基于IEC 61850的線路保護(hù)裝置閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

黃紹書， 劉 飛， 郝正航， 陳 卓， 談竹奎

(1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025;2.貴州電網(wǎng)有限公司 電力科學(xué)研究院，貴陽 550005)

0 引 言

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，能夠解決不同廠商的智能電力設(shè)備(IED)互操作性問題[1-4]。自2003年IEC TC57 委員會(huì)發(fā)布IEC 61850 Ed1.0標(biāo)準(zhǔn)以來，IEC 61850體系結(jié)構(gòu)不斷完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)從變電站領(lǐng)域拓展到了發(fā)電、輸變電、配用電、調(diào)度、信息安全等多個(gè)領(lǐng)域[5-7]。

目前國內(nèi)智能二次設(shè)備常用的測試手段主要包括動(dòng)態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)、繼電保護(hù)測試儀以及數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(如RTDS、DDRTS等)[8-10]。在以上各種測試手段中數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)由于具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和可操作性，被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注，RTDS、DDRTS等數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)均被用來作為研究和分析電力系統(tǒng)特征的重要工具。相比于DDRTS，RTDS具有更加智能的圖形化建模仿真界面，而且該平臺(tái)于2013年又開發(fā)了支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE-V5模型和面向中國市場的Chinese SV模型[11]。

本文首先介紹了閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對RTDS硬件板卡和某廠家線路保護(hù)裝置iPACS-5711D的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了說明;然后,在RTDS側(cè)RSCAD軟件平臺(tái)搭建了電力系統(tǒng)模型，并介紹了GTNET-GOOSE和SV模塊配置方法;最后,通過GOOSE和SV報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)裝置閉環(huán)測試，以此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效果。

1 閉環(huán)測試環(huán)境

1.1 RTDS系統(tǒng)

RTDS主要由軟件和硬件兩部分構(gòu)成。軟件平臺(tái)RSCAD能夠以圖形化建模界面搭建一次電力系統(tǒng)模型，實(shí)時(shí)模擬電力系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)，并將采集的電壓、電流以及開關(guān)量的信息在RUNTIME中顯示出來[12-13]；硬件部分主要包括GTWIF、GPC/PB5、GTNETx2等板卡。GTWIF板卡主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信功能，PB5板卡完成電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算功能，GTNETx2提供符合各種網(wǎng)絡(luò)規(guī)約用于與外部通信的數(shù)據(jù)接口，支持符合智能變電站IEC61850規(guī)約的采樣值(SV)信息和通用變電站事件(GOOSE)的傳輸[14]，GTNETx2板卡可同時(shí)配置兩種協(xié)議，完成GOOSE和SV數(shù)據(jù)傳輸。圖1所示為GTNETx2與外部設(shè)備連接方式，配置為GOOSE和SV協(xié)議的GTNETx2板卡通過光纖口與處理器板卡PB5進(jìn)行連接，通過網(wǎng)口與外部工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行連接，交換機(jī)再通過自身光電轉(zhuǎn)接口與線路保護(hù)裝置iPACS-5711D相連。

圖1 GTNETx2與外部設(shè)備連接方式

1.2 線路保護(hù)裝置

線路保護(hù)測控裝置(iPACS-5711D)適用于110 kV以下電壓等級的非直接接地系統(tǒng)或小電阻接地系統(tǒng)，該裝置配有4個(gè)100兆光纖過程層接口，可用于GOOSE通信和IEC61850-9-2通信接口，支持DL/T860(IEC 61850)系列通信規(guī)約。該裝置能夠完成三段式過流保護(hù)、二段零序電流保護(hù)、高周減載、低壓減載、重合閘等測試任務(wù)，滿足閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)要求。

2 閉環(huán)測試RTDS模型配置

2.1 電力系統(tǒng)模型搭建

RTDS側(cè)模擬了如圖2所示的一個(gè)包括無窮大電網(wǎng)和兩條輸電線路的電力系統(tǒng)，上面一條輸電線路斷路器BRK1由線路保護(hù)測控裝置完成控制;另外一條輸電線路斷路器BRK2由RTDS/RSCAD內(nèi)部模型控制。電力系統(tǒng)模型中線路電流和節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)由GTNET-SV經(jīng)過網(wǎng)口發(fā)送到交換機(jī)，線路保護(hù)測控裝置通過光纖線從交換機(jī)處獲??；線路保護(hù)測控裝置的跳閘和重合閘信號(hào)由GTNET-GSE傳輸至RTDS側(cè)，RTDS內(nèi)斷路器BRK1的開關(guān)狀態(tài)由GTNET-GSE傳輸至線路保護(hù)裝置，從而形成閉環(huán)測試系統(tǒng)。

圖2 電力系統(tǒng)模型

2.2 GSE模型配置

GTNET-GOOSE模型利用GTNETx2硬件提供IEC61850 GOOSE信息的通信接口。RTDS軟件平臺(tái)RSCAD模型庫中有兩個(gè)GOOSE模型：GOOSE-V2和GOOSE-V5[11]。GOOSE-V5作為新一代的GOOSE模型，能夠配置4個(gè)智能電子設(shè)備(IED)，每個(gè)智能電子設(shè)備(IED)可以最大發(fā)布64條GOOSE數(shù)字量信息和接收來自16個(gè)外部智能電子設(shè)備(IED)的總共64條GOOSE數(shù)字量信息[15]。

圖3中IED1BI1信號(hào)是由線路保護(hù)測控裝置發(fā)出，包括跳閘TR1和重合閘RC1信息，通過Breaker Control模塊將斷路器的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)傳輸?shù)紾TNET-GSE模塊中，GTNET-GSE將開閉信息又返回給線路保護(hù)測控裝置。

RSCAD軟件平臺(tái)內(nèi)置全站系統(tǒng)配置文件(Substation Configuration Description，SCD)配置工具，測試人員按照工程實(shí)際配置流程順序，利用該內(nèi)置工具完成GTNET-GOOSE IED能力描述文件ICD(IED Capability Description)文件配置工作。GTNET-GOOSE ICD參數(shù)主要包括IED名稱、VLAN-ID、VLAN-PRIORITY、MAC-Address、APPID等多個(gè)信息；在完成GTNET-GOOSE ICD文件配置后，通過RSCAD內(nèi)置配置工具Import菜單導(dǎo)入線路保護(hù)測控裝置ICD文件，完成線路保護(hù)測控裝置輸入GTNET-GSE的信號(hào)配置工作。

圖3 GTNET-GSE模型

2.3 SV模型配置

GTNET-SV模型利用GTNETx2板卡提供IEC 61850-9-2采樣值信息的通信，RSCAD模型庫中包括SV-V5和SV-V2，通信協(xié)議可以配置為IEC 61850-9-2LE或IEC 61850-9-2協(xié)議，IEC61850-9-2LE的SV模塊可以配置發(fā)送1或2個(gè)數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流包含4個(gè)電壓和4個(gè)電流量；IEC 61850-9-2的SV模型能夠發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流可以配置為1～24通道。

如圖4所示，IAad、IBad、ICad、N7、N8、N9、NN、INad分別為電力系統(tǒng)ABC三相電流電壓和零序電壓、電流量，由于南方電網(wǎng)公司在使用IEC 61850 SV時(shí)大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式和雙AD的輸出傳輸格式，因此將GTNET-SV模型通信參數(shù)設(shè)置為Non-9.2LE模式，輸出傳輸通道設(shè)置為17路，其中包括1路時(shí)間延遲通道和16路電壓電流通道。

圖4 GTNET-SV模型

3 閉環(huán)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

RTDS側(cè)配置完成后，將生成的GTNET-GOOSE和GTNET-SV ICD文件導(dǎo)入到線路保護(hù)測控裝置CID文件配置工具中，完成全站系統(tǒng)配置文件SCD文件和線路保護(hù)測控裝置IED實(shí)例配置文件CID文件配置工作，最后將生成的CID文件下裝到裝置中。如圖5為全站SCD文件，該SCD文件包括3個(gè)智能電子設(shè)備(IED)：iPACS-5711D線路保護(hù)測控裝置PL1001、GTNET-SV合并單元ML1001和智能終端IL1001，每個(gè)IED設(shè)備包括邏輯設(shè)備(LD)、邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)、數(shù)據(jù)集(data)和數(shù)據(jù)屬性等信息。

圖5 全站系統(tǒng)配置文件

在完成上述工作后，開展以下閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。

(1)運(yùn)行電力系統(tǒng)模型，測試線路保護(hù)裝置顯示的三相線路電流和節(jié)點(diǎn)電壓有效值與RTDS中輸出的量是否一致；

(2)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路，測試線路保護(hù)裝置能否發(fā)生跳閘和重合閘動(dòng)作；

(3)電力系統(tǒng)發(fā)生電壓急劇降低情況，測試線路保護(hù)裝置能否發(fā)生跳閘和重合閘動(dòng)作；

(4)電力系統(tǒng)發(fā)生頻率急劇下降情況，測試線路保護(hù)裝置能否發(fā)生跳閘和重合閘動(dòng)作。

4 波形與報(bào)文分析

完成測試線路連接后，運(yùn)行電力系統(tǒng)模型，使電力系統(tǒng)在I段電流保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生三相短路故障，線路保護(hù)測控裝置在接收到RTDS側(cè)GTNET-SV傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)，分析處理后將跳閘信號(hào)發(fā)送給RTDS內(nèi)斷路器，此時(shí)線路電流變?yōu)榱?，由于線路保護(hù)裝置被設(shè)置為三相一次重合閘，因此線路保護(hù)裝置又發(fā)出合閘信號(hào)，但由于線路故障仍未切除，斷路器再次跳閘，并不再合閘。如圖6所示為電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)RTDS輸出波形，分別為線路電流、節(jié)點(diǎn)電壓情況。

恢復(fù)RTDS電力系統(tǒng)正常狀態(tài)，正確設(shè)置線路保護(hù)測控裝置軟壓板和硬壓板后，改變無窮大電網(wǎng)的頻率和電壓大小，完成測試任務(wù)。測試結(jié)果表明,該閉環(huán)測試仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仍然能夠可靠發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)故障，并及時(shí)做出處理。

圖6 三相短路時(shí)RTDS輸出波形

圖7和圖8所示為Wireshark捕獲的GTNET發(fā)出GOOSE和SV的信息以及報(bào)文格式。圖7中,GOOSE報(bào)文信息中顯示了GOOSE報(bào)文源地址為00：0C：CD：01：00：01，目的地址為00：0C：CD：01：00：02，APPID為0x1002，報(bào)文長度為320 Byte，最大允許報(bào)文存活時(shí)間為12 s等內(nèi)容，電力系統(tǒng)中斷路器變位信息可通過stNum和sqNum獲取。

圖7 Wireshark捕獲GOOSE報(bào)文信息

圖8 Wireshark捕獲SV報(bào)文信息

圖8中,SV報(bào)文信息包括了SV報(bào)文源地址為00:50:C2:4f:9a:78，目標(biāo)地址為01:0c:cd:04:00:01，報(bào)文長度為187 Byte，從SV報(bào)文中測試人員可獲取電力系統(tǒng)電壓電流瞬時(shí)值參數(shù)和延遲信號(hào)參數(shù)，電壓單位為1 mA，電流單位為10 mV，通過以上參數(shù),實(shí)驗(yàn)人員可完成電力系統(tǒng)監(jiān)控。

5 結(jié) 語

本文針對國內(nèi)繼電保護(hù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作展開研究，以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為通信建?；A(chǔ)，以RTDS實(shí)時(shí)仿真器為仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬實(shí)際電網(wǎng)正常和故障運(yùn)行情況，以線路保護(hù)測控裝置為測試對象，搭建了一套電力系統(tǒng)線路保護(hù)裝置閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)將為國內(nèi)IEC 61850數(shù)字化裝置的相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備研發(fā)提供了一種新方法。