配电网融合系统测试平台设计与分析

和晓东 章建明 马丽娜

（云南电网有限责任公司丽江供电局）

0 引言

近年来，随着我国配电网信息化水平的不断提升，配电网一次系统、二次系统的智能化程度日益提高，但一次系统和二次系统的信息交互使得两者之间没有清晰的分界线［1-3］。对于传统的配电网而言，其一次电气系统与二次系统保护设备之间通常是相互独立工作，为了适应我国配电网智能化发展的需求，配电网一二次系统有效融合是未来电网的一种智能化运行形态，传统一二次融合系统的独立运行形态将转变至融合运行形态［4-6］。这带来的挑战是需要整体设计配电网的一次系统和二次系统，但和独立运行形态相比较，一二次融合系统能够有效提升一二次的配合问题，且提升了配电网的安全稳定运行性能和大大降低了配电网的运维工作量。

然而，我国目前配电网一二次融合研究才刚刚起步，合理有效地设计配电网一二次融合系统对推动配电网的安全稳定运行具有重大意义。传统配电网一次系统和二次系统的开发应用通常需要对其运行特性进行测试，传统的方法是利用专用测试仪对配电网一次系统和二次系统分别单独进行现场测试，该测试方法难以对一次系统和二次系统的交互影响进行分析，且测试可靠性低、灵活性差［7-11］。针对上述问题，文献［12］提出了一种配电网一二次联合系统的数字仿真方案，该方案通过RTDS仿真软件对实际配电网一二次运行特性进行实时仿真，能够对配电网一二次联合系统的运行特性进行模拟测试，且避免了采用实际电网进行测试所带来的安全风险。该类方法虽然能够完成配电网的运行特性测试，但是缺乏对一二次融合系统的交互运行特性以及通信特性进行测试的方案，且急需一个应用一二次融合系统的标准、可靠的实时测试方法。

鉴于此，本文为了实现配电网一二次融合系统的全面有效测试，在配电网一二次融合系统的总体框架和实现方法的基础上，设计了一种能够对配电网一二次融合系统工作环境进行模拟检测的平台。

1 配电网一二次融合系统

RTDS仿真系统具有实时、闭环以及连续的数字仿真功能，在实际电力系统运行控制领域得到了广泛应用［13-14］，因此文中对配电网的一二次融合系统采用RTDS仿真器进行模拟和分析。配电网一二次融合仿真系统主要包括配电网一次电气系统的故障数字仿真和二次系统的继电保护设备的实际装置，其中配电网一次系统数字仿真能够对配电网的不同运行工况进行灵活、可靠的模拟，而二次系统的设备主要是采用真实的继电保护设备进行接入模拟，能够精确地反映继电保护设备的物理特性和动作逻辑，一二次融合系统的具体定义如图1所示。

图1 配电网一二次融合系统定义

配电网一次系统模拟主要是分析配电网一次系统的故障运行特性，可精确地模拟和显示故障期间的电压、电流等电气量信号，并能够提供不同运行工况和故障条件下的电气信息数据源。配电网电气信息量主要是通过数据库进行存储，且数据库提供配电网一次系统和二次设备的数据接口，可完成配电网一二次系统有效融合的数据转换。二次设备系统则通过对一次系统故障信号数据的接收和分析，结合相关的保护算法进行保护动作。配电网一二次融合系统的实现方法如图2所示。

图2 配电网一二次融合系统实现方法

配电网一二次融合系统数据接口的关键设备是功率放大器和多功能传感器，具体实现流程如下：配电网一次系统的模拟量输出卡将输出的电压信号量输送至功率放大器的采样接口，功率放大器将接收到的电压信号放大后再输送给二次系统继电保护设备；而二次系统设备的输出电流通过传感器采样后并将其转换成电压信号，并通过模拟量输入卡将采集的电压信息传输到一次配电网系统，从而实现了配电网一次系统和二次设备系统之间的有效融合。

2 测试平台设计

2.1 测试平台基本组成

在配电网一二次融合系统基础上，搭建了对应的通用测试平台，测试平台主要包括一二次融合系统数字动态模拟和仿真、测试规约、调度自动化和信息安全等，各系统组成关系如图3所示。

图3 测试平台各系统之间关系

配电网一次系统采用RTDS数字仿真可对配电网的不同运行工况进行模拟，而二次系统与一次系统接口后能够对一次系统的数据采集和动作控制；规约测试主要是完成配电网一二次融合系统的不同协议测试，包括一致性测试和互操作测试等；调度自动化主要是模拟和仿真配网调度系统，与测试平台通过移动网络连接；信息安全系统主要是对配电网网络攻击事件的模拟。

除此之外，从硬件组成部分来看，测试平台的正常运行需由外部辅助系统提供供电电源、监测设备以及功能分析设备，主要分为电源模块、安控模块、统计分析模块以及显示模块。其中电源模块为测试平台提供可靠的供电电源，主要包括市电系统和直流供电系统；安控模块主要是对设备实际参数、设备运行状态、环境状况等进行监测；记录分析模块主要是对测试数据、网络性能进行记录和分析；显示模块则是对测试平台的分析记录结果进行直观有效的展示。

2.2 测试平台总体架构

配电网一二次融合系统测试平台以IEC61850标准协议为基础，主要由站控层、间隔层和过程层等三层结构组成，总体架构图如图4所示。测试平台站控层主要由监控模块、时钟模块以及远动工作站等模块组成，其功能是完成信息采集分析、主站互动等；间隔层主要包括继电保护二次系统、综合测控等，其功能是转发站控层和过程层的信息，收发信息并网成二次系统继电保护功能；过程层主要是与一二次融合系统的接口相连接，具体包括互感器和智能终端等。

图4 测试平台总体架构

2.3 测试平台接口设计

测试平台接口主要是实现平台与一二次融合系统、外部辅助功能系统之间的信息交互，主要由逻辑接口和物理接口所组成。其中逻辑接口主要是平台和一二次仿真系统、调度自动化系统之间的信息交互，具体的功能包括信息采样、主站远程接口等；而物理接口则是平台与外委功能模块连接所需要的电缆、光纤等接口材料。

测试平台接口部分主要包括接口算法以及接口设备，接口算法主要是对一二次融合系统、调度自动化系统等输出量以及反馈量的延时或者误差进行补偿，以提高一二次系统融合系统的信息采样精度，而接口设备则是连接一二次融合系统、外部辅助功能的实际设备，接口设备性能的好坏对仿真系统的精度具有较大的影响。因此，在设计测试平台接口时采用有效合理的接口算法，同时选型合适的接口设备，有效降低数据之间交互的时间延时以及误差。

2.4 测试平台实现方法

一二次融合系统测试平台在站控层、间隔层和过程层架构基础上，采用分层结构和模块化思想完成闭环测试，其基本实现如图5所示，主要包括测试平台接口层、方案设置层和测试层，其中测试平台接口层由过程层来实现，其关键组成包括工业交换机以及实时仿真平台RTDS的GTNET-GSE模块，为被测一二次融合系统提供测试接口；方案设置层包括一二次融合系统数据模型、测试方案数据库以及测试方案的多类型数据接口库，方案设置层是附加开发模块，能够对于不同运行特性的一二次融合系统进行二次开发，编辑和设置对应的测试方案；测试层则主要在间隔层实现，其由测试控制模块以及GOOSE报文通信模块组成。

图5 测试平台实现方法

结合配电网一二次融合系统闭环测试平台实现思路，制定一二次融合系统实时闭环测试的总体实现流程如图6所示，具体如下：

图6 一二次融合系统闭环测试总体流程

1）建立一二次融合系统模型。首先利用RTDS仿真平台搭建配电网一次系统模型，具体包含配电网结构、保护设备模块、故障控制模块，并进一步搭建一次系统的电子式互感器模块，通过仿真模拟配电网在故障情况下的运行特性来获取对应的故障电压、电流信号；然后设置二次系统设备参数以及接口设备的运行参数，将一次系统采集到的电压、电流信号连接至RTDS的GTNET_SV采样值板卡输入端，通过GTNET_SV模块将这些采样值数字信号变为满足IEC61850-9-2LE通信标准协议的格式数据帧，所有订阅了该采集信号的间隔层设备都能够获取该类信息。

2）配置测试方案。通过配电网一二次融合系统的通信模块，对一二次融合系统的数据模型进行分析，根据提前配置的测试方案来设置一二次融合系统的测试任务方案，并生成对应的一二次融合系统测试报告模板。

3）启动测试平台。通过操控测试平台的主控中心模块，打开配置好的具体测试方案，并开始测试工作，不同的测试项目采用不同的测试指标进行测试。测试平台启动后，一次系统电压和电流信号的输出格式为满足IEC61850-9-2LE标准的以太网数据帧形式，而二次系统保护设备的信息采用GOOSE报文的方式进行输出。

4）形成闭环测试。当测试平台能够接收到一次系统的GOOSE报文信息，对二次系统保护设备的动作信号进行解析，对测试方案中的一二次融合系统的基本功能测试以及接口通信性能测试等进行测试验证，从而形成配电网一二次融合系统的闭环测试系统。

5）处理测试异常。在测试平台的测试过程中，对测试过程可能存在的异常情况进行分析和判断，如果测试过程中存在异常现象，需调整之前的测试流程，当异常排除后再次执行之前的测试流程。

6）生成测试结果。当检测到测试任务已完成，测试平台控制中心对测试结果数据进行读取和保存，并判断当前的测试结果是否满足合格标准，最后对测试结果写入到准备好的报告模板，生成满足要求的测试报告。

3 测试平台应用

利用本文设计的测试平台对搭建的配电网一二次融合系统的性能进行测试和分析，测试内容包括配电网一二次融合系统的一次系统故障运行特性、二次系统设备保护动作特性以及GOOSE网络流量。

首先在测试平台上配置测试方案，设定配电网一次系统发生单相接地短路故障，一次系统的输出特性发生变化且二次系统的开关保护动作，同时二次系统会将跳闸信号发送给基于RTDS的一次系统。当一次系统接收到二次系统传送的报文信息后，此时二次设备运行状态也将发生改变。对此过程的一次系统故障运行特性、二次系统设备保护动作特性以及GOOSE网络流量进行了测试分析。

图7是一次系统发生故障时的一次系统线路电流变化以及二次系统断路器动作特性，图中分别表示的是一次系统故障处的电流信息和二次系统开关动作信息。根据测试结果可知，一次系统能够准确反映故障运行状态的暂态过程，而二次系统保护设备能够接收一次系统的故障信息来做出正确地动作，且一二次融合系统能够接收二次系统所发出的跳闸控制信号，来实现对二次系统断路器的控制。测试结果表明一二次融合系统能够实现和GOOSE报文信息之间的快速、有效通信，确保了测试平台的有效性、可靠性和实时性。

图7 一二次融合系统运行特性测试

另外，图8给出了配电网一二次融合系统在故障保护过程中的GOOSE网络流量特性。由结果可知，测试过程中的网络流量最高值才为40M左右，远远小于具有千兆带宽的交换机设备最大网络流量，对测试过程中的报文信息网络输送和一二次融合系统运行的网络传输延时没有任何影响，完全满足配电网实际工程需求。

图8 保护动作下的GOOSE网络流量

4 结束语

本文针对配电网一二次融合系统在测试方面的需求，分析和设计了一种配电网一二次融合系统闭环测试平台。首先对智能化配电网电气设备一次、二次设备深度融合的总体框架和实现方法进行详细阐述；然后在此基础上通过配置文件和物理设备来分析和设计系统的测试平台，详细分析配电网一二次融合系统测试平台基本组成、总体架构、接口设计以及实现方法等。最后测试平台应用结果表明：设计的测试平台能够对配电网一二次融合系统的运行状态、动作特性以及网络流量等进行有效、可靠和实时的检测。