智能變電站實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

羅義釗，陳彪

（福建網(wǎng)能科技開發(fā)有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

智能變電站實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

羅義釗，陳彪

（福建網(wǎng)能科技開發(fā)有限責(zé)任公司，福建 福州 350003）

針對(duì)當(dāng)前智能變電站測(cè)控裝置應(yīng)用測(cè)試工作量大、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維難度高等問題，本文在分析測(cè)控裝置性能測(cè)試需求的基礎(chǔ)上提出了智能變電站實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳述了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能及流程，設(shè)計(jì)了該平臺(tái)的軟、硬件系統(tǒng)并分析了各組成模塊及其功能。最后，通過遙控測(cè)試和抗干擾測(cè)試等工程示范應(yīng)用，驗(yàn)證了實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)的有效性。本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)可滿足現(xiàn)有多數(shù)測(cè)控裝置的測(cè)試需求，適用于智能變電站的應(yīng)用開發(fā)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

智能變電站；測(cè)控裝置；實(shí)時(shí)仿真；過程層仿真

隨著非常規(guī)互感器、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)、智能化開關(guān)、一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，我國智能變電站投入運(yùn)行的數(shù)量日趨增多。所應(yīng)用的測(cè)控裝置也從最初的面向功能的RTU發(fā)展到面向?qū)ο蟆㈤g隔的測(cè)控單元，從單個(gè)對(duì)象測(cè)控發(fā)展到多個(gè)對(duì)象測(cè)控，從四合一裝置（保護(hù)、遙測(cè)、遙控、遙信）發(fā)展到“三態(tài)”測(cè)控裝置。測(cè)控裝置功能性與復(fù)雜度的提高增加了相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用測(cè)試工作量和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢修人員對(duì)裝置的運(yùn)維難度。故如何實(shí)現(xiàn)測(cè)控裝置的測(cè)試分析，對(duì)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有實(shí)際的工程意義，有必要設(shè)計(jì)一套多功能集成的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)。

目前對(duì)智能變電站測(cè)控裝置的實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)仍處于探索階段，運(yùn)行維護(hù)項(xiàng)目和流程也沿用傳統(tǒng)變電站運(yùn)行管理要求，尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的檢修維護(hù)流程以及關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為此，諸多學(xué)者提出了測(cè)試方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[1-3]，另外，文獻(xiàn)[4]分析了數(shù)字化測(cè)控裝置與傳統(tǒng)測(cè)控裝置的異同，初探討了數(shù)字化測(cè)控裝置的性能測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法，搭建了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)；文獻(xiàn)[5]以電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置為核心設(shè)備，開發(fā)了基于lEC61850的數(shù)字化保護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]提出了基于RTDS的新型數(shù)字化變電站測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出了對(duì)智能保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)應(yīng)用測(cè)試方法。

針對(duì)以上問題，文中在分析測(cè)控裝置性能測(cè)試需求的基礎(chǔ)上提出了智能變電站實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳述了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能及流程。設(shè)計(jì)了該平臺(tái)的軟、硬件系統(tǒng)并分析了各組成模塊及其功能。最后為驗(yàn)證實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)的有效性，在指定的環(huán)境條件下，進(jìn)行了遙控測(cè)試和抗干擾測(cè)試，其結(jié)果可驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性。

1 智能變電站測(cè)控裝置性能測(cè)試項(xiàng)目

相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，通過電子式互感器、MU單元、智能操作箱，將一次設(shè)備采集的電氣量就地轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并通過光纜傳輸，實(shí)現(xiàn)了電氣量數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)及控制環(huán)節(jié)的數(shù)字化應(yīng)用，其運(yùn)控操作通過網(wǎng)絡(luò)通信方式以信息報(bào)文方式實(shí)現(xiàn)，有效降低了開關(guān)場(chǎng)、感應(yīng)及電容耦合等途徑對(duì)于二次設(shè)備的電磁干擾[7-8]。另外，由于測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)來源由原先的模擬量采集變?yōu)閿?shù)字量，對(duì)輸入的電氣量所做的降壓、濾波以及A／D轉(zhuǎn)換工作都得到了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，部分工作由電子式互感器或MU單元來完成，故簡(jiǎn)化了測(cè)控裝置結(jié)構(gòu)，測(cè)量電氣量在傳輸過程中的誤差也可有效降低；進(jìn)而避免了一次電流與二次輸出難以同時(shí)滿足正常運(yùn)行時(shí)高精度以及故障時(shí)寬量程的測(cè)量要求。

IEC 61850-9-1/2標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用為智能變電站測(cè)控裝置功能集成提供了條件。所有信息都通過以太網(wǎng)采集信息，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控裝置可將保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能集成在一起，實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的綜合智能單元。故其應(yīng)用使得智能變電站測(cè)控裝置的測(cè)試項(xiàng)目與傳統(tǒng)測(cè)控裝置不同，其重點(diǎn)在于互操作性。故應(yīng)先測(cè)試通信服務(wù)的一致性，之后裝置才具備條件構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)以完成應(yīng)用測(cè)試。應(yīng)用測(cè)試包括兩個(gè)方面[9]：1）性能測(cè)試，評(píng)估裝置的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)或應(yīng)用要求；2）適應(yīng)性測(cè)試，評(píng)估裝置對(duì)于應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力和兼容性等。其智能變電站測(cè)控裝置的性能測(cè)試項(xiàng)目可涵蓋為：裝置通信接口和通信功能的網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試、裝置時(shí)鐘對(duì)時(shí)精度測(cè)試、采樣值精度和同步性測(cè)試、遙信功能測(cè)試、遙控功能測(cè)試、信息響應(yīng)時(shí)間測(cè)試、裝置運(yùn)行功耗測(cè)試等。

2 實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為完成上述性能測(cè)試項(xiàng)目并滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的測(cè)試要求，將智能變電站實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)分為測(cè)試軟件子系統(tǒng)、間隔層仿真子系統(tǒng)、過程層仿真子系統(tǒng)、同步對(duì)時(shí)系統(tǒng)、通訊模塊等，其各子系統(tǒng)連接框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)總體連接框圖

其中，仿真測(cè)試軟件子系統(tǒng)位于站控層，負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)及各個(gè)功能測(cè)試過程中的控制和信息傳遞，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等測(cè)試。測(cè)試軟件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從測(cè)試方案的建立、下發(fā)到獲取反饋數(shù)據(jù)，比對(duì)分析得出測(cè)試結(jié)果，并生成測(cè)試報(bào)表，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的閉環(huán)同步測(cè)試系統(tǒng)[10]。另外，可實(shí)現(xiàn)變電站SCD文件智能化解析，全站二次設(shè)備圖形化全景展示，二次設(shè)備狀態(tài)顯示，二次設(shè)備配置查詢，變電站一次接線圖編輯等功能。

間隔層仿真測(cè)試子系統(tǒng)包含保護(hù)仿真模塊、測(cè)控仿真模塊、計(jì)量仿真模塊和間隔層測(cè)試系統(tǒng)模塊，主要實(shí)現(xiàn)變電站間隔層的保護(hù)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)的仿真，對(duì)間隔層保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量三大系統(tǒng)的設(shè)備單體測(cè)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試功能。過程層仿真測(cè)試子系統(tǒng)則包含MU單元仿真模塊、智能終端仿真模塊和過程層測(cè)試模塊，主要實(shí)現(xiàn)過程層的MU單元、智能終端設(shè)備的模擬仿真，支持過程層SV、GOOSE直采直跳、分組組網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)模式的搭建以及對(duì)MU單元、智能終端的單體測(cè)試和聯(lián)調(diào)測(cè)試[11]。

同步對(duì)時(shí)系統(tǒng)采用GPS或北斗兩種對(duì)時(shí)方式，支持B碼、PPS秒脈沖和IEEE 1588多種同步對(duì)時(shí)協(xié)議，可根據(jù)需要靈活配置。

該系統(tǒng)的測(cè)試過程無需經(jīng)過過程層設(shè)備MU單元及智能終端，可通過通訊模塊調(diào)用過程層仿真子系統(tǒng)輸出SV報(bào)文的遙測(cè)值給測(cè)控裝置，測(cè)控裝置通過通訊模塊將遙測(cè)數(shù)據(jù)反饋給測(cè)試子系統(tǒng)；測(cè)試軟件子系統(tǒng)通過通訊模塊調(diào)用過程層仿真子系統(tǒng)輸出GOOSE報(bào)文的遙信變位給測(cè)控裝置，測(cè)控裝置通過通訊模塊將遙信數(shù)據(jù)反饋給測(cè)試軟件子系統(tǒng)；之后，測(cè)試軟件子系統(tǒng)通過通訊模塊下發(fā)遙控命令給綜合自控系統(tǒng)，輸出GOOSE報(bào)文給過程層仿真子系統(tǒng)，并通過通訊模塊進(jìn)行反饋。

該系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)以下測(cè)試：1）模擬過程層設(shè)備MU單元輸出SV報(bào)文的遙測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控裝置的遙測(cè)測(cè)試；2）模擬過程層設(shè)備智能終端輸出GOOSE報(bào)文的狀態(tài)量給測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控裝置的遙信測(cè)試；3）測(cè)試軟件模擬主站發(fā)出遙控命令，遙控的選擇、返校在測(cè)控裝置完成，執(zhí)行命令通過GOOSE狀態(tài)直接發(fā)送給過程層，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控裝置的遙控測(cè)試。測(cè)試軟件可通過專家?guī)斓谋葘?duì)分析，形成閉環(huán)測(cè)試。模擬輸出SV報(bào)文的遙測(cè)量及GOOSE報(bào)文的狀態(tài)量給測(cè)控裝置，測(cè)控裝置通過MMS報(bào)文輸出給測(cè)試軟件系統(tǒng)，測(cè)試軟件系統(tǒng)通過專家?guī)斓谋葘?duì)分析，形成閉環(huán)的測(cè)試方法[12]。過程在過程層仿真中主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字量遙測(cè)測(cè)試、數(shù)字量遙信測(cè)試、數(shù)字量遙控測(cè)試，其流程框圖如圖2所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)方案

為確保智能變電站實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)大規(guī)模、高實(shí)時(shí)性的測(cè)試要求，其硬件系統(tǒng)包括無線通信模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、時(shí)間同步模塊等。無線通信模塊通過無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和IEEE 1588同步對(duì)時(shí)；數(shù)據(jù)接收模塊處理、存儲(chǔ)通過無線網(wǎng)絡(luò)接收到的軟件平臺(tái)仿真數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊提取數(shù)據(jù)接收模塊中的數(shù)據(jù)，編碼以后通過電光轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送給合并單元和液晶顯示模塊。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以ARM+FPGA為框架，可提供6對(duì)100 Mbps～1000 Mbps光纖以太網(wǎng)接口、9路光發(fā)送串口、2路光接收串口，支持IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2及GOOSE發(fā)送、接收；支持IEC 60044-7/8報(bào)文輸出與接收，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。ARM處理器接收軟件平臺(tái)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CRC校驗(yàn)、分配9路輸出數(shù)據(jù)通道后，經(jīng)數(shù)據(jù)總線存入2片8MB的雙口RAM中。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，每次從一塊雙口RAM中提取半個(gè)周波的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行編碼，將其按照特定協(xié)議轉(zhuǎn)換成合并單元能夠識(shí)別的9路電信號(hào)，然后以時(shí)鐘同步模塊提供的準(zhǔn)確時(shí)間為基準(zhǔn)，將電信號(hào)傳輸給電光轉(zhuǎn)換模塊。

圖2 數(shù)字量遙測(cè)、遙信、遙控測(cè)試流程框圖

圖3 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)框圖

為實(shí)現(xiàn)同步對(duì)時(shí)，時(shí)鐘同步模塊由主同步模塊和從同步模塊構(gòu)成。作為整個(gè)硬件平臺(tái)的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，主時(shí)鐘同步模塊需要高精度的GPS作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，以確保自身時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，然后在與從時(shí)鐘模塊完成IEEE 1588同步對(duì)時(shí)，同時(shí)主時(shí)鐘內(nèi)部還裝有一個(gè)高精度的恒溫晶振，彌補(bǔ)GPS失效時(shí)不能給從時(shí)鐘模塊提供精準(zhǔn)時(shí)間的缺陷。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)軟件采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算，可實(shí)時(shí)模擬全站測(cè)控裝置運(yùn)行狀態(tài)，并監(jiān)測(cè)其運(yùn)行、動(dòng)作反饋信息，通過與其他測(cè)試單元的交互通訊，完成全站測(cè)控裝置性能測(cè)試[13]。其架構(gòu)可分為通信層，數(shù)據(jù)層，功能層和應(yīng)用層，如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

其中，通信層完成軟件系統(tǒng)的通信功能，包含MMS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[14]、通信配置協(xié)議，未來可根據(jù)實(shí)際需要升級(jí)支持101、103遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議。MMS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[15]開發(fā)，支持變電站二次設(shè)備的間隔層通信功能；配置通信協(xié)議為本系統(tǒng)私有協(xié)議，用于與間隔層、過程層的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試配置下發(fā)、測(cè)試結(jié)果上報(bào)、測(cè)試過程控制等測(cè)試功能通信。數(shù)據(jù)層完成本軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，包含數(shù)據(jù)庫、文件庫、版本庫。數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)本軟件系統(tǒng)各種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如用戶信息、日志等；版本庫用于對(duì)SCD等文件進(jìn)行版本管理，受版本庫管理的文件支持版本差異化分析、版本溯源、版本回退等功能；文件庫用于存儲(chǔ)本系統(tǒng)軟件無需版本管理的文件，如系統(tǒng)配置文件等。功能層是本系統(tǒng)軟件各種功能的實(shí)現(xiàn)，主要有權(quán)限管理、仿真測(cè)試專家?guī)熘袠?biāo)準(zhǔn)庫的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)站控層仿真的功能，如SCD分析引擎、“三遙”功能等。應(yīng)用界面層為用戶接口層，完成本系統(tǒng)軟件的用戶輸入、狀態(tài)信息輸出功能，實(shí)現(xiàn)用戶登錄與管理，仿真測(cè)試專家?guī)斓墓芾恚瑴y(cè)試方案的管理，測(cè)試結(jié)果顯示，測(cè)試報(bào)告生成，變電站全景顯示、保護(hù)特性測(cè)試等功能。

3 工程示范應(yīng)用與分析

為驗(yàn)證實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)的有效性，在指定的環(huán)境條件下，應(yīng)用文中提出的仿真系統(tǒng)并結(jié)合多種測(cè)試計(jì)量儀器進(jìn)行測(cè)控裝置測(cè)試試驗(yàn)。此處以遙控測(cè)試和抗干擾測(cè)試為例進(jìn)行性能分析。

3.1 遙控測(cè)試

遙控測(cè)試包括普通控制對(duì)象的分、合閘及斷路器合閘測(cè)試。普通控制對(duì)象的分、合閘測(cè)試需進(jìn)行對(duì)象的分、合閘操作并用萬用表測(cè)量相應(yīng)的輸出接點(diǎn)是否導(dǎo)通。斷路器的合閘操作需要進(jìn)行無壓合閘、合環(huán)合閘和同期合閘操作[16]。對(duì)測(cè)控裝置進(jìn)行的同期點(diǎn)捕捉實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況列于表1，可看出測(cè)試誤差均在可接受范圍內(nèi)，從而證明測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

表1 捕捉實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.2 抗干擾測(cè)試

抗干擾測(cè)試主要用到的儀器包括標(biāo)準(zhǔn)源、射頻信號(hào)發(fā)生器、脈沖串試驗(yàn)儀、浪涌發(fā)生器、耐壓測(cè)試儀等。依次加入快速瞬變脈沖、浪涌和高頻等干擾進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果列于表2。在各種類型的干擾條件下，測(cè)控裝置均正確可靠的反應(yīng)實(shí)際電量的數(shù)值，并且正確執(zhí)行各種操作命令，進(jìn)而驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的可行性。

表2 抗干擾測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著智能變電站的投入運(yùn)行，原有的測(cè)試手段已經(jīng)不能滿足對(duì)新型數(shù)字化測(cè)控裝置的測(cè)試需要。為此，文中在分析測(cè)控裝置性能測(cè)試需求的基礎(chǔ)上提出了智能變電站實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳述了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能及流程。以滿足高實(shí)時(shí)性的測(cè)試要求為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了該平臺(tái)的硬件系統(tǒng)并分析了各組成模塊及其功能，之后分層介紹了系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)及功能。最后為驗(yàn)證實(shí)時(shí)測(cè)試仿真系統(tǒng)的有效性，在指定的環(huán)境條件下，進(jìn)行了遙控測(cè)試和抗干擾測(cè)試，其結(jié)果可驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性。文中設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)可滿足現(xiàn)有多數(shù)測(cè)控裝置的測(cè)試需求，對(duì)智能變電站的建設(shè)和應(yīng)用推廣也應(yīng)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Realization and application of real-time testing simulation system for smart substations

LUO Yi-zhao，CHEN Biao
（Fujian Netpower Technology Development Co.，LTD.，F(xiàn)uzhou 350003，China）

Aiming at the heavy workload of application testing，great difficulty of field operation of the monitor device on intelligent substations，this paper proposed a design scheme of a real-time testing simulation system for intelligent substations based on analyzing the demand of performance test for monitor device，amplifed the system's test function which can be realized and its procedure，designed software and hardware system of the platform，and analyzed each composition module and its function.At last，the effectiveness of this real-time simulation testing system by several engineering application such as remote control，anti-jamming test were verified.The real-time testing simulation system designed in this paper can meet the testing demand of most monitor device，and it's applicable to the application development for intelligent substations，having a great benefit for both economic and society.

smart substation；measure and control device；real-time simulation；process layer simulation

TN73

A

1674－6236（2016）24-0098-04

2015-12-11 稿件編號(hào)：201512133

羅義釗（1976—），男，福建福州人，高級(jí)工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及營銷側(cè)相關(guān)理論。