繼電保護仿真培訓體系設計

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WinPcap軟件包簡介

由于IEC61850的采樣值數據包和GOOSE數據包都是直接建立在以太網鏈路層之上的，在ISO7層協議中與IP協議處于同等的位置，因而不能使用TCP/IP協議發送和接收，需采用更底層的以太網通信函數［3-4］。WinPcap工具軟件包滿足上述的要求，可以更底層地操作網卡。此外，WinPcap中還提供了發送以太網原始數據包的功能，因而非常適合于開發智能變電站的網絡通信軟件。WinPcap具有捕獲數據包、發送數據包、統計網絡流量3個主要功能。捕獲數據包的基本流程如下［5］(1)通過接口函數pcap_findalldevs_ex枚舉所有可用的網絡設備。(2)根據枚舉返回的網絡設備名稱打開一個設備，對應接口函數為pcap_open()。(3)如果需要，設置數據包的過濾條件，對應接口函數為pcap_setfilter。(4)捕獲原始的數據包有2種方法:一種方法是以回調函數的方式由接口pcap_loop或pcap_dispatch完成，其基本方法是底層收集數據包，當滿足一定的條件(timeout或者緩沖區滿)，就調用回調函數，把收集到的原始數據包通過數據緩存區交給用戶;另一種方法是pcap_next_ex()的方法，每當一個包到達后，接口pcap_next_ex()就會返回，返回的數據緩沖區中只包含一個包。其中，pcap_loop()函數是基于回調的原理來進行數據捕獲，在很多情況下都是一種很好的選擇，但由于該方式有時并不實用，且會增加程序的復雜性，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發送數據包首先要枚舉和打開網絡設備，然后調用pcap_sendpacket()函數，發送單個數據包。WinPcap還提供了發送隊列的方式，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發送數據包。

IEC61850報文解析

采樣值(SV)報文解析IEC61850-9標準中，采樣值報文在鏈路層傳輸都是基于ISO/IEC8802-3的以太網幀結構［6-7］。解析采樣值報文時，首先判斷以太網類型(Ethertype)是否為0x88BA。若是，則根據AsduNum和AsduLength找出ASDU，然后解碼標記(Tag)和數據類型均已知的標志符(svID，Tag=80)、SmpCnt(Tag=82)等數據段;最后將Samples中數據按8路采樣值格式進行解析［8］。采樣值報文的組幀是與讀取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、電壓數據按照IEC61850-9-2LE標準的要求進行組幀并發送出去。報文組幀過程是解析的逆過程，此處不再贅述。

GOOSE報文解析對GOOSE解包，首先判斷以太網類型是否為0x88B8。如果是，則依次解析出目的MAC地址、源MAC地址和報文長度等。對于虛擬局域網部分，不同交換機的處理不同，一些交換機會去掉VLAN標志，當報文經過交換機到達計算機的網卡時，TPID與TCI標志已經由交換機去掉了;而一些交換機則會進行保留。對此，程序增加了自動識別有/無VLAN標志的功能。GOOSE解包的最關鍵部分就是關于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，每一部分在數據包中均是以“標記”+“后續數據長度”+“數據”的形式體現的。“標志”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。在程序中設置了一個字符型的指針Data，指向APDU部分的第一個字節，依次把每一部分解析出來［11-12］。

仿真驗證

在計算機A中使用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件［13］，搭建長度為100km的典型雙端220kV系統模型?！肮收稀睘楣收显O置模塊，設置線路在0．5s發生A相金屬性接地短路故障，故障持續0．1s。整個運行流程包括以下幾個部分:(1)使用PSCAD/EMTDC導出Comtrade格式錄波數據文件;(2)該文件由計算機A轉換成符合IEC61850-9-2LE標準的報文發送到計算機B;(3)計算機B捕獲該報文并進行解析，進行基波相量、序量、阻抗和功率方向等計算并顯示結果;(4)根據保護動作行為計算機B中保護模擬模塊，發送GOOSE報文到計算機A中;(5)計算機A捕獲GOOSE報文，解析、執行并顯示結果。基于IEC61850標準的繼電保護仿真培訓系統主界面分為菜單欄、工具欄、數據欄和狀態欄4個部分。其中，數據欄包括3個部分，最上面的窗口顯示捕獲報文總的信息，包括編號、協議名稱、源MAC地址、目的MAC地址和報文長度。點擊其中任何一條報文，則會在下面的2個窗口中分別顯示出該報文的原始報文內容和解析結果，其中解析結果包括報文長度、源MAC地址、目的MAC地址、以太網幀類型，以及電壓、電流數據等內容。工具欄按鈕作用依次為開始捕獲、停止捕獲和系統設置。

結語

本文研究了智能變電站中基于IEC61850標準的過程層和間隔層通信，使用WinPcap工具軟件包按照數據流模擬了采樣值和開關量的收發流程，可以實現智能變電站過程層和間隔層通信的全過程仿真。它為變電側智能電網的崗位培訓提供新穎而直觀的技術手段，也為加強繼保工作人員對于智能變電站和數字化保護裝置的理解、防范數字化繼電保護裝置的技術錯誤、分析改進保護動作行為、研究繼電保護新原理，以及提高事故分析水平，都具有較高使用價值和廣闊應用前景。

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中心武漢大學電氣工程學院