智能變電站實時測試仿真系統的實現及應用

羅義釗，陳彪

（福建網能科技開發有限責任公司，福建 福州 350003）

智能變電站實時測試仿真系統的實現及應用

羅義釗，陳彪

（福建網能科技開發有限責任公司，福建 福州 350003）

針對當前智能變電站測控裝置應用測試工作量大、現場運維難度高等問題，本文在分析測控裝置性能測試需求的基礎上提出了智能變電站實時仿真測試系統設計方案，詳述了系統可實現的測試功能及流程，設計了該平臺的軟、硬件系統并分析了各組成模塊及其功能。最后，通過遙控測試和抗干擾測試等工程示范應用，驗證了實時測試仿真系統的有效性。本文設計的實時仿真測試系統可滿足現有多數測控裝置的測試需求，適用于智能變電站的應用開發，具有很好的經濟效益和社會效益。

智能變電站；測控裝置；實時仿真；過程層仿真

隨著非常規互感器、IEC61850標準、智能化開關、一次運行設備在線狀態檢測等關鍵技術的應用，我國智能變電站投入運行的數量日趨增多。所應用的測控裝置也從最初的面向功能的RTU發展到面向對象、間隔的測控單元，從單個對象測控發展到多個對象測控，從四合一裝置（保護、遙測、遙控、遙信）發展到“三態”測控裝置。測控裝置功能性與復雜度的提高增加了相關設備的應用測試工作量和現場運行檢修人員對裝置的運維難度。故如何實現測控裝置的測試分析，對建設堅強智能電網具有實際的工程意義，有必要設計一套多功能集成的實時仿真測試系統。

目前對智能變電站測控裝置的實時測試技術仍處于探索階段，運行維護項目和流程也沿用傳統變電站運行管理要求，尚缺乏標準化的檢修維護流程以及關鍵設備狀態評價指標。為此，諸多學者提出了測試方法及系統設計方案[1-3]，另外，文獻[4]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[5]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[6]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。

針對以上問題，文中在分析測控裝置性能測試需求的基礎上提出了智能變電站實時仿真測試系統設計方案，詳述了系統可實現的測試功能及流程。設計了該平臺的軟、硬件系統并分析了各組成模塊及其功能。最后為驗證實時測試仿真系統的有效性，在指定的環境條件下，進行了遙控測試和抗干擾測試，其結果可驗證測試系統的準確性和可行性。

1 智能變電站測控裝置性能測試項目

相比于傳統變電站，智能變電站基于IEC 61850標準，通過電子式互感器、MU單元、智能操作箱，將一次設備采集的電氣量就地轉化為數字信號并通過光纜傳輸，實現了電氣量數據采集環節及控制環節的數字化應用，其運控操作通過網絡通信方式以信息報文方式實現，有效降低了開關場、感應及電容耦合等途徑對于二次設備的電磁干擾[7-8]。另外，由于測控裝置的數據來源由原先的模擬量采集變為數字量，對輸入的電氣量所做的降壓、濾波以及A／D轉換工作都得到了相應的簡化，部分工作由電子式互感器或MU單元來完成，故簡化了測控裝置結構，測量電氣量在傳輸過程中的誤差也可有效降低；進而避免了一次電流與二次輸出難以同時滿足正常運行時高精度以及故障時寬量程的測量要求。

IEC 61850-9-1/2標準的應用為智能變電站測控裝置功能集成提供了條件。所有信息都通過以太網采集信息，隨著計算機技術和微電子技術的發展，測控裝置可將保護、計量、狀態監測等功能集成在一起，實現面向對象設計的綜合智能單元。故其應用使得智能變電站測控裝置的測試項目與傳統測控裝置不同，其重點在于互操作性。故應先測試通信服務的一致性，之后裝置才具備條件構成應用系統以完成應用測試。應用測試包括兩個方面[9]：1）性能測試，評估裝置的性能指標是否滿足設計目標或應用要求；2）適應性測試，評估裝置對于應用環境的適應能力和兼容性等。其智能變電站測控裝置的性能測試項目可涵蓋為：裝置通信接口和通信功能的網絡通信測試、裝置時鐘對時精度測試、采樣值精度和同步性測試、遙信功能測試、遙控功能測試、信息響應時間測試、裝置運行功耗測試等。

2 實時測試仿真系統總體架構設計及實現

2.1 總體架構設計

為完成上述性能測試項目并滿足系統實時性的測試要求，將智能變電站實時測試仿真系統分為測試軟件子系統、間隔層仿真子系統、過程層仿真子系統、同步對時系統、通訊模塊等，其各子系統連接框圖如圖1所示。

圖1 實時測試仿真系統總體連接框圖

其中，仿真測試軟件子系統位于站控層，負責各個模塊的協調及各個功能測試過程中的控制和信息傳遞，實現遙測、遙控、遙信等測試。測試軟件子系統實現從測試方案的建立、下發到獲取反饋數據，比對分析得出測試結果，并生成測試報表，實現各個功能模塊的閉環同步測試系統[10]。另外，可實現變電站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、計量三大系統的設備單體測試和系統聯調測試功能。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調測試[11]。

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。

該系統的測試過程無需經過過程層設備MU單元及智能終端，可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，測控裝置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，測控裝置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。

該系統主要可實現以下測試：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。模擬輸出SV報文的遙測量及GOOSE報文的狀態量給測控裝置，測控裝置通過MMS報文輸出給測試軟件系統，測試軟件系統通過專家庫的比對分析，形成閉環的測試方法[12]。過程在過程層仿真中主要實現數字量遙測測試、數字量遙信測試、數字量遙控測試，其流程框圖如圖2所示。

2.2 硬件設計方案

為確保智能變電站實時測試仿真系統大規模、高實時性的測試要求，其硬件系統包括無線通信模塊、數據接收模塊、數據發送模塊、時間同步模塊等。無線通信模塊通過無線的方式進行數據的接受和IEEE 1588同步對時；數據接收模塊處理、存儲通過無線網絡接收到的軟件平臺仿真數據；數據發送模塊提取數據接收模塊中的數據，編碼以后通過電光轉換模塊發送給合并單元和液晶顯示模塊。

數據收發模塊以ARM+FPGA為框架，可提供6對100 Mbps～1000 Mbps光纖以太網接口、9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，其硬件設計框圖如圖3所示。ARM處理器接收軟件平臺通過無線網絡發送來的數據，經過CRC校驗、分配9路輸出數據通道后，經數據總線存入2片8MB的雙口RAM中。數據發送模塊和數據接收模塊通過雙口RAM進行數據交互，每次從一塊雙口RAM中提取半個周波的數據到數據接收模塊進行編碼，將其按照特定協議轉換成合并單元能夠識別的9路電信號，然后以時鐘同步模塊提供的準確時間為基準，將電信號傳輸給電光轉換模塊。

圖2 數字量遙測、遙信、遙控測試流程框圖

圖3 數據收發模塊結構框圖

為實現同步對時，時鐘同步模塊由主同步模塊和從同步模塊構成。作為整個硬件平臺的時鐘標準，主時鐘同步模塊需要高精度的GPS作為時間標準，以確保自身時鐘的準確性，然后在與從時鐘模塊完成IEEE 1588同步對時，同時主時鐘內部還裝有一個高精度的恒溫晶振，彌補GPS失效時不能給從時鐘模塊提供精準時間的缺陷。

2.3 軟件設計

實時測試仿真系統軟件采用實時數字仿真技術實現電力系統穩態計算，可實時模擬全站測控裝置運行狀態，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，完成全站測控裝置性能測試[13]。其架構可分為通信層，數據層，功能層和應用層，如圖4所示。

圖4 實時測試仿真系統軟件總體架構

其中，通信層完成軟件系統的通信功能，包含MMS標準協議[14]、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[15]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。

3 工程示范應用與分析

為驗證實時測試仿真系統的有效性，在指定的環境條件下，應用文中提出的仿真系統并結合多種測試計量儀器進行測控裝置測試試驗。此處以遙控測試和抗干擾測試為例進行性能分析。

3.1 遙控測試

遙控測試包括普通控制對象的分、合閘及斷路器合閘測試。普通控制對象的分、合閘測試需進行對象的分、合閘操作并用萬用表測量相應的輸出接點是否導通。斷路器的合閘操作需要進行無壓合閘、合環合閘和同期合閘操作[16]。對測控裝置進行的同期點捕捉實驗測試情況列于表1，可看出測試誤差均在可接受范圍內，從而證明測試系統的準確性。

表1 捕捉實驗測試結果

3.2 抗干擾測試

抗干擾測試主要用到的儀器包括標準源、射頻信號發生器、脈沖串試驗儀、浪涌發生器、耐壓測試儀等。依次加入快速瞬變脈沖、浪涌和高頻等干擾進行測試。其測試結果列于表2。在各種類型的干擾條件下，測控裝置均正確可靠的反應實際電量的數值，并且正確執行各種操作命令，進而驗證該測試系統的可行性。

表2 抗干擾測試結果

4 結束語

隨著智能變電站的投入運行，原有的測試手段已經不能滿足對新型數字化測控裝置的測試需要。為此，文中在分析測控裝置性能測試需求的基礎上提出了智能變電站實時仿真測試系統設計方案，詳述了系統可實現的測試功能及流程。以滿足高實時性的測試要求為目標，設計了該平臺的硬件系統并分析了各組成模塊及其功能，之后分層介紹了系統軟件的總體架構及功能。最后為驗證實時測試仿真系統的有效性，在指定的環境條件下，進行了遙控測試和抗干擾測試，其結果可驗證測試系統的準確性和可行性。文中設計的實時仿真測試系統可滿足現有多數測控裝置的測試需求，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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Realization and application of real-time testing simulation system for smart substations

LUO Yi-zhao，CHEN Biao
（Fujian Netpower Technology Development Co.，LTD.，Fuzhou 350003，China）

Aiming at the heavy workload of application testing，great difficulty of field operation of the monitor device on intelligent substations，this paper proposed a design scheme of a real-time testing simulation system for intelligent substations based on analyzing the demand of performance test for monitor device，amplifed the system's test function which can be realized and its procedure，designed software and hardware system of the platform，and analyzed each composition module and its function.At last，the effectiveness of this real-time simulation testing system by several engineering application such as remote control，anti-jamming test were verified.The real-time testing simulation system designed in this paper can meet the testing demand of most monitor device，and it's applicable to the application development for intelligent substations，having a great benefit for both economic and society.

smart substation；measure and control device；real-time simulation；process layer simulation

TN73

A

1674－6236（2016）24-0098-04

2015-12-11 稿件編號：201512133

羅義釗（1976—），男，福建福州人，高級工程師。研究方向：電力系統及營銷側相關理論。