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，100016IEC61850 BASED INTERFACES FOR REAL-TIME SYSTEM SIMULATORWANG Zhao，MA Wenxiao， Gao FeiCorporate Research, ABB (China) Limited, Universal Plaza, 10 Jiuxianqiao Lu, Chaoyang District, Beijing, 100016ABSTRACT: Real-Time System
2、 Simulator is the key method of testing and verification for power system and its automation system, which can be used for real-time, dynamic and close-loop simulation of object system. This paper will introduce the interface between RTSS and object system, then brings forward three new type of inte
3、rfaces, including Virtual IED based interface, Process Level Transceiver based interface and Process Level communication based interface, and the their implementation. Also, this paper introduces the automatic modeling of RTSS and its mapping to object system. Finally, with introducing the possible
4、applications, this paper concludes that new interfaces are suitable for the testing of current and future object system.KEY WORD: Real-Time System Simulator; IEC61850; Interface; Process Level Communication; 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
5、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RTDS1、ARENE、HYPERSIM 等 2。世界上主要的
6、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
7、 与 目 标 系 统 的 传统 接 口 方 式实时系统仿真器（Real-time System Simulator，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IED 1IED 2. IED n自 动 化 系 统模 拟 量开 关 量 电 缆图 1 传统实
8、时系统仿真器及其与目标系统的接口Fig 1 Conventional connection between real-time system simulator and object system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 1-24。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
9、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
10、 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
11、 仿 真 器目 标 系 统虚 拟IED 1 .自 动 化 系 统虚 拟IED 2 虚 拟IED n网 络图 2 虚拟 IED 的接口方式Fig 2 Connections with Virtual IEDs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
12、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
13、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IED 1IED 2. IED n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Fig 3 Connections with Process Level Transceiver如 图 3 所示，过程层收发器承担网关（Gateway）的功能。实
14、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
15、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
16、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：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
17、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IED 1IED 2. IED n自 动 化 系 统网 络图 4 直接过程层通信的接口方式Fig 4 Connection with direct process level communication直接过程层
18、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
19、。 实 时 系 统 仿 真 器目 标 系 统IED 1IED 2.IED n自 动 化 系 统CI CI CISCD自 动 生 成 模 型和 对 应 关 系 模 型 文 件对 应 关 系图 5 自动生成仿真模型文件和对应关系Fig 5 Automatic modeling and mapping如 图 5 所示，自动生成仿真模型文件就是通过目标系统的配置文件来自动生成实时系统仿真器的模型文件；而由于模型文件是通过目标系统的配置文件自动生成的，那么实时系统仿真器的模型与目标系统的对应关系也可以作为副产品自动生成。系统仿真器的模型与目标系统的对应关系就是实时系统仿真器与目标系统之间的映射，用于不同
20、模型或不同规约之间的转换，包括实时系统仿真器模型的索引、类型，目标系统模型的索引、类型，以及该对应关系是否用于通信过程等。自动生成模型文件和对应关系的过程仍然需要用户的手动参与，一方面，目标系统配置文件的信息并不需要全部与实时系统仿真器进行交换，需要测试人员进行手动的筛选；另一方面，目标系统的IEC61850 配置文件主要是二次系统的信息，而实时系统仿真器的模型文件则包含了大量的一次系统信息，因此也需要测试人员进行手动的配置一次系统的过程。5 适 用 范 围传统的实时系统仿真器由于受到接入装置的限制，往往应用于对有限的装置或系统的仿真。本文提出的新型接口方式可以突破对接入装置数量的限制，从而可
21、以使得实时系统仿真器可以用于更大范围系统的仿真和测试工作。例如，新型接口方式可以用于仿真分布式的馈线自动化系统。采用新型接口的实时系统仿真器可以用于以下的应用：1）新型自动化系统（包括分布式自动化系统）的研究和开发，特别是智能电网、数字化变电站等新型自动化系统；2）自动化系统的出厂测试和现场验收，尤其是那些需要和一次系统实时进行交互的系统。6 结 论本文介绍了三种实时系统仿真器与目标系统的接口方式，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。这几种接口方式都有各自适合应用情况，同时可以突破传统接口方式的硬件限制。同时，本文介绍了自动生成仿真模型文件和对应关系
22、的办法。通过对接口方式，自动生成配置和适用范围的分析，本文认为新的接口方式具有不受硬件限制，接口灵活的特点，结合自动生成配置的过程，适合现有及未来支持IEC61850 过程层通信的目标系统的测试。参 考 文 献1. 叶林，杨仁刚等，“电力系统实时数字仿真器 RTDS”，电工技术杂志，2004 年第 7 期，49-52 页2. 许汉平，黄涌，陈坚，“电力系统实时数字方针系统介绍”，华中电力，第 15 卷，2002 年第 3 期，10-12 和31 页3. 汤涌，“电力系统数字仿真技术的现状与发展”，电力系统自动化，第 26 卷第 17 期， 2002 年 9 月 10 日，66-70 页4. 黄
23、家田，梁述海，李雁飞，“基于 RTW 的闭环控制系统平台设计”，舰船电子工程， Vol.24 No.4，2004 年第 4 期，86-87 页和 98 页5. IEC61850, Communication networks and systems in substations, IEC, 20056. 冷杉，徐悦等，“虚拟 DCS 技术与大型发电厂实时系统互联应用”，东南大学学报（自然科学版），第 35卷第 1 期，2005 年 1 月，60-63 页7. 杜新伟，刘涤尘等，“虚拟继电保护柔性建模仿真系统的研究” ，电力系统自动化，第 32 卷第 17 期，2008年 9 月 10 日，55-60 页8. 曹津平，李伟等，“数字化变电站过程层的通信技术研究”，电力系统自动化，第 36 卷第 12 期， 2008 年 6月 16 日，60-63 和 68 页收稿日期：作者简介：王 照，男，黑龙江，高级工程师 ，研究方向为变电站自动化、配电自动化系统和嵌入式控制系统。马文晓，男，山西，工程师，研究方向为配电自动化系统高 飞，男，内蒙古，工程师，研究方向为配电自动化系统
