基于D5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗系統(tǒng)方案與問題分析

王曉蔚，習新魁，胡文平，楊立波，梁 賓，李均強

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基于D5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗系統(tǒng)方案與問題分析

王曉蔚1，習新魁2，胡文平1，楊立波2，梁 賓1，李均強1

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力公司，河北 石家莊 050021)

開發(fā)了一種基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗環(huán)境，該試驗環(huán)境包括基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的省調(diào)主站模擬系統(tǒng)和變電站自動化模擬系統(tǒng)。并研發(fā)了廠站端各種自動化設(shè)備的投運前評估檢測調(diào)試試驗方法及在運自動化設(shè)備的定期巡視與檢測調(diào)試試驗方法，介紹了3個實例：遠動機報文卡頓問題測試、遠動機丟遙信信號問題測試、遠動機頻繁丟失事故總SOE信號問題測試。搭建變電站自動化設(shè)備調(diào)試試驗環(huán)境，實現(xiàn)了廠站端自動化設(shè)備及軟件檢測測試及故障診斷等功能，為變電站自動化設(shè)備和軟件符合性測試及投運前檢測提供可量化的評估手段。

智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)；遠動；測控；自動化設(shè)備；測試

0 引言

調(diào)度自動化模擬測試系統(tǒng)建設(shè)研發(fā)是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)以及無人值班變電站監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的重要保證。開發(fā)基于D5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗環(huán)境，搭建基于模擬省調(diào)主站D5000系統(tǒng)及模擬廠站綜自系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗環(huán)境，能夠針對實際生產(chǎn)需要開展相關(guān)設(shè)備和軟件的測試驗證，為變電站綜自設(shè)備和軟件符合性測試及投運前檢測提供可量化的評估手段?；贒5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗功能研發(fā)對及早發(fā)現(xiàn)變電站綜自設(shè)備和軟件的安全隱患，提高電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的運行可靠性有積極的指導意義[1-8]。

1 基于D5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗環(huán)境的搭建

基于D5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗環(huán)境包括省調(diào)度主站模擬系統(tǒng)和變電站自動化模擬系統(tǒng)。根據(jù)國網(wǎng)公司和河北公司的有關(guān)規(guī)定，針對110 kV及以上變電站對時裝置、遠動通信裝置等自動化設(shè)備提出變電站自動化新設(shè)備入網(wǎng)檢測和在運設(shè)備定期巡檢方案。通過搭建基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的變電站自動化設(shè)備調(diào)試試驗環(huán)境，變電站自動化設(shè)備可與智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)主站系統(tǒng)建立101、104規(guī)約通信，對變電站自動化設(shè)備在運行中出現(xiàn)的問題進行重演。系統(tǒng)總體物理架構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體物理架構(gòu)圖

基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的省調(diào)度主站模擬系統(tǒng)具備省調(diào)主站的典型構(gòu)造和基礎(chǔ)功能，可通過RS-232數(shù)字接口和10M/100M以太網(wǎng)接口(RJ45)和變電站自動化設(shè)備進行101、104規(guī)約通信，對變電站自動化設(shè)備進行遙控、遙調(diào)操作，并可關(guān)聯(lián)對應的遙信、遙測點，獲取關(guān)聯(lián)點的狀態(tài)或值的信息，能為變電站自動化設(shè)備測試和驗收提供主站功能支持[9-15]。

搭建變電站自動化模擬系統(tǒng)需要的基礎(chǔ)設(shè)備主要包括后臺部分、測控部分、保護部分、網(wǎng)絡(luò)部分、對時部分和遠動部分。后臺部分是指后臺監(jiān)控系統(tǒng)需要配置兩臺服務(wù)器，為主備配置。每一臺服務(wù)器使用雙網(wǎng)連接到交換機上。服務(wù)器本身可以作為操作員站使用，用于處理站內(nèi)信息并將其及時反映到顯示屏上，同時可以用來操作員對站內(nèi)開關(guān)刀閘等設(shè)備進行遙控操作。測控部分主要實現(xiàn)遙測、遙信和遙控三遙功能，由測控裝置和規(guī)約轉(zhuǎn)換器構(gòu)成?？梢耘渲?臺測控裝置(用于高壓測控功能)，1臺用于線路測控、1臺用于母線測控、2臺用于主變測控。另外配置1臺測控裝置用于實現(xiàn)低壓出線測控保護功能。裝置通過電纜與一次設(shè)備連接，通過網(wǎng)絡(luò)與后臺和遠動系統(tǒng)連接。1臺總控作為規(guī)約轉(zhuǎn)換器(用來與保護裝置通信)。測控裝置可以采用B碼對時或脈沖對時方式進行對時。保護部分主要對高壓元件如主變和高壓線路進行保護，可以采用使用1臺主變保護和1臺線路保護裝置。該裝置可與規(guī)約轉(zhuǎn)換器通過串口或網(wǎng)口通信把軟報文信息上傳給后臺系統(tǒng)進行顯示。保護部分的保護裝置接入綜自系統(tǒng)，需要通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器。后者將前者的保護報文解析，轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)103報文傳給服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)過處理后將動作和告警信息顯示在畫面上。網(wǎng)絡(luò)部分主要是指用來組建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的交換機設(shè)備。站內(nèi)設(shè)備要進行信息的交換，需要將他們進行組網(wǎng)。測控、服務(wù)器、遠動裝置、規(guī)約轉(zhuǎn)換器等通過標準網(wǎng)線接入交換機，采用A、B雙網(wǎng)配置。保護裝置、直流屏等智能設(shè)備可以通過485串口或網(wǎng)口接入規(guī)約轉(zhuǎn)換器。對時部分用來對系統(tǒng)的各種設(shè)備進行對時，要求同時具備GPS和北斗對時信號接收功能，并能輸出B碼、報文和脈沖等多種對時方式，一般由1臺主機和1臺擴展箱組成。對時主機可以通過報文方式給總控和后臺系統(tǒng)對時，擴展箱可以通過脈沖或B碼給測控和保護裝置對時。遠動部分用來將變電站數(shù)據(jù)通過遠動規(guī)約上送給調(diào)度，可以采用雙機配合調(diào)制解調(diào)擴展機箱組成，支持模擬通道、數(shù)字通道和網(wǎng)絡(luò)通道等各種通信方式。如果調(diào)度采用網(wǎng)絡(luò)104規(guī)約，則還要根據(jù)需要配置交換機和路由器。遠動部分負責將站內(nèi)信息上送給調(diào)度并接受調(diào)度的遙控指令。遠動支持CDT、IEC101、IEC104等各種規(guī)約[16-23]。

2 基于D5000系統(tǒng)的變電站綜自調(diào)試試驗項目

2.1 雪崩試驗

測試方案：利用模擬子站系統(tǒng)和主站通信，模擬子站發(fā)送遙信變位，觀察主站畫面顯示時間及告警顯示時間，模擬子站發(fā)送遙測越限，觀察主站畫面顯示時間及告警顯示時間，以測試應用軟件性能。模擬子站配置單斷面發(fā)送遙信個數(shù)、斷面發(fā)送間隔、持續(xù)發(fā)送時間等，模擬雪崩測試，以測試主站系統(tǒng)承受壓力的能力，在壓力測試過程中，主站調(diào)畫面，調(diào)曲線，做控制操作等，觀察是否有延時停頓現(xiàn)場，雪崩結(jié)束后，檢查主站告警里遙信變位的個數(shù)和模擬子站上送是否一致。在主站界面上逐一測試系統(tǒng)功能，例如上行數(shù)據(jù)解釋、下行控制命令、越限、代路、計算等等，依據(jù)國網(wǎng)自動化標準規(guī)范和實用化驗收指標。

2.2 調(diào)度自動化系統(tǒng)IEC60870標準通信規(guī)約測試研究

利用規(guī)約測試軟件對主站IEC60870標準通信規(guī)約進行測試，事先配置好測試項目、測試權(quán)值、關(guān)鍵項及必測項、自動測試參數(shù)等測試方案，然后自動形成測試腳本，進行測試，測試過程中能動態(tài)監(jiān)視測試過程，翻譯測試內(nèi)容及每項通過情況，最后得出測試結(jié)論和測試明細，測試過程中報文可以回放追述，還可以逐條手動測試，用手動測試結(jié)果補充自動測試的結(jié)論。技術(shù)標準是IEC60870標準通信規(guī)約。

2.3 調(diào)度自動化相關(guān)產(chǎn)品準入質(zhì)量測試及第三方軟件測試

將調(diào)度自動化相關(guān)產(chǎn)品接入系統(tǒng)，例如天文鐘、UPS、KVM矩陣等等，測試功能運行是否正常，測試長時間運行是否正常，相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量符合各技術(shù)規(guī)范書要求及行業(yè)標準。對于第三方軟件測試采用專用軟件測試工具，針對功能、性能、接口、穩(wěn)定性等方面逐一測試，要滿足調(diào)度自動化系統(tǒng)要求。

2.4 變電站自動化設(shè)備入網(wǎng)測試

主要開展各種自動化設(shè)備如測控、遠動設(shè)備的遙測精度測試、遙信上傳速度和分辨率的測試、各種規(guī)約測試等。測試標準有國家發(fā)布的有關(guān)自動裝置的國家標準、國家電網(wǎng)(南方電網(wǎng))及各地電力企業(yè)發(fā)布的企業(yè)標準等。使用儀器為電力行業(yè)公認且廣泛使用的各種校驗儀和測試儀。

3 遠動機報文卡頓問題測試

河北某變電站遠動裝置曾出現(xiàn)過如下問題：某50萬變電站報文出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，省調(diào)主站收到7幀報文后出現(xiàn)大概10 s的等待。通過搭建基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的變電站自動化設(shè)備調(diào)試試驗環(huán)境，變電站自動化設(shè)備可與智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)主站系統(tǒng)建立101、104規(guī)約通信，對變電站自動化設(shè)備在運行中出現(xiàn)的問題進行重演。

遠動裝置運行程序后，觀察遠動裝置上送到省調(diào)的報文，確定主站收到7幀報文后出現(xiàn)大概10 s的等待現(xiàn)象。在省調(diào)主站模擬系統(tǒng)抓住的卡頓報文如圖2所示。

圖2 遠動裝置上送省調(diào)主站報文

遠動裝置抓住的報文及打印的信息如下。通過截取的報文可以看出，總招過程卡頓，每次gstSio104.k = 12要等待10 s的超時，然后收到一幀確認幀，每次收到確認幀后，未被確認的幀數(shù)gstSio104.k ！= 0。

send kk = 11

68 2d 58 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 41 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 12

68 2d 5a 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 61 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

recv: kk = 12

68 04 01 00 5c 00

gstSio104.k = 12

temp = 46

gstSio104.SendNo = 46

(gstSio104.k + temp - gstSio104.SendNo) = 12

gstSio104.k = 5

send kk = 1

68 2d 5c 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 81 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

通過分析遠動裝置的程序，查出問題是遠動裝置的程序中值計算錯誤，導致出現(xiàn)報文卡頓，更改程序后，問題解決。遠動機對值處理后的報文信息如下。通過截取的報文可以看出，總招過程很流暢，每發(fā)8幀gstSio104.k = 8必收到一幀確認幀，每次收到確認幀后，未被確認的幀數(shù)為gstSio104.k= 0。

send kk = 8

68 2d 60 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 c1 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

recv: kk = 8

68 04 01 00 60 00

gstSio104.k = 8

temp = 48

gstSio104.SendNo = 49

(gstSio104.k + temp - gstSio104.SendNo) = 7

gstSio104.k = 0

send kk = 1

68 2d 62 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 e1 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 2

68 2d 64 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 01 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 3

68 2d 66 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 21 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 4

68 2d 68 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 41 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 5

68 2d 6a 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 61 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 6

68 2d 6c 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 81 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 7

68 2d 6e 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 a1 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 8

68 2d 70 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 c1 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

recv: kk = 8

68 04 01 00 70 00

gstSio104.k = 8

temp = 56

gstSio104.SendNo = 57

(gstSio104.k + temp - gstSio104.SendNo) = 7

gstSio104.k = 0

send kk = 1

68 2d 72 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 e1 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

4 遠動機丟遙信信號問題測試

某500 kV站多次出現(xiàn)500 kV低壓側(cè)電容電抗器開關(guān)變位信號漏報。AVC調(diào)節(jié)后，遙測信息及時上送，但遙信信息需等總召才能發(fā)送正確的遙信位置。

在實驗室搭建測試環(huán)境，進行大數(shù)據(jù)測試，即模擬大量變位遙信同時發(fā)生，每次4 300個SOE，每天大約模擬產(chǎn)生十萬個SOE，遠動雙機上送調(diào)度主站數(shù)據(jù)正常。在10月24日的一次測試中出現(xiàn)了一次備機丟失一個SOE的現(xiàn)象。針對該現(xiàn)象，修改程序，分別在IXP425接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)側(cè)和雙口RAM發(fā)送數(shù)據(jù)側(cè)、CPU雙口RAM接收數(shù)據(jù)側(cè)和功能模塊分發(fā)數(shù)據(jù)側(cè)、104模塊接收到的數(shù)據(jù)側(cè)添加監(jiān)視手段，繼續(xù)進行大數(shù)據(jù)測試。在10月28日，該現(xiàn)象又出現(xiàn)了一次。通過分析對比各程序輸出的信息，發(fā)現(xiàn)是雙口RAM在傳輸時丟失了該SOE。

遠動機的站內(nèi)數(shù)據(jù)是通過IXP425網(wǎng)卡接收處理后，通過雙口RAM發(fā)送到總控側(cè)。以SOE為例，IXP425網(wǎng)卡收到SOE后，首先申請SOE的信號燈，如果申請成功，則將一定數(shù)量的SOE寫到雙方約定的區(qū)域，然后釋放信號燈；總控CPU側(cè)在每個循環(huán)時都會申請該信號燈，如果申請成功，則讀取數(shù)據(jù)，并清空數(shù)據(jù)區(qū)，結(jié)束后釋放該信號燈。信號燈是由硬件控制，確保雙方不同時讀取數(shù)據(jù)區(qū)，以保證數(shù)據(jù)正確。IXP425側(cè)程序是有需要才申請信號燈，而CPU側(cè)是一直嘗試申請，在實際實驗中，發(fā)現(xiàn)連續(xù)幾天大數(shù)據(jù)不停讀取時，會出現(xiàn)IXP425側(cè)偶然申請不到信號燈的情況。申請不到信號燈，就無法將本次數(shù)據(jù)寫到雙口RAM數(shù)據(jù)區(qū)，在這種情況下，就會出現(xiàn)將本次數(shù)據(jù)丟失的可能。

在遠動程序中修改IXP425程序，在原邏輯的基礎(chǔ)上，增加了碰撞延時申請和一定時間內(nèi)循環(huán)申請信號燈的機制，用這兩個機制來規(guī)避IXP425側(cè)偶然申請失敗的情況。

5 遠動機頻繁丟失事故總SOE信號問題測試

河北部分變電站某型號遠動機頻繁出現(xiàn)事故后缺少事故總信號動作SOE信號。在實驗室搭建測試環(huán)境進行測試。測試型號為CSC-320EW。測試用3臺CSI200E測控裝置，CSM320EW 1臺，調(diào)試筆記本4臺。將CSI200E的13個開入用線短接在一起，然后留出一個公共端，用公共端點正電，保證所有的開入同時上送，然后將CSM320EW、CSI200E、以及4臺測試筆記本同時接到交換機上，3臺調(diào)試筆記本使用模擬主站軟件監(jiān)測報文，1臺筆記本啟后臺監(jiān)控系統(tǒng)。CSM320EW啟3個通道，配置采用500 kV清苑站配置。用測控裝置上預留的公共端點擊正電。以大概0.2 s的速度點擊，點擊5次。模擬主站接收報文出現(xiàn)丟信號現(xiàn)象。

經(jīng)過測試查明原因為程序內(nèi)核與轉(zhuǎn)出之間匹配存在問題。(1) 在qrtu.c取到消息后，所有的SOE信息都被緩存到soe_lib中，soe_lib的緩存區(qū)為512K，當新產(chǎn)生的SOE信號量大時，會溢出，極端情況會出現(xiàn)放滿。(2) q104n.c取SOE幀時，每次都從SOE緩存區(qū)的起始位置搜索未上送的SOE信號，這樣會導致SOE上送慢，另外還會導致舊的SOE長時間發(fā)不出去，新的SOE立刻發(fā)送[24-29]。

6 結(jié)語

目前，河北南網(wǎng)新入網(wǎng)變電站自動化設(shè)備接入調(diào)度自動化系統(tǒng)的測試工作，采用接入實際運行主站的方式進行。這種新設(shè)備、新技術(shù)在實際運行的系統(tǒng)上直接進行的方式，安全風險較大。開發(fā)基于智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的變電站自動化設(shè)備調(diào)試試驗系統(tǒng)，研究廠站端各種自動化設(shè)備的投運前評估檢測調(diào)試試驗方法及在運自動化設(shè)備的定期巡視與檢測調(diào)試試驗方法，能夠針對實際生產(chǎn)需要開展相關(guān)自動化設(shè)備和軟件的測試驗證，測試結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)要求后方能投入實際運行。避免自動化設(shè)備直接投運或者在運自動化設(shè)備故障對調(diào)度自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響。同時，使用該測試系統(tǒng)能對現(xiàn)運行的變電站自動化設(shè)備進行定期測試，可及早發(fā)現(xiàn)隱患，采取應對措施?；谥悄茈娋W(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的變電站自動化設(shè)備調(diào)試試驗方法是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)以及無人值班變電站監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的重要保證。

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(編輯 周金梅)

Development of test technology for integrated automation system in substation based on D5000 smart grid operation supporting system

WANG Xiaowei1, XI Xinkui2, HU Wenping1, YANG Libo2, LIANG Bin1, LI Junqiang1

(1. State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiangzhuang 050021, China; 2. State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiangzhuang 050021, China)

The test technology for integrated automation system in substation based on smart grid operation supporting system is developed. The test system includes the provincial master simulation system and substation automation simulation system based on smart grid operation supporting system. The test and assessment before operation of all kinds of automation equipment in substation and the regular inspection of running automation equipment are researched. Three examples are introduced, which includes the test of RTU message slack, telesignalling signal loss and the frequent loss of total accident signal SOE. The test and fault diagnosis of the automation equipment and software in substation are realized by building a test environment for the provincial master simulation system and substation automation simulation system. And the test system has provided quantifiable assessment tools for the test and fault diagnosis.

smart grid operation supporting system; RTU; monitoring and control devices; automation equipment; test

10.7667/PSPC152163

2015-12-12；

2016-01-11

王曉蔚(1970-)，女，博士，高工，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。E-mail: wxwhwp@163.com