智能变电站数字化保护实时闭环测试系统

刘建锋，张　剑，刘同银

(1.上海电力学院 电气工程学院,上海200090；2. 国网淄博供电公司,山东淄博255000)



智能变电站数字化保护实时闭环测试系统

刘建锋1，张剑1，刘同银2

(1.上海电力学院 电气工程学院,上海200090；2. 国网淄博供电公司,山东淄博255000)

摘要：为解决基于IEC61850标准的数字化保护进行测试时操作繁琐、需大量资金投入等缺点，利用RTDS及工业交换机构建了一种闭环测试系统，并将其运用于智能变电站实验室线路保护的测试，测试结果表明，此系统操作简单，且具有较高的精确性和可视性。此系统不仅可用于数字化保护的性能测试，还可通过建模的方式模拟变电站一次系统，从而实际检测站内各个区域装设保护之间的协同性，这对于智能变电站的发展具有一定的意义。

关键词：RTDS；智能变电站；数字化保护；IEC61850；线路保护

0引言

近年来，国内基于IEC61850标准的智能变电站技术得到了极大的推广。智能变电站间隔层以SV采样值报文和GOOSE报文的形式通过光纤传输交流模拟量和保护跳闸等开关量，使得二次侧设备实现了数字化和网络化。这种变化使得传统二次侧设备的测试技术已经不再满足数字化设备性能测试的需求[1～4]。为了适应智能变电站技术发展需求，RTDS公司于2006年开发了第一代GTNET网络协议卡，用于基于IEC61850-9-2LE的IED设备进行数字量通信。但由于国内智能变电站遵循的IEC61850-9-2通信标准与北美和欧洲存在一定差异，这导致当利用RTDS对国内智能站IED设备进行测试时需配合其他设备，操作较为复杂，且存在诸多问题。文献[5]中，主要利用RTDS的Cbuilder功能根据IEC61850标准对保护功能的划分方法，开发了一系列保护组件，基于这些模块，可实现各种保护功能，从而对保护逻辑进行分析，但无法实现对实际装置的实时性能测试。本文通过构建基于IEC61850标准的数字化保护新型测试系统，直接对数字化保护装置进行闭环测试，并以某智能变电站实验室IED设备的测试为例，介绍如何解决了测试中存在的ICD文件不匹配等问题，试验结果验证了此技术的实时性与精确性[6，7]。

1基于IEC61850的数字化保护传统测试系统

早期RTDS开发的SV模型遵循IEC61850-9-2LE标准，通道为固定的4路电流信号和4路电压信号，此采样值标准与北美和欧洲的保护厂商均一致。而国内采样值通讯遵循IEC61850-9-2协议，可配置为组网方式和点对点方式，通道亦可灵活配置，且针对国内实际情况特别增加了延时通道，这与9-2LE协议存在一定差异。因此，传统的基于IEC61850的数字化保护进行性能测试时，通常是将RTDS的模拟量以小电压形式输出，然后用功率放大器将其转换为二次电流电压信号，将合并单元的光TA输入板替换成常规电流输入板来接收功放的电流；用EPT模拟器接收功放的电压，模拟为小信号TV并接至合并单元。随后合并单元再将采样值打包为符合IEC61850-9-2的采样值报文送至保护装置。RTDS则通过GTNET卡与外部保护装置进行GOOSE通信。测试原理如图1所示[8～11]。由上述过程可见，此闭环测试方式操作较为复杂，且合并单元与EPT模拟器的购置还需大量资金投入。因此，本文构建了一种新型闭环测试系统。

图1　传统闭环测试系统原理图

2基于IEC61850的数字化保护新型测试系统

2.1　新一代GTNET卡

GTNET卡可认为是一种网络通信协议转换器，接收来自局域网上的数据包并提取数据包中的数据，然后将提取到的数据信息通过光纤送至与之相连的PB5/GPC卡进行运算处理。此外，RTDS仿真生成的数据也可以从PB5/GPC卡发送至GTNET卡进行封包并送至局域网。

RTDS公司于2013年开发的新一代GTNET卡支持IEC61850-9-2(Chinese SV)模型。此模型完全符合国内智能变电站智能设备(IED)的通讯标准，一个SV模型最多输出包括延时通道在内的24路通道，所有通道可根据使用者需求灵活配置。

以下是GTNET卡目前支持的通信协议：

GSEIEC-61850 GOOSE/GSSE

SVIEC-61850-9-2(sampled values)

DNP3Distributed Network Protocol

PLAYBACKPlayback of large data sets

PMUIEEE C37.118 datastream output

每张GTNET卡最多可安装4种所支持通信协议的固件，但每次仿真只能运行于一种通信协议。

2.1.1GTNET-SV模型

目前常用的模型为SV9-2_V5，其可以通过GTNET卡接受或发送IEC61850-9-2采样值报文，通信协议可设置为IEC61850-9-2LE或IEC61850-9-2协议。

在9.2LE模式时，SV模型最多能发送两个数据流，每个数据流包括4个电流信号和4个电压信号，采样速率为80或256点/周期；此外，还可以配置为接受来自合并单元的采样值，采样速率为80或256点/周期。

在NON-9.2LE模式时，SV模型可发送一个数据流，最多可达24个通道，通道类型可配置为时间延迟(Timedelay)、电流和电压通道。采样速率为80点/周期。此模式不支持SV输入。

2.1.2GTNET-GSE模型

GTNET-GSE模型利用GTNET提供IEC61850 GOOSE信息的通讯。目前，在RTDS的模型库中有两个GOOSE模型，分别为GSE_V2和GSE_V5。GSE_V5是2013年开发的新一代GOOSE模型。

GSE_V2提供了IEC 61850 GSSE/GOOSE的通讯协议，可以发送包含最多64条数字量信息的GSSE/GOOSE报文。GSE_V2模型可以设置为接收来自8个独立IED的总共64条数字量信息，或者设置为接收或发送最多8条模拟量信息。V2模型可同时发布4条GOOSE信息，每条包括16条布尔值(Boolean)信息和2条模拟量信息。

GSE_V5作为新一代模型，功能有了进一步的提升。一个GSE_V5 模型最多可以配置为4个IED，每个IED最多可发送64条GOOSE数字量信息和接收来自16个外部IED的总共64条GOOSE数字量信息。GOOSE信息的数据类型可以设置为布尔值(Boolean)、双精度数值(Double Point)、整型数(Integer)或浮点型数(Float)。

两种模型开启相关设置后，GOOSE通信支持对报文的 Quality bitmap,header Test,Needs Commission以及报文允许生存时间TATL(Time Allowed To Live)进行配置。

GTNET-GSE模型中内置的一个SCD文件配置工具，此工具的原理图如图2所示。它可用于对数字化保护GOOSE信号中的通道和RTDS的GOOSE输入通道进行虚端子连接。此外，它还可以用于建立GOOSE的输出通道用于反馈断路器的开关位置给保护装置作为开入信号。

图2　SCD文件配置工具原理图

2.2　测试原理

依照IEC61850-9-2(Chinese SV)模型的研发，本文利用RTDS配合工业交换机构建了一种基于IEC61850标准的智能变电站数字化保护新型闭环测试系统。闭环测试原理如图3所示。

图3　新型闭环测试系统原理图

首先在RTDS上搭建变电站一次侧模型。

RTDS将仿真产生的采样值数据经GTNET-SV模型打包，以IEC61850-9-2格式的报文经交换机过程层SV采样值网络发送至外部保护装置；保护装置根据采样值的大小，以GOOSE报文的形式发出跳闸或重合闸的动作信号至交换机过程层GOOSE网络；RTDS通过GTNET-GSE模型接收并解析报文用以控制RSCAD上实时电力系统中断路器的开断；RTDS还可将实时电力系统中断路器开关状态通过GTNET-GSE模型发送给保护装置作为开入信号。

2.3　存在的问题

由于智能变电站中IED设备数量众多，交换机往往也是级联在一起使用，因此，必须在交换机上为IED设备正确划分VLANID以保证各设备能够接受SV报文。此外，由于智能变电站IED设备在解析SV报文时需从报文的目的地址编码开始按顺序逐个读取，当存在任意一个数据集不匹配时将停止报文解析，这将导致IED设备报告SV模块异常。而RTDS的SVID以及采样点数等并非可以由使用者实现完全自由配置，这将导致RTDS与IED设备的ICD存在不匹配的问题，从而使得无法进行虚端子的连接。

3新型闭环测试系统的应用

本文将以某智能变电站实验室二次侧两DMP5517线路保护装置的测试为例介绍此测试系统的使用[12～14]。

3.1　保护装置SV接收模型

利用保护厂家提供的PCM3000变电站配置管理软件，可获取保护装置SV接收模型的配置信息，用于对RTDS进行配置。信息模型如图4所示(以首端为例)。

图4　保护SV模型

3.2　工业交换机地址分配

由于保护装置装设在保护屏内不可移动，故将保护经工业交换机由光纤与RTDS交换机连接(一般情况下，保护装置直接接于RTDS交换机上)。而国内智能变电站中保护均为直采直跳，故需对智能站交换机划分新的VLAN号。交换机分配地址列表如表1所示。

表1　交换机地址分配列表

根据图4中SV接收模型的VLANID，将交换机端口10，14及18添加 VLANID102，端口12，16及18添加VLANID101。其中端口10和端口12通过光纤与线路末端保护装置SV接收光口相连接，端口14和端口16通过光纤与线路首端保护装置SV接收光口相连接，端口18经光纤接于RTDS交换机。

3.3　GTNET-SV

(1)将IECver选为NON-9.2LE模式，然后根据图4中两保护装置的APPID、VLANID、MAC地址、通道名称、通道数量以及比例因子等信息用以对SV模型进行配置。

(2)RTDS发出的SV报文的SVID是由SV模型中LDpre和LDsuf组合生成的，上述配置后生成的SVID分别为ML1125MU1101和ML1126MU1101，其中，末尾的01是根据采样频率自动生成(采样频率为80点/周期时为01，采样频率为256点/周期时为02)，不可修改。这与图4中装置接收模型的SVID是不匹配的，这将导致保护装置无法识别接收到的SV报文。为解决这一问题，可在Visual SCD配置工具上对RTDS的ICD文件中的采样点数和SVID等进行修改(RTDS的表示方式为80点/周期，而保护装置表示方式为4 000点/s)，并将RTDS的两个GTNET卡当做线路合并单元与智能站各IED做虚端子连接，重新生成新的SCD文件，通过这一方式生成与RTDS匹配的保护装置SV接收模型。修改RTDS的ICD文件后与保护装置的虚端子连接图如图5所示。

图5　虚端子连接

3.4　GTNET-GSE

本次测试使用GSE_V5模型。

(1)从智能站SCD文件中导出两个线路保护装置的CID文件并导入RSCAD上的SCD文件配置工具，选取保护GOOSE输出通道中所需要的通道与GTNET输入通道一一映射，映射(以首端为例)如图6所示。

图中外部保护输入通道分别代表如下信息：

图6　SCD配置工具配置信息

PL1115.PI.GOUTGGIO1.SPCSO1.stVal：保护出口

PL1115.PI.GOUTGGIO1.SPCSO2.stVal：重合闸

(2)将输入信号配置为断路器的跳闸和重合闸的控制信号。控制信息如下所示：

IED1BI1：bit1→跳三相

IED1BI1：bit2→重合闸

IED2BI3：bit1→跳三相

IED2BI3：bit2→重合闸

(3)在SCD配置工具中新建输出通道，用以反馈断路器状态给保护装置作为开入量。根据图4中保护装置的MAC地址、APPID、VLANID、GOID等对输出模型进行配置，然后生成并输出 GTNETGSE的ICD文件。

3.5　闭环测试

(1)模拟正常运行状态下的电力系统，观察采样点的电流值是否与保护装置上采集到的值一致。根据此时保护装置上采集到的电流值，整定保护的动作值。

(2)分别在差动速断保护和过电流保护及重合闸下触发区内外单相接地、相间及相间接地时的瞬时故障，观察保护动作情况、Runtime中断路器开关位变化以及跳闸时间。

3.6　测试结果及分析

3.6.1正常运行状态

图7为RSCAD上模拟电力系统正常运行情况下的断路器状态。IBRK1和IBRK3为保护装置控制的断路器处的电流值，STBRK1和STBRK3表示断路器的开关位置，横坐标表示时间。

保护装置显示三相保护电流有效值为9.62 A，Runtime观测到的采样点有效值ICB1A为0.577 2 kA，经变比换算保持一致(由图4装置模型中可得到电流变比为300 A：5 000 mA)。

图7　断路器电流值和位置

3.6.2差动速断保护

触发区内ABC相故障后，智能站保护装置正确动作，同时保护发出跳闸信号送至RTDS。RTDS接收报文后，Runtime中GOOSE输入信号的通道1、两断路器处电流及开关状态均发生变化，断路器开关位置指示灯由亮变灭，测得保护动作时间分别为0.020 87 s和0.016 38 s。此时保护装置上显示差动速断动作，故障类型均为ABC相故障，动作时间分别为10 ms和9 ms。图8和图9为投入差动速断保护，模拟区内ABC三相瞬时故障时GOOSE输入通道位变化和断路器电流和位置变化。

图8　差动速断保护(GOOSE)

图9　差动速断保护(断路器)

3.6.3过电流保护和自动重合闸

触发区内ABC相故障后，智能站保护装置正确动作，同时保护发出GOOSE跳闸信号送至RTDS，两GOOSE输入信号通道1发生变位，此时两断路器处电流降为0，开关位置为分位，测得保护动作时间分别为0.0320 4 s和0.027 1 s；随后，保护装置发出GOOSE重合闸信号至RTDS，两GOOSE输入信号通道2发生变位，断路器处电流逐渐恢复，开关位置变为合位，重合闸时间为0.401 4 s和0.406 4 s。保护装置显示过电流1段动作和一次重合闸动作，过电流1段动作时显示故障类型均为ABC相故障，跳闸时间分别为20 ms和20 ms，重合闸动作时间为380 ms和390 ms。图10和图11为投入过电流保护以及自动重合闸，模拟区内ABC三相瞬时故障时的GOOSE输入通道位变化和断路器电流和位置变化。

图10　过电流保护及自动重合闸(GOOSE)

图11　过电流保护及自动重合闸(断路器)

当RTDS模拟区外各种类型故障时，保护不动作；当模拟区内其他类型故障时，保护装置均能正确动作并报告正确的故障类型，且RTDS可接收保护装置发出的跳闸或重合闸信号控制断路器的开断。RTDS测得保护跳闸或重合闸时间略大于外部保护显示动作时间，这是由于RTDS测得的时间还包括了交换机的网络传输延时，而RTDS测得线路首末端保护跳闸动作时间不同是由于两保护装置保护启动时刻非同一时刻。

4结论

本次测试，解决了RTDS与基于IEC61850的数字化保护装置ICD文件存在的不匹配问题以及两者的虚端子连接问题，成功实现了RTDS与数字化保护的SV报文及GOOSE报文的通信，测试结果的ms级误差以及GOOSE信号的实时显示验证了此测试系统的精确性、实时性和可视性。这一基于IEC61850的数字化保护实时闭环测试系统，不仅可用于单一数字化保护的原理和性能测试，甚至可通过建模的方式模拟某一变电站一次系统，从而实际检测站内各个区域装设保护之间的协同性，且操作简单方便，无需大量资金投入，这对于保证智能变电站二次侧保护装置的可靠性具有重要意义。

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Real-time Closed-loop Testing System of Digital Protection in Intelligent Substation

Liu Jianfeng1，Zhang Jian1，Liu Tongyin2(1. College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2. State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255000, China)

Abstract：In order to solve the cumbersome in operation and huge cost in equipments during testing of protection based on IEC61850, come up with a new testing system consists of RTDS and switch, introduce the application of this new closed-loop testing method in an intelligent substation lab. The result shows it is accurate and visible. This system provides a simple and effective method for the closed-loop test of the function of digital protection based on IEC61850, and collaboration of different protections in a substation can be tested by simulating the primary side of substation with it. This system will have a great influence to the development of intelligent substation.

Keywords：RTDS；intelligent substation；digital protection；IEC61850；line protection

作者简介：刘建锋(1968-)，男，副教授，研究方向为智能变电站智能设备等，E-mail：liujianfeng@shiep.edu.cn。

基金项目：上海绿色能源并网工程技术研究中心项目(13DZ2251900)。

收稿日期：2015-09-29。

中图分类号:TM933

文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.004