智能变电站实时测试仿真系统的实现及应用

罗义钊，陈彪

（福建网能科技开发有限责任公司，福建 福州 350003）

智能变电站实时测试仿真系统的实现及应用

罗义钊，陈彪

（福建网能科技开发有限责任公司，福建 福州 350003）

针对当前智能变电站测控装置应用测试工作量大、现场运维难度高等问题，本文在分析测控装置性能测试需求的基础上提出了智能变电站实时仿真测试系统设计方案，详述了系统可实现的测试功能及流程，设计了该平台的软、硬件系统并分析了各组成模块及其功能。最后，通过遥控测试和抗干扰测试等工程示范应用，验证了实时测试仿真系统的有效性。本文设计的实时仿真测试系统可满足现有多数测控装置的测试需求，适用于智能变电站的应用开发，具有很好的经济效益和社会效益。

智能变电站；测控装置；实时仿真；过程层仿真

随着非常规互感器、IEC61850标准、智能化开关、一次运行设备在线状态检测等关键技术的应用，我国智能变电站投入运行的数量日趋增多。所应用的测控装置也从最初的面向功能的RTU发展到面向对象、间隔的测控单元，从单个对象测控发展到多个对象测控，从四合一装置（保护、遥测、遥控、遥信）发展到“三态”测控装置。测控装置功能性与复杂度的提高增加了相关设备的应用测试工作量和现场运行检修人员对装置的运维难度。故如何实现测控装置的测试分析，对建设坚强智能电网具有实际的工程意义，有必要设计一套多功能集成的实时仿真测试系统。

目前对智能变电站测控装置的实时测试技术仍处于探索阶段，运行维护项目和流程也沿用传统变电站运行管理要求，尚缺乏标准化的检修维护流程以及关键设备状态评价指标。为此，诸多学者提出了测试方法及系统设计方案[1-3]，另外，文献[4]分析了数字化测控装置与传统测控装置的异同，初探讨了数字化测控装置的性能测试项目和测试方法，搭建了相应的测试平台；文献[5]以电力系统全数字仿真装置为核心设备，开发了基于lEC61850的数字化保护检测系统；文献[6]提出了基于RTDS的新型数字化变电站测试系统的总体结构，并基于IEC61850标准提出了对智能保护系统进行网络化的自动应用测试方法。

针对以上问题，文中在分析测控装置性能测试需求的基础上提出了智能变电站实时仿真测试系统设计方案，详述了系统可实现的测试功能及流程。设计了该平台的软、硬件系统并分析了各组成模块及其功能。最后为验证实时测试仿真系统的有效性，在指定的环境条件下，进行了遥控测试和抗干扰测试，其结果可验证测试系统的准确性和可行性。

1 智能变电站测控装置性能测试项目

相比于传统变电站，智能变电站基于IEC 61850标准，通过电子式互感器、MU单元、智能操作箱，将一次设备采集的电气量就地转化为数字信号并通过光缆传输，实现了电气量数据采集环节及控制环节的数字化应用，其运控操作通过网络通信方式以信息报文方式实现，有效降低了开关场、感应及电容耦合等途径对于二次设备的电磁干扰[7-8]。另外，由于测控装置的数据来源由原先的模拟量采集变为数字量，对输入的电气量所做的降压、滤波以及A／D转换工作都得到了相应的简化，部分工作由电子式互感器或MU单元来完成，故简化了测控装置结构，测量电气量在传输过程中的误差也可有效降低；进而避免了一次电流与二次输出难以同时满足正常运行时高精度以及故障时宽量程的测量要求。

IEC 61850-9-1/2标准的应用为智能变电站测控装置功能集成提供了条件。所有信息都通过以太网采集信息，随着计算机技术和微电子技术的发展，测控装置可将保护、计量、状态监测等功能集成在一起，实现面向对象设计的综合智能单元。故其应用使得智能变电站测控装置的测试项目与传统测控装置不同，其重点在于互操作性。故应先测试通信服务的一致性，之后装置才具备条件构成应用系统以完成应用测试。应用测试包括两个方面[9]：1）性能测试，评估装置的性能指标是否满足设计目标或应用要求；2）适应性测试，评估装置对于应用环境的适应能力和兼容性等。其智能变电站测控装置的性能测试项目可涵盖为：装置通信接口和通信功能的网络通信测试、装置时钟对时精度测试、采样值精度和同步性测试、遥信功能测试、遥控功能测试、信息响应时间测试、装置运行功耗测试等。

2 实时测试仿真系统总体架构设计及实现

2.1 总体架构设计

为完成上述性能测试项目并满足系统实时性的测试要求，将智能变电站实时测试仿真系统分为测试软件子系统、间隔层仿真子系统、过程层仿真子系统、同步对时系统、通讯模块等，其各子系统连接框图如图1所示。

图1 实时测试仿真系统总体连接框图

其中，仿真测试软件子系统位于站控层，负责各个模块的协调及各个功能测试过程中的控制和信息传递，实现遥测、遥控、遥信等测试。测试软件子系统实现从测试方案的建立、下发到获取反馈数据，比对分析得出测试结果，并生成测试报表，实现各个功能模块的闭环同步测试系统[10]。另外，可实现变电站SCD文件智能化解析，全站二次设备图形化全景展示，二次设备状态显示，二次设备配置查询，变电站一次接线图编辑等功能。

间隔层仿真测试子系统包含保护仿真模块、测控仿真模块、计量仿真模块和间隔层测试系统模块，主要实现变电站间隔层的保护系统、测控系统和计量系统的仿真，对间隔层保护、测控、计量三大系统的设备单体测试和系统联调测试功能。过程层仿真测试子系统则包含MU单元仿真模块、智能终端仿真模块和过程层测试模块，主要实现过程层的MU单元、智能终端设备的模拟仿真，支持过程层SV、GOOSE直采直跳、分组组网等多种网络模式的搭建以及对MU单元、智能终端的单体测试和联调测试[11]。

同步对时系统采用GPS或北斗两种对时方式，支持B码、PPS秒脉冲和IEEE 1588多种同步对时协议，可根据需要灵活配置。

该系统的测试过程无需经过过程层设备MU单元及智能终端，可通过通讯模块调用过程层仿真子系统输出SV报文的遥测值给测控装置，测控装置通过通讯模块将遥测数据反馈给测试子系统；测试软件子系统通过通讯模块调用过程层仿真子系统输出GOOSE报文的遥信变位给测控装置，测控装置通过通讯模块将遥信数据反馈给测试软件子系统；之后，测试软件子系统通过通讯模块下发遥控命令给综合自控系统，输出GOOSE报文给过程层仿真子系统，并通过通讯模块进行反馈。

该系统主要可实现以下测试：1）模拟过程层设备MU单元输出SV报文的遥测量，实现对测控装置的遥测测试；2）模拟过程层设备智能终端输出GOOSE报文的状态量给测控装置，实现对测控装置的遥信测试；3）测试软件模拟主站发出遥控命令，遥控的选择、返校在测控装置完成，执行命令通过GOOSE状态直接发送给过程层，实现对测控装置的遥控测试。测试软件可通过专家库的比对分析，形成闭环测试。模拟输出SV报文的遥测量及GOOSE报文的状态量给测控装置，测控装置通过MMS报文输出给测试软件系统，测试软件系统通过专家库的比对分析，形成闭环的测试方法[12]。过程在过程层仿真中主要实现数字量遥测测试、数字量遥信测试、数字量遥控测试，其流程框图如图2所示。

2.2 硬件设计方案

为确保智能变电站实时测试仿真系统大规模、高实时性的测试要求，其硬件系统包括无线通信模块、数据接收模块、数据发送模块、时间同步模块等。无线通信模块通过无线的方式进行数据的接受和IEEE 1588同步对时；数据接收模块处理、存储通过无线网络接收到的软件平台仿真数据；数据发送模块提取数据接收模块中的数据，编码以后通过电光转换模块发送给合并单元和液晶显示模块。

数据收发模块以ARM+FPGA为框架，可提供6对100 Mbps～1000 Mbps光纤以太网接口、9路光发送串口、2路光接收串口，支持IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2及GOOSE发送、接收；支持IEC 60044-7/8报文输出与接收，其硬件设计框图如图3所示。ARM处理器接收软件平台通过无线网络发送来的数据，经过CRC校验、分配9路输出数据通道后，经数据总线存入2片8MB的双口RAM中。数据发送模块和数据接收模块通过双口RAM进行数据交互，每次从一块双口RAM中提取半个周波的数据到数据接收模块进行编码，将其按照特定协议转换成合并单元能够识别的9路电信号，然后以时钟同步模块提供的准确时间为基准，将电信号传输给电光转换模块。

图2 数字量遥测、遥信、遥控测试流程框图

图3 数据收发模块结构框图

为实现同步对时，时钟同步模块由主同步模块和从同步模块构成。作为整个硬件平台的时钟标准，主时钟同步模块需要高精度的GPS作为时间标准，以确保自身时钟的准确性，然后在与从时钟模块完成IEEE 1588同步对时，同时主时钟内部还装有一个高精度的恒温晶振，弥补GPS失效时不能给从时钟模块提供精准时间的缺陷。

2.3 软件设计

实时测试仿真系统软件采用实时数字仿真技术实现电力系统稳态计算，可实时模拟全站测控装置运行状态，并监测其运行、动作反馈信息，通过与其他测试单元的交互通讯，完成全站测控装置性能测试[13]。其架构可分为通信层，数据层，功能层和应用层，如图4所示。

图4 实时测试仿真系统软件总体架构

其中，通信层完成软件系统的通信功能，包含MMS标准协议[14]、通信配置协议，未来可根据实际需要升级支持101、103远动协议。MMS标准协议基于IEC 61850标准[15]开发，支持变电站二次设备的间隔层通信功能；配置通信协议为本系统私有协议，用于与间隔层、过程层的测试仪器进行测试配置下发、测试结果上报、测试过程控制等测试功能通信。数据层完成本软件的数据存储功能，包含数据库、文件库、版本库。数据库用于存储本软件系统各种结构化数据，如用户信息、日志等；版本库用于对SCD等文件进行版本管理，受版本库管理的文件支持版本差异化分析、版本溯源、版本回退等功能；文件库用于存储本系统软件无需版本管理的文件，如系统配置文件等。功能层是本系统软件各种功能的实现，主要有权限管理、仿真测试专家库中标准库的实现，实现站控层仿真的功能，如SCD分析引擎、“三遥”功能等。应用界面层为用户接口层，完成本系统软件的用户输入、状态信息输出功能，实现用户登录与管理，仿真测试专家库的管理，测试方案的管理，测试结果显示，测试报告生成，变电站全景显示、保护特性测试等功能。

3 工程示范应用与分析

为验证实时测试仿真系统的有效性，在指定的环境条件下，应用文中提出的仿真系统并结合多种测试计量仪器进行测控装置测试试验。此处以遥控测试和抗干扰测试为例进行性能分析。

3.1 遥控测试

遥控测试包括普通控制对象的分、合闸及断路器合闸测试。普通控制对象的分、合闸测试需进行对象的分、合闸操作并用万用表测量相应的输出接点是否导通。断路器的合闸操作需要进行无压合闸、合环合闸和同期合闸操作[16]。对测控装置进行的同期点捕捉实验测试情况列于表1，可看出测试误差均在可接受范围内，从而证明测试系统的准确性。

表1 捕捉实验测试结果

3.2 抗干扰测试

抗干扰测试主要用到的仪器包括标准源、射频信号发生器、脉冲串试验仪、浪涌发生器、耐压测试仪等。依次加入快速瞬变脉冲、浪涌和高频等干扰进行测试。其测试结果列于表2。在各种类型的干扰条件下，测控装置均正确可靠的反应实际电量的数值，并且正确执行各种操作命令，进而验证该测试系统的可行性。

表2 抗干扰测试结果

4 结束语

随着智能变电站的投入运行，原有的测试手段已经不能满足对新型数字化测控装置的测试需要。为此，文中在分析测控装置性能测试需求的基础上提出了智能变电站实时仿真测试系统设计方案，详述了系统可实现的测试功能及流程。以满足高实时性的测试要求为目标，设计了该平台的硬件系统并分析了各组成模块及其功能，之后分层介绍了系统软件的总体架构及功能。最后为验证实时测试仿真系统的有效性，在指定的环境条件下，进行了遥控测试和抗干扰测试，其结果可验证测试系统的准确性和可行性。文中设计的实时仿真测试系统可满足现有多数测控装置的测试需求，对智能变电站的建设和应用推广也应具有很好的经济效益和社会效益。

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Realization and application of real-time testing simulation system for smart substations

LUO Yi-zhao，CHEN Biao
（Fujian Netpower Technology Development Co.，LTD.，Fuzhou 350003，China）

Aiming at the heavy workload of application testing，great difficulty of field operation of the monitor device on intelligent substations，this paper proposed a design scheme of a real-time testing simulation system for intelligent substations based on analyzing the demand of performance test for monitor device，amplifed the system's test function which can be realized and its procedure，designed software and hardware system of the platform，and analyzed each composition module and its function.At last，the effectiveness of this real-time simulation testing system by several engineering application such as remote control，anti-jamming test were verified.The real-time testing simulation system designed in this paper can meet the testing demand of most monitor device，and it's applicable to the application development for intelligent substations，having a great benefit for both economic and society.

smart substation；measure and control device；real-time simulation；process layer simulation

TN73

A

1674－6236（2016）24-0098-04

2015-12-11 稿件编号：201512133

罗义钊（1976—），男，福建福州人，高级工程师。研究方向：电力系统及营销侧相关理论。