数字化变电站过程层通信故障发生装置

张炳达，姚 浩，张学博

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072）

相对于常规变电站，数字化变电站的继电保护装置及其他二次设备具有数字化、网络化特点，其接受的输入信号不再是电流电压模拟量、断路器状态量、压板开关量等，而是以数字信号形式传播的采样值报文和GOOSE 报文。这些新设备在数字化变电站中扮演重要角色，直接关系到电力系统的可靠性和安全性。因此，有必要研究新的测试项目和测试手段以满足新设备的性能测试需求[1-3]。

电子式互感器、智能断路器、继电保护装置在运行过程中可能会产生各种异常状况，报文在网络传递过程中也可能出现丢帧、超时等现象。尽管这些故障是偶然发生的，但继电保护装置应能作合理的处理，不至于出现保护误动或保护拒动[4]。实时数字仿真仪RTDS（real time digital simulator）通常不对数字化变电站过程层通信故障进行模拟[5]。为了对继电保护装置进行比较全面的检测，本文采用“截取—修改—转发”方式，人为地改变采样值报文和GOOSE 报文，使继电保护装置接受的信号出现异常。同时，采用信息熵检测法，监视报文中的电压信号，实现过程层通信故障、电力系统故障的联合仿真。最后，研究了旁路接线法，用较少的资源完成多个继电保护装置的联合实验。

1 通信故障发生装置的硬件组成

电子式互感器、智能断路器、继电保护装置、网络交换机的异常和故障对被测继电保护装置而言分为三类：报文异常、报文超时和报文丢失。

本文设计了一个连接到过程层网络通路上的通信故障发生装置，对线路上的报文进行“截取—修改—转发”处理。通信故障发生装置连接网络通路上的2 个以太网模块A、B 和1 个PC 机相连的以太网模块C。通过C，通信故障发生装置接收PC机的故障发生控制命令，并向PC 机上传故障发生执行情况，其硬件框架如图1 所示。

为减少通信故障发生装置接入过程层网络引起的通信延时，以Marvell 公司的千兆以太网物理芯片88E1111 作为装置的以太网收发器。该芯片支持千兆媒体独立接口（GMII）、吉比特以太网物理接口（TBI）、简化吉比特媒体独立接口（RGMII）等多种介质访问控制MAC 层接口，可方便地实现10/100/1 000 Mbit/s 的自动切换，并可连接传送电信号的RJ45 或者传送光信号的SFP。在报文接收方面，可接收所有报文，也可通过过滤寄存器的设置只接收目的地址与本地物理地址相同的报文。

采用Altera 公司EP3C25 作为通信故障发生装置的中央控制器，对3 个88E1111 物理芯片进行并行处理和快速地计算电压信息熵。该芯片较高性价比，有24 k 个逻辑单元、149 个IO 管脚、66 个18 位内嵌乘法器、4 个PLL 以及594 kB 的RAM。

2 通信故障模拟

在实际过程层网络的任一条传输线上，数据流是单向抑或是双向的。模拟网络中任何位置的故障设计了通信故障模拟电路。由2 套完全独立的报文接收—修改—转发模块组成，能对双向数据流同时设置故障。在报文修改与报文转发之间设计了1 个缓冲区，它由8 个长度为1 522 B 并配备有计数器的缓冲FIFO、1 个空闲指示FIFO 和1个就绪指示FIFO 组成。其中，计数器用于指示缓冲FIFO 离发送的时间；空闲指示FIFO 用于存放空闲状态的缓冲FIFO；就绪指示FIFO 用于存放可立刻转发的缓冲FIFO，如图2 所示。

图2 通信故障模拟电路Fig.2 Simulation circuit of communication fault

报文接收模块从空闲指示FIFO 中获取一个报文缓冲FIFO，把从三速以太网IP 核的接收FIFO 中读取的数据存放在该缓冲FIFO 中，且把通道计数器定值设为0；修改模块按通信故障的类别进行处理：①如果模仿报文丢失，则将缓冲FIFO放回空闲指示FIFO 中；②如果模仿报文异常，则从缓冲FIFO 读出数据，修改后再存入缓冲FIFO；③如果模仿报文超时，则将通道计数器定值置成超时量。修改模块还负责通道计数器的管理，把已到时（通道计数器的值为0）的缓冲FIFO 写入就绪指示FIFO 中；转发模块将就绪指示FIFO 中的缓冲FIFO 数据写入另一个三速以太网IP 核的接收FIFO，并将该数据放回空闲指示FIFO 中。

采样值报文和GOOSE 报文中的电流电压采样值、断路器状态量等信息都包含在应用协议数据单元APDU 字段中。当通信故障发生装置在模仿报文异常时应根据APDU 采用的ASN.1 编码规则对报文内容进行分析并重新组织[6]。

3 电力系统故障检测

在电力系统发生故障时，为检验继电保护装置是否对这种复合故障具有很好的应对能力，通信故障发生装置应跟踪采样值报文，及时发现电压电流的突变，制造过程层通信故障。

信息熵[7]是度量物质系统不确定性和无序性的指标。用采样值报文中的电压电流数据建立数据窗序列，根据该序列的信息熵值大小确定窗口中是否存在突变点，步骤如下：

（1）将n 个采样值报文中的某个电压或者电流数据{wi}（i = 1，2，…，n）作为信息熵的分析对象。设窗口长度n 为工频周期采样点数的1/20～1/10。采样值报文的采样频率通常为80 个采样点，故本文设n=8。

（2）将窗口内的数据作差分预处理，滤除直流分量，减少低频分量，放大高频分量，形成增量序列{Wi′}，即

（3）对{Wi′}进行平方运算，得到能量序列

（4）计算能量序列的概率分布，即

（5）计算当前数据窗的信息熵，即

当电力系统发生故障时，电流增大，电压减小，波形突变。突变点的出现使得能量序列的概率分布很不平均，确定性较大，信息熵值较小。

当PC 机发送简单故障模拟命令时，通信故障模拟功能立即开启；而当PC 机发送复合故障模拟命令时，仅当信息熵值低于阈值时通信故障模拟功能才开启。

4 测试环境试验研究

图3 是一种基于RTDS 的继电保护装置采样值网络与GOOSE 网络混合组网的测试方案[8-10]。其中，网络交换机采用杭州华三通信技术有限公司产品S5042P，GTNET_SV 和GTNET_GSE 分别是符合IEC 61850-9-2 标准的采样值报文通信卡和GOOSE 报文通信卡。实验过程中，继电保护装置作为订阅者向交换机发送加入相应订阅组播组请求，订阅相应的采样值报文和GOOSE 报文；同时也作为发布者将包含跳闸信号的GOOSE 报文发送至相应订阅组播组。

图3 基于RTDS 的继电保护装置测试Fig.3 Testing of relay protection based on RTDS

通信故障发生装置的连接方式可以分为串接法、旁路法。其中，串接法是截取传输线上不需要改变GTNET 通信卡和继电保护装置的配置；旁路法通过重新配置组播地址的方式，小规模地改变报文原来的传输路径，使通信故障发生装置能够截取需要通信故障模拟的报文。将图3 中GTNET_SV1 发出的采样值报文1 和GTNET_SV2 发出的采样值报文2 的组播地址改为通信故障发生装置的订阅组播地址，把订阅报文1 和报文2 的继电保护装置的订阅对象改为通信故障发生装置的报文组播地址，从而使报文1 和报文2 的传输路径由1′、2′变为1、2。这种旁路法可同时截取、处理多路报文，实现多个继电保护装置的联合实验。

本文设计了一种传输延时测量装置，其输出端和输入端分别代替GTNET 通信卡的信号输出端和继电保护装置的信号输入端，构成一个以传输延时测试装置为起点和终点的环路，去比较故障发生装置接入前后的传输延时。对于串接法，把通信故障发生装置分别接到传输线a、u；对于旁路法，接线见图4，用传输延时测量装置同时给网络交换机端口1 和端口3 提供报文。报文长度分别设置成100，500，1 000，1 522 B，其增加的传输延时见表1。

图4 旁路法接线Fig.4 Connection diagram of bypass method

表1 通信故障发生装置引起的传输延时Tab.1 Delay by communication fault generator μs

表1 可知，当采样值报文和GOOSE 报文的长度在500 B 时，串接法所引起传输延时不超过3 μs，而旁路法所引起的延时不超过8 μs，均不会对报文传输产生较大影响[11-12]。

为检查信息熵检测法对电力系统故障检测的有效性，让RTDS 在线路距离Ⅰ段、距离Ⅱ段和距离Ⅲ段保护范围内制造短路故障。表2 列出了用线路电压信息熵对短路故障发生时刻的判断偏差。

表2 电力系统故障检测误差（采样点）Tab.2 Detection error of power system fault（sampling point）

当短路故障发生在电压过零附近时，检测效果不够理想，甚至有检测不出的现象。但是，绝大部分的短路故障能够立刻被检测出来，可实现过程层通信故障、电力系统故障的联合仿真。

5 结语

本文主要从硬件、软件以及接线方式等方面对过程层通信故障发生装置进行了描述，并通过实验对其性能进行了验证。实验表明，该装置能很好地模拟各种常见的过程层网络故障，且能配合电力系统故障实现联合仿真，为继电保护装置的性能测试提供了一种有效手段。

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