基于IEC61850的实时系统仿真器接口

-1-基于IEC61850的实时系统仿真器接口王照，马文晓，高飞ABB(中国)有限公司集团研究中心,北京朝阳区酒仙桥路10号恒通广厦，100016IEC61850BASEDINTERFACESFORREAL-TIMESYSTEMSIMULATORWANGZhao，MAWenxiao，GaoFeiCorporateResearch,ABB(China)Limited,UniversalPlaza,10JiuxianqiaoLu,ChaoyangDistrict,Beijing,100016ABSTRACT:Real-TimeSystemSimulatoristhekeymethodoftestingandverificationforpowersystemanditsautomationsystem,whichcanbeusedforreal-time,dynamicandclose-loopsimulationofobjectsystem.ThispaperwillintroducetheinterfacebetweenRTSSandobjectsystem,thenbringsforwardthreenewtypeofinterfaces,includingVirtualIEDbasedinterface,ProcessLevelTransceiverbasedinterfaceandProcessLevelcommunicationbasedinterface,andthetheirimplementation.Also,thispaperintroducestheautomaticmodelingofRTSSanditsmappingtoobjectsystem.Finally,withintroducingthepossibleapplications,thispaperconcludesthatnewinterfacesaresuitableforthetestingofcurrentandfutureobjectsystem.KEYWORD:Real-TimeSystemSimulator;IEC61850;Interface;ProcessLevelCommunication;Model摘要:实时系统仿真器是电力系统网络和自动化设备测试、验证的重要手段，可以用于对目标系统进行实时、动态和闭环的仿真。本文对实时系统仿真器与目标系统的接口方式进行了介绍，并在此基础上，提出了三种新型的接口方式：基于虚拟IED的接口方式、基于过程层收发器的接口方式和基于直接过程层通信的接口方式，以及三种方式的实现方法。同时，本文介绍了自动生成实时系统仿真器模型文件和对应关系。最后，通过对适用范围的介绍，本文认为新型接口方式适合现有及未来的目标系统的测试。关键词:实时系统仿真器；IEC61850；接口；过程层通信；模型1．简介随着电力系统的发展，系统本身和自动化设备也越来越复杂。电力系统的设计、运行和设备的开发都需要辅助工具（例如系统仿真工具）的支持。经过多年的发展，出现了一些主要的实时系统仿真器，如RTDS[1]、ARENE、HYPERSIM等[2]。世界上主要的电力设备制造商（如GE，ABB）、电力公司和科研院所等都采用实时系统仿真技术来进行科研和研发工作[3]。传统上，实时系统仿真器与目标系统都采用模拟的方式进行连接，包括I/O接口卡和放大器等。这种连接受到硬件设备的限制[3]，存在成本高、连接不灵活等缺点。本文将在介绍实时系统仿真器与目标系统的传统接口的基础上，提出三种新型的接口方式，包括虚拟IED的接口方式、过程层收发器的接口方式和直接过程层通信的接口方式。同时，本文针对新型接口方式，提出自动地生成模型文件和对应关系。通过分析这几种新型接口方式的优缺点，本文认为新型接口方式适合现有及未来的目标系统的测试。2．实时系统仿真器与目标系统的传统接口方式实时系统仿真器（Real-timeSystemSimulator，简称RTSS）可以对目标电力系统进行实时、动态和闭环的仿真。实时系统仿真器可以生成仿真数据，然后通过硬件接口或软件通信的方式传递给目标系统；目标系统接收到实时系统仿真器的收入，并对输入进行响应，然后反馈回实时系统仿真器。实时系统仿真器接收到目标系统的相应，并-2-进入下一轮的仿真。这样，就形成了实时系统仿真器与目标系统的闭环仿真。实时系统仿真器I/O卡放大器目标系统IED1IED2...IEDn自动化系统模拟量开关量电缆图1传统实时系统仿真器及其与目标系统的接口Fig1Conventionalconnectionbetweenreal-timesystemsimulatorandobjectsystem如图1所示，实时系统仿真器与目标系统的传统接口方式是通过I/O卡和放大器等硬件设备实现的[1-2][4]。实时系统仿真器可以通过开关量接口卡或直接用电缆来输入和输出开关量信息，并通过放大器或模拟量接口卡输入和输出模拟量信息。目标系统是任何需要被仿真的电力系统，包括一次设备和二次设备。目标系统的输出能够被反馈到实时系统仿真器；实时系统仿真器能够对目标系统进行响应，并反馈回目标系统。这样，就形成了闭环的仿真过程。传统的实时系统仿真器与目标系统的接口方式受到硬件系统的限制，增加开关量或模拟量接口需要适当增加硬件设备，如实时系统仿真器的接口卡和发大器。3.实时系统仿真器与目标系统的新型接口方式3.1新型接口方式的基础IEC61850标准具有标准的模型、标准的通信和标准的配置，并且定义了过程层的通信[5]。过程层的通信主要是一次设备和二次设备之间的通信，包括采样值的传送和开关的状态、位置和控制的通信。IEC61850标准为实时系统仿真器与目标系统的接口提供了新的方式。一方面，利用IEC61850的模型定义，可以用软件模拟IED，该虚拟IED可以分别与实时系统仿真器和目标系统进行接口；另一方面，IEC61850的过程层通信可以直接作为实时系统仿真器与目标系统的接口。3.2虚拟IED的接口方式IEC61850标准定义了标准的模型，该模型能够被用于设计虚拟的IED（智能电子装置），即用软件技术模拟和再现IED。虚拟IED具有与物理IED相同的信息模型，也可以有与物理IED相同的功能和行为。由于虚拟IED具有物理IED的模型和功能；又因为是通过软件实现的，具有修改方便和开放的特点[6-7]，因此在保证性能的前提下，虚拟IED可以作为实时系统仿真器和目标系统的媒介。实时系统仿真器目标系统虚拟IED1...自动化系统虚拟IED2虚拟IEDn网络图2虚拟IED的接口方式Fig2ConnectionswithVirtualIEDs如图2所示，虚拟IED的接口方式可以通过以下的步骤完成：1)用户对目标系统包括虚拟IED进行配置。该配置将遵循IEC61850的配置定义和配置过程，并形成IEC61850所规定的各种配置文件。2)虚拟IED进行初始化，并与目标系统进行连接。虚拟IED与目标系统的连接和-3-信息的对应通过步骤1）的配置文件实现。3)实时系统仿真器通过步骤1）生成的配置文件自动生成仿真模型文件。同时，生成实时系统仿真器与虚拟IED之间的连接和信息对应关系。4)实时系统仿真器通过步骤3）生成的仿真模型文件进行系统仿真，并通过虚拟IED将仿真结果传送给目标系统；目标系统对仿真结果进行响应，并通过虚拟IED反馈回实时系统仿真器，从而形成闭环的仿真环境。虚拟IED的接口方式不受物理IED数目的限制，对于包含多个IED的自动化系统的测试尤其适合。这种接口方式适合的目标系统是自动化系统本身，例如馈线自动化系统等，主要是测试自动化系统的功能和逻辑。这种接口方式受到虚拟IED性能的影响，如实时性等。因此在使用这种接口方式的时候，需要首先确定虚拟IED的性能能够满足系统测试的需要。3.3过程层收发器的接口方式IEC61850标准的过程层通信可以作为实时系统仿真器与目标系统的另一种接口方式。可以根据IEC61850实现一种实时系统仿真器与过程层通信的接口模块，称为过程层收发器。过程收发器是一种多对多的通信模块。实时系统仿真器目标系统IED1IED2...IEDn自动化系统网络过程层收发器图3过程层收发器的接口方式Fig3ConnectionswithProcessLevelTransceiver如图3所示，过程层收发器承担网关（Gateway）的功能。实时系统仿真器与过程层收发器之间采用通信或硬件的连接方式，目标系统与过程层收发器之间采用IEC61850标准的过程层通信。采用过程层收发器的接口方式可以通过以下的步骤实现：1)用户对目标系统进行配置。该配置将遵循IEC61850的配置定义和配置过程，并形成IEC61850所规定的各种配置文件。2)过程层收发器进行初始化，并与目标系统进行连接。过程层收发器与目标系统的连接和信息的对应通过步骤1）的配置文件实现。3)实时系统仿真器通过步骤1）生成的配置文件自动生成仿真模型文件。同时，生成实时系统仿真器与目标系统之间的连接和信息对应关系。4)实时系统仿真器通过步骤3）生成的仿真模型文件进行系统仿真，并通过过程层收发器将仿真结果传送给目标系统；目标系统对仿真结果进行响应，并通过过程层收发器反馈回实时系统仿真器，从而形成闭环的仿真环境。过程层收发器的接口方式比较适合不改变实时系统仿真器，而需要与支持过程层通信的目标系统进行接口的过渡阶段。这种接口方式适合的目标系统可以是IED，也可以是包括IED的自动化系统，可以使对通信的测试，也可以是对IED或自动化系统功能和逻辑的测试。如果过程层收发器与实时系统仿真器通过通信进行信息交换，也可以不受硬件系统的限制。与虚拟IED的接口方式类似，过程层收发器的性能同样会成为整个系统的瓶颈之一。因此在使用这种方式前，同样首先要确定过程层收发器的性能是否能够满足信息交换的需要。当然，这个问题可以通过使用多个过程层收发器来解决。3.4直接过程层通信的接口方式过程层收发器的接口方式是一种过渡方式。如果能够修改实时系统仿真器以支持过程层通信，就可以形成一种新的接口方式，即直接过程层通信的接口方式。如图4所示，直接过程层通信的接口方式是过程层收发器接口方式的一种升级，它直接支持IEC61850的过程层通信[8]，而无需任何额外的转换模块。直接过程层的接口方式可以通过以下的步骤实现：-4-1)用户对目标系统进行配置。该配置将遵循IEC61850的配置定义和配置过程，并形成IEC61850所规定的各种配置文件。2)实时系统仿真器通过步骤1）生成的配置文件自动生成仿真模型文件。同时，生成实时系统仿真器与目标系统之间的连接和信息对应关系。3)实时系统仿真器通过步骤2）生成的仿真模型文件进行系统仿真，并通过过程层通信将仿真结果传送给目标系统；目标系统对仿真结果进行响应，并通过过程层通信反馈回实时系统仿真器，从而形成闭环的仿真环境。实时系统仿真器目标系统IED1IED2...IEDn自动化系统网络图4直接过程层通信的接口方式Fig4Connectionwithdirectprocesslevelcommunication直接过程层通信的接口方式是一种完全基于通信的接口方式。这种接口方式不仅不受硬件的限制，而且是完全支持采用IEC61850过程层通信的目标系统的测试。这种接口方式的目标系统可以是IED，也可以包括多个IED的自动化系统；测试的内容可以是通信，也可以是IED或自动化系统的功能和逻辑。4．自动生成模型文件和对应关系在实时系统仿真器的使用过程中，都需要生成仿真模型文件，同时也需要制定实时系统仿真器与目标系统之间的对应关系。这些模型文件和对应关系可以手动生成，但手动的方式往往效率比较低，同时需要很难保证准确性。而采用自动生成的方式则可以避免上述缺点，以达到提高效率和准确性的目的。实时系统仿真器目标系统IED1IED2...IEDn自动化系统CID1CID2CIDnSCD自动生成模型和对应关系模