基于D5000系统的变电站综自调试试验系统方案与问题分析

王晓蔚，习新魁，胡文平，杨立波，梁 宾，李均强



基于D5000系统的变电站综自调试试验系统方案与问题分析

王晓蔚1，习新魁2，胡文平1，杨立波2，梁 宾1，李均强1

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021；2.国网河北省电力公司，河北 石家庄 050021)

开发了一种基于智能电网调度控制系统的变电站综自调试试验环境，该试验环境包括基于智能电网调度控制系统的省调主站模拟系统和变电站自动化模拟系统。并研发了厂站端各种自动化设备的投运前评估检测调试试验方法及在运自动化设备的定期巡视与检测调试试验方法，介绍了3个实例：远动机报文卡顿问题测试、远动机丢遥信信号问题测试、远动机频繁丢失事故总SOE信号问题测试。搭建变电站自动化设备调试试验环境，实现了厂站端自动化设备及软件检测测试及故障诊断等功能，为变电站自动化设备和软件符合性测试及投运前检测提供可量化的评估手段。

智能电网调度控制系统；远动；测控；自动化设备；测试

0 引言

调度自动化模拟测试系统建设研发是电网调度自动化系统以及无人值班变电站监控系统稳定、可靠运行的重要保证。开发基于D5000系统的变电站综自调试试验环境，搭建基于模拟省调主站D5000系统及模拟厂站综自系统的变电站综自调试试验环境，能够针对实际生产需要开展相关设备和软件的测试验证，为变电站综自设备和软件符合性测试及投运前检测提供可量化的评估手段。基于D5000系统的变电站综自调试试验功能研发对及早发现变电站综自设备和软件的安全隐患，提高电网调度自动化系统的运行可靠性有积极的指导意义[1-8]。

1 基于D5000系统的变电站综自调试试验环境的搭建

基于D5000系统的变电站综自调试试验环境包括省调度主站模拟系统和变电站自动化模拟系统。根据国网公司和河北公司的有关规定，针对110 kV及以上变电站对时装置、远动通信装置等自动化设备提出变电站自动化新设备入网检测和在运设备定期巡检方案。通过搭建基于智能电网调度控制系统的变电站自动化设备调试试验环境，变电站自动化设备可与智能电网调度控制系统主站系统建立101、104规约通信，对变电站自动化设备在运行中出现的问题进行重演。系统总体物理架构如图1所示。

图1系统总体物理架构图

基于智能电网调度控制系统的省调度主站模拟系统具备省调主站的典型构造和基础功能，可通过RS-232数字接口和10M/100M以太网接口(RJ45)和变电站自动化设备进行101、104规约通信，对变电站自动化设备进行遥控、遥调操作，并可关联对应的遥信、遥测点，获取关联点的状态或值的信息，能为变电站自动化设备测试和验收提供主站功能支持[9-15]。

搭建变电站自动化模拟系统需要的基础设备主要包括后台部分、测控部分、保护部分、网络部分、对时部分和远动部分。后台部分是指后台监控系统需要配置两台服务器，为主备配置。每一台服务器使用双网连接到交换机上。服务器本身可以作为操作员站使用，用于处理站内信息并将其及时反映到显示屏上，同时可以用来操作员对站内开关刀闸等设备进行遥控操作。测控部分主要实现遥测、遥信和遥控三遥功能，由测控装置和规约转换器构成。可以配置4台测控装置(用于高压测控功能)，1台用于线路测控、1台用于母线测控、2台用于主变测控。另外配置1台测控装置用于实现低压出线测控保护功能。装置通过电缆与一次设备连接，通过网络与后台和远动系统连接。1台总控作为规约转换器(用来与保护装置通信)。测控装置可以采用B码对时或脉冲对时方式进行对时。保护部分主要对高压元件如主变和高压线路进行保护，可以采用使用1台主变保护和1台线路保护装置。该装置可与规约转换器通过串口或网口通信把软报文信息上传给后台系统进行显示。保护部分的保护装置接入综自系统，需要通过规约转换器。后者将前者的保护报文解析，转换成网络103报文传给服务器，服务器经过处理后将动作和告警信息显示在画面上。网络部分主要是指用来组建系统网络的交换机设备。站内设备要进行信息的交换，需要将他们进行组网。测控、服务器、远动装置、规约转换器等通过标准网线接入交换机，采用A、B双网配置。保护装置、直流屏等智能设备可以通过485串口或网口接入规约转换器。对时部分用来对系统的各种设备进行对时，要求同时具备GPS和北斗对时信号接收功能，并能输出B码、报文和脉冲等多种对时方式，一般由1台主机和1台扩展箱组成。对时主机可以通过报文方式给总控和后台系统对时，扩展箱可以通过脉冲或B码给测控和保护装置对时。远动部分用来将变电站数据通过远动规约上送给调度，可以采用双机配合调制解调扩展机箱组成，支持模拟通道、数字通道和网络通道等各种通信方式。如果调度采用网络104规约，则还要根据需要配置交换机和路由器。远动部分负责将站内信息上送给调度并接受调度的遥控指令。远动支持CDT、IEC101、IEC104等各种规约[16-23]。

2 基于D5000系统的变电站综自调试试验项目

2.1 雪崩试验

测试方案：利用模拟子站系统和主站通信，模拟子站发送遥信变位，观察主站画面显示时间及告警显示时间，模拟子站发送遥测越限，观察主站画面显示时间及告警显示时间，以测试应用软件性能。模拟子站配置单断面发送遥信个数、断面发送间隔、持续发送时间等，模拟雪崩测试，以测试主站系统承受压力的能力，在压力测试过程中，主站调画面，调曲线，做控制操作等，观察是否有延时停顿现场，雪崩结束后，检查主站告警里遥信变位的个数和模拟子站上送是否一致。在主站界面上逐一测试系统功能，例如上行数据解释、下行控制命令、越限、代路、计算等等，依据国网自动化标准规范和实用化验收指标。

2.2 调度自动化系统IEC60870标准通信规约测试研究

利用规约测试软件对主站IEC60870标准通信规约进行测试，事先配置好测试项目、测试权值、关键项及必测项、自动测试参数等测试方案，然后自动形成测试脚本，进行测试，测试过程中能动态监视测试过程，翻译测试内容及每项通过情况，最后得出测试结论和测试明细，测试过程中报文可以回放追述，还可以逐条手动测试，用手动测试结果补充自动测试的结论。技术标准是IEC60870标准通信规约。

2.3 调度自动化相关产品准入质量测试及第三方软件测试

将调度自动化相关产品接入系统，例如天文钟、UPS、KVM矩阵等等，测试功能运行是否正常，测试长时间运行是否正常，相关产品质量符合各技术规范书要求及行业标准。对于第三方软件测试采用专用软件测试工具，针对功能、性能、接口、稳定性等方面逐一测试，要满足调度自动化系统要求。

2.4 变电站自动化设备入网测试

主要开展各种自动化设备如测控、远动设备的遥测精度测试、遥信上传速度和分辨率的测试、各种规约测试等。测试标准有国家发布的有关自动装置的国家标准、国家电网(南方电网)及各地电力企业发布的企业标准等。使用仪器为电力行业公认且广泛使用的各种校验仪和测试仪。

3 远动机报文卡顿问题测试

河北某变电站远动装置曾出现过如下问题：某50万变电站报文出现卡顿的现象，省调主站收到7帧报文后出现大概10 s的等待。通过搭建基于智能电网调度控制系统系统的变电站自动化设备调试试验环境，变电站自动化设备可与智能电网调度控制系统主站系统建立101、104规约通信，对变电站自动化设备在运行中出现的问题进行重演。

远动装置运行程序后，观察远动装置上送到省调的报文，确定主站收到7帧报文后出现大概10 s的等待现象。在省调主站模拟系统抓住的卡顿报文如图2所示。

图2 远动装置上送省调主站报文

远动装置抓住的报文及打印的信息如下。通过截取的报文可以看出，总招过程卡顿，每次gstSio104.k = 12要等待10 s的超时，然后收到一帧确认帧，每次收到确认帧后，未被确认的帧数gstSio104.k ！= 0。

send kk = 11

68 2d 58 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 41 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 12

68 2d 5a 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 61 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

recv: kk = 12

68 04 01 00 5c 00

gstSio104.k = 12

temp = 46

gstSio104.SendNo = 46

(gstSio104.k + temp - gstSio104.SendNo) = 12

gstSio104.k = 5

send kk = 1

68 2d 5c 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 81 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

通过分析远动装置的程序，查出问题是远动装置的程序中值计算错误，导致出现报文卡顿，更改程序后，问题解决。远动机对值处理后的报文信息如下。通过截取的报文可以看出，总招过程很流畅，每发8帧gstSio104.k = 8必收到一帧确认帧，每次收到确认帧后，未被确认的帧数为gstSio104.k= 0。

send kk = 8

68 2d 60 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 c1 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

recv: kk = 8

68 04 01 00 60 00

gstSio104.k = 8

temp = 48

gstSio104.SendNo = 49

(gstSio104.k + temp - gstSio104.SendNo) = 7

gstSio104.k = 0

send kk = 1

68 2d 62 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 e1 05 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 2

68 2d 64 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 01 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 3

68 2d 66 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 21 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 4

68 2d 68 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 41 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 5

68 2d 6a 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 61 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 6

68 2d 6c 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 81 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 7

68 2d 6e 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 a1 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

send kk = 8

68 2d 70 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 c1 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

recv: kk = 8

68 04 01 00 70 00

gstSio104.k = 8

temp = 56

gstSio104.SendNo = 57

(gstSio104.k + temp - gstSio104.SendNo) = 7

gstSio104.k = 0

send kk = 1

68 2d 72 00 02 00 01 a0 14 00 01 00 e1 06 00 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80

4 远动机丢遥信信号问题测试

某500 kV站多次出现500 kV低压侧电容电抗器开关变位信号漏报。AVC调节后，遥测信息及时上送，但遥信信息需等总召才能发送正确的遥信位置。

在实验室搭建测试环境，进行大数据测试，即模拟大量变位遥信同时发生，每次4 300个SOE，每天大约模拟产生十万个SOE，远动双机上送调度主站数据正常。在10月24日的一次测试中出现了一次备机丢失一个SOE的现象。针对该现象，修改程序，分别在IXP425接收网络数据侧和双口RAM发送数据侧、CPU双口RAM接收数据侧和功能模块分发数据侧、104模块接收到的数据侧添加监视手段，继续进行大数据测试。在10月28日，该现象又出现了一次。通过分析对比各程序输出的信息，发现是双口RAM在传输时丢失了该SOE。

远动机的站内数据是通过IXP425网卡接收处理后，通过双口RAM发送到总控侧。以SOE为例，IXP425网卡收到SOE后，首先申请SOE的信号灯，如果申请成功，则将一定数量的SOE写到双方约定的区域，然后释放信号灯；总控CPU侧在每个循环时都会申请该信号灯，如果申请成功，则读取数据，并清空数据区，结束后释放该信号灯。信号灯是由硬件控制，确保双方不同时读取数据区，以保证数据正确。IXP425侧程序是有需要才申请信号灯，而CPU侧是一直尝试申请，在实际实验中，发现连续几天大数据不停读取时，会出现IXP425侧偶然申请不到信号灯的情况。申请不到信号灯，就无法将本次数据写到双口RAM数据区，在这种情况下，就会出现将本次数据丢失的可能。

在远动程序中修改IXP425程序，在原逻辑的基础上，增加了碰撞延时申请和一定时间内循环申请信号灯的机制，用这两个机制来规避IXP425侧偶然申请失败的情况。

5 远动机频繁丢失事故总SOE信号问题测试

河北部分变电站某型号远动机频繁出现事故后缺少事故总信号动作SOE信号。在实验室搭建测试环境进行测试。测试型号为CSC-320EW。测试用3台CSI200E测控装置，CSM320EW 1台，调试笔记本4台。将CSI200E的13个开入用线短接在一起，然后留出一个公共端，用公共端点正电，保证所有的开入同时上送，然后将CSM320EW、CSI200E、以及4台测试笔记本同时接到交换机上，3台调试笔记本使用模拟主站软件监测报文，1台笔记本启后台监控系统。CSM320EW启3个通道，配置采用500 kV清苑站配置。用测控装置上预留的公共端点击正电。以大概0.2 s的速度点击，点击5次。模拟主站接收报文出现丢信号现象。

经过测试查明原因为程序内核与转出之间匹配存在问题。(1) 在qrtu.c取到消息后，所有的SOE信息都被缓存到soe_lib中，soe_lib的缓存区为512K，当新产生的SOE信号量大时，会溢出，极端情况会出现放满。(2) q104n.c取SOE帧时，每次都从SOE缓存区的起始位置搜索未上送的SOE信号，这样会导致SOE上送慢，另外还会导致旧的SOE长时间发不出去，新的SOE立刻发送[24-29]。

6 结语

目前，河北南网新入网变电站自动化设备接入调度自动化系统的测试工作，采用接入实际运行主站的方式进行。这种新设备、新技术在实际运行的系统上直接进行的方式，安全风险较大。开发基于智能电网调度控制系统的变电站自动化设备调试试验系统，研究厂站端各种自动化设备的投运前评估检测调试试验方法及在运自动化设备的定期巡视与检测调试试验方法，能够针对实际生产需要开展相关自动化设备和软件的测试验证，测试结果满足相关技术要求后方能投入实际运行。避免自动化设备直接投运或者在运自动化设备故障对调度自动化系统的稳定运行造成影响。同时，使用该测试系统能对现运行的变电站自动化设备进行定期测试，可及早发现隐患，采取应对措施。基于智能电网调度控制系统的变电站自动化设备调试试验方法是电网调度自动化系统以及无人值班变电站监控系统稳定、可靠运行的重要保证。

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(编辑 周金梅)

Development of test technology for integrated automation system in substation based on D5000 smart grid operation supporting system

WANG Xiaowei1, XI Xinkui2, HU Wenping1, YANG Libo2, LIANG Bin1, LI Junqiang1

(1. State Grid Hebei Electric Power Research Institute, Shijiangzhuang 050021, China; 2. State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiangzhuang 050021, China)

The test technology for integrated automation system in substation based on smart grid operation supporting system is developed. The test system includes the provincial master simulation system and substation automation simulation system based on smart grid operation supporting system. The test and assessment before operation of all kinds of automation equipment in substation and the regular inspection of running automation equipment are researched. Three examples are introduced, which includes the test of RTU message slack, telesignalling signal loss and the frequent loss of total accident signal SOE. The test and fault diagnosis of the automation equipment and software in substation are realized by building a test environment for the provincial master simulation system and substation automation simulation system. And the test system has provided quantifiable assessment tools for the test and fault diagnosis.

smart grid operation supporting system; RTU; monitoring and control devices; automation equipment; test

10.7667/PSPC152163

2015-12-12；

2016-01-11

王晓蔚(1970-)，女，博士，高工，研究方向为电力系统自动化。E-mail: wxwhwp@163.com