數字化變電站過程層通信故障發生裝置

張炳達，姚 浩，張學博

（天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

相對于常規變電站，數字化變電站的繼電保護裝置及其他二次設備具有數字化、網絡化特點，其接受的輸入信號不再是電流電壓模擬量、斷路器狀態量、壓板開關量等，而是以數字信號形式傳播的采樣值報文和GOOSE 報文。這些新設備在數字化變電站中扮演重要角色，直接關系到電力系統的可靠性和安全性。因此，有必要研究新的測試項目和測試手段以滿足新設備的性能測試需求[1-3]。

電子式互感器、智能斷路器、繼電保護裝置在運行過程中可能會產生各種異常狀況，報文在網絡傳遞過程中也可能出現丟幀、超時等現象。盡管這些故障是偶然發生的，但繼電保護裝置應能作合理的處理，不至于出現保護誤動或保護拒動[4]。實時數字仿真儀RTDS（real time digital simulator）通常不對數字化變電站過程層通信故障進行模擬[5]。為了對繼電保護裝置進行比較全面的檢測，本文采用“截取—修改—轉發”方式，人為地改變采樣值報文和GOOSE 報文，使繼電保護裝置接受的信號出現異常。同時，采用信息熵檢測法，監視報文中的電壓信號，實現過程層通信故障、電力系統故障的聯合仿真。最后，研究了旁路接線法，用較少的資源完成多個繼電保護裝置的聯合實驗。

1 通信故障發生裝置的硬件組成

電子式互感器、智能斷路器、繼電保護裝置、網絡交換機的異常和故障對被測繼電保護裝置而言分為三類：報文異常、報文超時和報文丟失。

本文設計了一個連接到過程層網絡通路上的通信故障發生裝置，對線路上的報文進行“截取—修改—轉發”處理。通信故障發生裝置連接網絡通路上的2 個以太網模塊A、B 和1 個PC 機相連的以太網模塊C。通過C，通信故障發生裝置接收PC機的故障發生控制命令，并向PC 機上傳故障發生執行情況，其硬件框架如圖1 所示。

為減少通信故障發生裝置接入過程層網絡引起的通信延時，以Marvell 公司的千兆以太網物理芯片88E1111 作為裝置的以太網收發器。該芯片支持千兆媒體獨立接口（GMII）、吉比特以太網物理接口（TBI）、簡化吉比特媒體獨立接口（RGMII）等多種介質訪問控制MAC 層接口，可方便地實現10/100/1 000 Mbit/s 的自動切換，并可連接傳送電信號的RJ45 或者傳送光信號的SFP。在報文接收方面，可接收所有報文，也可通過過濾寄存器的設置只接收目的地址與本地物理地址相同的報文。

采用Altera 公司EP3C25 作為通信故障發生裝置的中央控制器，對3 個88E1111 物理芯片進行并行處理和快速地計算電壓信息熵。該芯片較高性價比，有24 k 個邏輯單元、149 個IO 管腳、66 個18 位內嵌乘法器、4 個PLL 以及594 kB 的RAM。

2 通信故障模擬

在實際過程層網絡的任一條傳輸線上，數據流是單向抑或是雙向的。模擬網絡中任何位置的故障設計了通信故障模擬電路。由2 套完全獨立的報文接收—修改—轉發模塊組成，能對雙向數據流同時設置故障。在報文修改與報文轉發之間設計了1 個緩沖區，它由8 個長度為1 522 B 并配備有計數器的緩沖FIFO、1 個空閑指示FIFO 和1個就緒指示FIFO 組成。其中，計數器用于指示緩沖FIFO 離發送的時間；空閑指示FIFO 用于存放空閑狀態的緩沖FIFO；就緒指示FIFO 用于存放可立刻轉發的緩沖FIFO，如圖2 所示。

圖2 通信故障模擬電路Fig.2 Simulation circuit of communication fault

報文接收模塊從空閑指示FIFO 中獲取一個報文緩沖FIFO，把從三速以太網IP 核的接收FIFO 中讀取的數據存放在該緩沖FIFO 中，且把通道計數器定值設為0；修改模塊按通信故障的類別進行處理：①如果模仿報文丟失，則將緩沖FIFO放回空閑指示FIFO 中；②如果模仿報文異常，則從緩沖FIFO 讀出數據，修改后再存入緩沖FIFO；③如果模仿報文超時，則將通道計數器定值置成超時量。修改模塊還負責通道計數器的管理，把已到時（通道計數器的值為0）的緩沖FIFO 寫入就緒指示FIFO 中；轉發模塊將就緒指示FIFO 中的緩沖FIFO 數據寫入另一個三速以太網IP 核的接收FIFO，并將該數據放回空閑指示FIFO 中。

采樣值報文和GOOSE 報文中的電流電壓采樣值、斷路器狀態量等信息都包含在應用協議數據單元APDU 字段中。當通信故障發生裝置在模仿報文異常時應根據APDU 采用的ASN.1 編碼規則對報文內容進行分析并重新組織[6]。

3 電力系統故障檢測

在電力系統發生故障時，為檢驗繼電保護裝置是否對這種復合故障具有很好的應對能力，通信故障發生裝置應跟蹤采樣值報文，及時發現電壓電流的突變，制造過程層通信故障。

信息熵[7]是度量物質系統不確定性和無序性的指標。用采樣值報文中的電壓電流數據建立數據窗序列，根據該序列的信息熵值大小確定窗口中是否存在突變點，步驟如下：

（1）將n 個采樣值報文中的某個電壓或者電流數據{wi}（i = 1，2，…，n）作為信息熵的分析對象。設窗口長度n 為工頻周期采樣點數的1/20～1/10。采樣值報文的采樣頻率通常為80 個采樣點，故本文設n=8。

（2）將窗口內的數據作差分預處理，濾除直流分量，減少低頻分量，放大高頻分量，形成增量序列{Wi′}，即

（3）對{Wi′}進行平方運算，得到能量序列

（4）計算能量序列的概率分布，即

（5）計算當前數據窗的信息熵，即

當電力系統發生故障時，電流增大，電壓減小，波形突變。突變點的出現使得能量序列的概率分布很不平均，確定性較大，信息熵值較小。

當PC 機發送簡單故障模擬命令時，通信故障模擬功能立即開啟；而當PC 機發送復合故障模擬命令時，僅當信息熵值低于閾值時通信故障模擬功能才開啟。

4 測試環境試驗研究

圖3 是一種基于RTDS 的繼電保護裝置采樣值網絡與GOOSE 網絡混合組網的測試方案[8-10]。其中，網絡交換機采用杭州華三通信技術有限公司產品S5042P，GTNET_SV 和GTNET_GSE 分別是符合IEC 61850-9-2 標準的采樣值報文通信卡和GOOSE 報文通信卡。實驗過程中，繼電保護裝置作為訂閱者向交換機發送加入相應訂閱組播組請求，訂閱相應的采樣值報文和GOOSE 報文；同時也作為發布者將包含跳閘信號的GOOSE 報文發送至相應訂閱組播組。

圖3 基于RTDS 的繼電保護裝置測試Fig.3 Testing of relay protection based on RTDS

通信故障發生裝置的連接方式可以分為串接法、旁路法。其中，串接法是截取傳輸線上不需要改變GTNET 通信卡和繼電保護裝置的配置；旁路法通過重新配置組播地址的方式，小規模地改變報文原來的傳輸路徑，使通信故障發生裝置能夠截取需要通信故障模擬的報文。將圖3 中GTNET_SV1 發出的采樣值報文1 和GTNET_SV2 發出的采樣值報文2 的組播地址改為通信故障發生裝置的訂閱組播地址，把訂閱報文1 和報文2 的繼電保護裝置的訂閱對象改為通信故障發生裝置的報文組播地址，從而使報文1 和報文2 的傳輸路徑由1′、2′變為1、2。這種旁路法可同時截取、處理多路報文，實現多個繼電保護裝置的聯合實驗。

本文設計了一種傳輸延時測量裝置，其輸出端和輸入端分別代替GTNET 通信卡的信號輸出端和繼電保護裝置的信號輸入端，構成一個以傳輸延時測試裝置為起點和終點的環路，去比較故障發生裝置接入前后的傳輸延時。對于串接法，把通信故障發生裝置分別接到傳輸線a、u；對于旁路法，接線見圖4，用傳輸延時測量裝置同時給網絡交換機端口1 和端口3 提供報文。報文長度分別設置成100，500，1 000，1 522 B，其增加的傳輸延時見表1。

圖4 旁路法接線Fig.4 Connection diagram of bypass method

表1 通信故障發生裝置引起的傳輸延時Tab.1 Delay by communication fault generator μs

表1 可知，當采樣值報文和GOOSE 報文的長度在500 B 時，串接法所引起傳輸延時不超過3 μs，而旁路法所引起的延時不超過8 μs，均不會對報文傳輸產生較大影響[11-12]。

為檢查信息熵檢測法對電力系統故障檢測的有效性，讓RTDS 在線路距離Ⅰ段、距離Ⅱ段和距離Ⅲ段保護范圍內制造短路故障。表2 列出了用線路電壓信息熵對短路故障發生時刻的判斷偏差。

表2 電力系統故障檢測誤差（采樣點）Tab.2 Detection error of power system fault（sampling point）

當短路故障發生在電壓過零附近時，檢測效果不夠理想，甚至有檢測不出的現象。但是，絕大部分的短路故障能夠立刻被檢測出來，可實現過程層通信故障、電力系統故障的聯合仿真。

5 結語

本文主要從硬件、軟件以及接線方式等方面對過程層通信故障發生裝置進行了描述，并通過實驗對其性能進行了驗證。實驗表明，該裝置能很好地模擬各種常見的過程層網絡故障，且能配合電力系統故障實現聯合仿真，為繼電保護裝置的性能測試提供了一種有效手段。

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