智能變電站實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺與調(diào)試模式研究

曹 敏，沈 鑫，陳 晶，李 萍，戴太文

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力研究院 云南 昆明650000；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司 福建 福州 350003）

智能變電站實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺與調(diào)試模式研究

曹 敏1，沈 鑫1，陳 晶2，李 萍1，戴太文2

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力研究院 云南 昆明650000；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司 福建 福州 350003）

針對目前智能變電站二次系統(tǒng)集成調(diào)試環(huán)境搭建工作量大、配合環(huán)節(jié)多、調(diào)試周期長等問題，采用改進(jìn)的二次系統(tǒng)仿真測試和集成調(diào)試模式，設(shè)計(jì)了智能變電站工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺，并詳述了該平臺的軟硬件實(shí)現(xiàn)。通過對變電站過程層設(shè)備（智能終端、MU單元）進(jìn)行單體測試機(jī)系統(tǒng)測試，驗(yàn)證了平臺硬件架構(gòu)的合理性，可支持變電站二次設(shè)備的間隔層通信功能，以及過程層、站控層的仿真功能，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

智能變電站；集成調(diào)試；仿真測試平臺；過程層仿真

智能變電站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能，其二次設(shè)備信息化、集成度較常規(guī)變電站有很大提升[1]。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的“十二五”規(guī)劃，在2016年前我國將建成數(shù)千座智能變電站。隨著智能變電站二次系統(tǒng)應(yīng)用功能的豐富，對其的集成調(diào)試工作亦愈加復(fù)雜，面臨調(diào)試周期長、配合環(huán)節(jié)多、集成調(diào)試難度大等問題，進(jìn)而阻礙了智能變電站的進(jìn)一步發(fā)展[2]。因此，為滿足智能變電站大規(guī)模建設(shè)的要求，函需探索一種適應(yīng)發(fā)展要求的智能變電站二次系統(tǒng)集成調(diào)試模式，同時設(shè)計(jì)高效的系統(tǒng)級仿真測試平臺，縮短集成測試周期，對智能變電站的推廣發(fā)展具有重要的工程意義。

目前對智能變電站系統(tǒng)級實(shí)驗(yàn)仿真平臺的設(shè)計(jì)是國內(nèi)外電力系統(tǒng)狀態(tài)測試領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，相比于國外系統(tǒng)開發(fā)水準(zhǔn)[3-4]，我國在該領(lǐng)域的系統(tǒng)開發(fā)尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化流程及關(guān)鍵狀態(tài)評價指標(biāo)。為此，國內(nèi)諸多學(xué)者提出了測試方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[5-9]，另外，文獻(xiàn)[10]分析了數(shù)字化測控裝置與傳統(tǒng)測控裝置的異同，初探討了數(shù)字化測控裝置的性能測試項(xiàng)目和測試方法，搭建了相應(yīng)的測試平臺；文獻(xiàn)[11]以電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置為核心設(shè)備，開發(fā)了基于lEC61850的數(shù)字化保護(hù)檢測系統(tǒng)；文獻(xiàn)[12]提出了基于RTDS的新型數(shù)字化變電站測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出了對智能保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的自動應(yīng)用測試方法。

為此，文中在借鑒國內(nèi)較多技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了智能變電站二次系統(tǒng)仿真測試和集成調(diào)試模式，利用仿真測試的技術(shù)手段對支撐各應(yīng)用功能的采集輸入和執(zhí)行輸出的外部特性進(jìn)行仿真，簡化了集成調(diào)試流程。設(shè)計(jì)了智能變電站工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺的總體架構(gòu)，并詳述了該平臺的軟硬件實(shí)現(xiàn)及相關(guān)功能。該仿真測試平臺可根據(jù)需要靈活配置，具有過程層仿真測試功能，可對變電站過程層設(shè)備（智能終端、MU單元）進(jìn)行單體測試機(jī)系統(tǒng)測試，可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　智能變電站二次系統(tǒng)集成調(diào)試模式改進(jìn)

智能變電站二次系統(tǒng)大多劃分為站控層、間隔層和過程層等三層。站控層主要負(fù)責(zé)全站電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、遠(yuǎn)方控制以及二次設(shè)備管理等，同時實(shí)現(xiàn)智能告警、數(shù)據(jù)辨識、故障綜合分析等高級應(yīng)用功能。間隔層實(shí)現(xiàn)對變電站一次設(shè)備的保護(hù)、測量和自動化控制；過程層則主要由MU單元和智能終端等設(shè)備構(gòu)成，完成與一次設(shè)備相關(guān)的實(shí)時運(yùn)行電氣量的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等功能[13]。目前的集成調(diào)試模式需各層先完成設(shè)備配置、單體調(diào)試以及整站虛端子配置和網(wǎng)絡(luò)連接，接著完成二次系統(tǒng)的信號對點(diǎn)和傳動試驗(yàn)，同時完成監(jiān)控系統(tǒng)各應(yīng)用的配置和組態(tài)之后，才能進(jìn)行智能變電站高級應(yīng)用功能的測試和集成調(diào)試。

然而，這種集成測試模式的弊端在于其工作量大、環(huán)節(jié)多，調(diào)試周期長、效率低，未從電網(wǎng)的角度對變電站二次系統(tǒng)開展整體測試。因此，為滿足智能變電站大規(guī)模建設(shè)的需要，進(jìn)一步提高集成測試效率，縮短工程調(diào)試周期，有必要設(shè)計(jì)適應(yīng)于智能變電站的工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的單設(shè)備、單間隔以及全站的自動測試。通過這一套功能高度集成的系統(tǒng)級測試平臺的應(yīng)用，引導(dǎo)集成測試向系統(tǒng)化、自動化模式轉(zhuǎn)變。

在平臺搭建之前，需分析智能變電站二次系統(tǒng)對象結(jié)構(gòu)，并對二次系統(tǒng)集成調(diào)試模式重新進(jìn)行劃分。抽象出全站二次設(shè)備對象等效仿真測試系統(tǒng)，上層高級應(yīng)用功能的測試和集成調(diào)試僅需要全站二次設(shè)備采集和控制對象的支撐，下層二次設(shè)備的前置通信測試也僅需要全站二次設(shè)備數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)采集和控制命令下發(fā)的支撐。其系統(tǒng)對象結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能變電站二次系統(tǒng)對象結(jié)構(gòu)圖

另外，為簡化集成調(diào)試流程，將其分為組態(tài)測試和系統(tǒng)測試兩大業(yè)務(wù)模塊，將常規(guī)單體調(diào)試的項(xiàng)目分?jǐn)偟絻纱髽I(yè)務(wù)模塊當(dāng)中。在組態(tài)測試階段，首先完成常規(guī)組態(tài)配置工作，生成全站SCD文件并下裝到IED裝置中，將IED裝置全部接入到工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺，平臺應(yīng)能根據(jù)SCD配置和性能檢測標(biāo)準(zhǔn)自動實(shí)現(xiàn)以下功能[14]：①檢驗(yàn)MU單元SV采樣精度、延時及點(diǎn)對點(diǎn)輸出的等間隔性能；②檢驗(yàn)智能終端的開關(guān)量輸入輸出；③檢驗(yàn)保護(hù)測控的采樣值精度和開關(guān)量輸入輸出。而在系統(tǒng)測試階段，按照變電站設(shè)計(jì)組網(wǎng)，將IED設(shè)備的采樣值回路和GOOSE網(wǎng)絡(luò)接入仿真測試平臺，在其中按變電站接線方式建電網(wǎng)模型，模擬全站MU的采樣值輸出以及一次斷路器分合狀態(tài)，通過在不同區(qū)域設(shè)置各種故障類型，整體驗(yàn)證二次系統(tǒng)功能的正確性。

采用此改進(jìn)的二次系統(tǒng)集成調(diào)試模式可減少二次系統(tǒng)各部分的集成調(diào)試環(huán)節(jié)，提高調(diào)試效率及可實(shí)施性，推動智能變電站高級功能的推廣和應(yīng)用。

2　工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺的總體架構(gòu)

通過對集成測試的需求分析，智能變電站工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺總體架構(gòu)

該平臺由實(shí)驗(yàn)仿真測試軟件子系統(tǒng)、間隔層仿真子系統(tǒng)、過程層仿真子系統(tǒng)、同步對時系統(tǒng)、變電站綜合自動化系統(tǒng)等組成。其中，實(shí)驗(yàn)仿真測試軟件子系統(tǒng)位于站控層（包含站控層仿真測試子系統(tǒng)），主要實(shí)現(xiàn)變電站SCD文件智能化解析，全站二次設(shè)備圖形化全景展示，二次設(shè)備狀態(tài)顯示，二次設(shè)備配置查詢，變電站一次接線圖編輯；實(shí)現(xiàn)SCD配置文件版本管理，SCD文件規(guī)范化檢查；構(gòu)建智能變電站測試專家?guī)觳⑦M(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)變電站二次設(shè)備單體測試，繼保、測控、計(jì)量等子功能系統(tǒng)測試，變電站全站系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試等功能。

間隔層仿真測試子系統(tǒng)包含保護(hù)仿真模塊、測控仿真模塊、計(jì)量仿真模塊和間隔層測試系統(tǒng)模塊，主要實(shí)現(xiàn)變電站間隔層的保護(hù)系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)的仿真，對間隔層保護(hù)、測控、計(jì)量3大系統(tǒng)的設(shè)備單體測試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試功能。其硬件接口有：光網(wǎng)口（SV/GOOSE）、電網(wǎng)口、同步口及遠(yuǎn)程控制口等；軟件模塊有：繼保仿真模塊、測控仿真模塊、同步測試模塊、繼保測試模塊、測控測試模塊及計(jì)量測試模塊[15]。

過程層仿真測試子系統(tǒng)則包含MU單元仿真模塊、智能終端仿真模塊和過程層測試模塊，主要實(shí)現(xiàn)過程層的MU單元、智能終端設(shè)備的模擬仿真，支持過程層SV、GOOSE直采直跳、分組組網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)模式的搭建以及對MU單元、智能終端的單體測試和聯(lián)合間隔層完成保護(hù)、測控、計(jì)量3大系統(tǒng)的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試。其硬件設(shè)備有：光網(wǎng)口（SV/GOOSE）、光串口（FT3）、同步口（光/電）及遠(yuǎn)程控制口、模擬源、電壓電流表、開關(guān)量（I/O）等；軟件模塊有：MU單元仿真模塊、智能終端仿真模塊、同步測試模塊、MU單元測試模塊、智能終端測試模塊，可仿真SV直采、SV與GOOSE共網(wǎng)及SV與GOOSE分別組網(wǎng)等方式。

同步對時系統(tǒng)采用GPS或北斗兩種對時方式，支持B碼、PPS秒脈沖和IEEE 1588多種同步對時協(xié)議，可根據(jù)需要靈活配置。

在測試過程中，實(shí)驗(yàn)仿真測試子系統(tǒng)通過通訊模塊調(diào)用過程層仿真子系統(tǒng)輸出SV報文的遙測值給測控裝置，綜合自控系統(tǒng)通過通訊模塊將遙測數(shù)據(jù)反饋給測試子系統(tǒng)；測試軟件子系統(tǒng)通過通訊模塊調(diào)用過程層仿真子系統(tǒng)輸出GOOSE報文的遙信變位給測控裝置，綜合自控系統(tǒng)通過通訊模塊將遙信數(shù)據(jù)反饋給測試軟件子系統(tǒng)；之后，測試軟件子系統(tǒng)通過通訊模塊下發(fā)遙控命令給綜合自控系統(tǒng)，輸出GOOSE報文給過程層仿真子系統(tǒng)，并通過通訊模塊進(jìn)行反饋。

該平臺主要可以實(shí)現(xiàn)以下測試：①模擬過程層設(shè)備MU單元輸出SV報文的遙測量，實(shí)現(xiàn)對測控裝置的遙測測試；②模擬過程層設(shè)備智能終端輸出GOOSE報文的狀態(tài)量給測控裝置，實(shí)現(xiàn)對測控裝置的遙信測試；③測試軟件模擬主站發(fā)出遙控命令，遙控的選擇、返校在測控裝置完成，執(zhí)行命令通過GOOSE狀態(tài)直接發(fā)送給過程層，實(shí)現(xiàn)對測控裝置的遙控測試。測試軟件可通過專家?guī)斓谋葘Ψ治?，形成閉環(huán)測試。

3　工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺的軟硬件實(shí)現(xiàn)

3.1硬件設(shè)計(jì)

為確保智能變電站工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺大規(guī)模、高實(shí)時性的測試要求，可模擬變壓器、母差各種故障狀態(tài)，同時保障在任何負(fù)載情況下數(shù)據(jù)的精確時延發(fā)送（100 Mbps≤40 ns、1 000 Mbps≤10 ns），所有數(shù)據(jù)輸入響應(yīng)≤100 s，支持通道獨(dú)立映射，該平臺子機(jī)架構(gòu)以Power PC＋FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)ower PC模塊以P2020為核心，F(xiàn)PGA采用Xilinx V7系列，可支持至少24對光纖輸出接口，每路最高可支持6.25Gbps速率。每臺子機(jī)提供10對100 Mbps～1000 Mbps光纖以太網(wǎng)接口、6路光發(fā)送串口、2路光接收串口，支持IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2及GOOSE發(fā)送、接收；支持IEC 60044-7/8報文輸出與接收。另外，提供12路模擬小信號輸入/輸出模塊；4對開關(guān)量輸出、8對開關(guān)量輸入；1路電B碼對時接口，1路光B碼對時接口，1路獨(dú)立RS485同步接口。其子機(jī)硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺的子機(jī)硬件架構(gòu)

3.2軟件設(shè)計(jì)

測試平臺全站仿真軟件采用實(shí)時數(shù)字仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算以及靜態(tài)故障計(jì)算，可實(shí)時模擬全站二次系統(tǒng)的電氣量、設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并監(jiān)測其運(yùn)行、動作反饋信息，通過與其他測試單元的交互通訊，完成全站二次系統(tǒng)的動作特性測試。其架構(gòu)可分為4層，即通信層，數(shù)據(jù)層，功能層和應(yīng)用界面層，如圖4所示。

圖4　工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺軟件總體架構(gòu)

其中，通信層完成本軟件系統(tǒng)的通信功能，包含MMS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[16]、通信配置協(xié)議，未來可根據(jù)實(shí)際需要升級支持101、103遠(yuǎn)動協(xié)議。MMS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[17]開發(fā)，支持變電站二次設(shè)備的間隔層通信功能；配置通信協(xié)議為本系統(tǒng)私有協(xié)議，用于與間隔層、過程層的測試儀器進(jìn)行測試配置下發(fā)、測試結(jié)果上報、測試過程控制等測試功能通信。數(shù)據(jù)層完成本軟件的數(shù)據(jù)存儲功能，包含數(shù)據(jù)庫、文件庫、版本庫。數(shù)據(jù)庫用于存儲本軟件系統(tǒng)各種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如用戶信息、日志等；版本庫用于對SCD等文件進(jìn)行版本管理，受版本庫管理的文件支持版本差異化分析、版本溯源、版本回退等功能；文件庫用于存儲本系統(tǒng)軟件無需版本管理的文件，如系統(tǒng)配置文件等。功能層是本系統(tǒng)軟件各種功能的實(shí)現(xiàn)，主要有權(quán)限管理、仿真測試專家?guī)熘袠?biāo)準(zhǔn)庫的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)站控層仿真的功能，如SCD分析引擎、“三遙”功能等。應(yīng)用界面層為用戶接口層，完成本系統(tǒng)軟件的用戶輸入、狀態(tài)信息輸出功能，實(shí)現(xiàn)用戶登錄與管理，仿真測試專家?guī)斓墓芾?，測試方案的管理，測試結(jié)果顯示，測試報告生成，變電站全景顯示、保護(hù)特性測試等功能。

4　結(jié)束語

文中研究了智能變電站二次系統(tǒng)集成調(diào)試模式及工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺的設(shè)計(jì)問題。結(jié)合現(xiàn)有集成調(diào)試模式，分析了其局限性，其改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)集成調(diào)試的有效分離，提升了智能變電站仿真測試和集成調(diào)試的效率。在此基礎(chǔ)上，以擴(kuò)展性、開放性、自動化測試為設(shè)計(jì)目標(biāo)，搭建了智能變電站工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺，對平臺子機(jī)硬件架構(gòu)進(jìn)行了詳述。同時為實(shí)時模擬全站二次系統(tǒng)的電氣量、設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并監(jiān)測其運(yùn)行、動作反饋信息，對其軟件架構(gòu)進(jìn)行了分層描述。通過建立一種適應(yīng)智能變電站發(fā)展要求的二次系統(tǒng)新型調(diào)試模式和工程實(shí)驗(yàn)仿真測試平臺，可有效地提升智能變電站調(diào)試、運(yùn)維的工作效率和自動化水平，對智能變電站的建設(shè)和應(yīng)用推廣也應(yīng)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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Research on testing mode and simulation platform of smart substations

CAO Min1，SHEN Xin1，CHEN Jing2，LI Ping1，DAI Tai-wen2
（1.State Grid Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650000，China；2.Fujian Yirong Information Technology co.，LTD.，F(xiàn)uzhou 350003，China）

In order to the disadvantages during smart substation secondary system integrated debug environment building such as large amount of work,many coordination link and long debugging period,the improved modes of secondary system simulation test were adopted.Then the smart substation engineering experimental simulation test platform was designed and specified its hardware and software implementations of this platform.This test platform could be configured flexible according to the requirement,it had the function of simulation test for process level,could be performed single tester system test to the equipment in process level（smart terminal,MU unit）,and supported the function of bay level communication and the simulation function of process and station levels,the result indicated that it had good economic benefit and social benefit.

smart substation；integrated testing；simulation testing platform；process layer simulation

TN914

A

1674－6236（2016）22-0168-04

2015-11-24稿件編號：201511235

曹 敏（1961—），男，山東齊河人，高級工程師。研究方向：智能電網(wǎng)、設(shè)備監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。