也是基于发布者／订阅者机制。在发送侧发布者将值写入发送缓冲区；在接收侧订阅者从当地缓冲区读值。通信系统负责刷新订户的当地缓冲区［3］，其工作原理、模型以及报文格式与GOOSE基本相同。

SV报文中发送多少个通道、每个通道发送什么数据是由保护测试仪根据保护装置实际情况配置的，该报文配置与保护装置一致，通道数目保护也是固定的，通道设置的顺序也必须与保护一致。因此读取配置文件信息，进行SV报文的解析，这样对多少通道，每个通道所表示的信息就能够动态的获得。

3 虚拟保护实训建模

虚拟保护装置仿真系统模拟和仿真了实际保护装置的功能和工作过程，利用装置组件化的思想将保护的各种功能分解为不同的组件，设计与维护相互独立，以便将来进行功能扩展和用户自定义。主要由数据输入解析组件、保护配置方案接口、保护算法原理库和动作结果输出接口组成。它不仅包含了现实中设备的特点，同时它直观体现了接线方式，保护测试设置和虚拟保护的动作判据等，使得操作方便，并且实现了原理判据和逻辑判据的组件自由搭配。

图1中的模块1为虚拟保护装置仿真子系统的简单结构，采集的故障信息输入后，在保护算法组件中进行电气量计算，进行判定后进入动作逻辑输出组件，返回跳闸信息。

3.1 基于组件的虚拟保护建模方法

由于继电保护装置动作仿真的复杂性，同时为了体现组件化的设计思想，本文采用了基于组件对象COM技术实现保护装置的建模［4］，将保护的各种功能元件的数学模型分解为“模型组件”，通过用户的自定义组合形成保护配置方案。

组件对象模型COM（Component Object Model）的核心是定义系统中可以重用的部分，将一个复杂的大系统根据其功能划分为若干组件，每个组件可作为独立的编译单元并得到再利用，各定制的组件可以在运行时同其它组件连接起来以构成某个应用程序［5］。程序运行时，用户在支撑平台中配置的保护类型和保护原理的方案通过接口调用各种不同的算法组件，即可方便地组成类型、原理不同的各种继电保护仿真模型。在需要对应用程序进行修改或更新时，只需用新组件替换即可，大大简化了应用程序的开发过程，增强了系统的维护性。

具体来说就是组成保护装置的每一功能组件都对应1个COM对象，每个COM对象通过1个或多个接口实现该功能组件的各子功能。以图4线路保护仿真的距离继电器组件为例，它所对应的接地距离继电器和相间距离继电器分别用两个相应的接口实现，通过接口指针访问对应的虚函数表来实现对接地距离或相间距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段继电器的访问。

图4 线路保护仿真的组件结构

3.2 虚拟保护系统组件构成

保护装置子系统主要由数据输入及转换组件、连线映射组件、数据库组件、微机保护算法组件、保护原理配置组件、保护逻辑输出组件组成：

数据源设置及转换组件：设置软件测试仪的参数，完成数据输入，然后通过软件测试仪和数据发生器的通信，把数据再转换为SV报文格式的形式，从而保证实时性。这样通过软件测试仪完成数据源输入，通过数据发生器转换为SV报文。

连线映射组件：对于软件测试仪和虚拟保护通信建立起来后，那么就需要建立一个虚拟的通道，这样就会明确各个相的电流和电压的情况。通过窗口设置虚拟保护的端口和软件测试仪的端口，并且把它们一一映射，并且生成配置文件信息的形式提供给虚拟保护的数据库。

数据库组件：虚拟保护装置的保护定值、设备参数、软压板和硬压板的投入、控制字的投入、还有SV报文的缓冲区、连线配置信息都需要存储在数据组件中。这样可以方便的生成各种数据对象，并利用存储的数据建立窗体和报表，可视性好。

微机保护算法组件：在保护中进行电气量的计算，对于保护启动利用半波傅里叶算法，对于原理组件用到的保护判据，则是用到全波傅里叶，根据采样率实时抓取数据源［5］。

保护原理配置组件：保护配置是基于用户对于线路或者变压器保护原理组件和逻辑组件的搭建。建立描述保护和控制装置的功能、动作逻辑、原理的基础模型，模型采用组件化设计，将保护和控制装置的功能、逻辑和判据原理分解为“模型组件”，通过对这些组件配置和编辑。培训人员可通过编辑信号源组件，装置组件自定义各种类型信号和保护装置［6－7］。用户在支撑平台中配置的保护类型和保护原理的方案通过接口调用各种不同的算法组件，方便组成类型、原理不同的各种继电保护仿真模型。

保护逻辑输出组件：原理组件建立后，故障应该正确动作，并需要逻辑组件的配合。虚拟保护中的逻辑，通过原理配置就会对应1套保护逻辑框图，根据保护逻辑框图与或非门的判别还有延时，输出给跳闸逻辑框图，同时不断刷新逻辑框图的输出口，只要在保护逻辑框图中，得到保护的出口量，就给虚拟测试仪发出GOOSE变量信息。

4 数字化继电保护测试

数字化继电保护是本实训仿真系统的应用核心部分，包括单装置测试和动态二次回路两部分。单装置测试由装置回路映射和虚拟保护装置组成；动态二次回路由电流回路、电压回路和控制回路组成；两者的数据源都是基于IEC61850通信模型的数据。数字化保护实训系统通过应用程序模拟继电保护二次装置的运行机理，输入输出特性和电气回路，剖析保护装置内部，了解装置工作的深层原理。通过同步配合、虚拟回路映射和输出结果的显示展现装置组件自定义各种类型信号和保护装置。动态二次回路可以观察装置的信号流和配合逻辑［8］。如图5所示。

图5 数字化继电保护测试系统图

4.1 单装置测试

4.1.1 虚拟保护的可视化映射

以保护功能为基础，虚拟回路的实质是基于IEC6185局域网通信的配置方法和通信方式描述的虚拟测试仪和虚拟保护之间的映射关系。在数字化保护测试培训时，无法直观了解保护回路功能的配置，为了达到现实中的接线方式的效果，通过建立真实的数字化保护柜背面的端子排模型和虚拟测试仪实体模型，在虚拟回路中对虚拟测试仪端子和端子排的可视化连线操作，完成两者之间的端子之间的映射关系。

连接映射中虚拟测试仪端口固定，通过设置连线窗口就可以完成测试仪端口和虚拟保护端子的映射关系。如图6所示，选择测试仪端口，再通过添加虚拟保护端子，添加后就会形成一个配对关系，储存在配置文件信息ini文件中。在读取SV报文时，通过连线配置文件信息来分辨每个测试仪的通道分别是传输给哪个虚拟保护端子。连线完成后，测试仪和虚拟保护之间根据设置的信息依次进行连接，来动态的展示其整个的连接过程。

图6 虚拟回路连线映射

4.1.2 单装置测试方法

在单装置测试中首先设置仿真的运行网络环境和电气参数，运行虚拟数字化保护装置后，在虚拟保护中设置原理配置、投入控制字、软压板和硬压板。再根据试验的要求，进行虚拟回路映射连线，设置好的连线生成配置信息文件，传输过程中的电流电压的配对关系映射完成。

运行测试仪，进行电流电压参数的设置和开出量的设置。保护测试仪利用基于网络的虚拟保护测试仪发布的采样值报文发布作为实时信号源，测试仪通过选定的板卡在网络上不断往培训学员PC的MAC地址发送IEC61850-9-2采样值的数据包，虚拟保护通过抓包线程不断抓取电压电流瞬时值数据包并解析，以获取数据信息。通过读取数据库的文件配置信息，获取电流电压的通道和数值信息后，经过保护算法组件，再到虚拟保护的原理和逻辑组件进行最后的逻辑输出过程，并以GOOSE信息的形式回送给虚拟测试仪。

4.2 动态二次回路

一般的二次回路培训是以文字解释、静态图片为基础的教学［9］。本文提出的软件培训系统中的二次回路子系统向技术人员展示一个完整变电站的二次系统动态全景视图，在二次回路要每个节点都可以观察二次信号。该系统以基于IEC61850的仿真故障信号为输入，将信号流动的过程在回路中动态显示，使得二次电流、电压回路，控制回路可视化。

动态二次回路包含电流回路、电压回路和控制回路3部分，这3个回路密切的结合在一起，全面立体的展现了系统中线路与变压器二次侧的保护功能的实现过程。电流电压回路中虚拟保护中的保护屏的示数来源于变电站仿真中的一次系统值的设定和仿真故障信号，电流和电压回路中显示了故障数据的获取过程，实现这两种信息的输入；而控制回路则是基于单装置测试中的故障跳闸动作和合闸复位情况，进行控制回路的逻辑关联从而演示动态过程。

以电流回路为例，动态二次回路电流回路准确立体地展示了系统二次侧电流数据的获取过程，学员就可以通过这个培训系统对二次侧电流回路有个直观的了解。如图7所示，简易电流回路图能够直观清晰的看清一次系统和CT之间，以及CT和端子箱和各个保护屏之间的连接关系，能够使学员了解到各个保护屏之间的电流示数的联系。

图7 简易电流回路

图8为详细电流回路图，放大简易电流回路图可以获得。从详细电流回路图中可以看到有详细的数据显示，并且可以实时显示其电流的变化，详细而又全面的了解电流的整个走向。

通过电流互感器将一次侧电流转换为适合的二次侧电流；详细表现TA二次侧根部连线到TA端子箱的过程，细致到每一相，并且通过颜色加以区分A、B、C三相，走线工整条理，用颜色加以区分。

图8 详细电流回路

5 结论

本文介绍了一种基于IEC61850的数字化继电保护实训仿真系统，该系统以网络保护测试仪作为数据源，输入到虚拟保护装置。应用IEC61850格式的采样值和GOOSE跳闸信号以数据流的形式在虚拟保护与虚拟测试仪之间进行网络数据交互。虚拟保护采用组件原理对保护的原理和逻辑判据进行分解，使培训学员可以通过组件搭建自定义的保护装置。同时，该方法将数字化保护的虚拟回路通信设置映射为可视化的实际硬接线操作，使学员从传统保护自然过渡到数字化保护的培训。动态二次回路仿真系统动态展示了交流电流、电压、控制回路信号流通路径和各个回路之间的逻辑关系。

该系统提供了较为全面的继电保护仿真模型，并且具有友好的保护装置编辑界面和清晰完整的二次回路动态展示界面。组件化的建模方法使得系统同时具有良好的扩展性和兼容性，丰富了继电保护培训的手段和方式。

［1］陈礼义，顾强.电力系统数字仿真及其发展［J］.电力系统自动化，1999，23（23）：1－6.

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