智能变电站的合并单元仿真系统研究

张祥文，缪文贵，杨洪涛

(1.国网电力科学研究院，江苏 南京 210003；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061)

近年来，随着IEC 61850标准的研究和推广以及智能变电站的建设，人们对智能变电站的认识渐渐统一到三层架构上：智能化的一次设备、网络化的二次设备和自动化的运行管理系统。采样IEC 61850标准的智能变电站在逻辑上分为三层，即过程层，间隔层和站控层，目前过程层的实现依赖于电子式互感器和合并单元（MU）。为此，国际电工委员会制定了相关的国际标准IEC 600447/8和IEC 61850-9-1，定义和描述了电子式互感器与MU。MU的主要功能[1]是对同步采集的三相电流、三相电压输出信息汇总，并按照一定的格式输出给二次设备。MU是智能变电站的重要组成部分[2]，二次设备的研制和调试也需要大量的MU信号，尤其是高压主变保护需要3或4路MU信号。采用MU仿真系统可以极大降低开发成本、减少物理装置的接线和缩短开发周期。采用仿真系统可以灵活模拟各种数据，发出快速采样值报文到二次设备，检测二次设备能否正确响应，为相关装置的开发和调试提供了便利。

1 MU相关标准

MU用于连接电子式互感器与保护测控等二次设备，同步采集7路电流信号和5路电压信号，为二次设备提供时间一致的电流和电压数据，它接入的信号包括电子式互感器输出的数字化采样值信号、智能化开关设备的开关信号和传统互感器的模拟信号。IEC 61850-9-1[3]引用了IEC 60044-7/8[4]，通过特定通信服务映射将MU的单向多路点对点串行通信链路映射到以太网的数据链路层。

1.1 物理层

MU与二次设备的连接可采用光纤传输系统。考虑并解决电磁兼容性的问题，也可选择基于铜质材料的传输系统。

1.2 链路层

地址域由全部为“1”组成的以太网广播地址作为目标地址的缺省值，然而作为一个可选性能，目标地址应当是可配置的，例如，通过改变多播传送地址可以借助交换机将MU与间隔层设备连接。为了区分与保护应用相关的强实时高优先级的总线负载和低优先级的总线负载，采用了符合IEEE 802.1Q的优先级标记。优先级标记头的结构如图1所示。

图1 优先级标记头的结构

基于ISO/IEC 8802-3 MAC子层的以太网类型由IEEE注册。以太网类型值为88-BA（16进制）。

1.3 表示层

采用了ASN.1对采样值进行BER编码，编码格式为TLV。

1.4 应用层

应用协议数据单元（APDU）被递交到传输缓冲区以前将若干个应用服务数据单元（ASDU）连接成1个APDU，APDU结构如图2所示。被连接为1个APDU的ASDU的数目可通过配置参数进行定义并且与采样速率有关。

图2 APDU结构

根据ISO/IEC 8825-1的要求在帧前增加了1个ASN.1标记和长度作为应用协议控制信息（APCI）的一部分。根据ASN.1基本编码规则，这个标记描述了1个8位位组串并且被定义为0x80。为了保证与所述的另外的采样值信息组合时数据的一致性，用于模拟量采样值信息的ASN.1语法定义如下：

2 MU数字仿真设计

目前在调试智能二次设备时需要接CT和PT到MU，然后再接到二次设备，尤其需要同时接入多路MU数据时非常麻烦，给开发调试带来不便，为此设计了纯软件的MU仿真系统，仿真系统结构如图3所示。

图3 仿真系统结构

仿真系统设计为能支持模拟同时发送6个MU数据，以采样速率 SR＝5000点(100点×50 Hz)，每个APDU包含4个ASDU而不含状态量数据集为例：最大的报文长度TL＝26字节以太网报头+4字节优先权标记+8字节以太网型PDU+2字节ASN.1标记/长度+2字节块的数目+46字节通用数据集×4+96位帧间隔＝1904位。

保留10%的裕度，模拟6个MU所需带宽为：（5000÷4）×1904×1.1×6＝15.708 Mbps ＜100 Mbps，理论上，100 Mbps以太网接口满足带宽要求。

仿真系统包含4个重要模块：管理模块、配置模块、组包模块和发送模块。

2.1 管理模块

管理模块的功能主要包括：参数文件的新建、打开、保存，自适应COMMTRADE文件和自定义文件2种格式。用例的新建、用例的修改、用例的删除、用例的导入导出、用例的生成以及用例的运行，每1个用例都对应1个完整的仿真需求。当1个用例运行时先初始化必要的参数，然后读取COMMTRADE文件或配置模块生成的数据文件，最后调用组包模块和发送模块发送报文。

2.2 配置模块

配置模块的主要功能是对仿真的数据源进行参数配置，对应每个配置文件可配的参数有MU的数目，时间段数，每个时间段的时间，目的端的MAC地址和LDname，每个APDU包含的ASDU的数目，以及每个MU每个时间段的额定相电流、额定相电压、额定中线电流、额定时延、保护用相电流（幅值和相角）、测量用相电流（幅值和相角）、中线电流（幅值和相角）、相电压（幅值和相角）、中线电压（幅值和相角）和母线电压（幅值和相角）、采样频率、状态字1和状态字2。这些参数都配置好后给组包模块提供数据源，也可以生成文件本地保存方便以后重复使用。

2.3 组包模块

组包模块的主要功能是读取数据源文件，按照参数配置生成周期性的交流量数据，每个目的MAC地址对应1个模拟MU，读取相应的参数和交流量数据组成ASDU，给每个ASDU打上编号后组成APDU帧，然后给每个待发送包打上时间标记，最后依次从每个模拟MU中取出对应的包组成1个待发送的包序列。

2.4 发送模块

发送模块主要功能是完成包序列的发送，因为要发送的数据量很大，且实时性要求高，一般的PC机系统无法直接实现，所以开发了基于WpdPack开发包的控制包去控制系统的CPU内核，使时间的分辨率达到微秒级，驱动网卡按照待发送包序列中每包对应的时间标记直接发送包序列。控制包体系结构是由1个核心的包过滤驱动程序、1个底层的动态连接库Packet.dll和1个高层的独立于系统的函数库Libpcap组成。底层的包捕获驱动程序为1个协议网络驱动程序、通过对NDIS中函数的调用为windows提供类似于UNIX系统下Berkeley Packet Filter的捕获和发送原始数据包的能力。Packet.dll是对这个BPF驱动程序进行访问的API接口，同时有1套符合Libpcap接口的函数库。控制包通过对内核的排他性占用，使多任务的操作系统只执行发包的单任务来保证实时性。时间本应同步的多个模拟MU产生的微秒级的时间延时在二次设备的许可之内，一起发到网络上的数据包都有各自的目的MAC地址，因此这些数据包可以顺利到达对应的二次设备。

3 应用示例

下面用仿真系统模拟带桥变压器主保护所需要的4个MU。

以常见的每个周期采100点，每个APDU包含4个ASDU为例，那么每个数据包的间隔为4×20 ms/100=0.8 ms，3个时间段分别对应正常状态、故障状态和故障恢复，设置4侧的MAC地址依次为01-0c-cd-04-01-01（MU1）、01-0c-cd-04-01-02（MU2）、01-0c-cd-04-01-03（MU3）、01-0c-cd-04-01-04（MU4）。

通过第三方的协议分析软件抓包分析，按照发送顺序抓包所得发送报文间隔如图4所示，时间为相对上一包的时间差（s），根据目的MAC可见，对于编号相同的数据包MU4与MU1之间最大的时间延时为 0.000021 s+0.000029 s+0.00003 s＝80 μs。

图4 发送报文间隔

MU1一侧数据包队列的发送间隔降序排列如图5所示，其最大间隔0.809 ms，MU1一侧数据包队列的发送间隔升序排列如图6所示，其最小间隔0.790 ms，这两个时间间隔和标准的0.8 ms的误差仅为 10μs。

图5 发送间隔降序排列

MU2，MU3，MU4的数据包队列中时间间隔最大误差分别为 10 μs，9 μs，5 μs。 实验表明时间延时和网络带宽和CPU的处理能力有关系。

可见，MU仿真系统所模拟的多路报文在性能上非常出色，在实验室二次设备的开发和调试过程中完全可以替代实际的MU装置。

图6 发送间隔升序排列

4 结束语

MU仿真系统能够准确的按照IEC61850标准模拟出多路MU发出的采样值报文，而且在延时许可范围内完全可以达到MU装置的性能。MU仿真系统是用纯软件的方式实现了MU的功能，可以减少MU装置和交流源需求，节约了成本，在装置调试过程中减少接线，方便灵活的参数配置大大缩短了开发周期，为二次设备和智能变电站提供了灵活方便的调试手段。

[1]殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.一种遵循IEC 61850标准的合并单元同步的实现新方法[J].电力系统自动化，2004，28（11）：57-61.

[2]梁晓兵，周捷，杨永标，等.基于IEC 61850的新型合并单元的研制[J].电力系统自动化，2007，31（7）：85-89.

[3]IEC 61850-9-1，Communication Networks and Systems in Substations:Part 9-1:Specific Communication Service Mapping—Sampled Values over Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link[S].2003.

[4]IEC 60044-8，Instrument transformers:Part 8 electronic current transducers[S].2002.