继电保护仿真培训体系设计

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WinPcap软件包简介

由于IEC61850的采样值数据包和GOOSE数据包都是直接建立在以太网链路层之上的，在ISO7层协议中与IP协议处于同等的位置，因而不能使用TCP/IP协议发送和接收，需采用更底层的以太网通信函数［3-4］。WinPcap工具软件包满足上述的要求，可以更底层地操作网卡。此外，WinPcap中还提供了发送以太网原始数据包的功能，因而非常适合于开发智能变电站的网络通信软件。WinPcap具有捕获数据包、发送数据包、统计网络流量3个主要功能。捕获数据包的基本流程如下［5］(1)通过接口函数pcap_findalldevs_ex枚举所有可用的网络设备。(2)根据枚举返回的网络设备名称打开一个设备，对应接口函数为pcap_open()。(3)如果需要，设置数据包的过滤条件，对应接口函数为pcap_setfilter。(4)捕获原始的数据包有2种方法:一种方法是以回调函数的方式由接口pcap_loop或pcap_dispatch完成，其基本方法是底层收集数据包，当满足一定的条件(timeout或者缓冲区满)，就调用回调函数，把收集到的原始数据包通过数据缓存区交给用户;另一种方法是pcap_next_ex()的方法，每当一个包到达后，接口pcap_next_ex()就会返回，返回的数据缓冲区中只包含一个包。其中，pcap_loop()函数是基于回调的原理来进行数据捕获，在很多情况下都是一种很好的选择，但由于该方式有时并不实用，且会增加程序的复杂性，特别是在拥有多线程的C++程序中，因此，本文选用pcap_next_ex()方法。使用WinPcap发送数据包首先要枚举和打开网络设备，然后调用pcap_sendpacket()函数，发送单个数据包。WinPcap还提供了发送队列的方式，但由于pcap_sendpacket()功能已足够满足需求，简单且效率高，因此本文采用pcap_sendpacket发送数据包。

IEC61850报文解析

采样值(SV)报文解析IEC61850-9标准中，采样值报文在链路层传输都是基于ISO/IEC8802-3的以太网帧结构［6-7］。解析采样值报文时，首先判断以太网类型(Ethertype)是否为0x88BA。若是，则根据AsduNum和AsduLength找出ASDU，然后解码标记(Tag)和数据类型均已知的标志符(svID，Tag=80)、SmpCnt(Tag=82)等数据段;最后将Samples中数据按8路采样值格式进行解析［8］。采样值报文的组帧是与读取Comtrade格式录波文件一样的，即按照Comtrade文件格式要求读取录波文件［9-10］，然后将其中的电流、电压数据按照IEC61850-9-2LE标准的要求进行组帧并发送出去。报文组帧过程是解析的逆过程，此处不再赘述。

GOOSE报文解析对GOOSE解包，首先判断以太网类型是否为0x88B8。如果是，则依次解析出目的MAC地址、源MAC地址和报文长度等。对于虚拟局域网部分，不同交换机的处理不同，一些交换机会去掉VLAN标志，当报文经过交换机到达计算机的网卡时，TPID与TCI标志已经由交换机去掉了;而一些交换机则会进行保留。对此，程序增加了自动识别有/无VLAN标志的功能。GOOSE解包的最关键部分就是关于APDU部分的解析。APDU的解析，主要是对于ControlBlockReference、StateNumber、SequenceNumber、Test、ConfigRevision、NeedsCommissioning、NumberDatasetEntries的解析。其中，每一部分在数据包中均是以“标记”+“后续数据长度”+“数据”的形式体现的。“标志”依次为:0×80、0×81、0×82、0×83、0×84、0×85、0×86、0×87、0×88、0×89、0×8A。在程序中设置了一个字符型的指针Data，指向APDU部分的第一个字节，依次把每一部分解析出来［11-12］。

仿真验证

在计算机A中使用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件［13］，搭建长度为100km的典型双端220kV系统模型。“故障”为故障设置模块，设置线路在0．5s发生A相金属性接地短路故障，故障持续0．1s。整个运行流程包括以下几个部分:(1)使用PSCAD/EMTDC导出Comtrade格式录波数据文件;(2)该文件由计算机A转换成符合IEC61850-9-2LE标准的报文发送到计算机B;(3)计算机B捕获该报文并进行解析，进行基波相量、序量、阻抗和功率方向等计算并显示结果;(4)根据保护动作行为计算机B中保护模拟模块，发送GOOSE报文到计算机A中;(5)计算机A捕获GOOSE报文，解析、执行并显示结果。基于IEC61850标准的继电保护仿真培训系统主界面分为菜单栏、工具栏、数据栏和状态栏4个部分。其中，数据栏包括3个部分，最上面的窗口显示捕获报文总的信息，包括编号、协议名称、源MAC地址、目的MAC地址和报文长度。点击其中任何一条报文，则会在下面的2个窗口中分别显示出该报文的原始报文内容和解析结果，其中解析结果包括报文长度、源MAC地址、目的MAC地址、以太网帧类型，以及电压、电流数据等内容。工具栏按钮作用依次为开始捕获、停止捕获和系统设置。

结语

本文研究了智能变电站中基于IEC61850标准的过程层和间隔层通信，使用WinPcap工具软件包按照数据流模拟了采样值和开关量的收发流程，可以实现智能变电站过程层和间隔层通信的全过程仿真。它为变电侧智能电网的岗位培训提供新颖而直观的技术手段，也为加强继保工作人员对于智能变电站和数字化保护装置的理解、防范数字化继电保护装置的技术错误、分析改进保护动作行为、研究继电保护新原理，以及提高事故分析水平，都具有较高使用价值和广阔应用前景。

作者：敬勇吴汉彬青志明林涛肖英伟单位：重庆市电力公司教育培训中心武汉大学电气工程学院