智能變電站一體化調試系統(tǒng)分析

肖黎，張海龍，石光

（國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢　430000）

?

智能變電站一體化調試系統(tǒng)分析

肖黎，張海龍，石光

（國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢430000）

摘要：通過對智能變電站調試系統(tǒng)進行一體化的設計，將目前分散實現(xiàn)的各個功能，優(yōu)化整合為一個方便各個層面使用的系統(tǒng)平臺；通過一體化系統(tǒng)平臺面向智能變電站實現(xiàn)一次電網整體仿真建模、全站聯(lián)合調試及對一次異常情況下二次系統(tǒng)響應進行分析、校驗等功能，分析了一體化系統(tǒng)對智能變電站安全穩(wěn)定運行方面所起到的保護作用。

關鍵詞：智能變電站；一體化；集成調試；等效仿真；安全保護

Project Supported by Science and Technology Research Program of State Grid Corporation of China（WNZ141-0017）.

作為智能電網不可或缺的組成部分，智能變電站在智能電網中起著至關重要的作用?！笆濉庇媱澠陂g，國家電網公司提出建設“統(tǒng)一堅強的智能電網”。為了實現(xiàn)這一宏偉愿景，需要對智能變電站二次系統(tǒng)的測試和調試問題進行系統(tǒng)的分析和探討。

隨著IEC61850通信規(guī)約在智能變電站中的應用，信號的變換、采集和傳輸?shù)确矫婢l(fā)生了根本性的變化。對比常規(guī)變電站，智能變電站對系統(tǒng)智能化、自動化的要求更高。因此除了安全、穩(wěn)定的運行基本要求外，調試系統(tǒng)還要能夠保證監(jiān)控實時化、配置一體化、系統(tǒng)自動化。因此原有的分散的運維調試設備已不能滿足智能變電站的需求。本文通過對智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)進行一體化的設計，將目前分散實現(xiàn)的各個功能，優(yōu)化整合為一個方便各個層面使用的系統(tǒng)平臺；通過一體化系統(tǒng)平臺面向智能變電站實現(xiàn)一次電網整體建模、全站聯(lián)合監(jiān)控及對一次異常情況下二次系統(tǒng)響應進行分析、校驗等功能，分析了一體化監(jiān)控系統(tǒng)對智能變電站安全穩(wěn)定運行方面所起到的保護作用。

1　一體化系統(tǒng)的需求分析

先從變電站需求進行考慮。首先是系統(tǒng)集成方便的需要，由于在智能變電站的快速發(fā)展過程中增加了很多新的設備和功能，也隨之誕生了很多的新系統(tǒng)，如智能輔助系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等。因此導致了變電站的內部曾在多種系統(tǒng)功能的局面，在給運行人員和檢修人員帶來了更大的工作量的同時也提高了變電站建設的開銷。其次就是信息交互的需求，除了工作量和開銷問題，多套系統(tǒng)共存的問題給變電站帶來的最大問題就是由于多種設備所用設備和通信規(guī)約不統(tǒng)一，導致了設備狀態(tài)信息無法共享，設備運維和管理也非常不便。然后就是高級應用功能的需求，這正是智能變電站“智能”二字的關鍵所在。智能變電站很多高級應用是建立在對全站設備狀態(tài)信息數(shù)據的實時掌握從而進行智能化的分析和處理，而當前的系統(tǒng)遠遠不能達到智能變電站的需求。

再就是調度方面的需求。與智能變電站類似，調度中心也越來越重視高級應用在實際運行中的實用性。在國家電網公司提出“大運行”的建設要求后，這種要需求更加迫切。這一切也是建立在智能變電站能夠為調度中心提供質量更高、更實時的變電站全景數(shù)據，而這更需要有一套好的系統(tǒng)對調度中心信息的采集提供強有力的支撐。

最后要對生產管理的需求進行分析。伴隨智能電網技術的不斷創(chuàng)新，生產管理系統(tǒng)也對智能變電站提出了更高的要求。由于設備的運行維護在生產管理系統(tǒng)中至關重要，運維工作很多都要在智能變電站內完成。如果能夠達到生產管理系統(tǒng)與智能變電站的共享和聯(lián)動，可以大大地提高智能變電站的智能化水平。這些都是當前傳統(tǒng)系統(tǒng)所不具備的，因為一體化系統(tǒng)的需求極為迫切。

2　一體化系統(tǒng)的解決方案

2.1智能變電站的傳統(tǒng)調試系統(tǒng)

根據IEC61850標準，智能變電站的二次系統(tǒng)被分為站控層、間隔層和過程層。其中站控層的作用是對電網和一次設備進行遠程控制、監(jiān)測，對二次設備進行管理。而間隔層的作用對一次設備的保護、測量和自動控制的功能。而過程層的作用是對一次設備進行信息采集、監(jiān)測設備狀態(tài)和執(zhí)行控制命令。當前智能變電站調試系統(tǒng)在進行系統(tǒng)測試和調試時，所有站控層、間隔層、過程層的二次設備都要進行準備。先是層的二次設備在完成配置前提下進行單體調試。然后繼續(xù)完成二次系統(tǒng)的虛端配置后連接數(shù)字化網絡鏈路，達到與二次系統(tǒng)信號對點傳動。緊接著完成所有系統(tǒng)應用所需配置組態(tài)，當上述工作全部完成的時候才能夠進行智能變電站的調試工作。由此可見，上述的步驟導致了目前變電站整個二次系統(tǒng)的監(jiān)控工作量大且周期較長。而且中間環(huán)節(jié)所需不同的設備與層之間配合過多，因此當某個環(huán)節(jié)出了問題排查起來難度也很大，導致了智能變電站二次系統(tǒng)的調試工作成本高且效率低。正因如此，一些很高級的應用功能卻因為二次設備的準備不足而得不到實際的應用，同時也對智能變電站的功能的高級化和智能化的進展產生阻礙。

2.2智能變電站的一體化調試系統(tǒng)

為了解決傳統(tǒng)監(jiān)控模式的不足之處本文參考了等效電路的理念，決定對智能變電站的二次設備采用等效仿真的測試方案，該方案避免了傳統(tǒng)調試系統(tǒng)中全部二次設備集結到位才能進行集成調試的狀況。在該設計方案中先是在邏輯上對二次系統(tǒng)調試部分進行分類，分成應用功能、應用輸入輸出功能、調試輸入輸出功能及等效采集功能四部分。

智能變電站二次設備的等效仿真測試方案中核心部分就是仿真測試和集成調試，而且具體的設計方案中要對智能變電站的二次系統(tǒng)進行重新劃分。其中要將功能集成測試部分抽象出全部智能站中二次設備的等效仿真測試系統(tǒng)。其中該系統(tǒng)的站控層上層部分為高級應用功能，主要是在集成調試功能中對全站二次設備進行數(shù)據采樣和高級控制支撐，而站控層下層部分的功能是在通信測試功能中對二次設備進行數(shù)據采樣和控制支撐。如圖1所示。

圖1　智能變電站站控層二次系統(tǒng)對象結構圖Fig. 1 The objective structure of the secondary system on the station control floor of the smart substation

同理對間隔層的二次設備可以采用相同思路，即通過等效仿真對間隔層的二次設備進行仿真搭建。通過仿真的二次系統(tǒng)來等效于二次設備間隔層的輸入輸出，并以此為基礎實現(xiàn)對仿真二次系統(tǒng)和和真實設備的一體化集成調試。如圖2所示。

圖2　智能變電站二次系統(tǒng)等效仿真測試邏輯示意圖Fig. 2 The logic diagram of the secondary system equivalent simulation testing of the smart substation

在采取了等效仿真對二次系統(tǒng)的應用功能部分進行等效代替后，應用功能的集成調試功能就可以通過等效的仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)，而不再依賴于真實設備的支撐。既可以實現(xiàn)在完成全仿真測試和集成調試的前提下達到二次系統(tǒng)的有效分離，又能夠在上下支撐一致的情況下將測試部分和集成調試部分整合覆蓋到整個二次系統(tǒng)，達到了調試系統(tǒng)的一體化設計。采用這種一體化的集成調試系統(tǒng)可以通過有效的減少智能變電站二次系統(tǒng)集成調試的環(huán)節(jié)來提高調試效率和質量，對智能變電站高級功能的推廣起到了積極的作用。

3　關鍵技術分析

通過對上述方案的思考，為了達到將站控層上層高級應用功能與二次設備的通信測試功能并行的目的，本文需要構建的仿真測試系統(tǒng)既能夠充分支持高級應用的業(yè)務又能對智能站內全部二次設備進行通信測試。為此本文中采用應用業(yè)務流嗅探引擎對智能站全站的二次設備進行實時業(yè)務流嗅探并對數(shù)據庫進行不間斷在線監(jiān)測。該引擎的優(yōu)勢在于預先設置好二次設備中需要獲得的信息數(shù)據和傳輸序列，以此來模擬信息的采集和數(shù)據傳輸?shù)牟襟E并，從而滿足應用功能業(yè)務數(shù)據的需求和對站控層高級應用業(yè)務流的實時偵測。該引擎可以根據應用發(fā)給控制主體的控制命令的發(fā)出時機并將其自動截獲，從而達到控制業(yè)務流的仿真全過程。再根據控制結果進行向上反饋，之后就可以支撐智能操作、優(yōu)化控制、一鍵操作等高級應用功能的全閉環(huán)仿真測試。

解決了站控層仿真系統(tǒng)之后，為了達到對各類保護和測控裝置仿真的實際需求，間隔層二次設備仿真系統(tǒng)中要采用一種可以跨平臺通用的數(shù)字仿真技術。由于跨平臺需要的需求，該仿真技術需要多種技術的共同支撐，包括多線程技術、內存共享技術、多IP認證等。首要的工作就是要先將不同的標準型二次設備的功能抽象化，也就是將所有的設備的各個標準包括硬件配置、軟件屬性及邏輯保護一一列出分解，然后使用通過邏輯圖對硬件的輸入輸出進行定義并將保護控制邏輯圖形化表達，以此來搭建一個二次設備的通用型仿真平臺。該平臺硬件部分包含：模擬信號接口、數(shù)字信號接口、電子互感器裝置及相關測試設備。軟件部分采用RTDS仿真系統(tǒng)對硬件進行模擬。

由此可知該跨平臺通用仿真系統(tǒng)通過對仿真的二次設備硬件配置、軟件屬性和保護邏輯進行可視化配置操作，再采用動態(tài)編碼技術將硬件配置、軟件配置、算法統(tǒng)統(tǒng)編譯成DLL動態(tài)鏈接庫就可以實現(xiàn)不同類型的保護測控裝置的通用仿真。除此之外，由于系統(tǒng)是基于多線程技術設計的，對操作系統(tǒng)線程采用直接控制的方式，滿足了多服務器多設備的仿真的同時又達到了二次設備實時性仿真的目的。而為了達到基于IEC61850標準對模擬二次設備通信協(xié)議的通信鏈接仿真，系統(tǒng)采用通用服務器多IP地址認證的方式進行工作。除了模擬設備之外，系統(tǒng)還要對實際的二次設備進行仿真。于是系統(tǒng)對真實設備采取了HMI封裝，封裝后再編譯成動態(tài)鏈接庫。這樣在進行二次設備仿真時，可以達到在面板上顯示和操作模擬實際二次設備的效果，完成了在通用服務器上二次設備全仿真的目的。另外為了支持間隔層二次設備仿真測試和單體調試功能，在該二次設備仿真系統(tǒng)中增加了二次設備測試儀的模擬功能。如圖3所示。

圖3　二次設備仿真系統(tǒng)結構圖Fig. 3 The secondary equipment simulation system structure

4　一體化調試系統(tǒng)配置結構及保護分析

一體化智能化變電站調試系統(tǒng)中包含3個主要部分，其中有全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)（ADPSS）、數(shù)字化接口裝置（ADPSS-DID-B1）及智能站仿真分析裝置。ADPSS仿真系統(tǒng)可以對智能站所在一次系統(tǒng)進行電磁暫態(tài)仿真，按照固定的仿真步長計算被測系統(tǒng)所需要的電流、電壓等信息，數(shù)字化接口裝置對合并單元+智能斷路器統(tǒng)一建模，以“數(shù)字＜-＞數(shù)字”的轉換方式將仿真系統(tǒng)計算產生的電氣量信息實時轉換成為符合IEC61850規(guī)約的報文發(fā)送給被測系統(tǒng)，同時采集保護裝置的跳合閘GOOSE報文，轉換為開關動作信息后代入實時仿真，從而將智能站二次系統(tǒng)介入全數(shù)字實時仿真中開展閉環(huán)動態(tài)試驗研究。

智能站仿真分析裝置除完成一次配置及仿真控制外，也可通過報文記錄接口，對被測智能站和仿真系統(tǒng)間的交互信息進行智能分析，從而對測試結果進行檢驗。圖4所示的就是仿真系統(tǒng)測試波形圖。圖中可以看到，用該方法校驗可以同時得到誤差的結果，方便有效，現(xiàn)場多用該種方法。

圖4　仿真系統(tǒng)測試波形圖1　Fig. 4 Waveform 1 of the simulation system test

集成式智能化變電站調試系統(tǒng)可以對智能站一次電網整體進行統(tǒng)一建模，采取電磁暫態(tài)仿真方式，為智能站提供近似于運行工況的數(shù)據流?？蓪ΡＷo在單重/多重故障下動作行為，以及對保護定值、邏輯、時間等特性參數(shù)進行綜合測試，也可以對智能站多間隔乃至全站進行聯(lián)合調試，可有效縮短工程調試周期，簡化調試流程，提高現(xiàn)場調試效率。更重要的是，這個系統(tǒng)可以對各種復雜的、可能發(fā)生的一次異常情況下二次系統(tǒng)的響應進行充分的分析、校驗，從而發(fā)現(xiàn)二次系統(tǒng)在設計、配置及保護配合方面的隱患，以保證智能化變電站的安全、穩(wěn)定運行。

5　結語

由于等效仿真測試和集成調試新型模式在智能變電站中的使用，完成了在不需要將站內全部二次設備都集成在一起的情況下依然可以采用等效仿真的技術手段來實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分應用功能測試的輸入輸出采集控制及執(zhí)行等操作的等效仿真。成功地達到了二次系統(tǒng)集成調試的并行操作，進而智能變電站的仿真測試和集成調試效率也隨之大幅提升。這種采用新模式的智能變電站二次設備一體化調試系統(tǒng)在智能變電站的實際應用現(xiàn)場集成測試、現(xiàn)場集成調試及智能站改建的調試中取得了良好的效果。本文從對基于IEC61850智能變電站通信標準的站控層以及間隔層進行了研究與分析，而對于過程層二次設備的特點還要根據實際情況進行具體的研究與分析。通過對智能變電站一體化調試系統(tǒng)進行測試與分析，可以很有效地提升智能變電站調試與運維的工作效率以及質量，對智能變電站的建設和推廣也起著很好的作用和積極的影響。

參考文獻

[1]劉煥志，胡劍鋒，李楓，等.變電站自動化仿真測試系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動，2012，36（9）: 109-112. LIU Huanzhi，HU Jianfeng，LI Feng，et al. Design and implementation of simulation test system for substation automation[J]. Automation of Electric Power Systems，2012，36（9）: 109-112（in Chinese）.

[2]李志興，蔡澤祥，許志華.繼電保護裝置動作邏輯的數(shù)字仿真系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（14）: 97-101. LI Zhixing，CAI Zexiang，XU Zhihua. Digital simulation system of relay protection movement logic[J]. Automation of Electric Power Systems，2006，30（14）: 97-101（in Chinese）.

[3]翁之浩，劉東，柳勁松，等.基于并行計算的饋線自動化仿真測試環(huán)境[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（7）: 43-46. WENG Zhihao，LIU Dong，LIU Jinsong et al. A feeder automation simulation test environment based on parallel computation[J]. Automation of Electric Power Systems，2009，33（7）: 43-46（in Chinese）.

[4]馮正偉，畢天姝，徐貴光.變電站運行仿真分析系統(tǒng)[J].電力自動化設，2009，29（11）: 105-108. FENG Zhengwei，BI Tianshu，XU Guiguang. Simulation and analysis system for substation operation[J]. Electric Power Automation Equipment，2009，29（11）: 105-108.

[6] MELATTI I，PALMER R，SAWAYA G，et al. Parallel and distributed model checking in eddy[J]. International Journal on Software Tools for Technology Transfer，2009，11（1）: 13-25（in Chinese）.

[5]梁旭，張萍，胡明亮.基于實時仿真技術的變電站數(shù)字物理混合仿真與培訓系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（10）: 79-81. LIANG Xu，ZHANG Ping，HU Mingliang，et al. Hybrid simulating and training system of substation based on

real-time simulation technology[J]. Automation of Electric Power Systems，2005，29（10）: 79-81（in Chinese）.

[6]王雷，孫曉飛.智能站與常規(guī)站二次系統(tǒng)主要技術差異[J].東北電力技術，2012，33（2）: 18-20. WANG Lei，SUN Xiaofei. Primary technology difference on the second system of smart substation with conventional substation[J]. Northeast Electric Power Technology，2012，33（2）: 18-20（in Chinese）.

[7]樊陳，倪益民，竇仁輝，等.智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)有關規(guī)范的解讀[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（19）: 1-5. FAN Chen，NI Yimin，DOU Renhui，et al. Interpretation of relevant specifications of integrated supervision and control systems in smart substations[J]. Automation of Electric Power Systems，2012，36（19）: 1-5（in Chinese）.

[8]徐琳，韓楊，云偉俊，等.工廠配電系統(tǒng)電能質量仿真與治理方案研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36 （17）: 38-42. XU Lin，HAN Yang，YUN Weijun，et al. Research on power quality simulation and enhancement scheme of the distribution system of factory[J]. Power System Protection and Control，2008，36（17）: 38-42（in Chinese）.

[9]段大鵬，孫玉坤.基于三相VSI的PWM型SVG的系統(tǒng)仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2006，18（4）: 29-34. DUAN Dapeng，SUN Yukun. Simulation of three-phase PWM VSI-based SVG system[J]. Proceedings of the CSUEPSA，2006，18（4）: 29-34（in Chinese）.

[10]王修龐，羅虎，李朝陽.變電站集控運行管理模式探索[J].繼電器，2008，36（8）: 91-94. WANG Xiupang，LUO Hu，LI Zhaoyang. Substation centralized control operation management model research[J]. Relay，2008，36（8）: 91-94（in Chinese）.

肖黎（1985—），男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

（編輯黃晶）

Analysis of the Debugging System of the Smart Substation Integration

XIAO Li，ZHANG Hailong，SHI Guang
（Wuhan Nari Co.，Ltd.，State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430000，Hubei，China）

ABSTRACT：Through the integrated design of the debugging system for the smart substation，all the dispersed functions existing at present are optimized and integrated into a system platform convenient to be used for all levels. The smart substation-oriented integrated system helps to realize the overall modeling，the joint debugging of the whole substation and analysis and calibration of the response of the secondary system of the abnormal primary system，and the paper also analyzes the protection role the integration system plays in the safe and stable operation of the smart substation.

KEY WORDS：intelligent substation；integration；integrated debugging；equivalent simulation；security and protection

作者簡介：

收稿日期：2015-05-11。

基金項目：國家電網公司科技項目資助（WNZ141-0017）。

文章編號：1674- 3814（2016）03- 0058- 04

中圖分類號：TM64；TM743

文獻標志碼：B