智能变电站一体化调试系统分析

肖黎，张海龙，石光

（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉　430000）



智能变电站一体化调试系统分析

肖黎，张海龙，石光

（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉430000）

摘要：通过对智能变电站调试系统进行一体化的设计，将目前分散实现的各个功能，优化整合为一个方便各个层面使用的系统平台；通过一体化系统平台面向智能变电站实现一次电网整体仿真建模、全站联合调试及对一次异常情况下二次系统响应进行分析、校验等功能，分析了一体化系统对智能变电站安全稳定运行方面所起到的保护作用。

关键词：智能变电站；一体化；集成调试；等效仿真；安全保护

Project Supported by Science and Technology Research Program of State Grid Corporation of China（WNZ141-0017）.

作为智能电网不可或缺的组成部分，智能变电站在智能电网中起着至关重要的作用。“十二五”计划期间，国家电网公司提出建设“统一坚强的智能电网”。为了实现这一宏伟愿景，需要对智能变电站二次系统的测试和调试问题进行系统的分析和探讨。

随着IEC61850通信规约在智能变电站中的应用，信号的变换、采集和传输等方面均发生了根本性的变化。对比常规变电站，智能变电站对系统智能化、自动化的要求更高。因此除了安全、稳定的运行基本要求外，调试系统还要能够保证监控实时化、配置一体化、系统自动化。因此原有的分散的运维调试设备已不能满足智能变电站的需求。本文通过对智能变电站监控系统进行一体化的设计，将目前分散实现的各个功能，优化整合为一个方便各个层面使用的系统平台；通过一体化系统平台面向智能变电站实现一次电网整体建模、全站联合监控及对一次异常情况下二次系统响应进行分析、校验等功能，分析了一体化监控系统对智能变电站安全稳定运行方面所起到的保护作用。

1　一体化系统的需求分析

先从变电站需求进行考虑。首先是系统集成方便的需要，由于在智能变电站的快速发展过程中增加了很多新的设备和功能，也随之诞生了很多的新系统，如智能辅助系统、在线监测系统等。因此导致了变电站的内部曾在多种系统功能的局面，在给运行人员和检修人员带来了更大的工作量的同时也提高了变电站建设的开销。其次就是信息交互的需求，除了工作量和开销问题，多套系统共存的问题给变电站带来的最大问题就是由于多种设备所用设备和通信规约不统一，导致了设备状态信息无法共享，设备运维和管理也非常不便。然后就是高级应用功能的需求，这正是智能变电站“智能”二字的关键所在。智能变电站很多高级应用是建立在对全站设备状态信息数据的实时掌握从而进行智能化的分析和处理，而当前的系统远远不能达到智能变电站的需求。

再就是调度方面的需求。与智能变电站类似，调度中心也越来越重视高级应用在实际运行中的实用性。在国家电网公司提出“大运行”的建设要求后，这种要需求更加迫切。这一切也是建立在智能变电站能够为调度中心提供质量更高、更实时的变电站全景数据，而这更需要有一套好的系统对调度中心信息的采集提供强有力的支撑。

最后要对生产管理的需求进行分析。伴随智能电网技术的不断创新，生产管理系统也对智能变电站提出了更高的要求。由于设备的运行维护在生产管理系统中至关重要，运维工作很多都要在智能变电站内完成。如果能够达到生产管理系统与智能变电站的共享和联动，可以大大地提高智能变电站的智能化水平。这些都是当前传统系统所不具备的，因为一体化系统的需求极为迫切。

2　一体化系统的解决方案

2.1智能变电站的传统调试系统

根据IEC61850标准，智能变电站的二次系统被分为站控层、间隔层和过程层。其中站控层的作用是对电网和一次设备进行远程控制、监测，对二次设备进行管理。而间隔层的作用对一次设备的保护、测量和自动控制的功能。而过程层的作用是对一次设备进行信息采集、监测设备状态和执行控制命令。当前智能变电站调试系统在进行系统测试和调试时，所有站控层、间隔层、过程层的二次设备都要进行准备。先是层的二次设备在完成配置前提下进行单体调试。然后继续完成二次系统的虚端配置后连接数字化网络链路，达到与二次系统信号对点传动。紧接着完成所有系统应用所需配置组态，当上述工作全部完成的时候才能够进行智能变电站的调试工作。由此可见，上述的步骤导致了目前变电站整个二次系统的监控工作量大且周期较长。而且中间环节所需不同的设备与层之间配合过多，因此当某个环节出了问题排查起来难度也很大，导致了智能变电站二次系统的调试工作成本高且效率低。正因如此，一些很高级的应用功能却因为二次设备的准备不足而得不到实际的应用，同时也对智能变电站的功能的高级化和智能化的进展产生阻碍。

2.2智能变电站的一体化调试系统

为了解决传统监控模式的不足之处本文参考了等效电路的理念，决定对智能变电站的二次设备采用等效仿真的测试方案，该方案避免了传统调试系统中全部二次设备集结到位才能进行集成调试的状况。在该设计方案中先是在逻辑上对二次系统调试部分进行分类，分成应用功能、应用输入输出功能、调试输入输出功能及等效采集功能四部分。

智能变电站二次设备的等效仿真测试方案中核心部分就是仿真测试和集成调试，而且具体的设计方案中要对智能变电站的二次系统进行重新划分。其中要将功能集成测试部分抽象出全部智能站中二次设备的等效仿真测试系统。其中该系统的站控层上层部分为高级应用功能，主要是在集成调试功能中对全站二次设备进行数据采样和高级控制支撑，而站控层下层部分的功能是在通信测试功能中对二次设备进行数据采样和控制支撑。如图1所示。

图1　智能变电站站控层二次系统对象结构图Fig. 1 The objective structure of the secondary system on the station control floor of the smart substation

同理对间隔层的二次设备可以采用相同思路，即通过等效仿真对间隔层的二次设备进行仿真搭建。通过仿真的二次系统来等效于二次设备间隔层的输入输出，并以此为基础实现对仿真二次系统和和真实设备的一体化集成调试。如图2所示。

图2　智能变电站二次系统等效仿真测试逻辑示意图Fig. 2 The logic diagram of the secondary system equivalent simulation testing of the smart substation

在采取了等效仿真对二次系统的应用功能部分进行等效代替后，应用功能的集成调试功能就可以通过等效的仿真系统来实现，而不再依赖于真实设备的支撑。既可以实现在完成全仿真测试和集成调试的前提下达到二次系统的有效分离，又能够在上下支撑一致的情况下将测试部分和集成调试部分整合覆盖到整个二次系统，达到了调试系统的一体化设计。采用这种一体化的集成调试系统可以通过有效的减少智能变电站二次系统集成调试的环节来提高调试效率和质量，对智能变电站高级功能的推广起到了积极的作用。

3　关键技术分析

通过对上述方案的思考，为了达到将站控层上层高级应用功能与二次设备的通信测试功能并行的目的，本文需要构建的仿真测试系统既能够充分支持高级应用的业务又能对智能站内全部二次设备进行通信测试。为此本文中采用应用业务流嗅探引擎对智能站全站的二次设备进行实时业务流嗅探并对数据库进行不间断在线监测。该引擎的优势在于预先设置好二次设备中需要获得的信息数据和传输序列，以此来模拟信息的采集和数据传输的步骤并，从而满足应用功能业务数据的需求和对站控层高级应用业务流的实时侦测。该引擎可以根据应用发给控制主体的控制命令的发出时机并将其自动截获，从而达到控制业务流的仿真全过程。再根据控制结果进行向上反馈，之后就可以支撑智能操作、优化控制、一键操作等高级应用功能的全闭环仿真测试。

解决了站控层仿真系统之后，为了达到对各类保护和测控装置仿真的实际需求，间隔层二次设备仿真系统中要采用一种可以跨平台通用的数字仿真技术。由于跨平台需要的需求，该仿真技术需要多种技术的共同支撑，包括多线程技术、内存共享技术、多IP认证等。首要的工作就是要先将不同的标准型二次设备的功能抽象化，也就是将所有的设备的各个标准包括硬件配置、软件属性及逻辑保护一一列出分解，然后使用通过逻辑图对硬件的输入输出进行定义并将保护控制逻辑图形化表达，以此来搭建一个二次设备的通用型仿真平台。该平台硬件部分包含：模拟信号接口、数字信号接口、电子互感器装置及相关测试设备。软件部分采用RTDS仿真系统对硬件进行模拟。

由此可知该跨平台通用仿真系统通过对仿真的二次设备硬件配置、软件属性和保护逻辑进行可视化配置操作，再采用动态编码技术将硬件配置、软件配置、算法统统编译成DLL动态链接库就可以实现不同类型的保护测控装置的通用仿真。除此之外，由于系统是基于多线程技术设计的，对操作系统线程采用直接控制的方式，满足了多服务器多设备的仿真的同时又达到了二次设备实时性仿真的目的。而为了达到基于IEC61850标准对模拟二次设备通信协议的通信链接仿真，系统采用通用服务器多IP地址认证的方式进行工作。除了模拟设备之外，系统还要对实际的二次设备进行仿真。于是系统对真实设备采取了HMI封装，封装后再编译成动态链接库。这样在进行二次设备仿真时，可以达到在面板上显示和操作模拟实际二次设备的效果，完成了在通用服务器上二次设备全仿真的目的。另外为了支持间隔层二次设备仿真测试和单体调试功能，在该二次设备仿真系统中增加了二次设备测试仪的模拟功能。如图3所示。

图3　二次设备仿真系统结构图Fig. 3 The secondary equipment simulation system structure

4　一体化调试系统配置结构及保护分析

一体化智能化变电站调试系统中包含3个主要部分，其中有全数字实时仿真系统（ADPSS）、数字化接口装置（ADPSS-DID-B1）及智能站仿真分析装置。ADPSS仿真系统可以对智能站所在一次系统进行电磁暂态仿真，按照固定的仿真步长计算被测系统所需要的电流、电压等信息，数字化接口装置对合并单元+智能断路器统一建模，以“数字＜-＞数字”的转换方式将仿真系统计算产生的电气量信息实时转换成为符合IEC61850规约的报文发送给被测系统，同时采集保护装置的跳合闸GOOSE报文，转换为开关动作信息后代入实时仿真，从而将智能站二次系统介入全数字实时仿真中开展闭环动态试验研究。

智能站仿真分析装置除完成一次配置及仿真控制外，也可通过报文记录接口，对被测智能站和仿真系统间的交互信息进行智能分析，从而对测试结果进行检验。图4所示的就是仿真系统测试波形图。图中可以看到，用该方法校验可以同时得到误差的结果，方便有效，现场多用该种方法。

图4　仿真系统测试波形图1　Fig. 4 Waveform 1 of the simulation system test

集成式智能化变电站调试系统可以对智能站一次电网整体进行统一建模，采取电磁暂态仿真方式，为智能站提供近似于运行工况的数据流。可对保护在单重/多重故障下动作行为，以及对保护定值、逻辑、时间等特性参数进行综合测试，也可以对智能站多间隔乃至全站进行联合调试，可有效缩短工程调试周期，简化调试流程，提高现场调试效率。更重要的是，这个系统可以对各种复杂的、可能发生的一次异常情况下二次系统的响应进行充分的分析、校验，从而发现二次系统在设计、配置及保护配合方面的隐患，以保证智能化变电站的安全、稳定运行。

5　结语

由于等效仿真测试和集成调试新型模式在智能变电站中的使用，完成了在不需要将站内全部二次设备都集成在一起的情况下依然可以采用等效仿真的技术手段来实现对系统各部分应用功能测试的输入输出采集控制及执行等操作的等效仿真。成功地达到了二次系统集成调试的并行操作，进而智能变电站的仿真测试和集成调试效率也随之大幅提升。这种采用新模式的智能变电站二次设备一体化调试系统在智能变电站的实际应用现场集成测试、现场集成调试及智能站改建的调试中取得了良好的效果。本文从对基于IEC61850智能变电站通信标准的站控层以及间隔层进行了研究与分析，而对于过程层二次设备的特点还要根据实际情况进行具体的研究与分析。通过对智能变电站一体化调试系统进行测试与分析，可以很有效地提升智能变电站调试与运维的工作效率以及质量，对智能变电站的建设和推广也起着很好的作用和积极的影响。

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肖黎（1985—），男，工程师，研究方向为电力系统自动化。

（编辑黄晶）

Analysis of the Debugging System of the Smart Substation Integration

XIAO Li，ZHANG Hailong，SHI Guang
（Wuhan Nari Co.，Ltd.，State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430000，Hubei，China）

ABSTRACT：Through the integrated design of the debugging system for the smart substation，all the dispersed functions existing at present are optimized and integrated into a system platform convenient to be used for all levels. The smart substation-oriented integrated system helps to realize the overall modeling，the joint debugging of the whole substation and analysis and calibration of the response of the secondary system of the abnormal primary system，and the paper also analyzes the protection role the integration system plays in the safe and stable operation of the smart substation.

KEY WORDS：intelligent substation；integration；integrated debugging；equivalent simulation；security and protection

作者简介：

收稿日期：2015-05-11。

基金项目：国家电网公司科技项目资助（WNZ141-0017）。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0058- 04

中图分类号：TM64；TM743

文献标志码：B