基于IEC 61850的線路保護裝置閉環測試實驗平臺

黃紹書， 劉 飛， 郝正航， 陳 卓， 談竹奎

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

0 引 言

IEC 61850標準是電力系統自動化領域唯一的全球通用標準，能夠解決不同廠商的智能電力設備(IED)互操作性問題[1-4]。自2003年IEC TC57 委員會發布IEC 61850 Ed1.0標準以來，IEC 61850體系結構不斷完善，應用范圍不斷擴大，已經從變電站領域拓展到了發電、輸變電、配用電、調度、信息安全等多個領域[5-7]。

目前國內智能二次設備常用的測試手段主要包括動態物理模擬實驗、繼電保護測試儀以及數字實時仿真系統(如RTDS、DDRTS等)[8-10]。在以上各種測試手段中數字實時仿真系統由于具有很強的實時性和可操作性，被國內外研究機構的重點關注，RTDS、DDRTS等數字實時仿真系統均被用來作為研究和分析電力系統特征的重要工具。相比于DDRTS，RTDS具有更加智能的圖形化建模仿真界面，而且該平臺于2013年又開發了支持IEC 61850標準的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測試實驗環境，對RTDS硬件板卡和某廠家線路保護裝置iPACS-5711D的結構和功能進行了說明;然后,在RTDS側RSCAD軟件平臺搭建了電力系統模型，并介紹了GTNET-GOOSE和SV模塊配置方法;最后,通過GOOSE和SV報文數據傳輸實現線路保護裝置閉環測試，以此驗證實驗平臺效果。

1 閉環測試環境

1.1 RTDS系統

RTDS主要由軟件和硬件兩部分構成。軟件平臺RSCAD能夠以圖形化建模界面搭建一次電力系統模型，實時模擬電力系統各種運行狀態，并將采集的電壓、電流以及開關量的信息在RUNTIME中顯示出來[12-13]；硬件部分主要包括GTWIF、GPC/PB5、GTNETx2等板卡。GTWIF板卡主要負責與上位機進行通信功能，PB5板卡完成電力系統節點計算功能，GTNETx2提供符合各種網絡規約用于與外部通信的數據接口，支持符合智能變電站IEC61850規約的采樣值(SV)信息和通用變電站事件(GOOSE)的傳輸[14]，GTNETx2板卡可同時配置兩種協議，完成GOOSE和SV數據傳輸。圖1所示為GTNETx2與外部設備連接方式，配置為GOOSE和SV協議的GTNETx2板卡通過光纖口與處理器板卡PB5進行連接，通過網口與外部工業以太網交換機進行連接，交換機再通過自身光電轉接口與線路保護裝置iPACS-5711D相連。

圖1 GTNETx2與外部設備連接方式

1.2 線路保護裝置

線路保護測控裝置(iPACS-5711D)適用于110 kV以下電壓等級的非直接接地系統或小電阻接地系統，該裝置配有4個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)系列通信規約。該裝置能夠完成三段式過流保護、二段零序電流保護、高周減載、低壓減載、重合閘等測試任務，滿足閉環測試實驗要求。

2 閉環測試RTDS模型配置

2.1 電力系統模型搭建

RTDS側模擬了如圖2所示的一個包括無窮大電網和兩條輸電線路的電力系統，上面一條輸電線路斷路器BRK1由線路保護測控裝置完成控制;另外一條輸電線路斷路器BRK2由RTDS/RSCAD內部模型控制。電力系統模型中線路電流和節點電壓信號由GTNET-SV經過網口發送到交換機，線路保護測控裝置通過光纖線從交換機處獲取；線路保護測控裝置的跳閘和重合閘信號由GTNET-GSE傳輸至RTDS側，RTDS內斷路器BRK1的開關狀態由GTNET-GSE傳輸至線路保護裝置，從而形成閉環測試系統。

圖2 電力系統模型

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RSCAD模型庫中有兩個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個智能電子設備(IED)，每個智能電子設備(IED)可以最大發布64條GOOSE數字量信息和接收來自16個外部智能電子設備(IED)的總共64條GOOSE數字量信息[15]。

圖3中IED1BI1信號是由線路保護測控裝置發出，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和狀態信號傳輸到GTNET-GSE模塊中，GTNET-GSE將開閉信息又返回給線路保護測控裝置。

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

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，通信協議可以配置為IEC 61850-9-2LE或IEC 61850-9-2協議，IEC61850-9-2LE的SV模塊可以配置發送1或2個數據流，每個數據流包含4個電壓和4個電流量；IEC 61850-9-2的SV模型能夠發送一個數據流，每個數據流可以配置為1～24通道。

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

圖4 GTNET-SV模型

3 閉環實驗內容

RTDS側配置完成后，將生成的GTNET-GOOSE和GTNET-SV ICD文件導入到線路保護測控裝置CID文件配置工具中，完成全站系統配置文件SCD文件和線路保護測控裝置IED實例配置文件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個智能電子設備(IED)：iPACS-5711D線路保護測控裝置PL1001、GTNET-SV合并單元ML1001和智能終端IL1001，每個IED設備包括邏輯設備(LD)、邏輯節點(LN)、數據集(data)和數據屬性等信息。

圖5 全站系統配置文件

在完成上述工作后，開展以下閉環實驗。

(1)運行電力系統模型，測試線路保護裝置顯示的三相線路電流和節點電壓有效值與RTDS中輸出的量是否一致；

(2)電力系統發生三相短路，測試線路保護裝置能否發生跳閘和重合閘動作；

(3)電力系統發生電壓急劇降低情況，測試線路保護裝置能否發生跳閘和重合閘動作；

(4)電力系統發生頻率急劇下降情況，測試線路保護裝置能否發生跳閘和重合閘動作。

4 波形與報文分析

完成測試線路連接后，運行電力系統模型，使電力系統在I段電流保護范圍內發生三相短路故障，線路保護測控裝置在接收到RTDS側GTNET-SV傳輸的報文數據，分析處理后將跳閘信號發送給RTDS內斷路器，此時線路電流變為零，由于線路保護裝置被設置為三相一次重合閘，因此線路保護裝置又發出合閘信號，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所示為電力系統發生三相短路時RTDS輸出波形，分別為線路電流、節點電壓情況。

恢復RTDS電力系統正常狀態，正確設置線路保護測控裝置軟壓板和硬壓板后，改變無窮大電網的頻率和電壓大小，完成測試任務。測試結果表明,該閉環測試仿真實驗平臺仍然能夠可靠發現電力系統故障，并及時做出處理。

圖6 三相短路時RTDS輸出波形

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

圖7 Wireshark捕獲GOOSE報文信息

圖8 Wireshark捕獲SV報文信息

圖8中,SV報文信息包括了SV報文源地址為00:50:C2:4f:9a:78，目標地址為01:0c:cd:04:00:01，報文長度為187 Byte，從SV報文中測試人員可獲取電力系統電壓電流瞬時值參數和延遲信號參數，電壓單位為1 mA，電流單位為10 mV，通過以上參數,實驗人員可完成電力系統監控。

5 結 語

本文針對國內繼電保護教學實驗工作展開研究，以IEC 61850標準為通信建模基礎，以RTDS實時仿真器為仿真實驗平臺，模擬實際電網正常和故障運行情況，以線路保護測控裝置為測試對象，搭建了一套電力系統線路保護裝置閉環測試實驗平臺，該平臺將為國內IEC 61850數字化裝置的相關教學實驗和設備研發提供了一種新方法。