基于無線數據通信的智能變電站二次設備集成測試系統開發

羅蓬，郝曉光，趙宇皓，何磊

（國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021）

0 引 言

智能變電站基于IEC 61850標準，采用數字化采樣、智能一次設備和光纖以太網等先進技術，具有數字化、網絡化和全站信息共享的特點，在提高變電站智能化水平的同時也給變電站的檢測、調試和試驗提出了更高的要求［1-3］。

智能變電站測試是確保智能變電站順利投運的關鍵環節，智能變電站二次設備及系統功能的可靠性、有效性都依賴于測試技術的保證［4］。智能變電站二次設備的測試不僅應包括合并單元、智能終端、數字化保護等設備的單元檢測，還需要對設備之間的通信、互操作以及組成系統進行全面的系統級測試［5］。目前，國內外一些測試儀器廠家著手開發了數字化保護測試儀［6］，實現了與智能站保護裝置等智能電子設備的互聯互通，但仍屬于傳統保護測試方法，測試項目分散獨立，通常只能完成特定設備、單一功能的單獨測試。而各類仿真系統可以對智能站二次設備進行全數字動態實時仿真測試［7-8］，但這類仿真系統普遍體積龐大、結構復雜，目前僅適合將變電站二次設備運輸至實驗室環境內開展測試，無法滿足變電站現場工程測試需求。

針對上述問題，提出了一種智能站二次設備集成測試新方案，并構建了系統軟硬件平臺。該系統將高速同步無線通信技術與電力系統暫態仿真相結合，解決了變電站全場景試驗過程中最困難的接線問題，可靈活實現二次設備跨間隔協同故障測試、整組傳動等功能，為智能站內包括繼電保護、測控、計量等全面功能提供了整體測試的環境，具有重要的理論意義與工程價值。

1 設計方案

本文提出了一種新的基于無線數據通信的智能站二次設備集成測試方案，如圖1所示。測試系統主要由高性能智能變電站實時仿真器、實時I/O接口裝置、高速同步無線數據通道、分布式數據終端等幾部分構成。

圖1 無線集成測試總體方案Fig.1 General plan of wireless integrated test

實時仿真器配置有適用于智能變電站不同主接線形式的通用模型參數庫，能夠模擬變電站正常運行以及各類故障、誤操作的電磁暫態過程［9-11］，通過亞毫秒級無線通道將暫態計算的結果以電流電壓采樣數據的形式同步發送至各被測變電站間隔，并利用分布式數據終端實現集成測試系統與變電站二次系統間的GOOSE、SV、模擬量等數據信息交互，靈活有效的實現站內合并單元、智能終端、保護裝置等單裝置及整組測試，從而考察單套保護的動作行為以及多套保護的協同配合能力。集成測試系統與真實的智能變電站二次設備共同構成閉環的模擬測試環境。

2 智能變電站二次設備無線集成測試系統開發

2.1 智能變電站實時仿真器

智能變電站實時仿真器是整個集成測試系統的運算和控制核心，包含電網仿真核心單元、時間同步模塊、人機接口模塊三個部分。智能電網仿真核心單元基于多核多處理器并行計算技術，采用QNX實時操作系統，實現靜態模擬和電網電磁暫態仿真，模擬變電站正常運行和各種設備故障、誤操作狀態下的動態過程。時間同步模塊實現仿真系統的時間同步，確保閉環仿真的準確性和實時性。時間同步模塊可以通過 IRIG-B、IEEE 1588、GPS三種方式實現對時［12-13］，確保適應不同測試環境。人機接口模塊提供可視化的人機操作界面，可以讓測試人員在仿真設備上進行啟停操作以及各種故障參數設置。

仿真器主機采用實時操作系統，人機界面運行于其中，既能提供正常運行時保護、測控等裝置所需的高精度電流、電壓值，也能夠提供電網故障及誤操作時的故障電流、電壓值。仿真器擁有主變、線路、斷路器、隔離開關、母線、負荷、互感器等設備詳細的電磁暫態模型和各種故障模型，并在此基礎上構建出更為復雜的復合性、發展性故障，能夠對數字化保護、測控等二次設備的性能進行全面細致的動模測試。

2.2 實時I/O接口裝置

實時I/O接口設備主要實現計算核心和外圍分布式模擬裝置進行高速、實時數據交互。基于高性能仿真器的運算結果，通過數字或模擬的方式為繼電保護、測控等裝置提供高精度的電壓、電流信號源，并能夠實時采集斷路器、隔離開關、接地設備的狀態反饋給主機。實時I/O接口設備由通信接口卡，高速同步數模轉換器，高速通信及開關量輸入輸出系統構成。實時I/O接口設備的硬件利用FPGA可編程邏輯器件設計，提高了靈活性、適應性和可擴展性。基于FPGA的PCI-E接口設計，利用內置于FPGA的PCI Express專用集成模塊，降低硬件設計成本，提高硬件集成度。

2.3 高速同步無線數據通道

按照國家電網公司智能站典型設計要求，220 kV及以上智能站間隔層保護布置在保護室內，而過程層合并單元及智能終端布置在就地間隔匯控柜，基于此分布式布局，本測試系統過程層和間隔層之間的試驗數據傳輸采用無線方式。無線通信設備通過實時I/O接口的PCI-E總線與仿真主機相連，將電流電壓量分別發送到指定的間隔，并將各間隔反饋來的GOOSE報文解析后上傳給仿真器。無線傳輸的引入極大提升了集成測試系統的便攜化程度，然而無線通信本身具有的數據可靠性差、穩定性差等問題，也成為影響整個系統性能的關鍵因素。目前市場上的無線設備在數據吞吐量、傳輸時延抖動、丟包率等指標上均無法滿足閉環、實時仿真測試的要求，因此本文利用DSP及FPGA硬件設計開發了專用的無線收發機，其硬件結構如圖2所示。

圖2 無線收發機硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram ofwireless transceiver

通信協議方面，選用通用性較強的 IEEE 802.11n無線通信協議，并有針對性的對一些關鍵通信機制進行剪裁和調整，主要包括：

（1）采樣值無線單向廣播和重復發送機制：為了克服空口條件較為惡劣情況下的數據丟幀問題，通過改變RTS/CTS握手協議，采用未經編碼的單向采樣數據重復發送，傳輸效率可提高10倍。同時，下行采樣數據采用單向廣播通信模式，即所有間隔所需的電流、電壓數據統一組包發送，接收端進行拆分處理，避免了不同間隔終端競爭信道使用權造成的退避等待延時，提高了傳輸實時性；

（2）應用層插值機制：802.11n協議規定，當接收端收到數據包后，向發送端回傳一個ACK包進行告知，若發送端沒有收到ACK包，則認為該數據包在傳輸過程中丟失，而一直重新發包，造成較大的數據延時和抖動。本系統采用一種數據差值機制避免上述情況的發生：對于個別多次傳輸仍然出錯的采樣數據，直接將其拋棄，在應用層通過相鄰點插值的方式補齊，而不用一直重新發包；

（3）接收側緩存機制：在無線接收端建立一塊專用的內存區域用于接收數據的緩存處理，緩存時間為0 ms～100ms可設置，精確到100μs級別。采用該機制能夠實現數據抖動的完全消除，確保數據同步、平滑輸出，為變電站二次系統提供符合規約的仿真數據；

（4）雙信道無線通信機制：采樣值和GOOSE信息數據量差異較大，且采樣值具有更高的傳輸優先級。為保證采樣值的優先、實時傳輸，避免射頻天線工作時的同頻、臨頻干擾，采樣值和GOOSE信息分別采用不同頻率信道進行傳輸。本系統利用5.8 GHz頻段傳輸采樣，2.4 GHz頻段傳輸GOOSE報文，在射頻端掛載不同頻段的天線。該無線通信設備數據流圖如圖3所示。

圖3 無線設備數據流圖Fig.3 Data flow chart of wireless device

2.4 分布式數據終端

分布式數據終端將仿真測試平臺與真實的智能變電站二次系統連接在一起，實現整個測試過程的閉環。實際應用中，可將各數據終端放置于各待測間隔匯控柜旁，通過電纜或光纜與合并單元、智能終端等二次設備相連。該數據終端同時具有模擬量和數字量兩種采樣值輸出模式，實現對合并單元前后輸出的模擬。此外，終端還具有GOOSE報文通信功能，通過點對點或GOOSE網與保護、測控等設備相連，成為間隔層和過程層狀態信息交互的接口。為確保測試系統和二次設備的高度時間一致性，終端還具有精確對時和確定性同步的功能。終端硬件結構如圖4所示。

圖4 數據終端硬件結構Fig.4 Hardware structure of data terminal

數據終端同時支持兩個無線模塊，通過無線信道與仿真主機連接，一個接收采樣值信息，另一個專門用于收發開關量及位置信息。終端支持8個光百兆以太網接口，其中4個用于傳送IEC 61850-9-2或FT3格式SV報文，另外4個用于傳送GOOSE報文。SV通信采用全數據集報文，數據終端通過8位唯一標識號從SV報文中提取本間隔所需采樣值。

數據終端支持8路DA開出，后端接放大器輸出電流電壓模擬量采樣數據，提供給常規采樣合并單元。兼容雙母線和3/2接線兩種主接線形式。在雙母線形式下，線路間隔提供1u+3i的模擬量輸出，母線間隔提供3u+3u的模擬量輸出；在3/2接線方式，線路間隔輸出4u+4i的模擬量，母線間隔輸出4u+4u的模擬量。終端和仿真主機通過多種方式進行同步：

（1）仿真主機和終端均配備獨立的天基GPS對時系統，通過 GPS接口連接對時天線，實現同步對時；

（2）主機和終端預留ST光口，連接到變電站光B碼對時屏柜，和站內對時系統保持同步；

（3）采用無線數傳radio主從對時，主機向終端發送獨立的無線對時信號，實現主從之間的同步。

上述三種同步方式可根據實際空間環境、信號條件等單獨選擇，也可以同時工作、互為后備，確保整個仿真測試系統工作在同一個時鐘下。不同的無線終端同步在10μs的精度范圍內。

3 變電站測試實驗

針對本文提出的智能站二次設備集成測試系，在河北南網某220 kV智能變電站進行了實際性能測試試驗。該變電站一次系統規模為：220 kV電壓等級雙母線接線，2回出線；110 kV單母分段接線；35 kV單母分段接線。利用二次設備集成測試系統搭建變電站模擬測試環境，并采用故障仿真方式對典型間隔典型二次設備進行了性能測試。

實驗1：220 kV線路1始端單相接地永久故障該故障的故障報告如表1所示，相應的保護及故障錄波如圖5所示。

表1 220 kV線路故障報告Tab.1 Fault report of 220kV transmission line

圖5 220 kV線路單相永久性故障Fig.5 Single-phase permanent fault of 220kV transmission line

實驗2：#1主變內部故障

相應的保護及故障錄波如圖6所示，該故障的故障報告如表2所示。

圖6 #1主變內部故障Fig.6 Internal fault of#1 main transformer

表2 #1主變內部故障報告Tab.2 Internal fault report of#1 main transformer

實驗結果表明，利用仿真測試系統搭建變電站模型，可實時輸出變電站一次系統正常運行及故障時的高精度電流電壓，通過高速同步無線通道及間隔數據終端，實現仿真器與間隔二次設備的數據交互，滿足變電站二次系統整組閉環測試的需求。

4 結束語

研究開發了一種基于無線數據通信的智能變電站二次設備集成測試系統，該系統基于電磁暫態建模及實時仿真技術，實時輸出變電站一次系統正常運行及故障時的高精度電流電壓采樣，通過專用的高速同步無線信道及間隔數據終端，實現測試系統與實際變電站二次系統的無縫連接，不僅可以對智能站二次系統的各個組成設備進行單元檢測，還可以對設備之間以及組成系統進行系統級測試，為智能變電站內包括數字化保護、測控、計量等全面功能提供了整組協同測試環境，可良好應用于智能站基建調試或檢修現場。