繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)體系設(shè)計(jì)

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WinPcap軟件包簡介

由于IEC61850的采樣值數(shù)據(jù)包和GOOSE數(shù)據(jù)包都是直接建立在以太網(wǎng)鏈路層之上的，在ISO7層協(xié)議中與IP協(xié)議處于同等的位置，因而不能使用TCP/IP協(xié)議發(fā)送和接收，需采用更底層的以太網(wǎng)通信函數(shù)［3-4］。WinPcap工具軟件包滿足上述的要求，可以更底層地操作網(wǎng)卡。此外，WinPcap中還提供了發(fā)送以太網(wǎng)原始數(shù)據(jù)包的功能，因而非常適合于開發(fā)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信軟件。WinPcap具有捕獲數(shù)據(jù)包、發(fā)送數(shù)據(jù)包、統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)流量3個(gè)主要功能。捕獲數(shù)據(jù)包的基本流程如下［5］(1)通過接口函數(shù)pcap_findalldevs_ex枚舉所有可用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。(2)根據(jù)枚舉返回的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備名稱打開一個(gè)設(shè)備，對應(yīng)接口函數(shù)為pcap_open()。(3)如果需要，設(shè)置數(shù)據(jù)包的過濾條件，對應(yīng)接口函數(shù)為pcap_setfilter。(4)捕獲原始的數(shù)據(jù)包有2種方法:一種方法是以回調(diào)函數(shù)的方式由接口pcap_loop或pcap_dispatch完成，其基本方法是底層收集數(shù)據(jù)包，當(dāng)滿足一定的條件(timeout或者緩沖區(qū)滿)，就調(diào)用回調(diào)函數(shù)，把收集到的原始數(shù)據(jù)包通過數(shù)據(jù)緩存區(qū)交給用戶;另一種方法是pcap_next_ex()的方法，每當(dāng)一個(gè)包到達(dá)后，接口pcap_next_ex()就會返回，返回的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中只包含一個(gè)包。其中，pcap_loop()函數(shù)是基于回調(diào)的原理來進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲，在很多情況下都是一種很好的選擇，但由于該方式有時(shí)并不實(shí)用，且會增加程序的復(fù)雜性，特別是在擁有多線程的C++程序中，因此，本文選用pcap_next_ex()方法。使用WinPcap發(fā)送數(shù)據(jù)包首先要枚舉和打開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，然后調(diào)用pcap_sendpacket()函數(shù)，發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)包。WinPcap還提供了發(fā)送隊(duì)列的方式，但由于pcap_sendpacket()功能已足夠滿足需求，簡單且效率高，因此本文采用pcap_sendpacket發(fā)送數(shù)據(jù)包。

IEC61850報(bào)文解析

采樣值(SV)報(bào)文解析IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)中，采樣值報(bào)文在鏈路層傳輸都是基于ISO/IEC8802-3的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)［6-7］。解析采樣值報(bào)文時(shí)，首先判斷以太網(wǎng)類型(Ethertype)是否為0x88BA。若是，則根據(jù)AsduNum和AsduLength找出ASDU，然后解碼標(biāo)記(Tag)和數(shù)據(jù)類型均已知的標(biāo)志符(svID，Tag=80)、SmpCnt(Tag=82)等數(shù)據(jù)段;最后將Samples中數(shù)據(jù)按8路采樣值格式進(jìn)行解析［8］。采樣值報(bào)文的組幀是與讀取Comtrade格式錄波文件一樣的，即按照Comtrade文件格式要求讀取錄波文件［9-10］，然后將其中的電流、電壓數(shù)據(jù)按照IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行組幀并發(fā)送出去。報(bào)文組幀過程是解析的逆過程，此處不再贅述。

GOOSE報(bào)文解析對GOOSE解包，首先判斷以太網(wǎng)類型是否為0x88B8。如果是，則依次解析出目的MAC地址、源MAC地址和報(bào)文長度等。對于虛擬局域網(wǎng)部分，不同交換機(jī)的處理不同，一些交換機(jī)會去掉VLAN標(biāo)志，當(dāng)報(bào)文經(jīng)過交換機(jī)到達(dá)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡時(shí)，TPID與TCI標(biāo)志已經(jīng)由交換機(jī)去掉了;而一些交換機(jī)則會進(jìn)行保留。對此，程序增加了自動識別有/無VLAN標(biāo)志的功能。GOOSE解包的最關(guān)鍵部分就是關(guān)于APDU部分的解析。APDU的解析，主要是對于ControlBlockReference、StateNumber、SequenceNumber、Test、ConfigRevision、NeedsCommissioning、NumberDatasetEntries的解析。其中，每一部分在數(shù)據(jù)包中均是以“標(biāo)記”+“后續(xù)數(shù)據(jù)長度”+“數(shù)據(jù)”的形式體現(xiàn)的。“標(biāo)志”依次為:0×80、0×81、0×82、0×83、0×84、0×85、0×86、0×87、0×88、0×89、0×8A。在程序中設(shè)置了一個(gè)字符型的指針Data，指向APDU部分的第一個(gè)字節(jié)，依次把每一部分解析出來［11-12］。

仿真驗(yàn)證

在計(jì)算機(jī)A中使用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件［13］，搭建長度為100km的典型雙端220kV系統(tǒng)模型。“故障”為故障設(shè)置模塊，設(shè)置線路在0．5s發(fā)生A相金屬性接地短路故障，故障持續(xù)0．1s。整個(gè)運(yùn)行流程包括以下幾個(gè)部分:(1)使用PSCAD/EMTDC導(dǎo)出Comtrade格式錄波數(shù)據(jù)文件;(2)該文件由計(jì)算機(jī)A轉(zhuǎn)換成符合IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文發(fā)送到計(jì)算機(jī)B;(3)計(jì)算機(jī)B捕獲該報(bào)文并進(jìn)行解析，進(jìn)行基波相量、序量、阻抗和功率方向等計(jì)算并顯示結(jié)果;(4)根據(jù)保護(hù)動作行為計(jì)算機(jī)B中保護(hù)模擬模塊，發(fā)送GOOSE報(bào)文到計(jì)算機(jī)A中;(5)計(jì)算機(jī)A捕獲GOOSE報(bào)文，解析、執(zhí)行并顯示結(jié)果。基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主界面分為菜單欄、工具欄、數(shù)據(jù)欄和狀態(tài)欄4個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)欄包括3個(gè)部分，最上面的窗口顯示捕獲報(bào)文總的信息，包括編號、協(xié)議名稱、源MAC地址、目的MAC地址和報(bào)文長度。點(diǎn)擊其中任何一條報(bào)文，則會在下面的2個(gè)窗口中分別顯示出該報(bào)文的原始報(bào)文內(nèi)容和解析結(jié)果，其中解析結(jié)果包括報(bào)文長度、源MAC地址、目的MAC地址、以太網(wǎng)幀類型，以及電壓、電流數(shù)據(jù)等內(nèi)容。工具欄按鈕作用依次為開始捕獲、停止捕獲和系統(tǒng)設(shè)置。

結(jié)語

本文研究了智能變電站中基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的過程層和間隔層通信，使用WinPcap工具軟件包按照數(shù)據(jù)流模擬了采樣值和開關(guān)量的收發(fā)流程，可以實(shí)現(xiàn)智能變電站過程層和間隔層通信的全過程仿真。它為變電側(cè)智能電網(wǎng)的崗位培訓(xùn)提供新穎而直觀的技術(shù)手段，也為加強(qiáng)繼保工作人員對于智能變電站和數(shù)字化保護(hù)裝置的理解、防范數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的技術(shù)錯誤、分析改進(jìn)保護(hù)動作行為、研究繼電保護(hù)新原理，以及提高事故分析水平，都具有較高使用價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。

作者：敬勇吳漢彬青志明林濤肖英偉單位：重慶市電力公司教育培訓(xùn)中心武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院