基于IEC61850的配網自動化終端測試技術研究

劉柱揆，許守東，張可，胡凡君，胡永承

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

0 前言

目前，智能配電網正處于建設當中[1]。配網供電可靠性和供電指標已有很大提高，許多單位開展了不同層次、不同規模的配電自動化試點工作，取得了較大進展[2]。配網自動化運用技術手段對配電網進行離線與在線的智能化監控管理，使配電網處于最優運行狀態[3]。配電網自動化系統是一項系統工程，它大致可分為三個子系統：配網自動化主站系統；配網自動化子站系統；配網自動化終端[4]。城市配網自動化終端[5]負責對城域所轄的柱上開關、開閉所、環網柜、配電變壓器等進行監控，既要實現FTU、TTU等的三遙功能，又要實現對故障的識別和控制功能，從而配合配網自動化主站及子站實現城區配網運行中的工況檢測、網絡重構、優化運行以及網故障時的故障隔離和非故障區域的恢復供電。

配電網自動化程度的重要標志是通訊是否符合自動化的要求，它擔負著設備及用戶與自動化的聯絡，起著紐帶作用。擔負著信息的處理、命令的發送和返回。所有數據的傳遞，沒有可靠有效的通訊，配電網無法與自動化相聯系[6]。在實現具體的配電業務時，可采用的通信方式主要包括：

1）光纖專網，包括以太網無源光網絡、工業以太網等光纖以太網技術。

2）配電線載波，包括電纜屏蔽層載波等技術。

3）無線專網，包括寬帶技術。

4）無線公網，包括GPRS/CDMA/4G/5G通信技術[7]。

當今市場上關于配網自動化終端自動化校驗的技術，仍處于空白狀態。本文提出的基于IEC61850與傳統多種類通信方式配網自動化終端測試技術研究，開發出IEC61850規約和模擬量輸出組件，組件分別支持傳統的模擬量和IEC61850規約，基于測試軟件對其中的21種測試內容進行測試。能夠對現有的配網自動化終端進行全自動閉環測試，減輕現場工作人員的負擔，提高工作效率，提高配網自動化可靠性。

1 輸出組件的硬件技術設計研究

IEC61850是國際電工委員會(IEC)TC57工作組制定的《變電站通信網絡和系統》系列標準，是基于網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一的國際標準[8]。IEC61850規范了數據的命名、數據定義、設備行為、設備的自描述特征和通用配置語言。使不同智能電氣設備間的信息共享和互操作成為可能。IEC61850標準的制定及其內容已超出變電站自動化系統的范圍，將會擴展到其他工業控制領域，成為基于通用網絡通信平臺的工業控制的國際標準。目前在電力系統的各個領域和工業自動控制領域，都在紛紛組織相關工作組，準備吸收IEC61850的技術來制定相應的標準。

IEC61850規約和模擬量輸出組件如圖1所示。其中，數字處理單元包括DSP+FPGA+ADSP三個處理模塊；DSP為TMS320F28377，作為數字處理CPU，用于控制組件邏輯處理和數字信號產生；ADSP包括BF518處理器，作為通訊CPU，用于與工控機的以太網通訊；FPGA包括XC6SLX75用于DSP和ADSP之間的通訊、產生驅動功放單元的信號以及接收守時信號的秒脈沖信號。

圖1 IEC61850規約和模擬量輸出組件

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

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，用于產生符合IEC61850規約的數字報文。通訊單元包括KS8995FQ與IP175CHLF，用于與工控機以太網通訊，兩路外置以太網通訊以及WIFI模塊通信。光纖以太網通訊單元包括AFBR5803光模塊。FT3單元包括HFBR1414光模塊，其中有3個發送端口，接口類型ST，光纜為62.5/125 μm的多模光纖。

2 新型配網自動化和傳統終端接口區別

傳統的配網自動化終端的接口為模擬量的電壓和電流以及開關量接入，通訊方式為以太網或GPRS方式，通訊規約采用101規約或104規約。而基于IEC61850配網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，采用的規約是IEC61840，在基于IEC61850配網自動化終端的后臺為光纖以太網，規約為IEC61850。傳統的配網自動化終端有兩種測試方式，基于IEC61850配網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展，一種采集量的組件即IEC61850規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、光纖、GPRS）接口組件。根據傳統配網自動化終端與基于IEC61850的配網自動化終端的通訊方式不同，可以有如下的測試方案。

2.1 傳統配網自動化終端通訊方式不同

根據將通訊方式分為以太網和GPRS，可以基于通訊方式的不同將傳統的配電網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

由控制器通過通訊方式組件的以太網獲取配網自動化終端的定值等參數，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量輸出，監控配網自動化終端出口，同時控制器通過通訊方式組件讀出配網自動化終端的SOE事件，從而完成整個測試。其如圖2所示。

圖2 通訊方式為以太網的傳統自動化終端的控制圖

試驗前，輸出組件的4相電壓3相電流接入配網自動化終端，開出與開入量分別接入配網終端對應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。試驗前，輸出組件的4相電壓3相電流接入配網自動化終端，開出與開入量分別接入配網終端對應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，配置好測試終端的IP地址和端口號。

圖3 通訊方式為GPRS的傳統自動化終端的控制圖

2.2 新型通訊方式為以太網

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

圖4 通訊方式為以太網的基于IEC61850的配網自動化終端后臺

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

3 新型配網自動化終端同步測試

基于IEC61850的配網自動化終端與配網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獲取配網自動化終端的定值等參數，控制器自動生成測試方案，控制輸出組件的IEC61850輸出至配網自動化后臺，控制輸出組件的模擬量輸出至配網自動化終端，監控配網自動化終端出口，同時控制器通過通訊方式組件讀出配網自動化終端后臺的各項參數，從而完成整個同步測試。其測試圖如圖5所示。

圖5 基于IEC61850的配網自動化終端同步測試流程圖

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

4 測試軟件的使用

基于IEC61850配網自動化的層次化測試系統，其特征在于：測試系統為層次化結構，系統分為主站測試儀和終端測試儀。配電網層次化保護是基于單間隔數據的間隔保護，當由于通信通道等問題導致和站域保護或區域保護裝置通信中斷時，不依賴于通道的保護應能正常工作；站域保護不實現就地化保護功能，而是實現站內跨間隔保護，以主變差動保護和母線差動保護為主；區域保護主要以線路差動保護和負荷轉移控制為主，也可以包括站間備投、失步解列、切機切負荷等功能。由于配電網層次化保護數據來源分散，結構復雜，現場運行無可靠的測試方法；另外，目前國內配電自動化系統，多數由于投運前的相關試驗未完全系統開展，導致各功能模塊運行的投入率、正確率指標不是很好，沒有完全達到配網自動化的設計指標要求，而國網、南網近年來正積極開展配電自動化系統的相關測試、評估，以提升配網運行的自動化水平。為了解決這些問題，急需對配網層次化保護測試技術和測試方法、設備進行深入研究。

主站測試儀通過以太網口與配網自動化主站通訊，自動生成測試方案，測試過程中監視主站SOE事件。主站測試儀通過通訊單元通過公網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至配網自動化主站的IEC61850報文。主站測試儀以GPS獲取時間，并通過授時單元以IRIG-B授時主站。

終端測試儀具備模擬量的電壓源、電流源以及開關量。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單元與GPS獲取時間信息，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，主站測試儀發給配網自動化主站IRIG-B碼，保證三者同步。依靠時鐘同步，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。

根據配電自動化終端設備檢測規程要求，共涉及了誤差試驗、影響性試驗、開關量試驗及邏輯試驗。測試項目共包括：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、狀態量輸入、SOE分辨率、遙信響應時間、遙測響應時間、遙控響應時間、相電流Ⅰ段保護、相電流Ⅱ段保護、零序過流保護、零序過壓保護、低壓告警保護、過壓告警保護、一次重合閘，共21種項目測試。項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。只有此項正常才可以進行自動測試。測試目的是為了看輸出和回采是否正常，這是做任何試驗的前提，由于不限制時間，軟件以1000 s為測試時間，足以看出是否正常。

電壓基本誤差測試中，軟件選擇了4個測試點，是 60% UN，80% UN，100% UN，120% UN，其中UN為主界面的系統設置中的額定電壓值。當前狀態持續時間為試驗時間設定的10000 ms，當運行完后會自動翻轉到下一個狀態，直到四個狀態全部做完。之后會自動翻轉到下一個選擇的測試項目。試驗開始后，測試儀會按設定的幅值、相位、頻率輸出值，通過遙測回采回來的值填入檢測值，軟件自動計算誤差值、有功功率、無功功率、功率因數等信息。

相電流Ⅰ段保護測試項目中，軟件根據主界面選擇的試驗倍數，每個測試點設計一輪自動測試，直到所有的倍數都測試到。試驗時的正常態時間默認8 s，故障態測試時間是整定時間加0.2 s進行試驗，如果有動作信號加進來就會在結果中顯示出來。

5 結束語

通過通訊方式組件和輸出組件，解決了目前眾多配網自動化終端多種模擬量接入和兼容大多數的配網自動化終端的通訊方式。本文所提出的基于IEC61850與傳統多種類通信方式配網自動化終端測試技術研究，同時兼容101、104和IEC61850規約，填補了該領域的技術空白。

基于IEC61850的配網自動化系統，對配網自動化終端和配網自動化后臺進行了同步測試，提高了驗收的效率和對配網自動化運行的保障。對于配網自動化方面未能夠進行全面的研究工作，針對配網自動化做更深入的研究，在現場調試過程中多接受工作人員的反饋，進一步的完善組件的性能和自動化測試的功能。