基于IEC61850的智能水電廠測試流程及關(guān)鍵技術(shù)研究

胡少英，姜 曉，芮 鈞，王銘業(yè)，曹 曲(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京 210000)

0 引 言

智能水電廠是智能電網(wǎng)的重要組成部分，注重水電廠的安全和效益[1]，建立在集成、統(tǒng)一、可靠的軟硬件平臺基礎(chǔ)上，具有信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術(shù)特征[2]。通過智能化建設(shè)，提高水電廠生產(chǎn)管理和設(shè)備安全運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)全廠系統(tǒng)間的無縫連接與互操作。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺，提出了公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過規(guī)范化設(shè)備的信息建模及功能接口，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備及系統(tǒng)之間的無縫連接，是電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域通用標(biāo)準(zhǔn)，具有信息分層、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)自描述、抽象通信服務(wù)接口與特定通信服務(wù)映射統(tǒng)一的特點(diǎn)[3]?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了水電廠數(shù)據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了智能水電廠監(jiān)視和控制的公用數(shù)據(jù)類、邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對象[4]，促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部、與其他系統(tǒng)之間的設(shè)備互操作及信息共享。

智能水電廠與傳統(tǒng)水電廠相比是一種巨大的變革，對智能水電廠設(shè)計(jì)與研究的成果需要通過大量試驗(yàn)來驗(yàn)證目標(biāo)的符合程度，通過研究智能化的需求及實(shí)現(xiàn)的途徑，研究檢測的方法與工具，建立評估與測試的環(huán)境平臺等，確保水電廠符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，滿足智能水電廠的建設(shè)需求。

1 智能水電廠體系結(jié)構(gòu)

智能水電廠采用橫向分區(qū)、縱向分層的體系結(jié)構(gòu)，橫向劃分為安全I(xiàn)區(qū)、安全I(xiàn)I區(qū)和管理信息大區(qū)；縱向根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，將智能水電廠劃分為過程層、單元層和廠站層，系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1。

過程層部署各類一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元、智能終端等[5]，設(shè)備根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模[6]。單元層部署各類現(xiàn)地自動化系統(tǒng)，包括繼電保護(hù)系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等二次設(shè)備，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。廠站層部署橫跨安全I(xiàn)區(qū)、安全I(xiàn)I區(qū)和管理信息大區(qū)的分布式一體化管控平臺，并在該平臺上部署實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息管理、調(diào)度控制、狀態(tài)檢修等各類智能應(yīng)用組件，并提供對外的統(tǒng)一接口[5]。

圖1 智能水電廠分層架構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of intelligent hydropower plant

智能水電廠廠站層與單元層采用IEC 61850-8-1的MMS(Manufacturing Message Specification，制造報(bào)文規(guī)范)報(bào)文通信，單元層與過程層采樣值采用SMV(Sampled Measured Value，采樣測量值)報(bào)文通信， 跳閘等實(shí)時(shí)性要求高的通信則采用GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件)報(bào)文傳送。

2 基于IEC 61850的智能水電廠測試驗(yàn)證流程

智能水電廠引入了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了水電站運(yùn)行管理向一體化、智能化模式轉(zhuǎn)變。為了確保智能水電廠的建設(shè)需求，在投入工程應(yīng)用前要進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)，研究檢測的方法與工具、評估的范圍，建立評估與測試的環(huán)境平臺，驗(yàn)證產(chǎn)品的有效性及目標(biāo)的符合程度。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)也在第十部分規(guī)定了實(shí)現(xiàn)一致性測試的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，提出了設(shè)備一致性測試和性能測試的方法。

與傳統(tǒng)的測試流程類似，基于IEC61850的智能水電廠測試驗(yàn)證也可按照以下3個(gè)階段進(jìn)行：

(1)單元測試：單元測試是對系統(tǒng)中最小可測單元進(jìn)行檢查和驗(yàn)證。從智能水電廠的分層結(jié)構(gòu)來看，單元測試階段的測試主要是測試系統(tǒng)各組成部分的功能實(shí)現(xiàn)，如保護(hù)、監(jiān)控、測量等。

(2)集成測試：是在單元測試的基礎(chǔ)上，將單元組裝成模塊、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，測試各部分是否達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)智能水電廠的技術(shù)指標(biāo)及要求?；贗EC61850，集成測試內(nèi)容主要是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的一致性測試。

(3)系統(tǒng)測試：是將已經(jīng)確認(rèn)的軟件、計(jì)算機(jī)硬件、外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)等其他元素結(jié)合在一起，針對整個(gè)智能水電廠產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足了需求規(guī)格的定義，是否可協(xié)調(diào)完成智能水電廠的功能以及所期望的性能要求?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)，即驗(yàn)證系統(tǒng)通信及設(shè)備的互操作性。

3 基于IEC61850的智能水電廠測試關(guān)鍵內(nèi)容

智能水電廠建立在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，IED(Intelligent Electronic Device，智能電子設(shè)備)按照IEC61850通信規(guī)約進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了信息模型應(yīng)用的一致性、通信服務(wù)應(yīng)用的一致性、通信服務(wù)映射和通信協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的一致性。相比傳統(tǒng)設(shè)備，除了驗(yàn)證智能設(shè)備的功能，還需要驗(yàn)證IED通信接口與標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性、互操作性及通訊網(wǎng)絡(luò)[7]。

3.1 IED一致性測試

一致性測試表明IED按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法與其他IED互聯(lián)運(yùn)行的能力，能夠明顯減少系統(tǒng)集成時(shí)出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)，確保交付的自動化系統(tǒng)符合規(guī)范。IEC61850-10規(guī)定了實(shí)現(xiàn)一致性測試的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并對一致性測試環(huán)境的搭建提出了指導(dǎo)。

一致性測試[8]主要按照設(shè)備的協(xié)議實(shí)現(xiàn)一致性陳述(Protocol Implementation Conformance Statement, PICS)、協(xié)議實(shí)現(xiàn)額外信息(Protocol Implementation eXtra Information, PIXIT)、模型實(shí)現(xiàn)一致性陳述(Model Implementation Conformance Statement, MICS)中表明的能力進(jìn)行測試，主要內(nèi)容包括：

(1)文件和設(shè)備控制版本檢查：檢查設(shè)備的PICS、MICS以及PIXIT文件和被測設(shè)備的軟硬件版本是否相符。

(2)配置文件測試：測試ICD(IED Capability Description，IED能力描述文件)配置文件與SCL(Substation Configuration Description Language，變電站配置描述語言) XML模型定義是否一致；檢查ICD配置文件與待測設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類型和服務(wù)是否相符；采用SCD(Substation Configuration Description，變電站配置描述)配置工具改變配置參數(shù)，檢查配置與SCD文件是否相符。

(3)數(shù)據(jù)模型測試：包括數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)模型擴(kuò)展和數(shù)據(jù)模型映射。

(4)抽象通信服務(wù)接口模型和服務(wù)映射測試：對DL/T860.72-2004中為模型規(guī)定的各類與水電廠相關(guān)的服務(wù)進(jìn)行肯定和否定測試。

3.2 通信測試

智能水電廠現(xiàn)地控制系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)，通過通信協(xié)議上送至智能一體化管控平臺，實(shí)現(xiàn)了全廠數(shù)據(jù)共享互動化[6]。智能水電廠IEC61850通信服務(wù)端軟件運(yùn)行于單元層，實(shí)現(xiàn)了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)模型、服務(wù)器類模型、邏輯設(shè)備模型、邏輯節(jié)點(diǎn)模型、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)集模型和報(bào)告控制塊模型[6]，通過調(diào)用相關(guān)的模型服務(wù)，獲取IED設(shè)備模型，通過報(bào)告方式將遙測和遙信數(shù)據(jù)發(fā)送至客戶端，并通過控制模型為客戶端提供遙調(diào)和遙控。IEC61850通信客戶端軟件運(yùn)行于廠站層，管理與通信服務(wù)端的連接、接收服務(wù)端發(fā)出的遙測和遙信數(shù)據(jù)并將平臺的遙控和遙調(diào)命令下發(fā)至現(xiàn)地設(shè)備。

對通信的測試，主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)通信過程、MMS/ ACSI、GOOSE過程[7]，如：①連接管理，包括連接的建立、釋放和放棄；②報(bào)文傳輸?shù)耐暾约罢_性；③遙調(diào)及遙控等控制操作是否可正確解析并實(shí)現(xiàn)；④網(wǎng)絡(luò)異?；蛟O(shè)備故障等情況下的服務(wù)重連、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)重傳等；⑤通信性能，包括實(shí)時(shí)性能、緩存容量等。

4 結(jié) 語

為了確保智能水電廠中的各類智能設(shè)備滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，需要建立評估與測試的環(huán)境平臺，研究檢測的方法、工具，將測試活動貫穿于智能水電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的全過程中。本文探討了基于IEC61850的智能水電廠的測試策略與驗(yàn)證流程，并重點(diǎn)研究了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試與通信測試。今后，還有待于進(jìn)一步研究基于IEC61850的互操作性及自動化檢測平臺技術(shù)，保障智能水電廠建設(shè)過程的安全和可靠。

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[1] 王德寬,張 毅,劉曉波,等. 智能水電廠自動化系統(tǒng)總體構(gòu)想初探[J]. 水電廠自動化與大壩監(jiān)測, 2011,36(1):1-5.

[2] 劉觀標(biāo),李曉斌,李永紅,等. 智能水電廠的體系結(jié)構(gòu)[J]. 水電廠自動化與大壩監(jiān)測, 2011,35(1):1-5.

[3] 王 哲. 基于IEC61850的變電站過程層與間隔層技術(shù)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué),2008.

[4] 彭志強(qiáng),朱 辰. IEC 61850在智能水電廠應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)[J]. 水電廠自動化與大壩監(jiān)測,2011,35(5):6-9.

[5] 彭志強(qiáng),朱 辰,徐 潔. 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)探討智能水電廠建設(shè)[J]. 能源技術(shù)經(jīng)濟(jì),2011,23(9):24-28.

[6] 吳家祺,郭瞳瞳,彭志強(qiáng),等.IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在智能水電廠數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用[J]. 水電廠自動化與大壩監(jiān)測,2011,35(6):5-8.

[7] 吳俊興,胡敏強(qiáng),吳在軍,等. 基于IEC618850標(biāo)準(zhǔn)的智能電子設(shè)備及變電站自動化系統(tǒng)的測試[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007,31(2):70-74.

[8] DL/T 860.10-2006, 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第10部分：一致性測試[S].