一種虛擬過程總線實驗系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種過程總線實驗系統(tǒng)及方法，尤其是一種以軟件方式實現(xiàn)遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)及方法。屬于電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為當(dāng)前電力系統(tǒng)自動化的重要協(xié)議之一，IEC61850協(xié)議在電力系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用，逐步成為電力智能電子設(shè)備(IED)接入電力系統(tǒng)的必備條件。
[0003]過程總線是基于IEC61850協(xié)議的新一代變電站的重要特征。合并單元和智能開關(guān)等新型電力設(shè)備就地采集數(shù)據(jù)和操作開關(guān)，以網(wǎng)絡(luò)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜形式傳遞電力系統(tǒng)信息，過程總線在整個IEC61850標(biāo)準(zhǔn)分層結(jié)構(gòu)中最接近電力一次系統(tǒng)，是整個新型變電站信息功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
[0004]當(dāng)前過程總線基于以太網(wǎng)技術(shù)，過程總線實驗系統(tǒng)，既包括了合并單元、智能開關(guān)以及各類智能電子設(shè)備等電力設(shè)備，也包括了交換機等經(jīng)典的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。涉及的設(shè)備類型眾多，設(shè)備價格昂貴，搭建過程總線實驗系統(tǒng)的成本很高，制約了過程總線實驗系統(tǒng)的發(fā)展和推廣。尤其在工程試驗、培訓(xùn)和教育等對成本敏感的領(lǐng)域，構(gòu)建一個高效靈活、低成本的過程總線實驗系統(tǒng)，具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種虛擬過程總線實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能兼容與PC機進行信息交換的合并單元、智能開關(guān)、智能電子設(shè)備等實體電力設(shè)備，又能以軟件形式生成虛擬合并單元、虛擬智能開關(guān)、虛擬智能電子設(shè)備等虛擬電力設(shè)備，并模擬該虛擬電力設(shè)備所對應(yīng)的實體電力設(shè)備的過程總線功能，并以圖形化界面直觀地呈現(xiàn)過程總線的報文流動和分析情況。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述虛擬過程總線實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
[0008]一種虛擬過程總線實驗系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過在PC機上用軟件方式實現(xiàn)過程總線及其相關(guān)設(shè)備的功能，包括網(wǎng)絡(luò)物理層、網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層、IEC61850報文數(shù)據(jù)層以及虛擬總線具體實現(xiàn)層；其中:
[0009]所述網(wǎng)絡(luò)物理層，用于實現(xiàn)PC機與實體電力自動化設(shè)備之間通信網(wǎng)絡(luò)的物理連接;
[0010]所述網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層，用于實現(xiàn)PC機與實體電力自動化設(shè)備之間的報文交換；
[0011]所述IEC61850報文數(shù)據(jù)層，用于實現(xiàn)報文格式的轉(zhuǎn)換，以及實現(xiàn)GOOSE報文不間隔發(fā)送機制；
[0012]所述虛擬總線具體實現(xiàn)層，用于與實體電力自動化設(shè)備進行交互，以及提供虛擬元器件、報文轉(zhuǎn)發(fā)與處理以及圖形化顯示與分析功能。
[0013]作為一種實施方案，所述網(wǎng)絡(luò)物理層在PC機上配備與實體電力自動化設(shè)備對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)適配器。
[0014]作為一種實施方案，所述網(wǎng)絡(luò)適配器包括CAN適配器、RS485適配器、RS422適配器和以太網(wǎng)適配器。
[0015]作為一種實施方案，所述網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層，具體如下:
[0016]用于在網(wǎng)絡(luò)物理層基礎(chǔ)上，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器對應(yīng)的驅(qū)動軟件，使得PC機與實體電力自動化設(shè)備交換網(wǎng)絡(luò)報文，實現(xiàn)信息互換。
[0017]作為一種實施方案，所述IEC61850報文數(shù)據(jù)層中實現(xiàn)報文格式的轉(zhuǎn)換，具體如下:
[0018]將進入虛擬過程總線的報文格式全部統(tǒng)一成IEC61850報文，或?qū)⑻摂M過程總線流向?qū)嶓w電力自動化設(shè)備的IEC61850報文格式轉(zhuǎn)換成該實體電力自動化設(shè)備自定義的報文格式。
[0019]作為一種實施方案，所述虛擬元器件包括虛擬電力自動化設(shè)備和虛擬交換機，所述虛擬電力自動化設(shè)備包括用戶自定義接口和系統(tǒng)內(nèi)置接口兩種實現(xiàn)方法，其中用戶自定義接口根據(jù)用戶需要編程實現(xiàn)所需的電力自動化設(shè)備功能，系統(tǒng)內(nèi)置接口是事先編好程序內(nèi)置在系統(tǒng)中的一些常規(guī)電力自動化設(shè)備功能，用戶根據(jù)自身需要選擇不同的功能的電力自動化設(shè)備直接進行調(diào)用；所述虛擬交換機用于模擬網(wǎng)絡(luò)交換機，對于運行在虛擬總線具體實現(xiàn)層中的各種實體電力自動化設(shè)備和虛擬電力自動化設(shè)備，能實時地進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0020]本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
[0021 ] 一種虛擬過程總線實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，所述方法包括:
[0022]通過網(wǎng)絡(luò)物理層實現(xiàn)PC機與實體電力自動化設(shè)備之間通信網(wǎng)絡(luò)的物理連接；
[0023]通過網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層實現(xiàn)PC機與實體電力自動化設(shè)備之間的報文交換；
[0024]通過IEC61850報文數(shù)據(jù)層實現(xiàn)報文格式的轉(zhuǎn)換以及實現(xiàn)GOOSE報文不間隔發(fā)送機制；
[0025]通過虛擬總線具體實現(xiàn)層與實體電力自動化設(shè)備進行交互，以及提供虛擬元器件、報文轉(zhuǎn)發(fā)與處理以及圖形化顯示與分析功能。
[0026]作為一種實施方案，所述通過IEC61850報文數(shù)據(jù)層實現(xiàn)報文格式的轉(zhuǎn)換以及實現(xiàn)GOOSE報文不間隔發(fā)送機制是IEC61850報文數(shù)據(jù)層以接收到報文為觸發(fā)事件，分別對上行報文和下行報文進行對應(yīng)的處理；
[0027]對于上行報文，即實體電力自動化設(shè)備發(fā)到虛擬過程總線的報文，具體處理如下:
[0028]a)若該報文為IEC61850報文，進入步驟c);否則，將該報文轉(zhuǎn)換成IEC61850報文，進入步驟b);
[0029]b)若轉(zhuǎn)換后的報文為GOOSE報文，則觸發(fā)GOOSE “心跳”報文發(fā)送機制，進入步驟C)，否則，直接進入步驟c);
[0030]c)該報文進入虛擬總線具體實現(xiàn)層；
[0031]對于下行報文，即經(jīng)虛擬過程總線流向?qū)嶓w電力自動化設(shè)備的報文，具體處理如下:
[0032]a)若報文接收設(shè)備遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，進入步驟d);否則，進入步驟b);
[0033]b)若該報文為GOOSE報文，則進入步驟c);否則，將該報文轉(zhuǎn)換成接收設(shè)備自定義報文，進入步驟d);
[0034]c)若該報文為GOOSE同一系列的第一個報文，將該報文轉(zhuǎn)換成接收設(shè)備自定義報文，進入步驟d);否則，直接丟棄該報文；
[0035]d)該報文進入網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層。
[0036]作為一種實施方案，所述通過虛擬總線具體實現(xiàn)層對報文轉(zhuǎn)發(fā)與處理，具體如下:
[0037]a)報文進入虛擬過程總線；
[0038]b)將該報文存儲到虛擬過程總線報文存儲器；
[0039]c)根據(jù)進入虛擬過程總線的報文目的地址，判斷報文的接收方，若接收方包含虛擬電力自動化設(shè)備，調(diào)用該虛擬電力自動化設(shè)備的報文處理程序，進入步驟d);否則，直接進入步驟d);
[0040]d)若接收方包含實體電力自動化設(shè)備，該報文進入IEC61850報文數(shù)據(jù)層，進入步驟e)，否則，直接進入步驟e);
[0041]e)對該報文進行圖形化顯示與分析。
[0042]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果:
[0043]1、本發(fā)明成本低:以軟件方式實現(xiàn)過程總線實驗系統(tǒng)，無需網(wǎng)絡(luò)交換機等硬件成本和實際以太網(wǎng)布線等建設(shè)成本。
[0044]2本發(fā)明實現(xiàn)靈活度高:在虛擬過程總線基礎(chǔ)上靈活擴展其他功能設(shè)備，可通過軟件編程實現(xiàn)智能電子設(shè)備、合并單元和智能開關(guān)等各種電力設(shè)備的功能。
[0045]3、本發(fā)明具有良好的適應(yīng)性和兼容性:遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力自動化設(shè)備經(jīng)以太網(wǎng)接口，直接與虛擬過程總線進行報文交換；不遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力自動化設(shè)備通過對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)適配器接入到虛擬過程總線所在的PC機，將自定義的報文與IEC61850報文轉(zhuǎn)換后，實現(xiàn)虛擬過程總線與電力自動化設(shè)備的信息交互。
[0046]4、本發(fā)明可以在PC上直觀、生動地展示過程總線的報文流動情況，避免需要額外的過程總線報文記錄儀等設(shè)備進行報文捕捉、記錄和顯示。
【附圖說明】
[0047]圖1為本發(fā)明實施例1的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0048]圖2為本發(fā)明實施例1的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)中IEC61850報文數(shù)據(jù)層對上行報文的處理流程圖。
[0049]圖3為本發(fā)明實施例1的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)中IEC61850報文數(shù)據(jù)層對下行報文的處理流程圖。
[0050]圖4為本發(fā)明實施例1的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)中虛擬總線具體實現(xiàn)層的報文轉(zhuǎn)發(fā)與處理流程圖。
[0051]圖5為本發(fā)明實施例1的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)中虛擬總線具體實現(xiàn)層的圖形化顯示圖。
【具體實施方式】
[0052]實施例1:
[0053]虛擬過程總線功能主要包括:1)總線上報文的實現(xiàn)機制與圖形化顯示；2)連接到該總線的電力自動化設(shè)備的信息交互，電力自動化設(shè)備既可以是實體電力自動化設(shè)備，也可以是軟件編程實現(xiàn)的虛擬電力自動化設(shè)備，而實體電力自動化設(shè)備，又包含遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備和不遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)設(shè)備。
[0054]本實施例的虛擬過程總線實驗系統(tǒng)，在PC機上實現(xiàn)，并借鑒當(dāng)前計算機系統(tǒng)的軟件體系，充分利用第三方軟件以減少編程難度和工作量，采用模塊化的分層的設(shè)計思路實現(xiàn)過程總線及其相關(guān)設(shè)備的功能，如圖1所示，包括網(wǎng)絡(luò)物理層、網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層、IEC61850報文數(shù)據(jù)層以及虛擬總線具體實現(xiàn)層；根據(jù)實驗系統(tǒng)需要，靈活采用上述所需的功能層，當(dāng)有實體電力自動化設(shè)備接入虛擬總線系統(tǒng)時，需要用到網(wǎng)絡(luò)物理層和網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層；如果所接入的實體電力自動化設(shè)備不遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)時，需IEC61850報文數(shù)據(jù)層進行報文轉(zhuǎn)換，當(dāng)整個實驗系統(tǒng)只采用虛擬電力自動化設(shè)備時，則可忽略網(wǎng)絡(luò)物理層、網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層和IEC61850報文數(shù)據(jù)層這三個功能層，直接采用虛擬總線具體實現(xiàn)層。
[0055]所述網(wǎng)絡(luò)物理層，用于實現(xiàn)PC機與實體電力自動化設(shè)備之間通信網(wǎng)絡(luò)的物理連接；由于當(dāng)前電力自動化設(shè)備存在CAN/RS485/RS422/以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)類型，為了兼容不同的網(wǎng)絡(luò)接口，使各種電力自動化設(shè)備能接入到虛擬總線系統(tǒng)，在PC機上配備對應(yīng)與實體電力自動化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)適配器(如CAN適配器、RS485適配器、RS422適配器、以太網(wǎng)適配器等)，利用PC機豐富的網(wǎng)絡(luò)接口擴展功能實現(xiàn)對不同電力自動化設(shè)備硬件上的兼容。
[0056]所述網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動層，用于實現(xiàn)PC機與實體電力自動化設(shè)備之間的報文交換；在網(wǎng)絡(luò)物理層基礎(chǔ)上，實現(xiàn)該通信網(wǎng)絡(luò)接口對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動軟件，使得PC機與電力自動化設(shè)備交換網(wǎng)絡(luò)報文，實現(xiàn)信息互換。
[0057]所述IEC61850報文數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)電力自動化設(shè)備中非IEC61850報文；IEC61850報文數(shù)據(jù)層具有良好兼容性，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力自動化設(shè)備繞過該層，報文通過以太網(wǎng)口直接接入虛擬過程總線；不遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的電力自動化設(shè)備，經(jīng)IEC61850報文數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)換后生成遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的報文后，接入到虛擬過程總線。
[0058]從上述IEC61850報文數(shù)據(jù)層的內(nèi)容可以看出，該層主要完成的功能有兩個:一個是實現(xiàn)報文格式的轉(zhuǎn)換，即將進入虛擬過程總線的報文格式全部統(tǒng)一成I