精準負荷控制系統測試方法的研究和應用

張 文 徐興豫 王 哲

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精準負荷控制系統測試方法的研究和應用

張 文 徐興豫 王 哲

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

精準負荷控制是特高壓交直流電網系統保護的重要組成部分，通過對負荷資源的分類、分級、分區域管理，實現由調度直接發令對分類用戶可中斷負荷的實時精準控制，能避免大量對變電所或線路進行整體拉閘，將電網故障的社會影響降到最低，提升大電網故障防御能力。為了保證精準負荷控制系統的穩定性和可靠性，在精準負荷控制系統投入使用前，需要對其進行充分的驗證測試。本文針對精準負荷控制系統的特點，開發了一套模擬測試環境，該測試環境基于實際的軟硬件架構，針對內部通信特點，研究測試方法，定制測試用例驅動，能夠模擬滿負荷運行下的各種運行工況，全面驗證和考核精準負荷控制系統的功能性能，從而保證精準負荷控制系統的穩定性和可靠性。該測試方法已經在精準負荷控制系統的研發測試過程中得到了充分的應用。

精準負荷控制；特高壓；負控終端；可靠性

隨著我國電網規模的不斷壯大，當前我國電網已進入跨大區、特高壓、交直流混聯運行的新階段，電網運行管理變得更加復雜。為了保證供電的質量和電力系統的可靠性和經濟性，電網調度中心必須實時準確地掌握整個系統的運行情況，及時進行分析并做出正確的判斷和決策，必要時采取緊急措施，處理應急事故和異常情況，以保證電力的安全、可靠、有效供應。

精準負荷控制是特高壓交直流電網系統保護的重要組成部分，主要用于統籌電網資源與負荷綜合配置，實現電源、電網、用戶負荷互濟互動，提高電網特高壓故障應急響應能力[1-3]。通過對負荷資源的分類、分級、分區域管理，實現由調度直接發令對分類用戶可中斷負荷的實時精準控制，能避免出現大量變電所或線路出現整體跳閘的情況，將電網故障的社會影響降到最低，提升大電網故障防御 能力。

為了保證負荷控制系統的穩定性和可靠性，在負荷控制系統投入使用前，需要對其進行驗證測試。目前變電站自動化系統中，對負荷控制系統的驗證測試主要是通過搭建負荷控制系統的實際模型和仿真模擬，然后對其進行分析和驗證。這種方法雖然能夠測試出負荷控制系統的性能，但是會耗費較大的時間和人力物力，需要的成本比較高。經過對精準負荷控制系統仿真和判別方法的研究[13-17]，為了充分驗證精準負荷控制系統相關功能和性能，在前期智能變電站自動測試系統研究的基礎上[6-11]，本文提供了一種精準負荷控制系統的測試環境和測試方法，用于解決現有技術中在對負荷控制系統進行測試時成本較高的問題，同時能夠全面驗證和考核精準負荷控制系統的功能性能，從而保證精準負荷控制系統的可靠性和穩定性。

1 精準負荷控制系統結構

精準負荷控制系統的結構如圖1所示，包括協控總站、主站、子站和負控終端[4-5]，協控總站的主機通信連接主站的主機，一個主站的主機通信連接有8個子站的主機，每個子站的主機連接8個通信接口擴展設備，每個通信接口擴展設備連接30個負控終端。各負控終端將相應的負荷量發送給對應的子站主機，子站主機再將負荷量發送給主站主機。當需要切除負荷時，協控總站的主機向主站主機發送切負荷指令，主站主機接收到切負荷指令后進行計算分析，得出各子站主機需要切除的負荷量，并向各子站主機發送對應的切負荷指令和需要切除的負荷量。子站主機接收到切負荷命令和需要切除的負荷量時，通過對應的通信接口，控制負控終端切除相應的負荷量。

圖1 精準控制系統

主站主機根據總站下發的切負荷總量命令合理分配每個子站需切層級及負荷量，按默認8個子站規模預設自定義控制字，用于設置子站切負荷優先級，從低到高對應1—8優先級，按照該順序切子站負荷，根據子站上送的負荷信息，統計各優先級可切負荷量等信息用于切負荷策略并上送總站。

子站主機根據主站下發的切負荷總量按負控終端地址從低到高的優先級合理分配每個負控終端需切層級及負荷量，根據負控終端上送的負荷信息，統計各優先級可切負荷量等信息用于切負荷策略，并上送主站主機。

2 測試環境構成

圖2 測試環境

2.1 協控總站模擬模塊

協控總站模擬模塊的通信接口用于通信連接待測負荷控制系統的主站主機，協控總站模擬模塊用于向待測負荷控制系統的主站主機發送模擬切負荷命令，從待測負荷控制系統的主站主機接收反饋命令，并根據模擬切負荷命令和反饋命令對被測負荷控制系統主站主機的性能進行測試。

2.2 子站主機模擬模塊

子站主機模擬模塊的通信接口用于通信連接負荷控制系統的主站主機，子站主機模擬模塊用于向待測負荷控制系統的主站主機發送模擬負荷量，接收待測負荷控制系統主站主機的控制命令，并對控制命令進行判別。

2.3 負控終端模擬模塊

負控終端模擬模塊的通信接口用于通信連接負荷控制系統的子站主機，負控終端模擬模塊用于向待測負荷控制系統的子站主機發送模擬負荷量，接收待測負荷控制系統子站的切負荷命令，并將切負荷的模擬結果反饋給待測負荷控制系統子站主機。

3 測試用例設計

3.1 硬件特性分析

測試裝置采用成熟的軟硬件平臺[12]架構進行設計，主要硬件結構如圖3所示，中央處理器CPU帶有4個2M的光纖接口和兩個通信擴展設備。4個2M的光纖接口用于連接待測負荷控制系統的主站主機，中央處理器CPU通過以太網連接相應的通信擴展設備。

圖3 硬件結構

3.2 協控總站用例編制

協控總站通過4個2M接口進行數據收發，通信方式見表1，地址碼對應的是接收裝置的地址，正常通信時，數據幀數據為0x5500+地址碼，當需要切負荷時開始發送命令幀，命令幀的數據為0x9900+地址碼。

在測試用例設計時，精準負荷控制系統主站主機和子站主機的測試碼能夠進行整定，最小值是0，最大值是255，當設置成0時表示該主站主機未實際投入使用。根據不同測試條件，靈活控制命令碼的發送時間，常用的是發送切負荷命令持續時間是1s。為了保證命令交互的可靠性，通信報文中設置了切負荷命令碼和切負荷命令反碼，協控主站發送的切負荷命令碼一直為0x00，反碼為0xFF；控制切負荷量表示要切多少負荷，若協控主站發送的控制切負荷量為0，則表示需要切掉全部的負荷。

表1 協控總站通信方式

3.3 子站主機用例編制

子站主機模擬模塊通過8個2M口與主站主機通信，模擬待測負荷控制系統的子站主機。

模擬模塊連接的8個2M通信接口，其數據都可以獨立設置，接收和監視自動判別。正常通信時，數據幀數據為0x5500+地址碼，發送幀號和通道狀態可以通過整定或檢查實際通信鏈路，根據設定的參數發送幀號和通道狀態，模擬正常和異常數據對待測負荷控制系統主站主機的影響。各層級數據通過界面能夠分別進行整定和置數，對最大值、最小值等邊界值進行模擬測試。子站主機模擬模塊還能夠接收主站發送的切負荷命令，根據發送的層級負荷量自動判斷待測負荷控制系統主站主機切負荷命令的正確性。

配電自動化的作用是提高配電網的供電可靠性。配電系統可靠性指標主要有系統平均停電頻率、系統平均停電持續時間指標、平均供電可靠率指標、用戶平均停電指標等,本文只考慮平均供電可靠率指標進行可靠性計算。

3.4 100M光口用例編制

100M光口主要用于模擬負控終端數據收到，收發數據報文見表2，目的地址為被測精準負荷控制系統子站主機裝置接收網口的MAC地址。源發地址為當前網口的MAC地址。以太網幀類型為自定義的類型0xEB90。報文長度為有效數據的總長度，從字節17開始到結束的長度。高速串口包個數表示該數據中包含多少個2M光串口數據，每一個100M口最多支持發送30個光串口數據。板卡信息表示哪個板卡發送的數據。報文有效性信息用于識別報文打包或發送的錯誤標識：Bit0為報文錯誤標志，Bit1為CRC錯誤標志，Bit2為報文長度錯誤標志。第包數據就包含了表2中定義的報文，每一次按照最大30包數據進行收發。

表2 100M光口收發數據報文

4 應用實例

精準負荷控制系統測試裝置開發完成后，能夠對精準負荷控制系統中單裝置和整個系統的功能和性能進行測試，能夠完成的測試項目如下：

1）通信異常模擬測試。

2）切負荷命令動作邏輯測試。

3）策略閉鎖功能測試。

4）切負荷策略測試。

5）切負荷系統仿真測試。

6）整組響應時間測試。

7）系統壓力測試。

對精準負荷控制系統進行分析和研究后，逐步完善了測試用例和監視手段，在相關產品的研發測試過程中進行了充分的測試驗證，保證了精準負荷控制系統功能和性能的穩定。

4.1 整組響應時間測試

精準負荷控制系統要求系統出現擾動后，防止出現直流系統的雙極閉鎖[16]，必須在很短時間內實現負荷的精準切除，防止電力系統出現震蕩和更大的潮流轉移，因此對主站主機、子站主機和負控終端的命令響應時間提出了嚴格的要求，要求每個裝置在接收到控制命令后的響應時間應小于10ms。

通過圖2所示的閉環測試系統，在協控總站發送切負荷控制命令時記錄下命令發送時間，根據主站主機的反饋命令，自動記錄下命令反饋時間，從而實現單裝置命令響應時間的測試。根據測試結果，每個測試裝置的命令響應時間均在10ms以內，一般終端斷路器動作時間均在100ms左右，通信擴展裝置的轉發延時為微秒級，這樣整個系統的動作時間可以保證在130ms內實現負荷的精準切除。

該測試系統通過與RTDS仿真系統結合進行了全系統的仿真測試，按照兩個主站、4個子站和960個負控終端節點配合測試裝置對主站主機、子站主機和負控終端的策略和響應性能進行了仿真驗證。在滿負荷運行環境下對整組動作時間進行了更深入的分析和測試，模擬各類故障和負荷轉移時，主站主機和子站主機均能按照預設的策略進行精準負荷切除，測試結果與圖2測試系統測試出的動作時間一致。

4.2 異常模擬測試

測試模塊中提供了各類數據的整定和設置，能夠通過界面或后臺進行異常數據的模擬和驗證，如策略功能異常閉鎖邏輯：

策略功能閉鎖信號和策略功能狀態信號為互斥關系，即策略功能失效時置上策略功能閉鎖標志；反之，出現策略功能閉鎖信號，則一定存在投入的策略功能失效。對于策略功能含多個觸發條件的情況，若存在任一觸發條件不滿足判據導致策略功能失效的情況即置上該動作策略功能閉鎖狀態。當裝置檢測到和總站通信通道異常、裝置總功能閉鎖和優先級設置錯誤時，則閉鎖策略，并點亮策略閉鎖燈。

4.3 系統壓力性能測試

精準負荷控制系統應用過程中，對網絡要求更高，不應出現部分網絡異常數據導致整組響應時間性能降低。測試裝置中的各個測試模塊針對各類信息進行了優先級分配，能夠在正常數據發送過程中模擬異常數據的發送，考核在不同網絡環境下精準負荷控制系統的各類裝置響應情況。

使用該測試系統進行網絡壓力性能測試時，研發初期的裝置對異常處理不完善，經常會出現策略不正確或響應時間慢的情況，經過反復的驗證測試，目前精準負荷控制系統中的異常處理和監視越發的完善，時間響應性能也更加的穩定，從而保證精準負荷控制系統在工程應用中穩定運行。

5 結論

通過對精準負荷控制系統的研究和分析，搭建的測試系統和測試方案在精準負荷控制系統相關裝置開發和完善過程中起到了重要作用，對精準負荷控制系統運行工況進行了充分的驗證。隨著交直流混合電網融合度越來越高，對區域電網的安全穩定運行提出了更高的要求，使用該測試系統和測試方法能夠全面仿真和模擬精準負荷控制系統的運行工況，及早發現和解決精準負荷控制系統相關產品可靠性和長時間運行下可能存在的問題，從而保證電網更加穩定的運行。

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Research and application of test method for precision load control system

Zhang Wen Xu Xingyu Wang Zhe

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Precision load control was considered an integral part of UHV (ultra-high voltage) AC/DC power grid system protection. Real-time precise control which the dispatcher can send commend directly to interruptible load for user classification could be done via classification, hierarchical and sub-regional management of load resources. This approach has the virtue of not requiring switch off a large number of substations or lines which can minimize the social impact due to grid failures and improve defense capabilities for bulk power systems. In order to guarantee the stability and reliability of precision load control, it is essential to be validated through adequate testing before its operation. Responding to the characteristics of precision load control system, this paper has developed a set of simulation test environment which can simulation various operation conditions running at full capacity and verified its effectiveness comprehensively through researched test methods and customized test case drivers based on actual hardware and software components, the characteristics of interior communication as well, thus ensuring the stability and reliability of precision load control system.This test metrology has been fully applied in the field of developing and testing process of precision load control system.

precision load control; ultra-high voltage; load control terminal; reliability

2018-04-11

張 文（1984-），男，安徽省阜陽市人，高級工程師，從事繼電保護及自動化產品的測試技術、測試方法的研究和科研產品的研發測試工作。