基于IEC61850的配網(wǎng)自動化終端測試技術(shù)研究

劉柱揆，許守東，張可，胡凡君，胡永承

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671099；3. 南京智匯電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

目前，智能配電網(wǎng)正處于建設(shè)當(dāng)中[1]。配網(wǎng)供電可靠性和供電指標(biāo)已有很大提高，許多單位開展了不同層次、不同規(guī)模的配電自動化試點(diǎn)工作，取得了較大進(jìn)展[2]。配網(wǎng)自動化運(yùn)用技術(shù)手段對配電網(wǎng)進(jìn)行離線與在線的智能化監(jiān)控管理，使配電網(wǎng)處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)[3]。配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它大致可分為三個(gè)子系統(tǒng)：配網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)；配網(wǎng)自動化子站系統(tǒng)；配網(wǎng)自動化終端[4]。城市配網(wǎng)自動化終端[5]負(fù)責(zé)對城域所轄的柱上開關(guān)、開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、配電變壓器等進(jìn)行監(jiān)控，既要實(shí)現(xiàn)FTU、TTU等的三遙功能，又要實(shí)現(xiàn)對故障的識別和控制功能，從而配合配網(wǎng)自動化主站及子站實(shí)現(xiàn)城區(qū)配網(wǎng)運(yùn)行中的工況檢測、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、優(yōu)化運(yùn)行以及網(wǎng)故障時(shí)的故障隔離和非故障區(qū)域的恢復(fù)供電。

配電網(wǎng)自動化程度的重要標(biāo)志是通訊是否符合自動化的要求，它擔(dān)負(fù)著設(shè)備及用戶與自動化的聯(lián)絡(luò)，起著紐帶作用。擔(dān)負(fù)著信息的處理、命令的發(fā)送和返回。所有數(shù)據(jù)的傳遞，沒有可靠有效的通訊，配電網(wǎng)無法與自動化相聯(lián)系[6]。在實(shí)現(xiàn)具體的配電業(yè)務(wù)時(shí)，可采用的通信方式主要包括：

1）光纖專網(wǎng)，包括以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)等光纖以太網(wǎng)技術(shù)。

2）配電線載波，包括電纜屏蔽層載波等技術(shù)。

3）無線專網(wǎng)，包括寬帶技術(shù)。

4）無線公網(wǎng)，包括GPRS/CDMA/4G/5G通信技術(shù)[7]。

當(dāng)今市場上關(guān)于配網(wǎng)自動化終端自動化校驗(yàn)的技術(shù)，仍處于空白狀態(tài)。本文提出的基于IEC61850與傳統(tǒng)多種類通信方式配網(wǎng)自動化終端測試技術(shù)研究，開發(fā)出IEC61850規(guī)約和模擬量輸出組件，組件分別支持傳統(tǒng)的模擬量和IEC61850規(guī)約，基于測試軟件對其中的21種測試內(nèi)容進(jìn)行測試。能夠?qū)ΜF(xiàn)有的配網(wǎng)自動化終端進(jìn)行全自動閉環(huán)測試，減輕現(xiàn)場工作人員的負(fù)擔(dān)，提高工作效率，提高配網(wǎng)自動化可靠性。

1 輸出組件的硬件技術(shù)設(shè)計(jì)研究

IEC61850是國際電工委員會(IEC)TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)[8]。IEC61850規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征和通用配置語言。使不同智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作成為可能。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的制定及其內(nèi)容已超出變電站自動化系統(tǒng)的范圍，將會擴(kuò)展到其他工業(yè)控制領(lǐng)域，成為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的工業(yè)控制的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前在電力系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域和工業(yè)自動控制領(lǐng)域，都在紛紛組織相關(guān)工作組，準(zhǔn)備吸收IEC61850的技術(shù)來制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

IEC61850規(guī)約和模擬量輸出組件如圖1所示。其中，數(shù)字處理單元包括DSP+FPGA+ADSP三個(gè)處理模塊；DSP為TMS320F28377，作為數(shù)字處理CPU，用于控制組件邏輯處理和數(shù)字信號產(chǎn)生；ADSP包括BF518處理器，作為通訊CPU，用于與工控機(jī)的以太網(wǎng)通訊；FPGA包括XC6SLX75用于DSP和ADSP之間的通訊、產(chǎn)生驅(qū)動功放單元的信號以及接收守時(shí)信號的秒脈沖信號。

圖1 IEC61850規(guī)約和模擬量輸出組件

守時(shí)單元包括GPS模塊、IRIG-B碼對時(shí)模塊、IEEE1588對時(shí)模塊以及守時(shí)處理模塊；GPS模塊、IRIG-B碼對時(shí)模塊、IEEE1588對時(shí)模塊分別與守時(shí)處理模塊相連；守時(shí)模塊由K60DX256VLL10和XC3S100E組成，K60DX256VLL10處理來自于GPS模塊、IRIG-B碼對時(shí)模塊、IEEE1588對時(shí)模塊秒脈沖信號控制XC3S100E產(chǎn)生守時(shí)信號。

功放單元包括電壓功放模塊與電流功放模塊，用于4路0-125伏交流電壓信號和3路0-40A交流電流信號。IEC61850單元包括電壓功放模塊與電流功放模塊，用于產(chǎn)生符合IEC61850規(guī)約的數(shù)字報(bào)文。通訊單元包括KS8995FQ與IP175CHLF，用于與工控機(jī)以太網(wǎng)通訊，兩路外置以太網(wǎng)通訊以及WIFI模塊通信。光纖以太網(wǎng)通訊單元包括AFBR5803光模塊。FT3單元包括HFBR1414光模塊，其中有3個(gè)發(fā)送端口，接口類型ST，光纜為62.5/125 μm的多模光纖。

2 新型配網(wǎng)自動化和傳統(tǒng)終端接口區(qū)別

傳統(tǒng)的配網(wǎng)自動化終端的接口為模擬量的電壓和電流以及開關(guān)量接入，通訊方式為以太網(wǎng)或GPRS方式，通訊規(guī)約采用101規(guī)約或104規(guī)約。而基于IEC61850配網(wǎng)自動化終端其輸入接口為模擬量的電壓和電流，通訊方式采用EPON，采用的規(guī)約是IEC61840，在基于IEC61850配網(wǎng)自動化終端的后臺為光纖以太網(wǎng)，規(guī)約為IEC61850。傳統(tǒng)的配網(wǎng)自動化終端有兩種測試方式，基于IEC61850配網(wǎng)自動化終端具備三種測試方式。由于接口的種類多變，因此需要對接口做擴(kuò)展，一種采集量的組件即IEC61850規(guī)約和模擬量輸出組件，一種通訊方式組件即通信方式（以太網(wǎng)、光纖、GPRS）接口組件。根據(jù)傳統(tǒng)配網(wǎng)自動化終端與基于IEC61850的配網(wǎng)自動化終端的通訊方式不同，可以有如下的測試方案。

2.1 傳統(tǒng)配網(wǎng)自動化終端通訊方式不同

根據(jù)將通訊方式分為以太網(wǎng)和GPRS，可以基于通訊方式的不同將傳統(tǒng)的配電網(wǎng)自動化終端分為兩種測試方法，然后可以采取不同的測試方案。

2.1.1 通訊方式為以太網(wǎng)

由控制器通過通訊方式組件的以太網(wǎng)獲取配網(wǎng)自動化終端的定值等參數(shù)，控制器自動生成測試方案，控制輸出組件的模擬量電壓電流和開關(guān)量輸出，監(jiān)控配網(wǎng)自動化終端出口，同時(shí)控制器通過通訊方式組件讀出配網(wǎng)自動化終端的SOE事件，從而完成整個(gè)測試。其如圖2所示。

圖2 通訊方式為以太網(wǎng)的傳統(tǒng)自動化終端的控制圖

試驗(yàn)前，輸出組件的4相電壓3相電流接入配網(wǎng)自動化終端，開出與開入量分別接入配網(wǎng)終端對應(yīng)的斷路器的位置信號與跳合閘出口后，打開自動化測試軟件，通訊組件的以太網(wǎng)或RS485連入測試終端。

2.1.2 通訊方式為GPRS

將通訊方式改為GPRS后，控制圖如圖3所示。試驗(yàn)前，輸出組件的4相電壓3相電流接入配網(wǎng)自動化終端，開出與開入量分別接入配網(wǎng)終端對應(yīng)的斷路器的位置信號與跳合閘出口后，打開自動化測試軟件，通訊組件的WIFI連入公網(wǎng)，配置好測試終端的IP地址和端口號。

圖3 通訊方式為GPRS的傳統(tǒng)自動化終端的控制圖

2.2 新型通訊方式為以太網(wǎng)

由控制器通過通訊方式組件的以太網(wǎng)獲取配網(wǎng)自動化終端的定值等參數(shù)，控制器自動生成測試方案，控制輸出組件的IEC61850輸出，監(jiān)控配網(wǎng)自動化終端出口，同時(shí)控制器通過通訊方式組件讀出配網(wǎng)自動化終端的SOE事件，從而完成整個(gè)測試。其控制圖如圖4所示。

圖4 通訊方式為以太網(wǎng)的基于IEC61850的配網(wǎng)自動化終端后臺

試驗(yàn)前，輸出組件光網(wǎng)口接入配網(wǎng)自動化終端，打開自動化測試軟件，通訊組件的以太網(wǎng)連入配網(wǎng)終端，配置好測試終端的IP地址和端口號。

3 新型配網(wǎng)自動化終端同步測試

基于IEC61850的配網(wǎng)自動化終端與配網(wǎng)自動化終端后臺之間同步由光B碼或秒脈沖同步，由控制器通過通訊方式組件的以太網(wǎng)獲取配網(wǎng)自動化終端的定值等參數(shù)，控制器自動生成測試方案，控制輸出組件的IEC61850輸出至配網(wǎng)自動化后臺，控制輸出組件的模擬量輸出至配網(wǎng)自動化終端，監(jiān)控配網(wǎng)自動化終端出口，同時(shí)控制器通過通訊方式組件讀出配網(wǎng)自動化終端后臺的各項(xiàng)參數(shù)，從而完成整個(gè)同步測試。其測試圖如圖5所示。

圖5 基于IEC61850的配網(wǎng)自動化終端同步測試流程圖

試驗(yàn)前，將輸出組件的光網(wǎng)口連接到配網(wǎng)自動化終端的后臺，一路光B碼輸出接到配網(wǎng)自動化終端后臺。模擬輸出的4相電壓與3相電流以及開關(guān)量接入配網(wǎng)自動化終端。

4 測試軟件的使用

基于IEC61850配網(wǎng)自動化的層次化測試系統(tǒng)，其特征在于：測試系統(tǒng)為層次化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為主站測試儀和終端測試儀。配電網(wǎng)層次化保護(hù)是基于單間隔數(shù)據(jù)的間隔保護(hù)，當(dāng)由于通信通道等問題導(dǎo)致和站域保護(hù)或區(qū)域保護(hù)裝置通信中斷時(shí)，不依賴于通道的保護(hù)應(yīng)能正常工作；站域保護(hù)不實(shí)現(xiàn)就地化保護(hù)功能，而是實(shí)現(xiàn)站內(nèi)跨間隔保護(hù)，以主變差動保護(hù)和母線差動保護(hù)為主；區(qū)域保護(hù)主要以線路差動保護(hù)和負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制為主，也可以包括站間備投、失步解列、切機(jī)切負(fù)荷等功能。由于配電網(wǎng)層次化保護(hù)數(shù)據(jù)來源分散，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場運(yùn)行無可靠的測試方法；另外，目前國內(nèi)配電自動化系統(tǒng)，多數(shù)由于投運(yùn)前的相關(guān)試驗(yàn)未完全系統(tǒng)開展，導(dǎo)致各功能模塊運(yùn)行的投入率、正確率指標(biāo)不是很好，沒有完全達(dá)到配網(wǎng)自動化的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，而國網(wǎng)、南網(wǎng)近年來正積極開展配電自動化系統(tǒng)的相關(guān)測試、評估，以提升配網(wǎng)運(yùn)行的自動化水平。為了解決這些問題，急需對配網(wǎng)層次化保護(hù)測試技術(shù)和測試方法、設(shè)備進(jìn)行深入研究。

主站測試儀通過以太網(wǎng)口與配網(wǎng)自動化主站通訊，自動生成測試方案，測試過程中監(jiān)視主站SOE事件。主站測試儀通過通訊單元通過公網(wǎng)控制多臺終端測試儀輸出。主站測試儀通過光輸入輸出單元模擬終端發(fā)至配網(wǎng)自動化主站的IEC61850報(bào)文。主站測試儀以GPS獲取時(shí)間，并通過授時(shí)單元以IRIG-B授時(shí)主站。

終端測試儀具備模擬量的電壓源、電流源以及開關(guān)量。終端測試儀通過通訊單元與主站測試儀通訊，接受主站測試儀指令，并回傳信息給主站測試儀。終端測試儀通過守時(shí)單元與GPS獲取時(shí)間信息，以保證與主站測試儀同步。終端測試儀、主站測試儀以GPS同步，主站測試儀發(fā)給配網(wǎng)自動化主站IRIG-B碼，保證三者同步。依靠時(shí)鐘同步，保證終端測試儀其輸出的模擬電流電壓與主站測試儀的IEC61850的SV與GOOSE同步。

根據(jù)配電自動化終端設(shè)備檢測規(guī)程要求，共涉及了誤差試驗(yàn)、影響性試驗(yàn)、開關(guān)量試驗(yàn)及邏輯試驗(yàn)。測試項(xiàng)目共包括：一致性檢測、電壓基本誤差、電流基本誤差、有功功率基本誤差、無功功率基本誤差、功率因素基本誤差、頻率變化影響、功率因素變化影響、小電流基本誤差、狀態(tài)量輸入、SOE分辨率、遙信響應(yīng)時(shí)間、遙測響應(yīng)時(shí)間、遙控響應(yīng)時(shí)間、相電流Ⅰ段保護(hù)、相電流Ⅱ段保護(hù)、零序過流保護(hù)、零序過壓保護(hù)、低壓告警保護(hù)、過壓告警保護(hù)、一次重合閘，共21種項(xiàng)目測試。項(xiàng)目中的一致性檢測不參與自動測試，只是自動測試前檢測回采等是否正常。只有此項(xiàng)正常才可以進(jìn)行自動測試。測試目的是為了看輸出和回采是否正常，這是做任何試驗(yàn)的前提，由于不限制時(shí)間，軟件以1000 s為測試時(shí)間，足以看出是否正常。

電壓基本誤差測試中，軟件選擇了4個(gè)測試點(diǎn)，是 60% UN，80% UN，100% UN，120% UN，其中UN為主界面的系統(tǒng)設(shè)置中的額定電壓值。當(dāng)前狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定的10000 ms，當(dāng)運(yùn)行完后會自動翻轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，直到四個(gè)狀態(tài)全部做完。之后會自動翻轉(zhuǎn)到下一個(gè)選擇的測試項(xiàng)目。試驗(yàn)開始后，測試儀會按設(shè)定的幅值、相位、頻率輸出值，通過遙測回采回來的值填入檢測值，軟件自動計(jì)算誤差值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等信息。

相電流Ⅰ段保護(hù)測試項(xiàng)目中，軟件根據(jù)主界面選擇的試驗(yàn)倍數(shù)，每個(gè)測試點(diǎn)設(shè)計(jì)一輪自動測試，直到所有的倍數(shù)都測試到。試驗(yàn)時(shí)的正常態(tài)時(shí)間默認(rèn)8 s，故障態(tài)測試時(shí)間是整定時(shí)間加0.2 s進(jìn)行試驗(yàn)，如果有動作信號加進(jìn)來就會在結(jié)果中顯示出來。

5 結(jié)束語

通過通訊方式組件和輸出組件，解決了目前眾多配網(wǎng)自動化終端多種模擬量接入和兼容大多數(shù)的配網(wǎng)自動化終端的通訊方式。本文所提出的基于IEC61850與傳統(tǒng)多種類通信方式配網(wǎng)自動化終端測試技術(shù)研究，同時(shí)兼容101、104和IEC61850規(guī)約，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

基于IEC61850的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，對配網(wǎng)自動化終端和配網(wǎng)自動化后臺進(jìn)行了同步測試，提高了驗(yàn)收的效率和對配網(wǎng)自動化運(yùn)行的保障。對于配網(wǎng)自動化方面未能夠進(jìn)行全面的研究工作，針對配網(wǎng)自動化做更深入的研究，在現(xiàn)場調(diào)試過程中多接受工作人員的反饋，進(jìn)一步的完善組件的性能和自動化測試的功能。