智能變電站高級應(yīng)用功能測試平臺

劉 青，傅代印，鄭志勤，葉 寧

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

0 引言

高級應(yīng)用是智能變電站與常規(guī)變電站的核心區(qū)別，是提高智能變電站自動(dòng)化、互動(dòng)化程度的關(guān)鍵功能。智能電網(wǎng)要求變電站對全網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層、分級地統(tǒng)一斷面采集，以實(shí)現(xiàn)支撐電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和各類高級應(yīng)用功能;要求設(shè)備運(yùn)維與調(diào)度實(shí)現(xiàn)全面互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修。在智能變電站發(fā)展的初期，經(jīng)過一次設(shè)備及輔助系統(tǒng)的智能化，智能站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全站數(shù)字化。在數(shù)字化和信息化已經(jīng)具備的客觀條件下，只有進(jìn)一步發(fā)展變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、信息綜合分析、智能調(diào)節(jié)和協(xié)同互動(dòng)等高級應(yīng)用功能，才好充分發(fā)揮設(shè)備數(shù)字化和信息化的作用，實(shí)現(xiàn)智能變電站對智能電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)支撐作用[1～2]。所以，高級應(yīng)用必將成為建設(shè)新一代智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，與高級應(yīng)用迅猛的研發(fā)態(tài)勢形成鮮明對比的是，高級應(yīng)用功能的測試工作只限于利用儀器儀表對單一功能進(jìn)行開環(huán)檢測，而立足于全站規(guī)模的實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真測試則鮮有報(bào)道[3，4]。為了滿足工程建設(shè)需要，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定，在大量產(chǎn)品投入運(yùn)行前，應(yīng)建立完善可靠的測試環(huán)境。本文基于RTDS及相關(guān)智能設(shè)備構(gòu)建了智能變電站高級應(yīng)用功能測試平臺。該平臺可以用于智能變電站高級應(yīng)用功能的測試，具有良好的可擴(kuò)展性和可升級性。

1 RTDS及其與二次設(shè)備間接口方式

RTDS是由加拿大Manitoba高壓直流研究中心開發(fā)的專門用于實(shí)時(shí)研究電力系統(tǒng)的數(shù)字動(dòng)模系統(tǒng)，由RTDS公司制造，是當(dāng)前世界上技術(shù)最成熟、應(yīng)用也最為廣泛的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)中的電力系統(tǒng)元件模型和仿真算法，均基于目前已得到國際上普遍承認(rèn)的電磁暫態(tài)仿真程序EMTDC，其仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)情況基本一致[5～7]。RTDS 硬件上基于數(shù)字信號處理器DSP，采用并行處理方式，仿真步長能達(dá)到50 μs級別，計(jì)算速度完全可以滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的要求。

RTDS除具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢外，更重要的一點(diǎn)是配備了多種外接擴(kuò)展板卡，包括模擬量接口卡 (如DDAC，GTAO)、數(shù)字量接口卡 (如GTDI，GTDO)及網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接口卡 (如GTNET)等，進(jìn)而可以與實(shí)際物理設(shè)備連接完成閉環(huán)動(dòng)模試驗(yàn)。在大型動(dòng)模試驗(yàn)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(jī)組合。RTDS與外界開關(guān)量交換方式主要有兩種:利用GTDI，GTDO卡或3PC卡并口與開關(guān)量轉(zhuǎn)換裝置 (PAD)組合;利用變電站事件卡GTNET_GSE直接與交換機(jī)組合。上述方式可根據(jù)仿真目的、規(guī)模及試驗(yàn)條件的不同靈活選取。

2 高級應(yīng)用功能測試平臺

本文構(gòu)建智能變電站高級應(yīng)用功能測試平臺的總體思路是:利用RTDS模擬實(shí)際變電站一次系統(tǒng)運(yùn)行工況，變電站二次設(shè)備依據(jù)DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)及國網(wǎng)公司相關(guān)原則建模組網(wǎng)，合理設(shè)計(jì)RTDS與二次設(shè)備間模擬量及開關(guān)量的接口方式，按照Q/GDW 383-2009和Q/GDW 678-2011這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定高級應(yīng)用功能測試策略，進(jìn)而形成完整的高級應(yīng)用實(shí)時(shí)閉環(huán)測試系統(tǒng)。平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高級應(yīng)用功能測試平臺整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the platform fortesting advanced application

2.1 RTDS軟件架構(gòu)及一次系統(tǒng)模型

RTDS的軟件架構(gòu)是其與用戶交互的接口。運(yùn)行在RTDS前臺工作站的軟件有兩個(gè)版本，一個(gè)是運(yùn)行在Unix上的PSCAD;另一個(gè)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(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模、下裝并實(shí)時(shí)運(yùn)行仿真模型、輸電線路建模、電流電壓波形分析、用戶開發(fā)自定義組件等功能。

由于高級應(yīng)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(yùn)行工況的能力。本平臺選取某區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)已投運(yùn)的500 kV和220 kV智能變電站各一例，按其實(shí)際參數(shù)分別搭建了各自相映的一次系統(tǒng)及控制系統(tǒng)模型，以保證應(yīng)用在不同電壓等級智能站的高級應(yīng)用都有合適的測試環(huán)境。

2.2 二次設(shè)備組網(wǎng)

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

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

根據(jù)DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)及國網(wǎng)公司相關(guān)原則，對二次設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模，將各裝置能力描述文件(ICD)導(dǎo)入系統(tǒng)配置器進(jìn)行配置，生成變電站配置文件 (SCD)，再用裝置配置器從SCD中導(dǎo)出各裝置的實(shí)例配置文件 (CID)下載到各裝置中運(yùn)行。其中，保護(hù)采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”形式，全光口交換機(jī) (PSW618D)用于組建過程層網(wǎng)絡(luò)，光口帶電口交換機(jī) (PSW618E)用于組建站控層網(wǎng)絡(luò)，對時(shí)方式采用簡單、可靠的IRIG-B碼對時(shí)。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(shè)備接口設(shè)計(jì)

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?yàn)椴杉髋c合并單元之間通過FT3報(bào)文接口，而不同廠家FT3報(bào)文格式目前還沒有統(tǒng)一，這使得合并單元不能無縫更換，不便于平臺后期維護(hù)。RTDS與智能操作箱開關(guān)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(kuò)展，PAD與智能操作箱之間通過觸點(diǎn)分合交換信息，無報(bào)文協(xié)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(guān)鍵技術(shù)一定是趨于成熟可靠[9]，并且高級應(yīng)用是位于站控層，將來測試平臺的過程層設(shè)備很可能得到簡化進(jìn)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(jī) (如圖1)，在對高級應(yīng)用功能測試的同時(shí)，測試GTNET卡在國家電網(wǎng)公司做“六統(tǒng)一”規(guī)定后，與國內(nèi)知名設(shè)備制造商提供的二次設(shè)備間的互操作性能。

2.4 高級應(yīng)用測試策略

要實(shí)現(xiàn)平臺對高級應(yīng)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(dāng)前尚缺乏關(guān)于高級應(yīng)用功能測試動(dòng)模試驗(yàn)方面的規(guī)程，所以本平臺依照Q/GDW 383-2009《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》和Q/GDW 678-2011《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》中關(guān)于高級應(yīng)用功能的要求，編制了應(yīng)用于不同電壓等級智能站的高級應(yīng)用測試策略，力求達(dá)到能對高級應(yīng)用功能進(jìn)行全面考查的目的。

3 高級應(yīng)用功能測試實(shí)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(yīng)用功能的測試。測試采用220 kV智能變電站系統(tǒng)模型，一次主接線如圖3所示，測試對象為PS6000+自動(dòng)化系統(tǒng)高級應(yīng)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(shí)施試驗(yàn)前，對整個(gè)平臺進(jìn)行了采樣值校對和開關(guān)量傳動(dòng)及對點(diǎn)，確保了平臺數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及通信有效;試驗(yàn)中，以RTDS的Runtime界面和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文與暫態(tài)故障記錄分析裝置共同構(gòu)成測試平臺對高級應(yīng)用功能的實(shí)時(shí)分析工具，并與PS6000+自身的監(jiān)控記錄進(jìn)行對比，確保了試驗(yàn)結(jié)果分析的科學(xué)性。由于試驗(yàn)規(guī)模較大，數(shù)據(jù)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(xiàng)進(jìn)行說明。需指出，在站域備自投測試中，一次系統(tǒng)模型中的66 kV雙母接線被視為單母分段接線，母聯(lián)開關(guān)視為分段開關(guān)。表2為試驗(yàn)步驟，圖4為監(jiān)控界面顯示分段備投執(zhí)行成功，圖5為報(bào)文記錄，圖6為故障錄波。

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

圖4 PS6000+監(jiān)控界面Fig.4 Monitoring interface of PS6000+

圖5 報(bào)文記錄Fig.5 Message recording

圖6 故障記錄Fig.6 Fault recording

另外，在高級應(yīng)用功能測試之外，本文也做了GTNET卡與國內(nèi)知名品牌二次設(shè)備之間互操作性能的測試。利用抓包工具解析GTNET_SV所發(fā)報(bào)文，發(fā)現(xiàn)雖然所發(fā)電氣量數(shù)值正確，但其沒有反映時(shí)間延遲的第零通道，并且只能發(fā)出一組電流和一組電壓，而當(dāng)前合并單元采用雙A/D配置，保護(hù)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(dǎo)入國內(nèi)多數(shù)廠家的保護(hù)、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(fā)揮更大的作用，需要RTDS公司與國內(nèi)各二次設(shè)備廠家進(jìn)行聯(lián)調(diào)，以使GTNET卡更符合我國智能變電站建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 不兼容信息Fig.7 Incompatible information

4 結(jié)論

高級應(yīng)用在新一代智能變電站中，將起著關(guān)鍵作用，這一點(diǎn)已成為業(yè)內(nèi)的共識[10-12];然而對高級應(yīng)用功能實(shí)時(shí)閉環(huán)測試方面的研究卻明顯滯后于其功能的研發(fā)。本文正是鑒于上述事實(shí)，搭建了智能變電站高級應(yīng)用功能測試平臺，試圖在大量產(chǎn)品投入運(yùn)行前，能夠建立完善可靠的實(shí)時(shí)閉環(huán)測試環(huán)境，力求對高級應(yīng)用功能進(jìn)行全面考查，提早發(fā)現(xiàn)問題，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。對高級應(yīng)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(yīng)用功能的測試;另外，本平臺各層間標(biāo)準(zhǔn)化的接口方式，便于增加測試間隔及相應(yīng)設(shè)備，具有良好的可擴(kuò)展性;同時(shí)，隨著RTDS外接GTNET卡與國內(nèi)智能站IED互操作性能的提升，平臺所需過程層設(shè)備可以大大簡化，具有可升級性。

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