采用IEDScout 的新型继电保护实验平台

王智东，陈俊威

（华南理工大学电力学院，广州510640）

作为电气工程专业核心课程之一的继电保护课程，具有很强的实验和实践性质。继电保护实验在提高电气本科教学质量和培养学生综合能力等方面，都起着不可替代的作用[1-2]。

电力教育工作者对继电保护实验平台建设、教学模式改革、教学内容创新等诸多方面做了很多的探索和研究，取得了较好的效果，促进了继电保护实验教学的发展[3-5]。然而，继电保护实验教学是一个不断发展和逐步完善的过程，例如：继电保护实验模式如何更加生动具体，以更好激发学生的想象力、创造力；继电保护实验内容如何更好地与继电保护新技术相结合，使得学生学以致用，在电力工业实践中很快上手；实验平台建设是一个长期而且复杂的过程，如何在有限的物资条件下，满足继电保护新技术的教学要求[6-8]。

在继电保护高度数字化、信息化、网络化、综合化以及智能化的发展背景下[9-10]，如何将以IEC 61850 为代表的继电保护新技术与大学实验教学结合起来成了研究的难点。而当前继电保护实验教学研究主要集中在典型的继电保护实验，鲜有IEC 61850 等新技术在继电保护实验教学的应用研究。文献[11]充分利用现有的实验设备，通过“改造”现有的继电保护实验平台，搭建了基于过程总线的网络化继保实验平台，以IEC 61850 的报文形式实现了9-1 模拟量信息传输和跳闸、合闸以及闭锁等功能，实现了IEC 61850 协议的部分技术。但是受到实验平台和技术手段的限制，该文没有更全面、深入地体现IEC 61850 协议的内涵，例如：文中只是在报文形式上实现了IEC 61850 中的通用面向对象的变电站事件GOOSE（generic object oriented substation events）报文，忽略了不等长间隔重发等重要的GOOSE 机制。

由于GOOSE 报文涉及到不等时间间隔重发等复杂机制，要完全个人编程实现完整的GOOSE报文工作量大，实现难度非常大，而且很容易出错。所以目前高校科研机构和电力工业实际开发中，大多采用SISCO 公司的mms-lite 软件来实现IEC61850 的报文[12-13]，但mms-lite 价格昂贵，难以应用于物资有限的教学实验平台建设。

而且IEC 61850 还处于不断发展和完善的阶段，在工程实际中的应用才刚起步[14]，可供继电保护实验平台参考借鉴的案例很少。IEC 61850 是个庞大而复杂的体系[15]，新建实验平台涉及到的软件平台和硬件平台所需的技术很复杂、成本高、实现周期长、难度大。因此，需探讨和研究实现难度较小、成本低，又能较好体现IEC 61850 新技术的大学继电保护实验平台和方法。IEDScout 软件的评估版本为大学继电保护实验平台的建设提供了一种思路和探索。

1 IEDScout 软件

IEDScout 集成了GOOSE 报文的重发机制，制定GOOSE 重发策略很简便。IEDScout 功能全面：通过IEC 61850 设备的网络地址连接到该设备，然后读取该智能电子设备IED（intelligent electronic device）设备的自描述文件，就可以获得IEC 61850设备的数据模型结构；分析运用C/S 模型的数据采集与监视控制系统SCADA（supervisory control and data acquisition）信息，在电力系统，客户机/服务器C/S（customer/sever）模型的客户端是变电站控制中心，服务端是诸如继电保护装置的IED；分析客户端的制造业报文规范MMS（manufacturing message specification）报文请求和服务器的回应；对于IED开发工程师，通过该软件来确定IED 设备的结构、功能，生成IED 能力描述文件ICD（IED capability description），进而将IED 设备投入到数字化变电站运行。

IEDScout 评估版本是完全免费的。与完全版本相比，评估版本功能有所限制，不能实现保存SCL 文件、浏览MMS 详细信息、导出C/S 报文、等功能，但可以浏览ICD 文件，包括该ICD 文件描述的IED 设备包含的逻辑设备、逻辑节点、逻辑节点类型、数据类型的定义、数据集的定义、控制块的定义、装置通信能力和参数的描述等内容；配置GOOSE 重发策略，制作、发送、接收、分析GOOSE报文等功能，已经能够满足大学继电保护实验教学的需求。而且，IEDScout 界面人性化，操作简单，容易入门，适合大学继电保护实验教学。

2 平台设计

本文利用免费的IEDScout 软件，硬件上只需添加PC 机，便可将现有继电保护实验平台，“改造”成为符合IEC 61850 的继电保护实验平台。

如图1 的虚线部分，现有的继电保护实验平台主要由5 台通过RS485 总线相连的保护试验台组成，每台保护实验平台包含了电力一次系统模型和基于C51 单片机的微机装置。

考虑到现有平台的微机装置直接与一次系统模型相连，而且现有微机装置只是采用C51 单片机，性能较低，很难支持面向对象等较为复杂的技术，故本文不直接采用现有的微机装置作为IED，将微机装置“改造”成间隔层的合并单元和智能开关，每台微机装置同时兼具合并单元和智能开关的功能。受限于现有平台的微机装置没有以太网接口，以现有的RS485 模拟过程总线，因此，采用一台兼具RS485 和以太网接口的PC 机作为网络转换器，模拟过程总线的RS485 信息通过该网络转换器与基于以太网的间隔层进行信息交换。

间隔层的IED 采用普通的PC 机实现，PC 机的以太网功能模拟变电站总线，同时模拟IED 的PC 机与作为网络转换器的PC 机通过以太网相连，如图1 的实线部分。

模拟IED 的PC 机运行IEDScout 软件，实现IEC 61850 的GOOSE 报文的发送和接收功能。由于IEDScout 评估版本的限制，IEDScout 的GOOSE报文解析功能受到部分限制，不能通过IEDScout查看完整的GOOSE 报文，所以同时采用Wireshark软件来辅助查看和解析完整的GOOSE 报文。Wireshark 是目前流行的一款网络报文分析软件，通过良好的界面尽可能显示出最为详细的网络报文信息。

本文提出的方案，硬件上只是在现有的继电保护实验平台基础上添加普通的PC 机；由于软件上采用了IEDScout 等软件来实现GOOSE 报文，避免了难度很大的开发过程；同时，IEDScout 等软件具有良好的界面，使得教学实验直观、形象，容易理解和掌握继电保护新技术。

图1 平台设计方案Fig.1 Plan of platform design

3 IEDScout 具体应用

IED 是IEC 61850 在继电保护应用的载体，其功能、配置和服务信息由ICD 文件的Header 段、Communication 段、Data Type Template 段和IED 段来描述[16]。因此，在IEC 61850 的具体应用中，首先涉及对ICD 文件的配置和解析。

利用IEDScout 提供的人性化的界面，可以很方便地进行ICD 文件的相关操作，通过分析ICD文件，了解该ICD 文件描述的IED 的配置、功能和服务。

如图2 所示，用IEDScout 打开ICD 示例文件，以树状数据形式读取该ICD 文件描述的IED 信息模型。该ICD 文件按照Address、Data、GOOSE、Unbufferred Reports、Datasets 来分类，浏览方便。从ICD 文件可以知道：逻辑设备为OMIC 1CB，即该IED 的其中一个功能为线路保护功能；逻辑设备OMIC 1CB 又包括逻辑节点XCBR1，即线路保护功能的子功能为XCBR1；逻辑节点XCBR1 包括3 个数据对象，其中Pos 数据对象包括的数据属性stVal 的值为0 或1 分别表示该IED 控制断路器的开或合。

图2 解析ICD 文件Fig.2 Analysis of ICD file

在解析ICD 文件获得该IED 自描述信息的基础上，可通过在IEDScout 里设置GOOSE 报文参数，进行GOOSE 报文通信。由于评估版的IEDScout 所接收的GOOSE 报文只能查阅到简要而非完整的报文内容，为了更深入分析和理解报文具体内容，同时采用Wireshark 报文捕捉与分析软件来接收和详细分析GOOSE 报文。

在实验教学过程中，在PC 机上，用IEDScout的Simulations 功能模块模拟发送GOOSE 报文的IED；用Wireshark 软件模拟接收GOOSE 报文的IED；两个模拟IED 进行GOOSE 通信。

具体流程如下。

1）GOOSE 报文参数设置和发送

在发送GOOSE 报文的PC 机上，首先在IEDScout 里进行GOOSE 报文参数设置。进入Edit GOOSE/GSSE Output 界面对GOOSE 进行配置，如图3 所示。

图3 Edit GOOSE/GSSE Output 界面Fig.3 Interface of Edit GOOSE/GSSE Output

然后，进入GOOSE Strategy 设置界面进行GOOSE 重发策略等配置，在不影响学生对GOOSE机制理解的基础上，为了方便观察和分析，这里对相关参数进行简化设置，如图4 所示。Retransmission type 设置为geometric，1st Interval 设置为100 μs，multiplier 设置为2，max interval 设置为10000 μs（即10 ms）。

进入GOOSE Simulations 界面，将配置好的GOOSE 报文发送出去。

2）GOOSE 报文接收和解析

图4 GOOSE Strategy 界面Fig.4 Interface of GOOSE Strategy

利用Wireshark 同步接收由步骤1 所发送的GOOSE 报文，如图5 所示，在时间0，0.099 911，…，82.701 021 s，分别收到第1 到第15 帧的GOOSE报文，计算相邻两帧报文的时间间隔，可知第1、2 帧，第2、3 帧，…，第14、15 帧GOOSE 报文的时间间隔分别为0.099 911、0.200 188、0.400 404、0.800 780、1.600 541、3.200 154、6.400 250、9.999 870、9.999 855、9.999 772、9.999 832、9.999 812、9.999 812、9.999 840 ms。考虑PC 机中报文收发耗时和网络传输延时等误差，发送的前8 帧报文之间的时间间隔为0.1，0.2，0.4，0.8，1.6，3.2，6.4 ms，符合步骤1 所设置的0.1×2 n ms（n=0，1，2，3，4，5，6，7）重发策略；同时，第8 到15 帧的实际时间间隔几乎为10 ms，即为步骤1 所设置的GOOSE 心跳时间。

为了更深入理解报文具体内容，利用Wireshark 提供的友好界面，查阅和分析GOOSE 等报文全文及相关的属性。这里以第一个GOOSE 报文做例子进行分析，如图6 所示，所接收的GOOSE报文的源地址为18 ∶03 ∶73 ∶e3 ∶50 ∶51，目的地址为01 ∶0c ∶cd ∶01 ∶01 ∶ff，报文类型为IEC 61850/GOOSE报文，这与步骤1 中图3 的设置相一致。

同时，图6 显示了完整的GOOSE 报文信息，包括：APPID 为0x3FFF，报文长度为115Byte，GOOSE 的协议数据单元GOOSEPDU 等具体内容。对goosepdu 的具体分析，有助于学生对IEC 61850协议更全面深入的理解和掌握。

图6 GOOSE 报文分析Fig.6 Analysis of GOOSE received

4 结语

本文探索了如何在几乎不增加成本的基础上，“改造”现有继电保护实验平台，构造了融合IEC 61850 等新技术的教学实验平台。通过采用IEDScout 软件，模拟继电保护IED 之间的GOOSE通信，避免了复杂的开发过程，实现简单。在实验教学中，充分利用IEDScout 等软件，通过解析ICD文件，配置、发送、接受GOOSE 报文，加深了学生对IEC 61850 概念和内涵的理解。

初步实践结果表明：本文提出的实验教学方法操作过程简单直观，容易上手，能生动直观地掌握和应用IEC 61850 新技术。当然，由于IEC 61850是个庞大复杂而且还在不断发展中的通信标准体系，如何更加全面、深入地开展关于IEC 61850 的继电保护实验，有待于进一步的研究。

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