一種基於pc機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法

2023-05-24 19:19:01 2

專利名稱：一種基於pc機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法
技術領域：
本發明屬於電力系統保護、控制與自動化領域，尤其涉及一種基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法。
背景技術：
在電力系統中，遵循IEC61850標準的數位化變電站已經成為當前變電站建設的發展趨勢。在IEC61850數位化變電站中，整個變電站劃分為變電站層、間隔層和過程層三層。間隔層和過程層間通信通過過程總線來完成，間隔層智能電子設備、過程層合併單元和智能開關等設備，通過過程總線通信。傳統上用於模擬量信號和開關量信號傳輸的大量電纜被過程總線所取代。基於過程總線的繼電保護以實時、高效的網絡為核心，模擬量和開關量信息經合併單元、智能開關設備實現就地數位化後，通過過程總線將所採集的數據發送到間隔層智能電子設備IED，並接收來自間隔層智能電子設備IED的操作命令；間隔層的繼電保護、控制、測量等IED接收來自過程總線的採樣數據、進行算法判斷後經過程總線向智能開關等發送操作命令。當前，基於過程總線的繼電保護實驗基本上採用傳統保護測試儀模式，即上位機+ 嵌入式裝置的模式。上位機主要實現實驗環境和參數的設置、故障數據的生成以及測試過程和結果的顯示。嵌入式裝置主要實現故障數據的封裝和收發。嵌入式裝置作為上位機和保護智能電子設備IED的紐帶，在整個過程總線實驗系統中充當了中間環節。嵌入式裝置需與上位機和保護智能電子設備IED兩端都進行通信。嵌入式裝置作為中間環節，需要進行額外的硬體投入，增加了過程總線繼電保護實驗的成本。同時，嵌入式裝置作為中間環節，需要與上位機和保護智能電子設備IED都進行通信，這就增加了整體實驗系統的環節，使整個系統較為複雜，降低了系統運行效率。而嵌入式裝置的開發涉及到整個硬體平臺和軟體平臺的研究，開發周期長、實現難度大，成品定型後功能基本固定，靈活度受到限制。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點和不足，提供一種基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，降低了硬體成本和提高了系統效率。本發明的技術方案是一種基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法， 基於PC機平臺，通過EMTDC/PSCAD仿真模擬合併單元MU和智能開關的功能，實現基於 IEC61850標準的電力系統網絡報文的產生、封裝和傳輸，並經網絡驅動程序接口規範NDIS 發送和接收報文，與保護智能電子設備IED形成閉環的過程總線實驗，過程總線實驗方法包括以下步驟(1)在PC機上運行Windows系統，通過EMTDC/PSCAD軟體提供的模型庫，設計電力系統模型和模擬電力系統故障類型；
(2)進行動態仿真生成電力系統運行故障信息，將故障信息通過C語言接口從 EMTDC/PSCAD上輸出並進行格式轉換，然後按照IEC61850通信標準進行SV報文或GOOSE報文乙太網幀封裝；(3)通過網絡驅動程序接口規範NDIS，把已封裝好的SV報文和GOOSE報文經過程總線發送給保護智能電子設備IED ；(4)接收來自保護智能電子設備IED包含故障判別結果的GOOSE報文，提取GOOSE 報文中智能開關合、斷命令，並傳遞到EMTDC/PSCAD，使其智能開關模型模擬合斷操作。通過設置電力系統模型和故障類型的運行條件和參數，實現數位化變電站間隔層保護智能電子設備IED的實驗項目要求。步驟⑵電力系統運行故障信息包括電氣量故障數據和開關量故障數據，電力系統運行故障信息以文件形式生成。電氣量故障數據動態仿真的採樣速率與合併單元MU的採樣速率保持一致，在 EMTDC/PSCAD設置所需仿真步長，並通過EMTDC/PSCAD軟體示波器功能記錄所需的電氣信息，以生成相對應的電流、電壓量數據。上述C語言接口需要經過EMTDC/PSCAD提供的工具軟體GCC將接口原始碼(*. c) 編譯成obj文件(*. ο)，再供EMTDC/PSCAD調用。上述SV報文或GOOSE報文先採用asn. 1編解碼器進行編碼，然後再按乙太網幀格式進行封裝。通過網絡驅動程序接口規範NDIS實現與網絡接口卡實時收、發GOOSE報文和SV 報文。保護智能電子設備IED在接收到包含電力系統故障數據的報文後，進行保護邏輯判斷，並把判斷結果以GOOSE報文形式發送到過程總線上。通過ASN. 1編解碼器解析接收到的GOOSE幀命令，並將這些命令通過與EMTDC/ PSCAD接口傳遞給智能開關模型，完成智能開關的合閉操作。與現有技術相比本發明的有益效果是(1)本發明方法經濟性好，本發明方法基於PC機平臺和Windows系統，無需專門繼電保護測試儀參與，尤其適合對經濟成本敏感的大學課程實驗系統的建設。(2)本發明方法靈活性高，實驗系統可以靈活模擬合併單元和智能開關等功能，實驗系統可直接藉助PC機都具有的乙太網口實現過程總線，或根據需要配置電光轉換器等實現過程總線，具有靈活性。(3)本發明方法精度高，測試系統藉助於 EMTDC/PSCAD軟體，可方便實現一次系統模型和各種故障和異常類型，系統模型和仿真數據精度尚°


圖1是本發明基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法流程示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的說明，但本發明的實施方式不限於此。實施例如圖1所示，本發明一種基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，基於
4PC機平臺，通過EMTDC/PSCAD仿真模擬合併單元MU和智能開關的功能，實現基於IEC61850 標準的電力系統網絡報文的產生、封裝和傳輸，並經網絡驅動程序接口規範NDIS發送和接收報文，與保護智能電子設備IED形成閉環的過程總線實驗，其特徵在於，過程總線實驗方法包括以下步驟(1)在PC機上運行Windows系統，通過EMTDC/PSCAD軟體提供的模型庫，設計電力系統模型和模擬電力系統故障類型；(2)進行動態仿真生成電力系統運行故障信息，將故障信息通過C語言接口從 EMTDC/PSCAD上輸出並進行格式轉換，然後按照IEC61850通信標準進行SV報文或GOOSE報文乙太網幀封裝；(3)通過網絡驅動程序接口規範NDIS，把已封裝好的SV報文和GOOSE報文經過程總線發送給保護智能電子設備IED ；(4)接收來自保護智能電子設備IED包含故障判別結果的GOOSE報文，提取GOOSE 報文中智能開關的合、斷命令，並傳遞到EMTDC/PSCAD，使智能開關模型模擬合斷操作。在PC機上運行Windows系統，通過EMTDC/PSCAD軟體圖形化操作界面，利用元件模型庫方便地根據電力系統實際情況建立仿真模型。根據數位化變電站過程層總線繼電保護實驗項目要求，設計電力系統過渡電阻、保護對象(線路、變壓器、母線等)、故障類型(三相故障、單相故障、相間故障等)和異常(振蕩、CT/PT斷線等)等參數和模型，以文件形式生成電力系統運行故障信息。電力系統運行故障信息包括電氣量故障數據和開關量故障數據。電氣量故障數據的動態仿真採樣速率與合併單元MU的採樣速率保持一致，在EMTDC/ PSCAD設置所需仿真步長，通過EMTDC/PSCAD軟體示波器功能記錄所需的電氣信息，以生成相對應的電流、電壓量數據。開關量故障數據由C語言編寫的接口函數通過對智能開關的控制來生成。智能開關的控制功能通過在原有電力系統模型中嵌入C語言編寫的智能開關接口函數實現，具體實現方法為(1)編制智能開關控制功能的C語言原始碼。為了能和PSCAD/EMTDC程序順利接口，以下頭文件 nd. h、emstor. h、s0. h、si. h、s2. h、branches, h、emtconst. h、fnames. h 應包含在C語言原始碼中。(2)利用EMTDC提供的工具軟體GCC將接口原始碼(*. c)編譯成ob j文件(*. ο)。C3)在頁面中點擊右鍵選擇!Properties = > Fortran,將編譯好的obj文件 (*· ο)添力口進頁面中右鍵 「Properties => Build Options = > Additional, obj and. lib files」，完成C語言智能開關功能控制接口與PSCAD/EMTDC的連接。EMTDC/PSCAD生成的電氣量數據，首先通過C語言編寫的接口函數進行數據輸出和類型轉換，然後按照IEC61850標準進行SV報文封裝。具體實現如下(1)在PSCAD/EMTDC中電氣量數據為STORF實型變量，通過C語言接口函數輸出並轉換為十六位無符號整數型變量(IEC618509-1標準要求)或三十二位浮點型變量 (IEC618509-2 標準要求)；(2)若採用IEC618509-1標準，則把已轉換成十六位無符號整數型變量的電氣量數據，填充到IEC618509-1幀中相對應的電流量、電壓量的位置，從而形成一組時間一致的電流和電壓數據；進而把這些數據按IEC618509-1標準形成符合IEC60044-8規範要求的通用數據集ASDU，然後再添加上乙太網類型PDU、優先權標記和MAC報頭組成SV報文；若採用IEC618509-2標準，首先遵從ISO 8824標準ASN. 1的語法規則，對SV報文的應用協議數據單元APDU進行ASN. 1定義，再利用工具ASNlC將SV報文APDU的ASN. 1 定義轉換為C語言結構描述，並利用C語言描述的APDU結構與ASN. 1工具庫相連結，生成 ASN. 1編碼器和解碼器，然後利用生成的編碼器將SV報文APDU的實例值進行二進位編碼， 最後根據IEC618509-2標準添加上IObyte的乙太網類型PDU、4byte優先權標記和12byte 的MAC報頭組成完整的SV報文。EMTDC/PSCAD生成的開關狀態數據，首先通過C語言編寫的接口函數進行數據輸出和類型轉換，然後按照IEC61850標準進行GOOSE報文封裝。具體實現如下(1)在PSCAD/EMTDC中開關狀態數據為STORL邏輯型變量，通過C語言接口函數輸出轉換為符合IEC61850G00SE幀要求的Boolean類型；(2)按照IEC61850G00SE報文標準要求，遵從ISO 8824標準ASN. 1的語法規則， 對GOOSE報文的應用協議數據單元APDU進行ASN. 1定義，再利用工具ASNlC將GOOSE報文 APDU的ASN. 1定義轉換為C語言結構描述，並利用C語言描述的APDU結構與ASN. 1工具庫相連結，生成ASN. 1編碼器和解碼器，然後利用生成的編碼器將GOOSE報文APDU的實例值進行二進位編碼，最後添加上IObyte的乙太網類型PDU、4byte優先權標記和12byte的 MAC報頭組成完整的GOOSE報文。 將應用層已封裝好的SV報文或GOOSE報文通過網絡驅動程序接口規範NDIS發送到過程總線上，供保護智能電子設備IED接收。具體實現如下(1)註冊驅動並初始化首先調用NdisMinitializefeapper函數註冊Miniport 設備，得到設備句柄，再利用得到的設備句柄調用NdisIMRegister LayeredMiniport函數，註冊MiniportXxx功能函數以開放出為上層協議驅動程序提供的接口，然後調用 NdisRegisterProtocol函數，註冊ProtocolXxx功能函數以開放出為底層Miniport驅動程序提供的接口，並將本身綁定到底層驅動程序上，最後調用NdisIMAssociateMiniport 函數並通知NDIS庫這是個NDIS中間層驅動程序。這樣既為底層的MiniportXxx提供了 ProtocolXxx接口，又為上層的ProtocolXxx提供了 MiniportXxx接口。初始化後，中間層驅動提供了 miniport和protocol接口來與協議層的協議驅動protocol和物理層的網卡驅動miniport進行結合。(2)通過protocol接口把應用層已封裝好的SV報文或GOOSE報文從協議驅動 protocol發送到NDIS中間層驅動，然後經過NDIS中間層驅動處理後通過miniport接口發送到網卡驅動miniport，最後通過MiniportSend和Miniportsendpackets函數將SV報文或GOOSE報文經網絡適配器發送到過程總線上。保護智能電子設備IED接收來自過程總線的包含電氣量數據的SV報文和包含智能開關狀態的GOOSE報文，解析報文提取相關信息，通過保護算法進行保護邏輯判斷，並把保護控制命令以G00SE報文形式發送到過程層總線上。PC機同時模擬智能開關的功能，通過Window網絡驅動程序接口規範NDIS接收來自保護智能電子設備IED的G00SE報文，利用 ASN. 1解碼器將G00SE報文進行解碼，得到智能開關合、分命令，同時將智能開關合、分命令通過與EMTDC/PSCAD連接的C語言接口傳遞給智能開關模型，完成智能開關的合、閉操作。如上所述便可較好的實現本發明。
權利要求
1.一種基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，基於PC機平臺，通過 EMTDC/PSCAD仿真模擬合併單元MU和智能開關的功能，實現基於IEC61850標準的電力系統網絡報文的產生、封裝和傳輸，並經網絡驅動程序接口規範NDIS發送和接收報文，與保護智能電子設備IED形成閉環的過程總線實驗，其特徵在於，過程總線實驗方法包括以下步驟(1)在PC機上運行Windows系統，通過EMTDC/PSCAD軟體提供的模型庫，設計電力系統模型和模擬電力系統故障類型；(2)進行動態仿真生成電力系統運行故障信息，將故障信息通過C語言接口從EMTDC/ PSCAD上輸出並進行格式轉換，然後按照IEC61850通信標準進行SV報文或GOOSE報文乙太網幀封裝；(3)通過網絡驅動程序接口規範NDIS，把已封裝好的SV報文和GOOSE報文經過程總線發送給保護智能電子設備IED ；(4)接收來自保護智能電子設備IED包含故障判別結果的GOOSE報文，提取GOOSE報文中智能開關合、斷命令，並傳遞到EMTDC/PSCAD，使其智能開關模型模擬合斷操作。
2.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於通過設置電力系統模型和故障類型的運行條件和參數，實現數位化變電站間隔層保護智能電子設備IED的實驗項目要求。
3.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於步驟O)電力系統運行故障信息包括電氣量故障數據和開關量故障數據，電力系統運行故障信息以文件形式生成。
4.根據權利要求3所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於電氣量故障數據動態仿真的採樣速率與合併單元MU的採樣速率保持一致，在EMTDC/ PSCAD設置所需仿真步長，並通過EMTDC/PSCAD軟體示波器功能記錄所需的電氣信息，以生成相對應的電流、電壓量數據。
5.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於c語言接口需要經過EMTDC/PSCAD提供的工具軟體GCC將接口原始碼編譯成ob j文件， 再供EMTDC/PSCAD調用。
6.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於SV報文或GOOSE報文先採用ASN. 1編解碼器進行編碼，然後再按乙太網幀格式進行封裝。
7.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於通過網絡驅動程序接口規範NDIS實現與網絡接口卡實時收、發GOOSE報文和SV報文。
8.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於保護智能電子設備IED在接收到包含電力系統故障數據的報文後，進行保護邏輯判斷， 並把判斷結果以GOOSE報文形式發送到過程總線上。
9.根據權利要求1所述的基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，其特徵在於通過ASN. 1編解碼器解析接收到的GOOSE幀命令，並將這些命令通過與EMTDC/PSCAD 接口傳遞給智能開關模型，完成智能開關的合、閉操作。
全文摘要
本發明涉及一種基於PC機平臺的過程總線繼電保護教學實驗方法，該過程總線實驗系統遵循數位化變電站IEC61850標準，該系統基於PC機和Windows系統，在EMTDC/PSCAD軟體上設計電力系統模型和故障類型，進行動態仿真並生成故障數據，然後將故障數據通過C語言接口程序輸出並按照IEC61850標準組成SV報文和GOOSE報文，進而經網絡驅動程序接口規範NDIS，將SV報文和GOOSE報文通過過程總線發送到保護IED；本發明適用於大學繼電保護課程的過程總線實驗，在普通PC機上就可以實現，具有成本低，靈活性高，測試精度高，實驗模型準確等優點。
文檔編號G09B19/00GK102201180SQ201110171659
公開日2011年9月28日 申請日期2011年6月23日 優先權日2011年6月23日
發明者張維, 楊波, 王智東 申請人:華南理工大學