智能變電站實驗仿真測試平臺與調試模式研究

曹 敏，沈 鑫，陳 晶，李 萍，戴太文

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

智能變電站實驗仿真測試平臺與調試模式研究

曹 敏1，沈 鑫1，陳 晶2，李 萍1，戴太文2

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

針對目前智能變電站二次系統集成調試環境搭建工作量大、配合環節多、調試周期長等問題，采用改進的二次系統仿真測試和集成調試模式，設計了智能變電站工程實驗仿真測試平臺，并詳述了該平臺的軟硬件實現。通過對變電站過程層設備（智能終端、MU單元）進行單體測試機系統測試，驗證了平臺硬件架構的合理性，可支持變電站二次設備的間隔層通信功能，以及過程層、站控層的仿真功能，具有很好的經濟效益和社會效益。

智能變電站；集成調試；仿真測試平臺；過程層仿真

智能變電站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，其二次設備信息化、集成度較常規變電站有很大提升[1]。根據國家電網公司的“十二五”規劃，在2016年前我國將建成數千座智能變電站。隨著智能變電站二次系統應用功能的豐富，對其的集成調試工作亦愈加復雜，面臨調試周期長、配合環節多、集成調試難度大等問題，進而阻礙了智能變電站的進一步發展[2]。因此，為滿足智能變電站大規模建設的要求，函需探索一種適應發展要求的智能變電站二次系統集成調試模式，同時設計高效的系統級仿真測試平臺，縮短集成測試周期，對智能變電站的推廣發展具有重要的工程意義。

目前對智能變電站系統級實驗仿真平臺的設計是國內外電力系統狀態測試領域的研究重點，相比于國外系統開發水準[3-4]，我國在該領域的系統開發尚缺乏標準化流程及關鍵狀態評價指標。為此，國內諸多學者提出了測試方法及系統設計方案[5-9]，另外，文獻[10]分析了數字化測控裝置與傳統測控裝置的異同，初探討了數字化測控裝置的性能測試項目和測試方法，搭建了相應的測試平臺；文獻[11]以電力系統全數字仿真裝置為核心設備，開發了基于lEC61850的數字化保護檢測系統；文獻[12]提出了基于RTDS的新型數字化變電站測試系統的總體結構，并基于IEC61850標準提出了對智能保護系統進行網絡化的自動應用測試方法。

為此，文中在借鑒國內較多技術成果的基礎上，改進了智能變電站二次系統仿真測試和集成調試模式，利用仿真測試的技術手段對支撐各應用功能的采集輸入和執行輸出的外部特性進行仿真，簡化了集成調試流程。設計了智能變電站工程實驗仿真測試平臺的總體架構，并詳述了該平臺的軟硬件實現及相關功能。該仿真測試平臺可根據需要靈活配置，具有過程層仿真測試功能，可對變電站過程層設備（智能終端、MU單元）進行單體測試機系統測試，可用于智能變電站高級應用功能的測試，具有良好的可擴展性和可升級性。

1　智能變電站二次系統集成調試模式改進

智能變電站二次系統大多劃分為站控層、間隔層和過程層等三層。站控層主要負責全站電網運行監控、遠方控制以及二次設備管理等，同時實現智能告警、數據辨識、故障綜合分析等高級應用功能。間隔層實現對變電站一次設備的保護、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備構成，完成與一次設備相關的實時運行電氣量的采集、設備運行狀態的監測、控制命令的執行等功能[13]。目前的集成調試模式需各層先完成設備配置、單體調試以及整站虛端子配置和網絡連接，接著完成二次系統的信號對點和傳動試驗，同時完成監控系統各應用的配置和組態之后，才能進行智能變電站高級應用功能的測試和集成調試。

然而，這種集成測試模式的弊端在于其工作量大、環節多，調試周期長、效率低，未從電網的角度對變電站二次系統開展整體測試。因此，為滿足智能變電站大規模建設的需要，進一步提高集成測試效率，縮短工程調試周期，有必要設計適應于智能變電站的工程實驗仿真測試平臺，實現不同規模的單設備、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級測試平臺的應用，引導集成測試向系統化、自動化模式轉變。

在平臺搭建之前，需分析智能變電站二次系統對象結構，并對二次系統集成調試模式重新進行劃分。抽象出全站二次設備對象等效仿真測試系統，上層高級應用功能的測試和集成調試僅需要全站二次設備采集和控制對象的支撐，下層二次設備的前置通信測試也僅需要全站二次設備數據對象的數據采集和控制命令下發的支撐。其系統對象結構如圖1所示。

圖1　智能變電站二次系統對象結構圖

另外，為簡化集成調試流程，將其分為組態測試和系統測試兩大業務模塊，將常規單體調試的項目分攤到兩大業務模塊當中。在組態測試階段，首先完成常規組態配置工作，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驗仿真測試平臺，平臺應能根據SCD配置和性能檢測標準自動實現以下功能[14]：①檢驗MU單元SV采樣精度、延時及點對點輸出的等間隔性能；②檢驗智能終端的開關量輸入輸出；③檢驗保護測控的采樣值精度和開關量輸入輸出。而在系統測試階段，按照變電站設計組網，將IED設備的采樣值回路和GOOSE網絡接入仿真測試平臺，在其中按變電站接線方式建電網模型，模擬全站MU的采樣值輸出以及一次斷路器分合狀態，通過在不同區域設置各種故障類型，整體驗證二次系統功能的正確性。

采用此改進的二次系統集成調試模式可減少二次系統各部分的集成調試環節，提高調試效率及可實施性，推動智能變電站高級功能的推廣和應用。

2　工程實驗仿真測試平臺的總體架構

通過對集成測試的需求分析，智能變電站工程實驗仿真測試平臺總體設計架構如圖2所示。

圖2　工程實驗仿真測試平臺總體架構

該平臺由實驗仿真測試軟件子系統、間隔層仿真子系統、過程層仿真子系統、同步對時系統、變電站綜合自動化系統等組成。其中，實驗仿真測試軟件子系統位于站控層（包含站控層仿真測試子系統），主要實現變電站SCD文件智能化解析，全站二次設備圖形化全景展示，二次設備狀態顯示，二次設備配置查詢，變電站一次接線圖編輯；實現SCD配置文件版本管理，SCD文件規范化檢查；構建智能變電站測試專家庫并進行管理，實現變電站二次設備單體測試，繼保、測控、計量等子功能系統測試，變電站全站系統聯調測試等功能。

間隔層仿真測試子系統包含保護仿真模塊、測控仿真模塊、計量仿真模塊和間隔層測試系統模塊，主要實現變電站間隔層的保護系統、測控系統和計量系統的仿真，對間隔層保護、測控、計量3大系統的設備單體測試和系統聯調測試功能。其硬件接口有：光網口（SV/GOOSE）、電網口、同步口及遠程控制口等；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、測控測試模塊及計量測試模塊[15]。

過程層仿真測試子系統則包含MU單元仿真模塊、智能終端仿真模塊和過程層測試模塊，主要實現過程層的MU單元、智能終端設備的模擬仿真，支持過程層SV、GOOSE直采直跳、分組組網等多種網絡模式的搭建以及對MU單元、智能終端的單體測試和聯合間隔層完成保護、測控、計量3大系統的系統聯調測試。其硬件設備有：光網口（SV/GOOSE）、光串口（FT3）、同步口（光/電）及遠程控制口、模擬源、電壓電流表、開關量（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共網及SV與GOOSE分別組網等方式。

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

在測試過程中，實驗仿真測試子系統通過通訊模塊調用過程層仿真子系統輸出SV報文的遙測值給測控裝置，綜合自控系統通過通訊模塊將遙測數據反饋給測試子系統；測試軟件子系統通過通訊模塊調用過程層仿真子系統輸出GOOSE報文的遙信變位給測控裝置，綜合自控系統通過通訊模塊將遙信數據反饋給測試軟件子系統；之后，測試軟件子系統通過通訊模塊下發遙控命令給綜合自控系統，輸出GOOSE報文給過程層仿真子系統，并通過通訊模塊進行反饋。

該平臺主要可以實現以下測試：①模擬過程層設備MU單元輸出SV報文的遙測量，實現對測控裝置的遙測測試；②模擬過程層設備智能終端輸出GOOSE報文的狀態量給測控裝置，實現對測控裝置的遙信測試；③測試軟件模擬主站發出遙控命令，遙控的選擇、返校在測控裝置完成，執行命令通過GOOSE狀態直接發送給過程層，實現對測控裝置的遙控測試。測試軟件可通過專家庫的比對分析，形成閉環測試。

3　工程實驗仿真測試平臺的軟硬件實現

3.1硬件設計

為確保智能變電站工程實驗仿真測試平臺大規模、高實時性的測試要求，可模擬變壓器、母差各種故障狀態，同時保障在任何負載情況下數據的精確時延發送（100 Mbps≤40 ns、1 000 Mbps≤10 ns），所有數據輸入響應≤100 s，支持通道獨立映射，該平臺子機架構以Power PC＋FPGA進行硬件實現，該Power PC模塊以P2020為核心，FPGA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。每臺子機提供10對100 Mbps～1000 Mbps光纖以太網接口、6路光發送串口、2路光接收串口，支持IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2及GOOSE發送、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對開關量輸出、8對開關量輸入；1路電B碼對時接口，1路光B碼對時接口，1路獨立RS485同步接口。其子機硬件架構如圖3所示。

圖3　工程實驗仿真測試平臺的子機硬件架構

3.2軟件設計

測試平臺全站仿真軟件采用實時數字仿真技術實現電力系統穩態計算以及靜態故障計算，可實時模擬全站二次系統的電氣量、設備及執行機構的運行狀態，并監測其運行、動作反饋信息，通過與其他測試單元的交互通訊，完成全站二次系統的動作特性測試。其架構可分為4層，即通信層，數據層，功能層和應用界面層，如圖4所示。

圖4　工程實驗仿真測試平臺軟件總體架構

其中，通信層完成本軟件系統的通信功能，包含MMS標準協議[16]、通信配置協議，未來可根據實際需要升級支持101、103遠動協議。MMS標準協議基于IEC 61850標準[17]開發，支持變電站二次設備的間隔層通信功能；配置通信協議為本系統私有協議，用于與間隔層、過程層的測試儀器進行測試配置下發、測試結果上報、測試過程控制等測試功能通信。數據層完成本軟件的數據存儲功能，包含數據庫、文件庫、版本庫。數據庫用于存儲本軟件系統各種結構化數據，如用戶信息、日志等；版本庫用于對SCD等文件進行版本管理，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軟件無需版本管理的文件，如系統配置文件等。功能層是本系統軟件各種功能的實現，主要有權限管理、仿真測試專家庫中標準庫的實現，實現站控層仿真的功能，如SCD分析引擎、“三遙”功能等。應用界面層為用戶接口層，完成本系統軟件的用戶輸入、狀態信息輸出功能，實現用戶登錄與管理，仿真測試專家庫的管理，測試方案的管理，測試結果顯示，測試報告生成，變電站全景顯示、保護特性測試等功能。

4　結束語

文中研究了智能變電站二次系統集成調試模式及工程實驗仿真測試平臺的設計問題。結合現有集成調試模式，分析了其局限性，其改進方案實現了二次系統集成調試的有效分離，提升了智能變電站仿真測試和集成調試的效率。在此基礎上，以擴展性、開放性、自動化測試為設計目標，搭建了智能變電站工程實驗仿真測試平臺，對平臺子機硬件架構進行了詳述。同時為實時模擬全站二次系統的電氣量、設備及執行機構的運行狀態，并監測其運行、動作反饋信息，對其軟件架構進行了分層描述。通過建立一種適應智能變電站發展要求的二次系統新型調試模式和工程實驗仿真測試平臺，可有效地提升智能變電站調試、運維的工作效率和自動化水平，對智能變電站的建設和應用推廣也應具有很好的經濟效益和社會效益。

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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.，Fuzhou 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、設備監測與物聯網技術。