1、1基于 SCD 实现多 IED GOOSE 图形化仿真系统的方法唐喜 任雁铭 孟岩 (北京四方继保护自动化股份有限公司研发中心 北京 100085)摘要：GOOSE 订阅关系的模型配置过程比较复杂，如何验证 GOOSE 信号配置的传输正确性是的手段比较单一数字化变电站中具有挑战性的问题。针对这一问题，本文提出了一种 GOOSE 图形化仿真系统。系统以 SCD 模型文件为信息源注入，自动提取 SCD 模型文件中的 GOOSE 信息，动态生成 IED 拓扑图，实时显示 GOOSE 通信状态、数值及波形。对 GOOSE 报文进行分析和异常判断。通过 GOOSE 信号发生器，对回路进行检验。实时演示
2、IED 之间 GOOSE 信号传递过程，可对全站 GOOSE 通信进行仿真。一方面验证 SCD 模型与工程设计图纸是否相符；另一方面减少工程调试工作量。通过对实际数字化变电站进行仿真，该系统验证了模型及信号的正确性，大大提高工作效率，降低工程维护成本。关键词：SCD；GOOSE；图形化仿真0. 引言随着计算机通信技术的发展，以及IEC618501标准的颁布，采用 GOOSE 跳闸及间隔间联闭锁的技术已逐步在数字化变电站工程中广泛应用。通过光缆传输GOOSE 软报文取代了二次回路使用的大量电缆，为工程设计、实施带来极大便利。但在实际的工程应用中，GOOSE 订阅关系的模型配置过程比较复杂，尤其是
3、现场更改一个点逻辑关系后，需要重新确定订阅关系，然后又要重新做一遍试验，增加的额外工作量可想而知，一来现方面现场测试仪有限，且大多数是传统测试仪，不能模拟 GOOSE 报文；另一方面二是逐个对点，工程工作量很大。如果能够通过工具模拟全站内多个 IED 之间相互订阅的GOOSE 传输，验证 GOOSE 信号传递的正确性，将大大节省工程实施的工作量。本文提出的 GOOSE 图形化仿真系统，就是基于 SCD 模型文件，对 GOOSE 信号传递进行动态演示，一方面验证模型的正确性；另一方面实际验证 GOOSE 信号的正确性，有问题及早排查。即使到现场要更改信号，重新确定订阅关系，那么只要将更改过的SC
4、D 模型文件在仿真系统上运行一下即可，不必重新做试验，有一定的工程意义。1. 概述GOOSE 是 IEC61850 定义的一种通信机制，用于快速传输变电站事件，诸如命令、告警、指示、信息。GOOSE 基于以太网通信，包括发布、订阅两部分。单个的 GOOSE 信息由 IED 发送，并能被若干个IED 接收使用。GOOSE 的重发机制保证护了 GOOSE 信息传输的可靠性。GOOSE 取代了点对点的硬电缆。更改接线不需要配置，只需要更改配置文件即可。GOOSE 的配置过程比较复杂，首先需要各 IED 厂家提供支持虚端子的 ICD 模型文件，然后由系统配置器根据设计图纸进行 GOOSE 订阅关系连线
5、，虽然简化了设计工作，但增加了系统配置工作。显然，由于人工连线，难免会出错，一旦出错，就需要重新确定订阅关系，然后对点测试，重复的工作比较多。同时搭建测试环境太复杂，且测试有局限性。为减少不必要的人为工作量，本文提出了 GOOSE 仿真系统，同时为了提高人性化操作，采用图形化动态模拟。该系统可以作为全站 GOOSE传输的调试、诊断工具。可以在数字化变电站代替掉传统站内的万用表和螺丝刀，方便地进行回路监视和信号模拟等操作。GOOSE 仿真系统加载全站的 SCD 模型文件，从中提取 GOOSE 信息，根据GOOSE 发布、订阅关系动态生成 IED 拓扑图 2。实时显示 GOOSE 通信状态、数值及
6、2波形。对 GOOSE 报文进行分析和异常判断。通过 GOOSE 信号发生器，对回路进行检验。实时演示 IED 之间 GOOSE 信号传递过程，可对全站 GOOSE 通信进行仿真。对 IED 的运行状态进行灵活设置，如运行、检修等，同时更新 GOOSE 报文品质的测试位 Test，模拟检修过程进行测试。是运行、调试、研发人员的好助手，必将成为未来智能电网的有效测试工具。2. 系统设计GOOSE 仿真系统应用于采用IEC61850 通信的数字化变电站。其系统结构图如图 1 所示。系统由仿真终端和仿真控制台两部分组成。仿真终端作为集中控制器，可显示站内所有 IED 拓扑图，可进行人机交互。仿真控制
7、台作为分布式控制器，每个控制台担当仿真一个 IED 角色。GOOSE 仿真终端和 GOOSE 仿真控制台通过网络套接字 SOCKET 进行实时通信。系统底层通过虚拟网络进行网络报文交互，虚拟网络可通过设置虚拟 IP 地址完成。系统只需注入 IEC61850 SCD 模型文件即可独立运转，完成 GOOSE 仿真功能。作为GOOSE 的调试、诊断工具，系统主要有以下几大功能：1） 、根据 SCD 模型自动生成 IED 拓扑图，校验模型的正确性，并根据 GOOSE 订阅关系自动布线，形成 GOOSE 连线图，同时标注模型 reference、描述及数值；2） 、GOOSE 变位信息突出显示，通过数值
8、、连线的颜色变化及闪烁及时提醒用户；3） 、GOOSE 通信状态监视，报文分析、记录及异常判断；4） 、GOOSE 信号发生器可担当信号源，具有自动、手动触发模式；5） 、模拟 IED 运行、检修状态下，GOOSE通信回路测试。I E C 6 1 8 5 0 G O O S E 通信模型解析器 信号发生器拓扑图G O O S E 仿真系统 终端G O O S E 仿真系统 控制台I E C 6 1 8 5 0 S C D 模型虚拟数据区 实时数据库虚拟网络G O O S E 报文收发器内部通信信息源注入图 1 系统结构图Fig1 The architecture of the systemdi
9、agram of system structure2.1. 仿真终端设计仿真终端作为系统的外壳部分，主要完成人机交互功能，将用户需要知道的GOOSE 信息完完全全的展示在界面上。仿真终端启动后，进行系统初始化，当用户下达“读取模型”指令后，仿真终端加载指定的 SCD 模型文件进行解析，提取出GOOSE 信息，自动生成 IED 拓扑图，并根据 GOOSE 订阅关系自动布线，添加模型 reference、数值等信息，建立 GOOSE虚拟数据库。同时开启仿真控制台服务程序，传递指定的 IED GOOSE 模型信息，对虚拟 IED 控制台采用进程池技术进行调度管理，根据运行状况可以随时开启、关闭控制台
10、。仿真终端为每个 GOOSE 节点建立信号发生器，创建与仿真控制台的通信线程，此通信线程负责实时监视、解析仿真控制台请求消息，并根据 GOOSE 信号发生器内容实时刷新 IED 数据库，确保仿真终端与控制台数据同步。当用户下达停止命令时，仿真终端释放资源，停止GOOSE 仿真。仿真终端主要由模型解析器、GOOSE监视器、GOOSE 信号发生器三大功能模块组成，下面分别就这几部分内容的实现加以说明。2.1.1. 模型解析器仿真终端的模型解析器采用面向对象技术设计，对 IEC61850 功能进行封装，简3化 XML 文件操作，为后续模型节点检索作好准备。系统注入 SCD 模型文件后，仿真终端将 S
11、CD 模型内多个 IED 分解为各自的CID 模型，并记录下 GOOSE 发布、订阅信息，以供仿真控制台使用。模型解析的同时，仿真终端还会对模型的正确性进行校验，如果模型解析异常，仿真终端会打印异常报告，方便用户查找模型错误。2.1.2. GOOSE 监视器GOOSE 监视器针对拓扑图而言，主要包括 GOOSE 实时数值信息监视、GOOSE状态监视、GOOSE 报文分析三部分内容。每个 IED 拓扑图包括 GOOSE 输入、GOOSE 输出两部分内容，采用类似芯片封装的设计方法，在管脚处显示描述、数值，在连线间显示模型 reference，当有 GOOSE变位时，数值、连线以不同的颜色显示，并
12、闪烁，以提醒用户处理。GOOSE 通信状态包括正常、中断两种状态，通信正常时IED 以绿色显示，中断时 IED 以红色显示。可实现 GOOSE 报文记录、GOOSE 报文解析、GOOSE 报文异常判断功能，对于熟悉GOOSE 报文结构的专业人员非常有用，可以看到 GOOSE 报文内 MAC 地址、APPID、数据集等信息，方便问题分析。2.1.3. GOOSE 信号发生器仿真终端为每个 GOOSE 节点分配一个信号发生器，信号发生器采用脚本语言描述，以中间件形式提供，可以动态加载、创建；提供信号发生器内容编辑的人机交互接口，可以编辑 GOOSE 信号的状态序列，与模型引用路径绑定存储在虚拟数据
13、区，以模拟引用路径为检索依据；信号发生器的编辑记录通过 XML 序列化的方式存储管理，方便历史查询。2.2. 仿真控制台设计仿真控制台作为系统的核心通信部分，完成 GOOSE 信息交互处理功能。仿真控制台由仿真终端调度，启动后，进行系统初始化，自动检索有效的模型文件并解析，创建 IEC61850 实时数据库并记忆模型引用路径，同时创建仿真终端虚拟数据库。在确保上述两个数据库有效的前提下，创建GOOSE 通信线程及与仿真终端通信线程；其中，GOOSE 通信线程主要完成 GOOSE报文交互工作，对 GOOSE 报文收发进行打包并解析；与仿真终端通信线程主要负责与仿真终端通信工作，实时监视并处理仿真
14、终端报文请求，同步 GOOSE 虚拟数据区与 IEC61850 实时数据库。当仿真终端下达退出指令后，仿真控制台关闭所有线程，释放申请的内存，退出运行。仿真控制台主要由 GOOSE 虚拟数据同步、GOOSE 实时数据库、GOOSE 报文收发器三大模块组成。下面分别就这几部分内容的实现加以说明。2.2.1. GOOSE 虚拟数据同步GOOSE 数据同步主要是指虚拟数据区与实时数据库的同步。GOOSE 虚拟数据区反映的是仿真终端对 GOOSE 信号发生器的设置内容，需要如实的反映到实时数据库。二者的索引依据是模型引用路径。虚拟数据区采用线性地址编址。对应的数据接口为与仿真终端通信线程的报文处理结果
15、。2.2.2. GOOSE 实时数据库GOOSE 实时数据库反映的是采用IEC61850 GOOSE 通信服务所需要的数据，对 GOOSE 节点所在的逻辑设备、数据集、逻辑节点等数据绑定存储，有序组织用路径节点及数据信息。利用数据库存储模型相关文件的信息，其中主要是 CID 信息。CID 包含的信息可分为标记和数据两类。其中标记部分由 IEC61850-6 标准化了，属于不变部分，不需要存储在数据库中。而数据部分是需要建模人员根据 IED 功能及IEC 61850 建模方法建立的，属于不确定部分，需要录入数据库。CID 主要包含DataTypeTemplate 段和 IED 段。从IEC618
16、50 工程化应用的角度考虑， DataTypeTemplate 段中的LNType、DOType 等类型是统一规范化的。IED 段主要是描述各 IED 功能的4LN、DAI、DataSet 和各种控制块等信息。IED 模型数据属于 IED 专用数据。2.2.3. GOOSE 报文收发器GOOSE 报文收发器主要完成 GOOSE报文打包、解析功能。GOOSE 发送时，根据 GOOSE 配置（如 MAC-Address、AppId、VlanId 、VLan-Priority）生成 GOOSE 报文头，然后添加 Dataset name、GSEControl name、ConvRef 报文体，根据实
17、时数据库刷新数据状态，最后打包发送，同时自动执行 GOOSE 重发机制。GOOSE 接收时，首先过滤 GOOSE 报文，提取报文头，然后从报文体中提取有用数据包，与实时数据库进行匹配，如果匹配成功，则更新实时数据库状态，执行应用处理逻辑。GOOSE 报文的收发，最终要体现在虚拟网络中，这个虚拟网络在 PC机上可以通过网卡虚拟出多个与 IED 相同的 IP 地址实现。3. 仿真效果以一个实际的 220KV 数字化变电站为例，根据站内的 SCD 模型文件，对GOOSE 通信行为进行仿真 3，如图 2 所示，截取了仿真效果图，通过信号发生器设置智能操作箱的 GOOSE 输出“开关位置”为 1，则可以
18、看到连接线路光纤差动保护的GOOSE 输入“跳位 A”状态也为 1，同时连线闪烁，且变为绿颜色，这说明线路光纤差动保护与智能操作箱的 GOOSE 订阅关系是正确的。同理，设置光纤差动保护GOOSE 输出“跳闸”为 1，则可以看到，智能操作箱的“跳 A”状态也为 1，同时连线闪烁，颜色变绿。系统最终会打印一份调试报告，对各项 GOOSE 连线的订阅关系是否正确给出结论，用户可以参考这份报告，将 GOOSE 订阅关系与工程设计图纸进行比对，有一定的参考价值。智能操作箱测控遥合遥跳G O 开出 1G O 开出 2G O 开出 3000线路光纤差动保护跳闸合闸远传跳位远传00000永跳闭重三跳跳 A跳
19、 B跳 C0000000重合00开关位置00重合0开入图 2 仿真效果图Fig 2 The diagram of simulation result4. 结语数字化变电站的发展为电力系统带来了很大变革，尤其是采用了 GOOSE 跳闸等一些新兴技术。新技术的发展需要新的辅助工具作支撑。本文提出的 GOOSE 图形化仿真系统，有效解决了 GOOSE 信号验证过程复杂的问题。目前，国内外尚没有此类工具。当然，本系统并没有涉及到IED 内部保护功能算法，如果能够根据GOOSE 信号正确执行保护逻辑，那将是一套真正的 IED 仿真系统。参 考 文 献1 IEC 61850 Communication n
20、etworks and systems in substations. 2004.2赵志华图形化编程与继电保护装置开发电力自动化设备，2004，24(2)：7072ZHAO ZhihuaDiscussion of graphical programming and protective relay development Electric Power Automation Equipment，2004，24(2)：70723朱林,董楠,段献忠. 数字化变电站网络仿真平台探讨. 电力系统自动化，2007，31(21):106-109.Zhu lin,Dong nan, Duan xian zho
21、ng. Digital station network simulation platform research.Automation of Electric Power Systems. 2007，31(21):106-109.作者简介：唐喜(1979 - )，男，吉林松原人，工程师，主要从事电力系统通信、电力系统规约和电力系统软件组件方面的研究与开发工作；5(E-mail:tangxi3721sf-)6SCD-based multi-IED GOOSE graphical simulation systemTANG Xi, REN Yanming, MENG Yan(Beijing Sif
22、ang Automation Co.,Ltd, 100085,China )Abstract: The configuration process of GOOSE publishe and subscribe model is morevery complex. , How to and verify the correctness of the means of signal transmission GOOSE configuration in the digital substation is challenging. relatively simple. To solve this
23、problemaddress the issue, this paper presentsa GOOSE graphical simulation system is presented in this paper. System is based on sources of information come from SCD model file, it automatically extracts the SCD model file in the GOOSE message dynamically and generatesd IED topology relationship map
24、map, itreal-time displays GOOSE communication status, values and waveform in real time. GOOSE messages can be for analyzedsis and anomaly judgments. . The connection relationship can be tested by the By GOOSE signal generator., the circuit tested. The process of IEDs signals transmission can be simu
25、lated.GOOSE between the real-time demo IED signal transduction process, can be the whole point GOOSE communications simulation. The communication process of whole substation can be analyzed by the system. On the one hand, the system can verify the conformance between SCD model validation and the eng
26、ineering design drawings are matched;. On the other hand, it can to reduce the workload duringof project commissioning. By simulating the actualcommunication process in digital substation, number of substations, the system hascan verifyied the correctness of the model file and signal, it greatly improves work efficiency, reduces engineering and maintenance costs. Keywords：SCD; GOOSE; graphical simulation
