智能变电站高级应用功能测试平台

刘 青，傅代印，郑志勤，叶 宁

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003;2.国网辽宁电科院 电网技术中心，辽宁 沈阳 110006;3.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

0 引言

高级应用是智能变电站与常规变电站的核心区别，是提高智能变电站自动化、互动化程度的关键功能。智能电网要求变电站对全网数据进行分层、分级地统一断面采集，以实现支撑电网的安全稳定运行和各类高级应用功能;要求设备运维与调度实现全面互动，实现设备状态检修。在智能变电站发展的初期，经过一次设备及辅助系统的智能化，智能站已经实现了全站数字化。在数字化和信息化已经具备的客观条件下，只有进一步发展变电站自动化系统的实时自动控制、信息综合分析、智能调节和协同互动等高级应用功能，才好充分发挥设备数字化和信息化的作用，实现智能变电站对智能电网的节点支撑作用[1～2]。所以，高级应用必将成为建设新一代智能变电站的关键技术。

目前，与高级应用迅猛的研发态势形成鲜明对比的是，高级应用功能的测试工作只限于利用仪器仪表对单一功能进行开环检测，而立足于全站规模的实时闭环仿真测试则鲜有报道[3，4]。为了满足工程建设需要，保证系统安全稳定，在大量产品投入运行前，应建立完善可靠的测试环境。本文基于RTDS及相关智能设备构建了智能变电站高级应用功能测试平台。该平台可以用于智能变电站高级应用功能的测试，具有良好的可扩展性和可升级性。

1 RTDS及其与二次设备间接口方式

RTDS是由加拿大Manitoba高压直流研究中心开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统，由RTDS公司制造，是当前世界上技术最成熟、应用也最为广泛的实时数字仿真系统。该仿真系统中的电力系统元件模型和仿真算法，均基于目前已得到国际上普遍承认的电磁暂态仿真程序EMTDC，其仿真结果与实际系统的真实情况基本一致[5～7]。RTDS 硬件上基于数字信号处理器DSP，采用并行处理方式，仿真步长能达到50 μs级别，计算速度完全可以满足电力系统实时仿真的要求。

RTDS除具有准确、实时的优势外，更重要的一点是配备了多种外接扩展板卡，包括模拟量接口卡 (如DDAC，GTAO)、数字量接口卡 (如GTDI，GTDO)及网络报文接口卡 (如GTNET)等，进而可以与实际物理设备连接完成闭环动模试验。在大型动模试验中，RTDS向外输出模拟量主要有3种方式:利用DDAC或GTAO卡与功率放大器组合;利用DDAC或GTAO卡与电流/电压采集器组合;利用采样值卡GTNET_SV直接与交换机组合。RTDS与外界开关量交换方式主要有两种:利用GTDI，GTDO卡或3PC卡并口与开关量转换装置 (PAD)组合;利用变电站事件卡GTNET_GSE直接与交换机组合。上述方式可根据仿真目的、规模及试验条件的不同灵活选取。

2 高级应用功能测试平台

本文构建智能变电站高级应用功能测试平台的总体思路是:利用RTDS模拟实际变电站一次系统运行工况，变电站二次设备依据DL/T 860标准及国网公司相关原则建模组网，合理设计RTDS与二次设备间模拟量及开关量的接口方式，按照Q/GDW 383-2009和Q/GDW 678-2011这两个标准制定高级应用功能测试策略，进而形成完整的高级应用实时闭环测试系统。平台的整体结构如图1所示。

图1 高级应用功能测试平台整体结构Fig.1 Overall structure of the platform fortesting advanced application

2.1 RTDS软件架构及一次系统模型

RTDS的软件架构是其与用户交互的接口。运行在RTDS前台工作站的软件有两个版本，一个是运行在Unix上的PSCAD;另一个是基于JAVA平台的RSCAD。本平台使用的是基于 JAVA平台的RSCAD。RSCAD界面包括Draft，Runtime，TLine/Cable，Muitiplot和CBulider等模块，分别用来实现一次系统和控制系统建模、下装并实时运行仿真模型、输电线路建模、电流电压波形分析、用户开发自定义组件等功能。

由于高级应用大多是需要多间隔信息的站级综合功能，所以其功能测试平台要具备模拟全变电站运行工况的能力。本平台选取某区域电网内已投运的500 kV和220 kV智能变电站各一例，按其实际参数分别搭建了各自相映的一次系统及控制系统模型，以保证应用在不同电压等级智能站的高级应用都有合适的测试环境。

2.2 二次设备组网

高级应用是变电站监控后台的一部分，其功能要靠后台系统与间隔层设备通信实现，因此，其功能测试平台要具备间隔层及以下设备功能。利用RTDS的CBulider模块可以实现开发软保护、测控等功能，但目前RTDS不具备MMS报文收发功能，无法与变电站后台监控直接接口[8]。故本平台采用实际物理装置组建过程层与间隔层，设备名称及型号如表1所示。

表1 平台二次设备清单Tab.1 Secondary equipment list of the platform

根据DL/T 860标准及国网公司相关原则，对二次设备进行统一建模，将各装置能力描述文件(ICD)导入系统配置器进行配置，生成变电站配置文件 (SCD)，再用装置配置器从SCD中导出各装置的实例配置文件 (CID)下载到各装置中运行。其中，保护采用“网采网跳”形式，全光口交换机 (PSW618D)用于组建过程层网络，光口带电口交换机 (PSW618E)用于组建站控层网络，对时方式采用简单、可靠的IRIG-B码对时。图2是220 kV柳何2线测控、智能终端GOOSE虚端子可视化配置图。

图2 220 kV柳何2线测控、智能操作箱GOOSE虚端子配置Fig.2 Configuration for GOOSE virtual terminals of 220kV Liu He transmission line

2.3 RTDS与二次设备接口设计

为了保证平台的通用性，RTDS与合并单元模拟量接口方式选用DDAC和GTAO卡与功率放大器组合，再接合并单元交流采样端子。不选用跟电流/电压采集器组合的方式，是因为采集器与合并单元之间通过FT3报文接口，而不同厂家FT3报文格式目前还没有统一，这使得合并单元不能无缝更换，不便于平台后期维护。RTDS与智能操作箱开关量接口首选GTDI，GTDO卡与PAD组合的方式，如果开入、开出总量仍不够，则还可采用3PC卡并口与PAD组合的方式扩展，PAD与智能操作箱之间通过触点分合交换信息，无报文协议上的限制，因此可以做到各厂家智能操作箱的无缝更换。

另外，考虑到智能变电站同步采样、GOOSE等关键技术一定是趋于成熟可靠[9]，并且高级应用是位于站控层，将来测试平台的过程层设备很可能得到简化进而使平台升级;所以本平台为探索其自身可升级性，将GTNET_SV卡与GTNET_GSE卡通过光纤直接接入过程层交换机 (如图1)，在对高级应用功能测试的同时，测试GTNET卡在国家电网公司做“六统一”规定后，与国内知名设备制造商提供的二次设备间的互操作性能。

2.4 高级应用测试策略

要实现平台对高级应用功能的测试，除了要具备必要的软硬件之外，还需要配套的测试策略。由于当前尚缺乏关于高级应用功能测试动模试验方面的规程，所以本平台依照Q/GDW 383-2009《智能变电站技术导则》和Q/GDW 678-2011《智能变电站一体化监控系统功能规范》中关于高级应用功能的要求，编制了应用于不同电压等级智能站的高级应用测试策略，力求达到能对高级应用功能进行全面考查的目的。

3 高级应用功能测试实例

图3 测试模型一次主接线Fig.3 Main power wiring of the model for testing

本平台搭建好后，已成功完成一次高级应用功能的测试。测试采用220 kV智能变电站系统模型，一次主接线如图3所示，测试对象为PS6000+自动化系统高级应用，测试的功能包括顺序控制、站控层五防、智能告警、站域备自投、电压无功控制以及小电流接地选线。实施试验前，对整个平台进行了采样值校对和开关量传动及对点，确保了平台数据准确及通信有效;试验中，以RTDS的Runtime界面和网络报文与暂态故障记录分析装置共同构成测试平台对高级应用功能的实时分析工具，并与PS6000+自身的监控记录进行对比，确保了试验结果分析的科学性。由于试验规模较大，数据较多，不可能一一详述，仅列举站域备自投功能测试中的分段备自投一项进行说明。需指出，在站域备自投测试中，一次系统模型中的66 kV双母接线被视为单母分段接线，母联开关视为分段开关。表2为试验步骤，图4为监控界面显示分段备投执行成功，图5为报文记录，图6为故障录波。

表2 站域备自投测试项3Tab.2 Test item 3 for substation area busbar automatic transfer switch

图4 PS6000+监控界面Fig.4 Monitoring interface of PS6000+

图5 报文记录Fig.5 Message recording

图6 故障记录Fig.6 Fault recording

另外，在高级应用功能测试之外，本文也做了GTNET卡与国内知名品牌二次设备之间互操作性能的测试。利用抓包工具解析GTNET_SV所发报文，发现虽然所发电气量数值正确，但其没有反映时间延迟的第零通道，并且只能发出一组电流和一组电压，而当前合并单元采用双A/D配置，保护要接收主采、副采两组电流和电压，所以GTNET_SV卡目前还不能完全模拟合并单元功能。对于GTNET_GSE卡，问题则比较突出。在RSCAD的SCD配置器 (本平台使用版本为2.026.1)中无法导入国内多数厂家的保护、测控装置ICD文件，提示不兼容信息，如图7所示。综上，若想GTNET卡在将来发挥更大的作用，需要RTDS公司与国内各二次设备厂家进行联调，以使GTNET卡更符合我国智能变电站建设的标准。

图7 不兼容信息Fig.7 Incompatible information

4 结论

高级应用在新一代智能变电站中，将起着关键作用，这一点已成为业内的共识[10-12];然而对高级应用功能实时闭环测试方面的研究却明显滞后于其功能的研发。本文正是鉴于上述事实，搭建了智能变电站高级应用功能测试平台，试图在大量产品投入运行前，能够建立完善可靠的实时闭环测试环境，力求对高级应用功能进行全面考查，提早发现问题，确保电力系统安全稳定。对高级应用的首次测试，即证明了本文所建平台可以用于智能变电站高级应用功能的测试;另外，本平台各层间标准化的接口方式，便于增加测试间隔及相应设备，具有良好的可扩展性;同时，随着RTDS外接GTNET卡与国内智能站IED互操作性能的提升，平台所需过程层设备可以大大简化，具有可升级性。

[1]覃剑.智能变电站技术与实践[M].北京:中国电力出版社，2010.

[2]宋庭会.智能变电站运行与维护[M].北京:中国电力出版社，2013.

[3]河南省电力公司.智能变电站建设管理与工程实践[M].北京:中国电力出版社，2012.

[4]何建军，徐瑞林，陈涛.智能变电站系统测试技术[M].北京:中国电力出版社，2012.

[5]周巍.基于 RTDS的数字化变电站测试系统的研究[D].上海:上海交通大学，2010.

[6]梁志成，马献东，王力科，等.实时数字仿真器RTDS及其应用[J].电力系统自动化，1997，21(10):61-64.Liang Zhicheng，Ma Xiandong，Wang Like，et al.Real-time digital simulator(RTDS)and its applications[J].Automation of Electric Power Systems，1997，21(10):61-64.

[7]Forsyth P，Maguire T，Kuffel R.Real time digital simulation for controland protection system testing[C].Power Electronics Specialists Conference，VS:IEEE 35th Annual，2004.329-335.

[8]顾建炜，张铁峰，韩书娟.基于IEC 61850国际标准的配电自动化系统应用研究[J].电力科学与工程，2012，28(1):30-36.Gu Jianwei，Zhang Tiefeng，Han Shujuan.Study on applications of distribution automation system based on IEC 61850 international standards[J].Electric Power Science and Engineering，2012，28(1):30-36.

[9]卢岩，宋玮，于同伟，等.智能变电站过程层数据共网可靠性研究[J].电力科学与工程，2012，28(6):51-55.Lu Yan，Song Wei，Yu Tongwei，et al.Research on reliability of the process layer data in one network on smart substation[J].Electric Power Science and Engineering，2012，28(6):51-55.

[10]耿建风.智能变电站设计与应用[M].北京:中国电力出版社，2012.

[11]黄益庄.智能变电站自动化系统原理与应用技术[M].北京:中国电力出版社，2012.

[12]尉镔，杨希斌，郭怀东.智能生产辅助控制系统在变电站中的应用[J].电力科学与工程，2011，27(6):37-41.Yu Bin，Yang Xibin，Guo Huaidong.Applications of intelligent production control station system[J].Electric Power Science and Engineering，2011，27(6):37-41.