一种基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法

摘要

本发明涉及一种基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法，该过程总线实验系统遵循数字化变电站IEC61850标准，该系统基于PC机和Windows系统，在EMTDC/PSCAD软件上设计电力系统模型和故障类型，进行动态仿真并生成故障数据，然后将故障数据通过C语言接口程序输出并按照IEC61850标准组成SV报文和GOOSE报文，进而经网络驱动程序接口规范NDIS，将SV报文和GOOSE报文通过过程总线发送到保护IED；本发明适用于大学继电保护课程的过程总线实验，在普通PC机上就可以实现，具有成本低，灵活性高，测试精度高，实验模型准确等优点。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统保护、控制与自动化领域，尤其涉及一种基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法。

背景技术

在电力系统中，遵循IEC61850标准的数字化变电站已经成为当前变电站建设的发展趋势。在IEC61850数字化变电站中，整个变电站划分为变电站层、间隔层和过程层三层。间隔层和过程层间通信通过过程总线来完成，间隔层智能电子设备、过程层合并单元和智能开关等设备，通过过程总线通信。传统上用于模拟量信号和开关量信号传输的大量电缆被过程总线所取代。

基于过程总线的继电保护以实时、高效的网络为核心，模拟量和开关量信息经合并单元、智能开关设备实现就地数字化后，通过过程总线将所采集的数据发送到间隔层智能电子设备IED，并接收来自间隔层智能电子设备IED的操作命令；间隔层的继电保护、控制、测量等IED接收来自过程总线的采样数据、进行算法判断后经过程总线向智能开关等发送操作命令。

当前，基于过程总线的继电保护实验基本上采用传统保护测试仪模式，即上位机+嵌入式装置的模式。上位机主要实现实验环境和参数的设置、故障数据的生成以及测试过程和结果的显示。嵌入式装置主要实现故障数据的封装和收发。嵌入式装置作为上位机和保护智能电子设备IED的纽带，在整个过程总线实验系统中充当了中间环节。嵌入式装置需与上位机和保护智能电子设备IED两端都进行通信。

嵌入式装置作为中间环节，需要进行额外的硬件投入，增加了过程总线继电保护实验的成本。同时，嵌入式装置作为中间环节，需要与上位机和保护智能电子设备IED都进行通信，这就增加了整体实验系统的环节，使整个系统较为复杂，降低了系统运行效率。而嵌入式装置的开发涉及到整个硬件平台和软件平台的研究，开发周期长、实现难度大，成品定型后功能基本固定，灵活度受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法，降低了硬件成本和提高了系统效率。

本发明的技术方案是：一种基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法，基于PC机平台，通过EMTDC/PSCAD仿真模拟合并单元MU和智能开关的功能，实现基于IEC61850标准的电力系统网络报文的产生、封装和传输，并经网络驱动程序接口规范NDIS发送和接收报文，与保护智能电子设备IED形成闭环的过程总线实验，过程总线实验方法包括以下步骤：

(1)在PC机上运行Windows系统，通过EMTDC/PSCAD软件提供的模型库，设计电力系统模型和模拟电力系统故障类型；

(2)进行动态仿真生成电力系统运行故障信息，将故障信息通过C语言接口从EMTDC/PSCAD上输出并进行格式转换，然后按照IEC61850通信标准进行SV报文或GOOSE报文以太网帧封装；

(3)通过网络驱动程序接口规范NDIS，把已封装好的SV报文和GOOSE报文经过程总线发送给保护智能电子设备IED；

(4)接收来自保护智能电子设备IED包含故障判别结果的GOOSE报文，提取GOOSE报文中智能开关合、断命令，并传递到EMTDC/PSCAD，使其智能开关模型模拟合断操作。

通过设置电力系统模型和故障类型的运行条件和参数，实现数字化变电站间隔层保护智能电子设备IED的实验项目要求。

步骤(2)电力系统运行故障信息包括电气量故障数据和开关量故障数据，电力系统运行故障信息以文件形式生成。

电气量故障数据动态仿真的采样速率与合并单元MU的采样速率保持一致，在EMTDC/PSCAD设置所需仿真步长，并通过EMTDC/PSCAD软件示波器功能记录所需的电气信息，以生成相对应的电流、电压量数据。

上述C语言接口需要经过EMTDC/PSCAD提供的工具软件GCC将接口源代码(*.c)编译成obj文件(*.o)，再供EMTDC/PSCAD调用。

上述SV报文或GOOSE报文先采用asn.1编解码器进行编码，然后再按以太网帧格式进行封装。

通过网络驱动程序接口规范NDIS实现与网络接口卡实时收、发GOOSE报文和SV报文。

保护智能电子设备IED在接收到包含电力系统故障数据的报文后，进行保护逻辑判断，并把判断结果以GOOSE报文形式发送到过程总线上。

通过ASN.1编解码器解析接收到的GOOSE帧命令，并将这些命令通过与EMTDC/PSCAD接口传递给智能开关模型，完成智能开关的合闭操作。

与现有技术相比本发明的有益效果是：(1)本发明方法经济性好，本发明方法基于PC机平台和Windows系统，无需专门继电保护测试仪参与，尤其适合对经济成本敏感的大学课程实验系统的建设。(2)本发明方法灵活性高，实验系统可以灵活模拟合并单元和智能开关等功能，实验系统可直接借助PC机都具有的以太网口实现过程总线，或根据需要配置电光转换器等实现过程总线，具有灵活性。(3)本发明方法精度高，测试系统借助于EMTDC/PSCAD软件，可方便实现一次系统模型和各种故障和异常类型，系统模型和仿真数据精度高。

附图说明

图1是本发明基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明一种基于PC机平台的过程总线继电保护教学实验方法，基于PC机平台，通过EMTDC/PSCAD仿真模拟合并单元MU和智能开关的功能，实现基于IEC61850标准的电力系统网络报文的产生、封装和传输，并经网络驱动程序接口规范NDIS发送和接收报文，与保护智能电子设备IED形成闭环的过程总线实验，其特征在于，过程总线实验方法包括以下步骤：

(1)在PC机上运行Windows系统，通过EMTDC/PSCAD软件提供的模型库，设计电力系统模型和模拟电力系统故障类型；

(2)进行动态仿真生成电力系统运行故障信息，将故障信息通过C语言接口从EMTDC/PSCAD上输出并进行格式转换，然后按照IEC61850通信标准进行SV报文或GOOSE报文以太网帧封装；

(3)通过网络驱动程序接口规范NDIS，把已封装好的SV报文和GOOSE报文经过程总线发送给保护智能电子设备IED；

(4)接收来自保护智能电子设备IED包含故障判别结果的GOOSE报文，提取GOOSE报文中智能开关的合、断命令，并传递到EMTDC/PSCAD，使智能开关模型模拟合断操作。

在PC机上运行Windows系统，通过EMTDC/PSCAD软件图形化操作界面，利用元件模型库方便地根据电力系统实际情况建立仿真模型。根据数字化变电站过程层总线继电保护实验项目要求，设计电力系统过渡电阻、保护对象(线路、变压器、母线等)、故障类型(三相故障、单相故障、相间故障等)和异常(振荡、CT/PT断线等)等参数和模型，以文件形式生成电力系统运行故障信息。电力系统运行故障信息包括电气量故障数据和开关量故障数据。电气量故障数据的动态仿真采样速率与合并单元MU的采样速率保持一致，在EMTDC/PSCAD设置所需仿真步长，通过EMTDC/PSCAD软件示波器功能记录所需的电气信息，以生成相对应的电流、电压量数据。

开关量故障数据由C语言编写的接口函数通过对智能开关的控制来生成。智能开关的控制功能通过在原有电力系统模型中嵌入C语言编写的智能开关接口函数实现，具体实现方法为：

(1)编制智能开关控制功能的C语言源代码。为了能和PSCAD/EMTDC程序顺利接口，以下头文件nd.h、emstor.h、s0.h、s1.h、s2.h、branches.h、emtconst.h、fnames.h应包含在C语言源代码中。

(2)利用EMTDC提供的工具软件GCC将接口源代码(*.c)编译成obj文件(*.o)。

(3)在页面中点击右键选择Properties＝＞Fortran，将编译好的obj文件(*.o)添加进页面中右键“Properties＝＞Build Options＝＞Additional.objand.lib files”，完成C语言智能开关功能控制接口与PSCAD/EMTDC的连接。

EMTDC/PSCAD生成的电气量数据，首先通过C语言编写的接口函数进行数据输出和类型转换，然后按照IEC61850标准进行SV报文封装。具体实现如下：

(1)在PSCAD/EMTDC中电气量数据为STORF实型变量，通过C语言接口函数输出并转换为十六位无符号整数型变量(IEC618509-1标准要求)或三十二位浮点型变量(IEC618509-2标准要求)；

(2)若采用IEC618509-1标准，则把已转换成十六位无符号整数型变量的电气量数据，填充到IEC618509-1帧中相对应的电流量、电压量的位置，从而形成一组时间一致的电流和电压数据；进而把这些数据按IEC618509-1标准形成符合IEC60044-8规范要求的通用数据集ASDU，然后再添加上以太网类型PDU、优先权标记和MAC报头组成SV报文；

若采用IEC618509-2标准，首先遵从ISO 8824标准ASN.1的语法规则，对SV报文的应用协议数据单元APDU进行ASN.1定义，再利用工具ASN1C将SV报文APDU的ASN.1定义转换为C语言结构描述，并利用C语言描述的APDU结构与ASN.1工具库相链接，生成ASN.1编码器和解码器，然后利用生成的编码器将SV报文APDU的实例值进行二进制编码，最后根据IEC618509-2标准添加上10byte的以太网类型PDU、4byte优先权标记和12byte的MAC报头组成完整的SV报文。

EMTDC/PSCAD生成的开关状态数据，首先通过C语言编写的接口函数进行数据输出和类型转换，然后按照IEC61850标准进行GOOSE报文封装。具体实现如下：

(1)在PSCAD/EMTDC中开关状态数据为STORL逻辑型变量，通过C语言接口函数输出转换为符合IEC61850GOOSE帧要求的Boolean类型；

(2)按照IEC61850GOOSE报文标准要求，遵从ISO 8824标准ASN.1的语法规则，对GOOSE报文的应用协议数据单元APDU进行ASN.1定义，再利用工具ASN1C将GOOSE报文APDU的ASN.1定义转换为C语言结构描述，并利用C语言描述的APDU结构与ASN.1工具库相链接，生成ASN.1编码器和解码器，然后利用生成的编码器将GOOSE报文APDU的实例值进行二进制编码，最后添加上10byte的以太网类型PDU、4byte优先权标记和12byte的MAC报头组成完整的GOOSE报文。

将应用层已封装好的SV报文或GOOSE报文通过网络驱动程序接口规范NDIS发送到过程总线上，供保护智能电子设备IED接收。具体实现如下：

(1)注册驱动并初始化：首先调用NdisMinitializeWrapper函数注册Miniport设备，得到设备句柄，再利用得到的设备句柄调用NdisIMRegister LayeredMiniport函数，注册MiniportXxx功能函数以开放出为上层协议驱动程序提供的接口，然后调用NdisRegisterProtocol函数，注册ProtocolXxx功能函数以开放出为底层Miniport驱动程序提供的接口，并将本身绑定到底层驱动程序上，最后调用NdisIMAssociateMiniport函数并通知NDIS库这是个NDIS中间层驱动程序。这样既为底层的MiniportXxx提供了ProtocolXxx接口，又为上层的ProtocolXxx提供了MiniportXxx接口。初始化后，中间层驱动提供了miniport和protocol接口来与协议层的协议驱动protocol和物理层的网卡驱动miniport进行结合。

(2)通过protocol接口把应用层已封装好的SV报文或GOOSE报文从协议驱动protocol发送到NDIS中间层驱动，然后经过NDIS中间层驱动处理后通过miniport接口发送到网卡驱动miniport，最后通过MiniportSend和Miniportsendpackets函数将SV报文或GOOSE报文经网络适配器发送到过程总线上。

保护智能电子设备IED接收来自过程总线的包含电气量数据的SV报文和包含智能开关状态的GOOSE报文，解析报文提取相关信息，通过保护算法进行保护逻辑判断，并把保护控制命令以GOOSE报文形式发送到过程层总线上。PC机同时模拟智能开关的功能，通过Window网络驱动程序接口规范NDIS接收来自保护智能电子设备IED的GOOSE报文，利用ASN.1解码器将GOOSE报文进行解码，得到智能开关合、分命令，同时将智能开关合、分命令通过与EMTDC/PSCAD连接的C语言接口传递给智能开关模型，完成智能开关的合、闭操作。

如上所述便可较好的实现本发明。