配電網融合系統測試平臺設計與分析

和曉東 章建明 馬麗娜

（云南電網有限責任公司麗江供電局）

0 引言

近年來，隨著我國配電網信息化水平的不斷提升，配電網一次系統、二次系統的智能化程度日益提高，但一次系統和二次系統的信息交互使得兩者之間沒有清晰的分界線［1-3］。對于傳統的配電網而言，其一次電氣系統與二次系統保護設備之間通常是相互獨立工作，為了適應我國配電網智能化發展的需求，配電網一二次系統有效融合是未來電網的一種智能化運行形態，傳統一二次融合系統的獨立運行形態將轉變至融合運行形態［4-6］。這帶來的挑戰是需要整體設計配電網的一次系統和二次系統，但和獨立運行形態相比較，一二次融合系統能夠有效提升一二次的配合問題，且提升了配電網的安全穩定運行性能和大大降低了配電網的運維工作量。

然而，我國目前配電網一二次融合研究才剛剛起步，合理有效地設計配電網一二次融合系統對推動配電網的安全穩定運行具有重大意義。傳統配電網一次系統和二次系統的開發應用通常需要對其運行特性進行測試，傳統的方法是利用專用測試儀對配電網一次系統和二次系統分別單獨進行現場測試，該測試方法難以對一次系統和二次系統的交互影響進行分析，且測試可靠性低、靈活性差［7-11］。針對上述問題，文獻［12］提出了一種配電網一二次聯合系統的數字仿真方案，該方案通過RTDS仿真軟件對實際配電網一二次運行特性進行實時仿真，能夠對配電網一二次聯合系統的運行特性進行模擬測試，且避免了采用實際電網進行測試所帶來的安全風險。該類方法雖然能夠完成配電網的運行特性測試，但是缺乏對一二次融合系統的交互運行特性以及通信特性進行測試的方案，且急需一個應用一二次融合系統的標準、可靠的實時測試方法。

鑒于此，本文為了實現配電網一二次融合系統的全面有效測試，在配電網一二次融合系統的總體框架和實現方法的基礎上，設計了一種能夠對配電網一二次融合系統工作環境進行模擬檢測的平臺。

1 配電網一二次融合系統

RTDS仿真系統具有實時、閉環以及連續的數字仿真功能，在實際電力系統運行控制領域得到了廣泛應用［13-14］，因此文中對配電網的一二次融合系統采用RTDS仿真器進行模擬和分析。配電網一二次融合仿真系統主要包括配電網一次電氣系統的故障數字仿真和二次系統的繼電保護設備的實際裝置，其中配電網一次系統數字仿真能夠對配電網的不同運行工況進行靈活、可靠的模擬，而二次系統的設備主要是采用真實的繼電保護設備進行接入模擬，能夠精確地反映繼電保護設備的物理特性和動作邏輯，一二次融合系統的具體定義如圖1所示。

圖1 配電網一二次融合系統定義

配電網一次系統模擬主要是分析配電網一次系統的故障運行特性，可精確地模擬和顯示故障期間的電壓、電流等電氣量信號，并能夠提供不同運行工況和故障條件下的電氣信息數據源。配電網電氣信息量主要是通過數據庫進行存儲，且數據庫提供配電網一次系統和二次設備的數據接口，可完成配電網一二次系統有效融合的數據轉換。二次設備系統則通過對一次系統故障信號數據的接收和分析，結合相關的保護算法進行保護動作。配電網一二次融合系統的實現方法如圖2所示。

圖2 配電網一二次融合系統實現方法

配電網一二次融合系統數據接口的關鍵設備是功率放大器和多功能傳感器，具體實現流程如下：配電網一次系統的模擬量輸出卡將輸出的電壓信號量輸送至功率放大器的采樣接口，功率放大器將接收到的電壓信號放大后再輸送給二次系統繼電保護設備；而二次系統設備的輸出電流通過傳感器采樣后并將其轉換成電壓信號，并通過模擬量輸入卡將采集的電壓信息傳輸到一次配電網系統，從而實現了配電網一次系統和二次設備系統之間的有效融合。

2 測試平臺設計

2.1 測試平臺基本組成

在配電網一二次融合系統基礎上，搭建了對應的通用測試平臺，測試平臺主要包括一二次融合系統數字動態模擬和仿真、測試規約、調度自動化和信息安全等，各系統組成關系如圖3所示。

圖3 測試平臺各系統之間關系

配電網一次系統采用RTDS數字仿真可對配電網的不同運行工況進行模擬，而二次系統與一次系統接口后能夠對一次系統的數據采集和動作控制；規約測試主要是完成配電網一二次融合系統的不同協議測試，包括一致性測試和互操作測試等；調度自動化主要是模擬和仿真配網調度系統，與測試平臺通過移動網絡連接；信息安全系統主要是對配電網網絡攻擊事件的模擬。

除此之外，從硬件組成部分來看，測試平臺的正常運行需由外部輔助系統提供供電電源、監測設備以及功能分析設備，主要分為電源模塊、安控模塊、統計分析模塊以及顯示模塊。其中電源模塊為測試平臺提供可靠的供電電源，主要包括市電系統和直流供電系統；安控模塊主要是對設備實際參數、設備運行狀態、環境狀況等進行監測；記錄分析模塊主要是對測試數據、網絡性能進行記錄和分析；顯示模塊則是對測試平臺的分析記錄結果進行直觀有效的展示。

2.2 測試平臺總體架構

配電網一二次融合系統測試平臺以IEC61850標準協議為基礎，主要由站控層、間隔層和過程層等三層結構組成，總體架構圖如圖4所示。測試平臺站控層主要由監控模塊、時鐘模塊以及遠動工作站等模塊組成，其功能是完成信息采集分析、主站互動等；間隔層主要包括繼電保護二次系統、綜合測控等，其功能是轉發站控層和過程層的信息，收發信息并網成二次系統繼電保護功能；過程層主要是與一二次融合系統的接口相連接，具體包括互感器和智能終端等。

圖4 測試平臺總體架構

2.3 測試平臺接口設計

測試平臺接口主要是實現平臺與一二次融合系統、外部輔助功能系統之間的信息交互，主要由邏輯接口和物理接口所組成。其中邏輯接口主要是平臺和一二次仿真系統、調度自動化系統之間的信息交互，具體的功能包括信息采樣、主站遠程接口等；而物理接口則是平臺與外委功能模塊連接所需要的電纜、光纖等接口材料。

測試平臺接口部分主要包括接口算法以及接口設備，接口算法主要是對一二次融合系統、調度自動化系統等輸出量以及反饋量的延時或者誤差進行補償，以提高一二次系統融合系統的信息采樣精度，而接口設備則是連接一二次融合系統、外部輔助功能的實際設備，接口設備性能的好壞對仿真系統的精度具有較大的影響。因此，在設計測試平臺接口時采用有效合理的接口算法，同時選型合適的接口設備，有效降低數據之間交互的時間延時以及誤差。

2.4 測試平臺實現方法

一二次融合系統測試平臺在站控層、間隔層和過程層架構基礎上，采用分層結構和模塊化思想完成閉環測試，其基本實現如圖5所示，主要包括測試平臺接口層、方案設置層和測試層，其中測試平臺接口層由過程層來實現，其關鍵組成包括工業交換機以及實時仿真平臺RTDS的GTNET-GSE模塊，為被測一二次融合系統提供測試接口；方案設置層包括一二次融合系統數據模型、測試方案數據庫以及測試方案的多類型數據接口庫，方案設置層是附加開發模塊，能夠對于不同運行特性的一二次融合系統進行二次開發，編輯和設置對應的測試方案；測試層則主要在間隔層實現，其由測試控制模塊以及GOOSE報文通信模塊組成。

圖5 測試平臺實現方法

結合配電網一二次融合系統閉環測試平臺實現思路，制定一二次融合系統實時閉環測試的總體實現流程如圖6所示，具體如下：

圖6 一二次融合系統閉環測試總體流程

1）建立一二次融合系統模型。首先利用RTDS仿真平臺搭建配電網一次系統模型，具體包含配電網結構、保護設備模塊、故障控制模塊，并進一步搭建一次系統的電子式互感器模塊，通過仿真模擬配電網在故障情況下的運行特性來獲取對應的故障電壓、電流信號；然后設置二次系統設備參數以及接口設備的運行參數，將一次系統采集到的電壓、電流信號連接至RTDS的GTNET_SV采樣值板卡輸入端，通過GTNET_SV模塊將這些采樣值數字信號變為滿足IEC61850-9-2LE通信標準協議的格式數據幀，所有訂閱了該采集信號的間隔層設備都能夠獲取該類信息。

2）配置測試方案。通過配電網一二次融合系統的通信模塊，對一二次融合系統的數據模型進行分析，根據提前配置的測試方案來設置一二次融合系統的測試任務方案，并生成對應的一二次融合系統測試報告模板。

3）啟動測試平臺。通過操控測試平臺的主控中心模塊，打開配置好的具體測試方案，并開始測試工作，不同的測試項目采用不同的測試指標進行測試。測試平臺啟動后，一次系統電壓和電流信號的輸出格式為滿足IEC61850-9-2LE標準的以太網數據幀形式，而二次系統保護設備的信息采用GOOSE報文的方式進行輸出。

4）形成閉環測試。當測試平臺能夠接收到一次系統的GOOSE報文信息，對二次系統保護設備的動作信號進行解析，對測試方案中的一二次融合系統的基本功能測試以及接口通信性能測試等進行測試驗證，從而形成配電網一二次融合系統的閉環測試系統。

5）處理測試異常。在測試平臺的測試過程中，對測試過程可能存在的異常情況進行分析和判斷，如果測試過程中存在異常現象，需調整之前的測試流程，當異常排除后再次執行之前的測試流程。

6）生成測試結果。當檢測到測試任務已完成，測試平臺控制中心對測試結果數據進行讀取和保存，并判斷當前的測試結果是否滿足合格標準，最后對測試結果寫入到準備好的報告模板，生成滿足要求的測試報告。

3 測試平臺應用

利用本文設計的測試平臺對搭建的配電網一二次融合系統的性能進行測試和分析，測試內容包括配電網一二次融合系統的一次系統故障運行特性、二次系統設備保護動作特性以及GOOSE網絡流量。

首先在測試平臺上配置測試方案，設定配電網一次系統發生單相接地短路故障，一次系統的輸出特性發生變化且二次系統的開關保護動作，同時二次系統會將跳閘信號發送給基于RTDS的一次系統。當一次系統接收到二次系統傳送的報文信息后，此時二次設備運行狀態也將發生改變。對此過程的一次系統故障運行特性、二次系統設備保護動作特性以及GOOSE網絡流量進行了測試分析。

圖7是一次系統發生故障時的一次系統線路電流變化以及二次系統斷路器動作特性，圖中分別表示的是一次系統故障處的電流信息和二次系統開關動作信息。根據測試結果可知，一次系統能夠準確反映故障運行狀態的暫態過程，而二次系統保護設備能夠接收一次系統的故障信息來做出正確地動作，且一二次融合系統能夠接收二次系統所發出的跳閘控制信號，來實現對二次系統斷路器的控制。測試結果表明一二次融合系統能夠實現和GOOSE報文信息之間的快速、有效通信，確保了測試平臺的有效性、可靠性和實時性。

圖7 一二次融合系統運行特性測試

另外，圖8給出了配電網一二次融合系統在故障保護過程中的GOOSE網絡流量特性。由結果可知，測試過程中的網絡流量最高值才為40M左右，遠遠小于具有千兆帶寬的交換機設備最大網絡流量，對測試過程中的報文信息網絡輸送和一二次融合系統運行的網絡傳輸延時沒有任何影響，完全滿足配電網實際工程需求。

圖8 保護動作下的GOOSE網絡流量

4 結束語

本文針對配電網一二次融合系統在測試方面的需求，分析和設計了一種配電網一二次融合系統閉環測試平臺。首先對智能化配電網電氣設備一次、二次設備深度融合的總體框架和實現方法進行詳細闡述；然后在此基礎上通過配置文件和物理設備來分析和設計系統的測試平臺，詳細分析配電網一二次融合系統測試平臺基本組成、總體架構、接口設計以及實現方法等。最后測試平臺應用結果表明：設計的測試平臺能夠對配電網一二次融合系統的運行狀態、動作特性以及網絡流量等進行有效、可靠和實時的檢測。