智能變電站高級應用功能測試平臺

劉 青，傅代印，鄭志勤，葉 寧

(1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003;2.國網遼寧電科院 電網技術中心，遼寧 沈陽 110006;3.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

0 引言

高級應用是智能變電站與常規變電站的核心區別，是提高智能變電站自動化、互動化程度的關鍵功能。智能電網要求變電站對全網數據進行分層、分級地統一斷面采集，以實現支撐電網的安全穩定運行和各類高級應用功能;要求設備運維與調度實現全面互動，實現設備狀態檢修。在智能變電站發展的初期，經過一次設備及輔助系統的智能化，智能站已經實現了全站數字化。在數字化和信息化已經具備的客觀條件下，只有進一步發展變電站自動化系統的實時自動控制、信息綜合分析、智能調節和協同互動等高級應用功能，才好充分發揮設備數字化和信息化的作用，實現智能變電站對智能電網的節點支撐作用[1～2]。所以，高級應用必將成為建設新一代智能變電站的關鍵技術。

目前，與高級應用迅猛的研發態勢形成鮮明對比的是，高級應用功能的測試工作只限于利用儀器儀表對單一功能進行開環檢測，而立足于全站規模的實時閉環仿真測試則鮮有報道[3，4]。為了滿足工程建設需要，保證系統安全穩定，在大量產品投入運行前，應建立完善可靠的測試環境。本文基于RTDS及相關智能設備構建了智能變電站高級應用功能測試平臺。該平臺可以用于智能變電站高級應用功能的測試，具有良好的可擴展性和可升級性。

1 RTDS及其與二次設備間接口方式

RTDS是由加拿大Manitoba高壓直流研究中心開發的專門用于實時研究電力系統的數字動模系統，由RTDS公司制造，是當前世界上技術最成熟、應用也最為廣泛的實時數字仿真系統。該仿真系統中的電力系統元件模型和仿真算法，均基于目前已得到國際上普遍承認的電磁暫態仿真程序EMTDC，其仿真結果與實際系統的真實情況基本一致[5～7]。RTDS 硬件上基于數字信號處理器DSP，采用并行處理方式，仿真步長能達到50 μs級別，計算速度完全可以滿足電力系統實時仿真的要求。

RTDS除具有準確、實時的優勢外，更重要的一點是配備了多種外接擴展板卡，包括模擬量接口卡 (如DDAC，GTAO)、數字量接口卡 (如GTDI，GTDO)及網絡報文接口卡 (如GTNET)等，進而可以與實際物理設備連接完成閉環動模試驗。在大型動模試驗中，RTDS向外輸出模擬量主要有3種方式:利用DDAC或GTAO卡與功率放大器組合;利用DDAC或GTAO卡與電流/電壓采集器組合;利用采樣值卡GTNET_SV直接與交換機組合。RTDS與外界開關量交換方式主要有兩種:利用GTDI，GTDO卡或3PC卡并口與開關量轉換裝置 (PAD)組合;利用變電站事件卡GTNET_GSE直接與交換機組合。上述方式可根據仿真目的、規模及試驗條件的不同靈活選取。

2 高級應用功能測試平臺

本文構建智能變電站高級應用功能測試平臺的總體思路是:利用RTDS模擬實際變電站一次系統運行工況，變電站二次設備依據DL/T 860標準及國網公司相關原則建模組網，合理設計RTDS與二次設備間模擬量及開關量的接口方式，按照Q/GDW 383-2009和Q/GDW 678-2011這兩個標準制定高級應用功能測試策略，進而形成完整的高級應用實時閉環測試系統。平臺的整體結構如圖1所示。

圖1 高級應用功能測試平臺整體結構Fig.1 Overall structure of the platform fortesting advanced application

2.1 RTDS軟件架構及一次系統模型

RTDS的軟件架構是其與用戶交互的接口。運行在RTDS前臺工作站的軟件有兩個版本，一個是運行在Unix上的PSCAD;另一個是基于JAVA平臺的RSCAD。本平臺使用的是基于 JAVA平臺的RSCAD。RSCAD界面包括Draft，Runtime，TLine/Cable，Muitiplot和CBulider等模塊，分別用來實現一次系統和控制系統建模、下裝并實時運行仿真模型、輸電線路建模、電流電壓波形分析、用戶開發自定義組件等功能。

由于高級應用大多是需要多間隔信息的站級綜合功能，所以其功能測試平臺要具備模擬全變電站運行工況的能力。本平臺選取某區域電網內已投運的500 kV和220 kV智能變電站各一例，按其實際參數分別搭建了各自相映的一次系統及控制系統模型，以保證應用在不同電壓等級智能站的高級應用都有合適的測試環境。

2.2 二次設備組網

高級應用是變電站監控后臺的一部分，其功能要靠后臺系統與間隔層設備通信實現，因此，其功能測試平臺要具備間隔層及以下設備功能。利用RTDS的CBulider模塊可以實現開發軟保護、測控等功能，但目前RTDS不具備MMS報文收發功能，無法與變電站后臺監控直接接口[8]。故本平臺采用實際物理裝置組建過程層與間隔層，設備名稱及型號如表1所示。

表1 平臺二次設備清單Tab.1 Secondary equipment list of the platform

根據DL/T 860標準及國網公司相關原則，對二次設備進行統一建模，將各裝置能力描述文件(ICD)導入系統配置器進行配置，生成變電站配置文件 (SCD)，再用裝置配置器從SCD中導出各裝置的實例配置文件 (CID)下載到各裝置中運行。其中，保護采用“網采網跳”形式，全光口交換機 (PSW618D)用于組建過程層網絡，光口帶電口交換機 (PSW618E)用于組建站控層網絡，對時方式采用簡單、可靠的IRIG-B碼對時。圖2是220 kV柳何2線測控、智能終端GOOSE虛端子可視化配置圖。

圖2 220 kV柳何2線測控、智能操作箱GOOSE虛端子配置Fig.2 Configuration for GOOSE virtual terminals of 220kV Liu He transmission line

2.3 RTDS與二次設備接口設計

為了保證平臺的通用性，RTDS與合并單元模擬量接口方式選用DDAC和GTAO卡與功率放大器組合，再接合并單元交流采樣端子。不選用跟電流/電壓采集器組合的方式，是因為采集器與合并單元之間通過FT3報文接口，而不同廠家FT3報文格式目前還沒有統一，這使得合并單元不能無縫更換，不便于平臺后期維護。RTDS與智能操作箱開關量接口首選GTDI，GTDO卡與PAD組合的方式，如果開入、開出總量仍不夠，則還可采用3PC卡并口與PAD組合的方式擴展，PAD與智能操作箱之間通過觸點分合交換信息，無報文協議上的限制，因此可以做到各廠家智能操作箱的無縫更換。

另外，考慮到智能變電站同步采樣、GOOSE等關鍵技術一定是趨于成熟可靠[9]，并且高級應用是位于站控層，將來測試平臺的過程層設備很可能得到簡化進而使平臺升級;所以本平臺為探索其自身可升級性，將GTNET_SV卡與GTNET_GSE卡通過光纖直接接入過程層交換機 (如圖1)，在對高級應用功能測試的同時，測試GTNET卡在國家電網公司做“六統一”規定后，與國內知名設備制造商提供的二次設備間的互操作性能。

2.4 高級應用測試策略

要實現平臺對高級應用功能的測試，除了要具備必要的軟硬件之外，還需要配套的測試策略。由于當前尚缺乏關于高級應用功能測試動模試驗方面的規程，所以本平臺依照Q/GDW 383-2009《智能變電站技術導則》和Q/GDW 678-2011《智能變電站一體化監控系統功能規范》中關于高級應用功能的要求，編制了應用于不同電壓等級智能站的高級應用測試策略，力求達到能對高級應用功能進行全面考查的目的。

3 高級應用功能測試實例

圖3 測試模型一次主接線Fig.3 Main power wiring of the model for testing

本平臺搭建好后，已成功完成一次高級應用功能的測試。測試采用220 kV智能變電站系統模型，一次主接線如圖3所示，測試對象為PS6000+自動化系統高級應用，測試的功能包括順序控制、站控層五防、智能告警、站域備自投、電壓無功控制以及小電流接地選線。實施試驗前，對整個平臺進行了采樣值校對和開關量傳動及對點，確保了平臺數據準確及通信有效;試驗中，以RTDS的Runtime界面和網絡報文與暫態故障記錄分析裝置共同構成測試平臺對高級應用功能的實時分析工具，并與PS6000+自身的監控記錄進行對比，確保了試驗結果分析的科學性。由于試驗規模較大，數據較多，不可能一一詳述，僅列舉站域備自投功能測試中的分段備自投一項進行說明。需指出，在站域備自投測試中，一次系統模型中的66 kV雙母接線被視為單母分段接線，母聯開關視為分段開關。表2為試驗步驟，圖4為監控界面顯示分段備投執行成功，圖5為報文記錄，圖6為故障錄波。

表2 站域備自投測試項3Tab.2 Test item 3 for substation area busbar automatic transfer switch

圖4 PS6000+監控界面Fig.4 Monitoring interface of PS6000+

圖5 報文記錄Fig.5 Message recording

圖6 故障記錄Fig.6 Fault recording

另外，在高級應用功能測試之外，本文也做了GTNET卡與國內知名品牌二次設備之間互操作性能的測試。利用抓包工具解析GTNET_SV所發報文，發現雖然所發電氣量數值正確，但其沒有反映時間延遲的第零通道，并且只能發出一組電流和一組電壓，而當前合并單元采用雙A/D配置，保護要接收主采、副采兩組電流和電壓，所以GTNET_SV卡目前還不能完全模擬合并單元功能。對于GTNET_GSE卡，問題則比較突出。在RSCAD的SCD配置器 (本平臺使用版本為2.026.1)中無法導入國內多數廠家的保護、測控裝置ICD文件，提示不兼容信息，如圖7所示。綜上，若想GTNET卡在將來發揮更大的作用，需要RTDS公司與國內各二次設備廠家進行聯調，以使GTNET卡更符合我國智能變電站建設的標準。

圖7 不兼容信息Fig.7 Incompatible information

4 結論

高級應用在新一代智能變電站中，將起著關鍵作用，這一點已成為業內的共識[10-12];然而對高級應用功能實時閉環測試方面的研究卻明顯滯后于其功能的研發。本文正是鑒于上述事實，搭建了智能變電站高級應用功能測試平臺，試圖在大量產品投入運行前，能夠建立完善可靠的實時閉環測試環境，力求對高級應用功能進行全面考查，提早發現問題，確保電力系統安全穩定。對高級應用的首次測試，即證明了本文所建平臺可以用于智能變電站高級應用功能的測試;另外，本平臺各層間標準化的接口方式，便于增加測試間隔及相應設備，具有良好的可擴展性;同時，隨著RTDS外接GTNET卡與國內智能站IED互操作性能的提升，平臺所需過程層設備可以大大簡化，具有可升級性。

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