SoftwareX 6（2017）209原始软件出版物BabelFish-符合IEEE C37.118.2标准的实时同步相量数据调解工具M.S. 阿尔马斯湖Vanfrettia，b，M.博德特aa瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院SmarTS实验室b挪威奥斯陆Statnett SF研究与发展司ar t i cl e i nf o文章历史记录：2016年6月22日收到2017年6月29日收到修订版，2017年保留字：IEEE标准C37.118.2-2011LabVIEW相量测量单元相量数据集中器标准实施同步相量WAMSWACSWAPSWAMPACa b st ra ctBabelFish（BF）是一个实时数据中介器，用于同步相量应用的开发和快速原型设计。BF符合IEEE StdC37.118.2-2011的同步相量数据传输。BF与任何相量测量单元（PMU）或相量数据集中器（PDC）流建立TCP/IP连接，并实时解析IEEE Std C37.118.2-2011帧，以提供对LabVIEW环境中原始数值数据的此外，BF允许用户选择“感兴趣的数据”在电力系统 广域监测保护和控 制（WAMPAC）领域 ，BF提供了第一 个免费/自由和开源 软件（FLOSS），为用户提供工具，用于在他们选择的环境中快速原型化处理PMU测量的新应用程序，从而使他们摆脱耗时的同步相量数据处理，并允许他们以模块化方式开发应用程序，而不需要大型单片同步相量软件环境。©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.1.0永久链接到代码/存储库使用此代码版本https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00050法律代码许可证GPL v3使用GIT的代码版本控制系统BabelFish V1使用的软件代码语言、工具和服务：C++、Active X、LabVIEWBFE：LabVIEW编译要求，操作环境BabelFish V1：Visual Studio 2010 Ultimate Edition&BFE：LabVIEW 2013或更新版本如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/SmarTS-Lab-Parapluie/BabelFish/tree/master/BabelFish%20V1/Documentation问题支持电子邮件msalmas@kth.se1. 介绍来自相量测量单元（PMU）的同步相量测量目前被用于部署各种广域监测、保护和控制（WAMPAC）应用[1，2]。PMU提供符合IEEE Std C37.118.1-2011要求的高分辨率、时间同步电压相量、电流相量和频率测量[3]。PMU输出这些* 通讯作者。电子邮件地址：msalmas@kth.se（M.S. Almas），luigiv@kth.se，luigi. statnett.no（L. Vanfretti），baudette@kth.se（M. Baudette）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.08.002通过使用IEEE Std C37.118.2-2011定义的同步相量数据传输格式进行同步相量测量[4]。1.1. 动机由IEEE Std C37.118.2-2011 [4]管理的同步相量数据传输协议是应 用 级 协 议 [5] 。 同 步 相 量 测 量 值 一 旦 被 封 装 为 IEEE 标 准C37.118.2-2011帧[4]并使用传输控制协议（TCP）/IP [6]传输，则在接收端显示为数据字节。为了将这些字节的数据转换为有用的和可计算的信息，需要IEEE Std C37.118.2-2011协议解析器2352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx210M.S. Almas等人/SoftwareX 6（2017）209目前，同步相量测量可在PDC软件中内部使用，PDC软件可能具有内置处理工具适配器或扩展功能。例如，OpenPDC [7]允许开发利用PMU数据的新算法，但需要高度熟练的编程（.Net、Java、C++）[8]和目标受众（电力系统工程师，尤其是硕士水平的学生）不具备的开发技能本文中介绍的同步相量数据中介器名为BabelFish Engine（BFE），是一个完全在LabVIEW环境中开发的实时IEEE Std C37.118.2- 2011协议解析器 [9]。BFE是BabelFish（BF）工具的一部分，由KTH皇家理工学院的SmarTS-Lab [10]内部开发BabelFish Engine（BFE）将PMU测量引入LabVIEW，LabVIEW提供了一个非常用户友好的开发界面，使没有强大编程和软件开发背景的研究人员/工程师BFE将同步相量应用程序开发人员从繁琐的通信中协议数据处理过程。1.2. BabelFish（BF）工具BF 有 两 个 版 本 。 第 一 个 版 本 命 名 为 BabelFish version 1（BFv1）[11]，用C++实现低级协议和数据处理，而Active X通过LabVIEW环境提供C++例程和用户之间的因此，它的使用仅限于可以支持Active X的操作系统（OS）。第二个版本名为BabelFishEngine（BFE），旨在解决这一限制，同时使其适用于NationalInstruments嵌入式控制平台，主要是NI-cRIO [12]。1.3. BabelFish Engine（BFE）重要性BFE只需要最少的配置即可访问实时同步相量数据。用户只需提供PMU或相量数据集中器（PDC）[13]流的IP地址，端口号和设备ID，即可建立连接并启动实时IEEE Std C37.118.2-2011协议解析。BFE打开PMU/PDC流，并提供对流中可用的原始相量、模拟量、数字量、频率和频率变化率（ROCOF）测量的访问。BFE还提供其他信息，例如PMU/PDC流的数据速率、标称频率、相量类型和相量/模拟/频率数据格式此外，BFE便于监控PMU/PDC流的重要状态，例如IEEE标准C37.118.2-2011中规定的“PMU时间质量”、“解锁时间”BFE还允许用户制作PMU/PDC流中所有可用相量测量的极坐标图。除了实时数据调解，BFE允许用户从整体解析的同步相量测量中选择特定的“感兴趣的数据”，此外，BFE便于将该“感兴趣的数据”发送在这种情况下，最终用户只需要一个UDP客户端应用程序，可以独立于平台，操作系统（OS）和计算机编程语言，以接收此“数据的兴趣”1 请读者/用户参考与本手稿一起提交的补充材料（见附录A），以获取有关BFE显示Fig. 1. BFE和PMU/PDC之间的消息交换，用于实时IEEE Std C37.118.2-2011解析。2. 软件描述BFE可以连接到符合IEEE Std C37.118.2-2011 [4]的流数据的任何PMU或PDC。 BFE允许用户配置三个简单的参数，即PMU/PDC流的IP地址、端口号和设备ID，以建立TCP/IP连接。如图1所示，在成功建立TCP/IP连接时，BFE与PMU/PDC交换不同的消息，如IEEEStd C37.118.2-2011中所规定的：打开/关闭数据传输或请求配置帧。从BFE发送到PMU/PDC的唯一消息是命令消息。使用从PMU/PDC接收的配置2帧[4]中提取的数据， BFE用元数据填充其GUI在此阶段，BFE还使用与流中可用的每个PMU的时间同步、时间精度和配置更改状态相关的信息填充其GUI。然后，用户可以通过GUI的“Real-Time ON” 选 项 打 开 PMU/PDC 这 导 致 对 传 入 IEEE StdC37.118.2- 2011数据帧的实时解析，并通过GUI中配置的不同指示器显示解析后的信息。相量测量使用直角坐标和极坐标中的数值显示。此外，BFE还提供制作PMU/PDC流中所有可用相量测量的极坐标图的功能，以向用户提供电力系统的整体视图。数字以LED的形式呈现，LED根据接收到的数字值打开2.1. 软件构架BabelFish存储库包括KTH SmarTS-Lab开发的所有相关软件，以支持两个版本的M.S. Almas等人/SoftwareX 6（2017）209211图二. BabelFish存储库和软件模块的结构。图三. CMD VI代码片段。实 时数 据中 介（ 见 图2 ） ： （ i ） BabelFish V1 ， 使 用C++ 和LabVIEW开发;（ii）BFE，这是一个LabVIEW项目。BabelFishV1在[11]和在线（可在存储库https://github.com/SmarTS-Lab-Parapluie/BabelFish中获得）中记录。在本文中，BFE进行了更详细的描述BFE完全在LabVIEW中实现，LabVIEW是National Instruments的可视化编程语言[9]。之所以选择LabVIEW，是因为它能够轻松创建图形用户界面（GUI），便于与其他编程语言（例如Python和MATLAB ） 顺 利 集 成 ， 并 且 可 以 编 译 LabVIEW 程 序 ， 以 便 在National Instruments嵌入式平台（即NI-cRIO [12]）中使用。此外，LabVIEW还提供了许多工具包，用于高级分析、硬件集成、数据记录和报告生成.BFE是作为LabVIEW项目开发的，具有不同的功能，组织在LabVIEW中称为虚拟仪器（VI）的小代码模块中[14]。BabelFish存储库的结构如图所示。 二、下一节将简要介绍BFE的相关VI及其功能2.2. 软件功能如图2所示，BFE由不同的VI组成，这些VI在通信和解析PMU/PDC流时执行特定任务。下面讨论这些VI的描述和BFE的总体功能1CMD VI：该VI生成IEEE Std C37.118.2-2011 [4]规定的不同命令消息。当用户配置要解析的PMU/PDC流的IP地址、端口号和设备ID时，CMD VI是在成功的TCP/IP连接后第一个执行的。该VI向PMU/PDC发送命令帧以打开或关闭数据传输，请求配置-2帧等，如标准中所述。CMD VI的代码片段如图3所示，其功能在图中进行了简要说明。2PMU_CFG-2_PACK：如果同步相量流由多个PMU组成，则此VI检索每个配置-与流中可用的每个PMU相关联的2个分组。BFE通过解析“CFG-2”帧的“FORMAT”字段自动处理输入的同步相量数据格式。3联系我们该VI解析每个Configuration-2数据包，以显示同步相量流中可用PMU的时间戳、帧大小、数据速率、ID代码和时基。4PMUsElements：此VI检索不同PMU的名称及其相应的相量、模拟量和数字量，如在传入的同步相量流中配置的5PMU_Data_Pack：当用户通过GUI启用 PMU/PDC的数据传输时，此VI将对传入的IEEE Std C37.118.2-2011数据帧执行实时解析。来自配置-2帧的信息用于识别相量、模拟量和频率测量的数量和数据类型。该VI的整体功能如图4所示。在BFE内部，所有数据都以“字符串”数据类型的形式处理6DataChosen：这个VI允许用户选择7PDC：通过PDC VI访问BFE的GUI8UDP API：在LabVIEW中开发的UDP客户端应用程序一旦选择了2.3. 软件测试作为测试BFE的第一步，网络工具分析器212M.S. Almas等人/SoftwareX 6（2017）209图四、通 过 P M U _ D a t a _ P a c k V I 进 行 实时IEEE Std C37.118.2-2011数据帧解析。图五. BFE（左）和PMU连接测试仪（右）显示的一分钟内的频率测量。(as如图1所示）。分析了Wireshark捕获并解码的BFE和PMU/PDC之间交换的网络数据包，以验证交换的消息符合IEEE Std C37.118.2-2011。为了验证BFE正确解析IEEE标准C37.118.2-2011框架，是同步相量技术中事实上的标准测试工具，被利用。为此，配置两个相同的输出同步相量流，即“PDC 1”和“PDC 2”，并在同一工作站中接收。一个流“PDC1”使用BFE接收，而另一个流“PDC2 "使用PMU连接测试器接收。比较了BFE和PMU Connection Tester解析的配置帧“CFG-2”的重要字段2如图5所示，BFE和PMU连接测试仪显示了PDC 1和PDC 2中相同PMU的频率测量值。值得注意的是，BFE和PMU连接测试仪之间的一小时时间差（x轴）是因为BFE1 请读者/用户参考与本手稿一起提交的补充材料（附录A），以获取有关“BFE软件测试和验证”的完整文档使用本地坐标时间（LTC），而PMU连接测试仪使用UTC。这些测试证实BFE根据IEEE Std C37.118.2-2011规范运行。3. 说明性示例3.1. 图形用户界面（GUI）BFE的主GUI主要是PDC VI，如见图6。GUI分为4个象限（标记为I-IV）。右上象限（I）允许用户配置PMU/PDC的IP为了建立TCP/IP连接[6]，用户应按下“开始通信”（位于GUI在象限III）选项建立一个TCP/IP套接字所需的配置参数。GUI的左上象限（IV）提供对应于同步相量流的元数据，其包括输入流的数据速率和标称频率、流中PMU的数量、用于测量的数据、流中PMU的名称以及每个PMU中不同相量、模拟量和数字量的数量。此外，还可以访问从PMU/PDC流中提取M.S. Almas等人/SoftwareX 6（2017）209213图六、B F E 的 GUI显示了流中不同PMU的列表及其各自的测量和绘图。通过在该象限（IV）中的各个选项卡中导航。用户可以选择“感兴趣的数据”，并使用“UDP的数据选择”用户可以浏览PMU列表，以确定每个PMU中可用的测量值数量左下象限（III）允许用户启用或禁用同步相量数据传输;并显示相量（直角坐标和极坐标）、模拟量、数字量、频率和ROCOF测量值。此外，用户可以可视化可用相量的极坐标图，并通过在该象限（III）中的各个选项卡中导航来访问频率监控GUI（II）的右下象限允许用户在图中可视化这些测量。BFE的GUI如图6所示。一个简单的三步过程用于连接和可视化这个PDC流。1在左上象限中配置PDC流的IP地址、端口号和设备ID。2单击3点击3.2. 示例应用：带警报的频率监控作为说明性示例，频率监测应用被包括在BFE中，其可以从BFE的GUI（图6中的象限III）访问。此应用程序监控系统的频率，并在频率超过阈值时激活警告/警报。该应用程序的代码片段如图7所示。本应用程序的GUI如图8所示，其中顶部图（a）显示了正常频率（即在50.05 Hz和49.95 Hz的阈值限值内）的系统。因此，在图8（a）中没有激活警报。在图8（b）中，系统的频率低于49.95 Hz。因此，对应于频率的警报<激活阈值，并在GUI上提示操作员采取警告/纠正措施。31 这些截图是从北欧电力系统接收的真实PMU测量结果。这种特殊的PMU安装在瑞典南部的隆德3.3. BFE中相量的极坐标图制作PMU/PDC流中可用相量的极坐标图的功能在BFE中作为子VI可用，即用户可以简单地拖放此子VI块来制作相量图。带有PDC流相量图的BFEGUI如图所示。9.第九条。 图图9（a）示出了从“CFG-2”帧提取的PDC流中所有可用相量的名 称，而 对应于 相量名称 的相量幅度和相量角度(a)分别见（b）和（c）相量图如图所示。 9（d）。4. 影响BFE主要在两个用户群体中具有巨大的利用潜力：（i）大学/研究机构和（ii）电力行业的公司（例如，供应商、服务提供商）。在学术界，直接用户是具有电力系统和/或信号处理背景的学生和研究人员，但缺乏熟练的软件开发和编程技能。最终受益者是从事电力系统运营业务的公司，如发电，输电和配电系统运营商。BFE将允许这些公司开发或委托原型应用程序。BFE软件工具被用来开发一个监视器- 该工具能够检测和提供由于基于风力的发电的高渗透而引起的传输网络中的次同步风电场振荡的警报。通过使用俄克拉荷马州天然气和电力公司（OGE）[17]的实际测量值，通过KTH SmarTS实验室[18]中的硬件在环实时模拟测试以及IREC微电网实验室[ 19 ]中的基于硬件的仿真，对此外，该应用程序之前在KTH SmarTS-Lab中开发的许多WAMPAC应用程序使用另一个内部开发的IEEE Std C37.118.2-2011协议解析器S3 DK [21]。 然而，原则上所有这些WAMPAC应用程序都可以使用BabelFish开发。从广域监测的角度来看，这些应用包括（i）同步相量数据的实时监测显示[10]，（ii）模式计，以确定214M.S. Almas等人/SoftwareX 6（2017）209见图7。具有警报和警告功能的频率监控和趋势应用程序的代码片段。图8.第八条。 频率监控和趋势应用程序的GUI在BFE中可用。M.S. Almas等人/SoftwareX 6（2017）209215图9.第九条。B F E 的 GUI显示PDC流的相量图，PDC流包含2个PMU，每个PMU有6个相量（即总共12个相量）。通过测量驱动模型的弱阻尼模式[22]，(iii)通过利用不同的LabVIEW工具包，为智能手机和平板电脑提供同步相量监控应用[23]。对于广域保护应用，BFE为去孤岛应用提供了一种替代方案，例如（i）抗孤岛保护[24]，(ii)自动同步，和（iii）自动重合闸。BFE还可以用于广域控制器的快速原型设计，例如（i）基于相量的功率振荡阻尼[25]，以及（ii）用于电力系统稳定性的负载控制[26]。5. 结论BabelFish工具提供了一个具有软件数据介质（网关）的存储库，用于将符合IEEE Std C37.118.2-2011的同步相量数据转换为原始数值和相关Meta数据。有两个调解器，BabelFish V1，使用C++，Active X和LabVIEW;更重要的是，BFE，完全在LabVIEW中开发。BabelFish V1和BFE都提供以下功能：（i）实时IEEEStd C37.118.2-2011帧解析，（ii）选择感兴趣的数据，以及（iii）通过UDP将所选数据传输到任何远程或本地目的地。因此，最终用户可以自由地从任何PMU/PDC接收“感兴趣的数据”，并根据用户的最佳利益，独立于平台、语言、操作系统和地理位置，BabelFish工具是开源软件，并在GPL v3许可证下分发[27]。致谢这项工作得到了KIC InnoEnergy通过其研发项目SmartPower和WP 2.6“基于PMU的电力系统操作工具”[ 28 ]的支持M. Shoaib Almas通过STRONg2rid项目得到了北欧能源研究的支持。L. Vanfretti得到了STandUP for Energy协作计划和挪威输电系统运营商Statnett SF的支持。M. Baudette得到了挪威传输系统运营商Statnett SF的支持。作者要感谢Iyad Al-Khatib博士为BabelFish v1和BFE的一些模块阑尾 补充数据与本文相关的补充材料可以在http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.08.002上找到。引用[1] Laverty DM等人，用于开源相量测量的OpenPMU平台。IEEE跨仪器测量2013;62（4）：701-9。[2] DeLaReeJ，Centeno V，Thorp JS，Phadke AG.同步相量测量在电力系统中的应用。IEEE Trans Smart Grid2010;1（1）：20-7.[3] IEEE C37.118.1-2011。 电力系统 同步相 量测量 IEEE 标准。 IEEE Power andEnergy Society，2011。[4] IEEEC37.118.2-2011。电力系统同步相量数据传输IEEE标准。IEEE Power andEnergy Society，2011。[5] Microsoft. 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