基于無線數(shù)據(jù)通信的智能變電站二次設(shè)備集成測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

羅蓬，郝曉光，趙宇皓，何磊

（國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021）

0 引 言

智能變電站基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，采用數(shù)字化采樣、智能一次設(shè)備和光纖以太網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和全站信息共享的特點(diǎn)，在提高變電站智能化水平的同時(shí)也給變電站的檢測(cè)、調(diào)試和試驗(yàn)提出了更高的要求［1-3］。

智能變電站測(cè)試是確保智能變電站順利投運(yùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能變電站二次設(shè)備及系統(tǒng)功能的可靠性、有效性都依賴于測(cè)試技術(shù)的保證［4］。智能變電站二次設(shè)備的測(cè)試不僅應(yīng)包括合并單元、智能終端、數(shù)字化保護(hù)等設(shè)備的單元檢測(cè)，還需要對(duì)設(shè)備之間的通信、互操作以及組成系統(tǒng)進(jìn)行全面的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試［5］。目前，國(guó)內(nèi)外一些測(cè)試儀器廠家著手開發(fā)了數(shù)字化保護(hù)測(cè)試儀［6］，實(shí)現(xiàn)了與智能站保護(hù)裝置等智能電子設(shè)備的互聯(lián)互通，但仍屬于傳統(tǒng)保護(hù)測(cè)試方法，測(cè)試項(xiàng)目分散獨(dú)立，通常只能完成特定設(shè)備、單一功能的單獨(dú)測(cè)試。而各類仿真系統(tǒng)可以對(duì)智能站二次設(shè)備進(jìn)行全數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試［7-8］，但這類仿真系統(tǒng)普遍體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前僅適合將變電站二次設(shè)備運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)開展測(cè)試，無法滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試需求。

針對(duì)上述問題，提出了一種智能站二次設(shè)備集成測(cè)試新方案，并構(gòu)建了系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)。該系統(tǒng)將高速同步無線通信技術(shù)與電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真相結(jié)合，解決了變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)過程中最困難的接線問題，可靈活實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備跨間隔協(xié)同故障測(cè)試、整組傳動(dòng)等功能，為智能站內(nèi)包括繼電保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等全面功能提供了整體測(cè)試的環(huán)境，具有重要的理論意義與工程價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)方案

本文提出了一種新的基于無線數(shù)據(jù)通信的智能站二次設(shè)備集成測(cè)試方案，如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)主要由高性能智能變電站實(shí)時(shí)仿真器、實(shí)時(shí)I/O接口裝置、高速同步無線數(shù)據(jù)通道、分布式數(shù)據(jù)終端等幾部分構(gòu)成。

圖1 無線集成測(cè)試總體方案Fig.1 General plan of wireless integrated test

實(shí)時(shí)仿真器配置有適用于智能變電站不同主接線形式的通用模型參數(shù)庫(kù)，能夠模擬變電站正常運(yùn)行以及各類故障、誤操作的電磁暫態(tài)過程［9-11］，通過亞毫秒級(jí)無線通道將暫態(tài)計(jì)算的結(jié)果以電流電壓采樣數(shù)據(jù)的形式同步發(fā)送至各被測(cè)變電站間隔，并利用分布式數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)集成測(cè)試系統(tǒng)與變電站二次系統(tǒng)間的GOOSE、SV、模擬量等數(shù)據(jù)信息交互，靈活有效的實(shí)現(xiàn)站內(nèi)合并單元、智能終端、保護(hù)裝置等單裝置及整組測(cè)試，從而考察單套保護(hù)的動(dòng)作行為以及多套保護(hù)的協(xié)同配合能力。集成測(cè)試系統(tǒng)與真實(shí)的智能變電站二次設(shè)備共同構(gòu)成閉環(huán)的模擬測(cè)試環(huán)境。

2 智能變電站二次設(shè)備無線集成測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

2.1 智能變電站實(shí)時(shí)仿真器

智能變電站實(shí)時(shí)仿真器是整個(gè)集成測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，包含電網(wǎng)仿真核心單元、時(shí)間同步模塊、人機(jī)接口模塊三個(gè)部分。智能電網(wǎng)仿真核心單元基于多核多處理器并行計(jì)算技術(shù)，采用QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)模擬和電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真，模擬變電站正常運(yùn)行和各種設(shè)備故障、誤操作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)過程。時(shí)間同步模塊實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的時(shí)間同步，確保閉環(huán)仿真的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。時(shí)間同步模塊可以通過 IRIG-B、IEEE 1588、GPS三種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)［12-13］，確保適應(yīng)不同測(cè)試環(huán)境。人機(jī)接口模塊提供可視化的人機(jī)操作界面，可以讓測(cè)試人員在仿真設(shè)備上進(jìn)行啟停操作以及各種故障參數(shù)設(shè)置。

仿真器主機(jī)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，人機(jī)界面運(yùn)行于其中，既能提供正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)、測(cè)控等裝置所需的高精度電流、電壓值，也能夠提供電網(wǎng)故障及誤操作時(shí)的故障電流、電壓值。仿真器擁有主變、線路、斷路器、隔離開關(guān)、母線、負(fù)荷、互感器等設(shè)備詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型和各種故障模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出更為復(fù)雜的復(fù)合性、發(fā)展性故障，能夠?qū)?shù)字化保護(hù)、測(cè)控等二次設(shè)備的性能進(jìn)行全面細(xì)致的動(dòng)模測(cè)試。

2.2 實(shí)時(shí)I/O接口裝置

實(shí)時(shí)I/O接口設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算核心和外圍分布式模擬裝置進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互?；诟咝阅芊抡嫫鞯倪\(yùn)算結(jié)果，通過數(shù)字或模擬的方式為繼電保護(hù)、測(cè)控等裝置提供高精度的電壓、電流信號(hào)源，并能夠?qū)崟r(shí)采集斷路器、隔離開關(guān)、接地設(shè)備的狀態(tài)反饋給主機(jī)。實(shí)時(shí)I/O接口設(shè)備由通信接口卡，高速同步數(shù)模轉(zhuǎn)換器，高速通信及開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)時(shí)I/O接口設(shè)備的硬件利用FPGA可編程邏輯器件設(shè)計(jì)，提高了靈活性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性?；贔PGA的PCI-E接口設(shè)計(jì)，利用內(nèi)置于FPGA的PCI Express專用集成模塊，降低硬件設(shè)計(jì)成本，提高硬件集成度。

2.3 高速同步無線數(shù)據(jù)通道

按照國(guó)家電網(wǎng)公司智能站典型設(shè)計(jì)要求，220 kV及以上智能站間隔層保護(hù)布置在保護(hù)室內(nèi)，而過程層合并單元及智能終端布置在就地間隔匯控柜，基于此分布式布局，本測(cè)試系統(tǒng)過程層和間隔層之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式。無線通信設(shè)備通過實(shí)時(shí)I/O接口的PCI-E總線與仿真主機(jī)相連，將電流電壓量分別發(fā)送到指定的間隔，并將各間隔反饋來的GOOSE報(bào)文解析后上傳給仿真器。無線傳輸?shù)囊霕O大提升了集成測(cè)試系統(tǒng)的便攜化程度，然而無線通信本身具有的數(shù)據(jù)可靠性差、穩(wěn)定性差等問題，也成為影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。目前市場(chǎng)上的無線設(shè)備在數(shù)據(jù)吞吐量、傳輸時(shí)延抖動(dòng)、丟包率等指標(biāo)上均無法滿足閉環(huán)、實(shí)時(shí)仿真測(cè)試的要求，因此本文利用DSP及FPGA硬件設(shè)計(jì)開發(fā)了專用的無線收發(fā)機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線收發(fā)機(jī)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram ofwireless transceiver

通信協(xié)議方面，選用通用性較強(qiáng)的 IEEE 802.11n無線通信協(xié)議，并有針對(duì)性的對(duì)一些關(guān)鍵通信機(jī)制進(jìn)行剪裁和調(diào)整，主要包括：

（1）采樣值無線單向廣播和重復(fù)發(fā)送機(jī)制：為了克服空口條件較為惡劣情況下的數(shù)據(jù)丟幀問題，通過改變RTS/CTS握手協(xié)議，采用未經(jīng)編碼的單向采樣數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送，傳輸效率可提高10倍。同時(shí)，下行采樣數(shù)據(jù)采用單向廣播通信模式，即所有間隔所需的電流、電壓數(shù)據(jù)統(tǒng)一組包發(fā)送，接收端進(jìn)行拆分處理，避免了不同間隔終端競(jìng)爭(zhēng)信道使用權(quán)造成的退避等待延時(shí)，提高了傳輸實(shí)時(shí)性；

（2）應(yīng)用層插值機(jī)制：802.11n協(xié)議規(guī)定，當(dāng)接收端收到數(shù)據(jù)包后，向發(fā)送端回傳一個(gè)ACK包進(jìn)行告知，若發(fā)送端沒有收到ACK包，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)包在傳輸過程中丟失，而一直重新發(fā)包，造成較大的數(shù)據(jù)延時(shí)和抖動(dòng)。本系統(tǒng)采用一種數(shù)據(jù)差值機(jī)制避免上述情況的發(fā)生：對(duì)于個(gè)別多次傳輸仍然出錯(cuò)的采樣數(shù)據(jù)，直接將其拋棄，在應(yīng)用層通過相鄰點(diǎn)插值的方式補(bǔ)齊，而不用一直重新發(fā)包；

（3）接收側(cè)緩存機(jī)制：在無線接收端建立一塊專用的內(nèi)存區(qū)域用于接收數(shù)據(jù)的緩存處理，緩存時(shí)間為0 ms～100ms可設(shè)置，精確到100μs級(jí)別。采用該機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)抖動(dòng)的完全消除，確保數(shù)據(jù)同步、平滑輸出，為變電站二次系統(tǒng)提供符合規(guī)約的仿真數(shù)據(jù)；

（4）雙信道無線通信機(jī)制：采樣值和GOOSE信息數(shù)據(jù)量差異較大，且采樣值具有更高的傳輸優(yōu)先級(jí)。為保證采樣值的優(yōu)先、實(shí)時(shí)傳輸，避免射頻天線工作時(shí)的同頻、臨頻干擾，采樣值和GOOSE信息分別采用不同頻率信道進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)利用5.8 GHz頻段傳輸采樣，2.4 GHz頻段傳輸GOOSE報(bào)文，在射頻端掛載不同頻段的天線。該無線通信設(shè)備數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖3 無線設(shè)備數(shù)據(jù)流圖Fig.3 Data flow chart of wireless device

2.4 分布式數(shù)據(jù)終端

分布式數(shù)據(jù)終端將仿真測(cè)試平臺(tái)與真實(shí)的智能變電站二次系統(tǒng)連接在一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過程的閉環(huán)。實(shí)際應(yīng)用中，可將各數(shù)據(jù)終端放置于各待測(cè)間隔匯控柜旁，通過電纜或光纜與合并單元、智能終端等二次設(shè)備相連。該數(shù)據(jù)終端同時(shí)具有模擬量和數(shù)字量?jī)煞N采樣值輸出模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)合并單元前后輸出的模擬。此外，終端還具有GOOSE報(bào)文通信功能，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或GOOSE網(wǎng)與保護(hù)、測(cè)控等設(shè)備相連，成為間隔層和過程層狀態(tài)信息交互的接口。為確保測(cè)試系統(tǒng)和二次設(shè)備的高度時(shí)間一致性，終端還具有精確對(duì)時(shí)和確定性同步的功能。終端硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)終端硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure of data terminal

數(shù)據(jù)終端同時(shí)支持兩個(gè)無線模塊，通過無線信道與仿真主機(jī)連接，一個(gè)接收采樣值信息，另一個(gè)專門用于收發(fā)開關(guān)量及位置信息。終端支持8個(gè)光百兆以太網(wǎng)接口，其中4個(gè)用于傳送IEC 61850-9-2或FT3格式SV報(bào)文，另外4個(gè)用于傳送GOOSE報(bào)文。SV通信采用全數(shù)據(jù)集報(bào)文，數(shù)據(jù)終端通過8位唯一標(biāo)識(shí)號(hào)從SV報(bào)文中提取本間隔所需采樣值。

數(shù)據(jù)終端支持8路DA開出，后端接放大器輸出電流電壓模擬量采樣數(shù)據(jù)，提供給常規(guī)采樣合并單元。兼容雙母線和3/2接線兩種主接線形式。在雙母線形式下，線路間隔提供1u+3i的模擬量輸出，母線間隔提供3u+3u的模擬量輸出；在3/2接線方式，線路間隔輸出4u+4i的模擬量，母線間隔輸出4u+4u的模擬量。終端和仿真主機(jī)通過多種方式進(jìn)行同步：

（1）仿真主機(jī)和終端均配備獨(dú)立的天基GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)，通過 GPS接口連接對(duì)時(shí)天線，實(shí)現(xiàn)同步對(duì)時(shí)；

（2）主機(jī)和終端預(yù)留ST光口，連接到變電站光B碼對(duì)時(shí)屏柜，和站內(nèi)對(duì)時(shí)系統(tǒng)保持同步；

（3）采用無線數(shù)傳radio主從對(duì)時(shí)，主機(jī)向終端發(fā)送獨(dú)立的無線對(duì)時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主從之間的同步。

上述三種同步方式可根據(jù)實(shí)際空間環(huán)境、信號(hào)條件等單獨(dú)選擇，也可以同時(shí)工作、互為后備，確保整個(gè)仿真測(cè)試系統(tǒng)工作在同一個(gè)時(shí)鐘下。不同的無線終端同步在10μs的精度范圍內(nèi)。

3 變電站測(cè)試實(shí)驗(yàn)

針對(duì)本文提出的智能站二次設(shè)備集成測(cè)試系，在河北南網(wǎng)某220 kV智能變電站進(jìn)行了實(shí)際性能測(cè)試試驗(yàn)。該變電站一次系統(tǒng)規(guī)模為：220 kV電壓等級(jí)雙母線接線，2回出線；110 kV單母分段接線；35 kV單母分段接線。利用二次設(shè)備集成測(cè)試系統(tǒng)搭建變電站模擬測(cè)試環(huán)境，并采用故障仿真方式對(duì)典型間隔典型二次設(shè)備進(jìn)行了性能測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)1：220 kV線路1始端單相接地永久故障該故障的故障報(bào)告如表1所示，相應(yīng)的保護(hù)及故障錄波如圖5所示。

表1 220 kV線路故障報(bào)告Tab.1 Fault report of 220kV transmission line

圖5 220 kV線路單相永久性故障Fig.5 Single-phase permanent fault of 220kV transmission line

實(shí)驗(yàn)2：#1主變內(nèi)部故障

相應(yīng)的保護(hù)及故障錄波如圖6所示，該故障的故障報(bào)告如表2所示。

圖6 #1主變內(nèi)部故障Fig.6 Internal fault of#1 main transformer

表2 #1主變內(nèi)部故障報(bào)告Tab.2 Internal fault report of#1 main transformer

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用仿真測(cè)試系統(tǒng)搭建變電站模型，可實(shí)時(shí)輸出變電站一次系統(tǒng)正常運(yùn)行及故障時(shí)的高精度電流電壓，通過高速同步無線通道及間隔數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)仿真器與間隔二次設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，滿足變電站二次系統(tǒng)整組閉環(huán)測(cè)試的需求。

4 結(jié)束語

研究開發(fā)了一種基于無線數(shù)據(jù)通信的智能變電站二次設(shè)備集成測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于電磁暫態(tài)建模及實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，實(shí)時(shí)輸出變電站一次系統(tǒng)正常運(yùn)行及故障時(shí)的高精度電流電壓采樣，通過專用的高速同步無線信道及間隔數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)與實(shí)際變電站二次系統(tǒng)的無縫連接，不僅可以對(duì)智能站二次系統(tǒng)的各個(gè)組成設(shè)備進(jìn)行單元檢測(cè)，還可以對(duì)設(shè)備之間以及組成系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，為智能變電站內(nèi)包括數(shù)字化保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等全面功能提供了整組協(xié)同測(cè)試環(huán)境，可良好應(yīng)用于智能站基建調(diào)試或檢修現(xiàn)場(chǎng)。