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【摘 要】本文提出了一种IEC61850通讯规约下的继电保护装置的仿真方式，通过可视化系统通用配置器VisualSCD，模拟了变电站中的继电保护装置，其具有架构性能清晰、可扩展性优良和方便使用等优点。本文在介绍研究了与系统配置器相关的技术的基础上，分析总结了相关仿真方式的优缺点，并介绍了仿真模拟方式对人员培训和学习的重要意义。
【关键词】电力系统；IEC61850；继电保护；VisualSCD；仿真分析
随着多媒体技术的进步、电子通讯功能的不断增加，电力系统继电保护装置已经发生了新的变化，从原来的机电式保护装置发展到目前的微机机电保护装置。由于微机的引用，继电保护在很多方面都有新的突破，一方面是在故障分析方面，另一方面就是运用自适应理论使自适应微机保护也有新的提高。与此同时，由于多媒体网络的覆盖面增加及专业技术的不断更新，变电站及电厂的集成控制及自动化实施起来将更为简单。不久的将来，微机保护将有新的发展，它将变得更加可靠、更加简单、用起来更加普遍、更加灵活、自动化水平更高、智能效果更为显著，将来它还能实现与电子式互感器、光学互感器的接合，进一步利用多媒体的优点如计算速度快、数据处理能力强、信息传播速度快等，运用各种原理设计出功能更优的微机保护设施从而更好的为电力系统服务。
1 概述
IEC61850指的是人们认定的交流准则，有标准的对设备进行规范，形成统一的输出与输入方式从而实现系统的整体连接。
IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它是由国际电工委员会第57技术委员会（IECTC57）的 3个工作组10，11，12（WG10/11/12）负责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要有：IEC870-5-101远动通信协议标准；IEC870-5-103继电保信息标准；UCA2.0（Utility Communication Architec ture2.0）；ISO/IEC9506制造商信息规范MMS（Manufacturing Message Specification）。变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备（IED，测控单元和继电保护）均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。
2 IEC61850继电保护装置的系统配置器
IEC61850作为变电站智能电子设备的配置规定了变电站配置描述语言（SCL）。SCL 文件用于在可能来自不同制造商的不同工具间交换配置数据，包括智能电子设备能力描述文件（ICD）、系统说明文件（SSD）、智能电子设备配置描述文件（CID）、变电站配置描述文件（SCD）。
XML由W3C组织发布，可弥补HTML的不足，后来逐渐成为业界一种通用的结构化的数据文件格式。XML技术发展很快，已经发展成为没有版权限制、独立于操作系统及有足够良好支援的技术平台。
由于SCL是XML格式，为了避免用户对XML复杂语法的依赖，各厂家都会开发系统配置器。传统的系统配置器实现包括如下模块：
（1）XML解析分为DOM解析和SAX/SAX2解析。由于SCL模型是分层的树状模型，因此一般都采用DOM解析。在一些工具中，还采用XML/Schema技术对SCL做一些语法校验工作。XML/Schema技术的潜力还远没有挖掘出来。对于语义校验的工作也都没有开展。
（2）在系统配置器的内存中一般都有一棵SCL树，这棵树节点的语法内容根据IEC61850-6的语法定义在程序中手工加入，即为程序中每个SCL节点类固定添加相应的语法属性，即为SCL树编辑模块。这种方式我们称为静态语法模型。静态语法模型的缺点非常明显：结构僵化。标准改变后，程序必须做相应的修改，否则就与标准不一致。ASE Visual SCL也采用了静态语法模型，所以细心的用户会发现它的模型与最新的IEC61850模型不一致。
（3）针对每个SCL节点，都有一些属性需要编辑，即为节点属性编辑模块。对这些属性的编辑是配置工作的重要部分。属性编辑的界面形式一般采用表格，最简单的方式是直接输入，更高级的是通过拖拽辅助编辑。ASE Visual SCL还部分采用图形操作来辅助编辑，这种方式最直观易用，是以后发展的趋势。还有一些属性不方便用图形来编辑，并且与其它节点有对应语义联系，这方面的方便性编辑方式还没有充分考虑。
（4）系统编辑器的一个重要功能是能导入各种SCL文件，也能将配置好的SCL文件导出。导入模块负责调用解析模块，SCL文档导入导出模块将SCL文件节点信息插入到SCL树上。导出模块负责调用解析模块，将SCL树上一个或者多个节点保存为XML格式的SCL文件。技术水平较高的系统配置器在导入文件时会先进行语法校验，如果有错误，能提示出来。校验的精度和提示的友好性都还有待进一步提高。语义校验这一块还极少有人涉及。在中文环境下导入SCL文件还有一个字符编码的问题，有的用utf8编码，有的用GB2312编码，或者GB18030编码，这一块也缺少应有的关注。国外的系统编辑器（如ASE VisualSCL）没有这方面的需要，因此也基本上没有处理字符编码的问题。
3 IEC61850微继电保护软件系统
3.1 ARM软件架构
ARM软件主要是由采用以太网通信驱动程序、Linux嵌入式操作系统及应用程序三部分构成。应用程序的IEC61850通讯协议是采用制造范文规范（MMS）。
由于IEC61850继电保护装置树立的对象及产生的服务，整个IED都将其转换为制造范文规范中的对象与服务，如文字的书写、拼读、概念与建立和文件布置等。 该设备连接了以太网通信标准与制造范文规范，选择了IEC61850的应用描述，使得变电站自动化系统成为开放式系统，各种硬件之间不再受通信规约限制。
ARM通信协议体系模型如图1所示：
图1 ARM通信协议体系模型
3.2 DSP软件构成
在引导装载体统中，DSP的功能非常重要，它比单片机多了乘法器等硬件资源，在硬件初始化后，进行采集样本然后进行计算，评比测量、有效分析、开关量输出等步骤后，可完成数据采集、逻辑运算并对数据进行记载等功能。
DSP保护程序设计流程图如图2所示。
TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页，每页128字。设置一个数据页指针DP（Data Pointer），用9-bit指向一个数据页，再加上一个7-bit的页内偏移地址，形成16-bit的数据地址。这样有利于大大加快寻址速度。
程序启动时应先写入采集样本时间，0.02秒为50赫兹，接着测量频率，从而看出频率的变动情况。运用相电流差突变量对选项元件进行启动，通过不间断采集样本，需在33点以上才能发出保护信号。具体的点要根据具体的要求来定，具体情况具体分析。
图2 DSP保护程序设计流程图
4 继电保护装置仿真
4.1 仿真方式
主要的继电保护装置仿真方式有VisualSCD与ASE VisualSCL。其中如图3所示，VisualSCD的内部结构主要是在于SCL模型树。从上至下可以看到SCL导入导出模块、SCL效验模块、XML解析模块、节点树属性表编辑模块、图形编辑模块、SCL语法树及SVG模块等。
图3 VisualSCD内部结构
受XML Schema技术的影响，专家学者共同研究出了从处于该技术中语义模型延伸至程序中的SCL语法模型的自动映射算法，启动程序后，可将数据输入设备内，通过映射，将能够建立SCL分层语法树。输入数据时要将八个文件一同映射上去。对该文档进行操作时，简单的从语法树上选择节点就可通过该节点得到相对应的语法意思。
与ASE Visual SCL类似，可实现厂站与IED建立相应的图形视图。在厂站视图中，可以删除或重新添加链接，删除或添加都是通过画图进行操作，同时，建立设备间链接可直接连线。在图示中，能够对设备连接情况一目了然，不仅观察到设备间的关系，还可以通过连线建立其他操作。这种图标操作的方法简单、直观，有利于工具的使用，为之后的发展提供了导向。
图4 VisualSCD主界面
从图中可以看出，这是一张简单的厂站单线示意图，这是提前设置好的，同时后台也需要这样设置好的单线图。这张图形在矢量图形SVG的帮助下，能够清晰的显示出SVG图形，从而后台使用时可直接提取。变电站自动化系统复杂多变，这只是其中的一部分。
4.2 VisualSCD与ASE VisualSCL对比
（1）可视化图形编辑
两个配置器都支持，VisualSCD的图形编辑上还做了一些改进，比如支持IED视图上的图形编辑，而ASE VisualSCL只支持厂站视图的可视化编辑。在后续开发中，我们还考虑加入通信视图的可视化编辑。
（2）语法模型
ASE VisualSCL是静态语法模型，VisualSCD是动态语法模型。也就是说，如果要支持最新的标准，前者需要修改程序，而后者只需要换掉标准的XSD文件。
（3）SVG支持
VisualSCD支持SVG矢量图形导出，ASE VisualSCL不支持。
（4）向导式编辑
ASE VisualSCL支持向导式的编辑，VisualSCD还不支持。这和国内外用户的编辑习惯有关，国内用户对向导编辑的要求不高。
5 总结
数字化变电站中继电保护装置系统所接收的电气量和发送的跳合闸指令都是在网络上的数字信息，这给传统的模拟式继电保护测试设备和测试系统增加了不小的麻烦。而数字仿真软件处理的恰恰都是数字信号，因而只需要增加合适的网络通信功能，就可以完成继电保护测试任务。文章提出了一种IEC61850通讯规约下的继电保护装置的仿真方式，通过可视化系统通用配置器VisualSCD，模拟了变电站中的继电保护装置，其具有架构性能清晰、可扩展性优良和方便使用等优点。本文在介绍研究了与系统配置器相关的技术的基础上，分析总结了相关仿真方式的优缺点，并介绍了仿真模拟方式对人员培训和学习的重要意义。这种设备即将投入生产。
参考文献：
[1]范建忠.等.基于IEC61850标准的变电站监控系统数据建模.电力系统自动化[J].2006（5）.
[2]李蓓.等.基于关系模型映射的IEC 61850SCL配置器建模.电网技术.2006（10）.
【关键词】电力系统；IEC61850；继电保护；VisualSCD；仿真分析
随着多媒体技术的进步、电子通讯功能的不断增加，电力系统继电保护装置已经发生了新的变化，从原来的机电式保护装置发展到目前的微机机电保护装置。由于微机的引用，继电保护在很多方面都有新的突破，一方面是在故障分析方面，另一方面就是运用自适应理论使自适应微机保护也有新的提高。与此同时，由于多媒体网络的覆盖面增加及专业技术的不断更新，变电站及电厂的集成控制及自动化实施起来将更为简单。不久的将来，微机保护将有新的发展，它将变得更加可靠、更加简单、用起来更加普遍、更加灵活、自动化水平更高、智能效果更为显著，将来它还能实现与电子式互感器、光学互感器的接合，进一步利用多媒体的优点如计算速度快、数据处理能力强、信息传播速度快等，运用各种原理设计出功能更优的微机保护设施从而更好的为电力系统服务。
1 概述
IEC61850指的是人们认定的交流准则，有标准的对设备进行规范，形成统一的输出与输入方式从而实现系统的整体连接。
IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它是由国际电工委员会第57技术委员会（IECTC57）的 3个工作组10，11，12（WG10/11/12）负责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要有：IEC870-5-101远动通信协议标准；IEC870-5-103继电保信息标准；UCA2.0（Utility Communication Architec ture2.0）；ISO/IEC9506制造商信息规范MMS（Manufacturing Message Specification）。变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备（IED，测控单元和继电保护）均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。
2 IEC61850继电保护装置的系统配置器
IEC61850作为变电站智能电子设备的配置规定了变电站配置描述语言（SCL）。SCL 文件用于在可能来自不同制造商的不同工具间交换配置数据，包括智能电子设备能力描述文件（ICD）、系统说明文件（SSD）、智能电子设备配置描述文件（CID）、变电站配置描述文件（SCD）。
XML由W3C组织发布，可弥补HTML的不足，后来逐渐成为业界一种通用的结构化的数据文件格式。XML技术发展很快，已经发展成为没有版权限制、独立于操作系统及有足够良好支援的技术平台。
由于SCL是XML格式，为了避免用户对XML复杂语法的依赖，各厂家都会开发系统配置器。传统的系统配置器实现包括如下模块：
（1）XML解析分为DOM解析和SAX/SAX2解析。由于SCL模型是分层的树状模型，因此一般都采用DOM解析。在一些工具中，还采用XML/Schema技术对SCL做一些语法校验工作。XML/Schema技术的潜力还远没有挖掘出来。对于语义校验的工作也都没有开展。
（2）在系统配置器的内存中一般都有一棵SCL树，这棵树节点的语法内容根据IEC61850-6的语法定义在程序中手工加入，即为程序中每个SCL节点类固定添加相应的语法属性，即为SCL树编辑模块。这种方式我们称为静态语法模型。静态语法模型的缺点非常明显：结构僵化。标准改变后，程序必须做相应的修改，否则就与标准不一致。ASE Visual SCL也采用了静态语法模型，所以细心的用户会发现它的模型与最新的IEC61850模型不一致。
（3）针对每个SCL节点，都有一些属性需要编辑，即为节点属性编辑模块。对这些属性的编辑是配置工作的重要部分。属性编辑的界面形式一般采用表格，最简单的方式是直接输入，更高级的是通过拖拽辅助编辑。ASE Visual SCL还部分采用图形操作来辅助编辑，这种方式最直观易用，是以后发展的趋势。还有一些属性不方便用图形来编辑，并且与其它节点有对应语义联系，这方面的方便性编辑方式还没有充分考虑。
（4）系统编辑器的一个重要功能是能导入各种SCL文件，也能将配置好的SCL文件导出。导入模块负责调用解析模块，SCL文档导入导出模块将SCL文件节点信息插入到SCL树上。导出模块负责调用解析模块，将SCL树上一个或者多个节点保存为XML格式的SCL文件。技术水平较高的系统配置器在导入文件时会先进行语法校验，如果有错误，能提示出来。校验的精度和提示的友好性都还有待进一步提高。语义校验这一块还极少有人涉及。在中文环境下导入SCL文件还有一个字符编码的问题，有的用utf8编码，有的用GB2312编码，或者GB18030编码，这一块也缺少应有的关注。国外的系统编辑器（如ASE VisualSCL）没有这方面的需要，因此也基本上没有处理字符编码的问题。
3 IEC61850微继电保护软件系统
3.1 ARM软件架构
ARM软件主要是由采用以太网通信驱动程序、Linux嵌入式操作系统及应用程序三部分构成。应用程序的IEC61850通讯协议是采用制造范文规范（MMS）。
由于IEC61850继电保护装置树立的对象及产生的服务，整个IED都将其转换为制造范文规范中的对象与服务，如文字的书写、拼读、概念与建立和文件布置等。 该设备连接了以太网通信标准与制造范文规范，选择了IEC61850的应用描述，使得变电站自动化系统成为开放式系统，各种硬件之间不再受通信规约限制。
ARM通信协议体系模型如图1所示：
图1 ARM通信协议体系模型
3.2 DSP软件构成
在引导装载体统中，DSP的功能非常重要，它比单片机多了乘法器等硬件资源，在硬件初始化后，进行采集样本然后进行计算，评比测量、有效分析、开关量输出等步骤后，可完成数据采集、逻辑运算并对数据进行记载等功能。
DSP保护程序设计流程图如图2所示。
TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页，每页128字。设置一个数据页指针DP（Data Pointer），用9-bit指向一个数据页，再加上一个7-bit的页内偏移地址，形成16-bit的数据地址。这样有利于大大加快寻址速度。
程序启动时应先写入采集样本时间，0.02秒为50赫兹，接着测量频率，从而看出频率的变动情况。运用相电流差突变量对选项元件进行启动，通过不间断采集样本，需在33点以上才能发出保护信号。具体的点要根据具体的要求来定，具体情况具体分析。
图2 DSP保护程序设计流程图
4 继电保护装置仿真
4.1 仿真方式
主要的继电保护装置仿真方式有VisualSCD与ASE VisualSCL。其中如图3所示，VisualSCD的内部结构主要是在于SCL模型树。从上至下可以看到SCL导入导出模块、SCL效验模块、XML解析模块、节点树属性表编辑模块、图形编辑模块、SCL语法树及SVG模块等。
图3 VisualSCD内部结构
受XML Schema技术的影响，专家学者共同研究出了从处于该技术中语义模型延伸至程序中的SCL语法模型的自动映射算法，启动程序后，可将数据输入设备内，通过映射，将能够建立SCL分层语法树。输入数据时要将八个文件一同映射上去。对该文档进行操作时，简单的从语法树上选择节点就可通过该节点得到相对应的语法意思。
与ASE Visual SCL类似，可实现厂站与IED建立相应的图形视图。在厂站视图中，可以删除或重新添加链接，删除或添加都是通过画图进行操作，同时，建立设备间链接可直接连线。在图示中，能够对设备连接情况一目了然，不仅观察到设备间的关系，还可以通过连线建立其他操作。这种图标操作的方法简单、直观，有利于工具的使用，为之后的发展提供了导向。
图4 VisualSCD主界面
从图中可以看出，这是一张简单的厂站单线示意图，这是提前设置好的，同时后台也需要这样设置好的单线图。这张图形在矢量图形SVG的帮助下，能够清晰的显示出SVG图形，从而后台使用时可直接提取。变电站自动化系统复杂多变，这只是其中的一部分。
4.2 VisualSCD与ASE VisualSCL对比
（1）可视化图形编辑
两个配置器都支持，VisualSCD的图形编辑上还做了一些改进，比如支持IED视图上的图形编辑，而ASE VisualSCL只支持厂站视图的可视化编辑。在后续开发中，我们还考虑加入通信视图的可视化编辑。
（2）语法模型
ASE VisualSCL是静态语法模型，VisualSCD是动态语法模型。也就是说，如果要支持最新的标准，前者需要修改程序，而后者只需要换掉标准的XSD文件。
（3）SVG支持
VisualSCD支持SVG矢量图形导出，ASE VisualSCL不支持。
（4）向导式编辑
ASE VisualSCL支持向导式的编辑，VisualSCD还不支持。这和国内外用户的编辑习惯有关，国内用户对向导编辑的要求不高。
5 总结
数字化变电站中继电保护装置系统所接收的电气量和发送的跳合闸指令都是在网络上的数字信息，这给传统的模拟式继电保护测试设备和测试系统增加了不小的麻烦。而数字仿真软件处理的恰恰都是数字信号，因而只需要增加合适的网络通信功能，就可以完成继电保护测试任务。文章提出了一种IEC61850通讯规约下的继电保护装置的仿真方式，通过可视化系统通用配置器VisualSCD，模拟了变电站中的继电保护装置，其具有架构性能清晰、可扩展性优良和方便使用等优点。本文在介绍研究了与系统配置器相关的技术的基础上，分析总结了相关仿真方式的优缺点，并介绍了仿真模拟方式对人员培训和学习的重要意义。这种设备即将投入生产。
参考文献：
[1]范建忠.等.基于IEC61850标准的变电站监控系统数据建模.电力系统自动化[J].2006（5）.
[2]李蓓.等.基于关系模型映射的IEC 61850SCL配置器建模.电网技术.2006（10）.