基于RTDS-GTNET的智能变电站保护装置实用化测试技术及方案

彭 放 ，高厚磊 ，刘益青 ，孔凡东

（1.山东大学 电网智能化调度与控制教育部重点实验室，山东 济南 250061；2.济南大学 自动化与电气工程学院，山东 济南 250022；3.国网苏州供电公司，江苏 苏州 215004）

0 引言

智能变电站是智能电网的重要组成环节，与传统变电站相比，智能变电站具有智能化的一次设备和集成化的二次设备，并支持各种高级的互动应用［1］。现代化监控系统以及新型互感器、智能断路器、智能电子设备（IED）等装置的出现，不仅影响了变电站的构建及实现方式，同时也使变电站的测试方式发生了重大的变化，虚端子和配置检查、装置互通试验、电子式互感器性能测试成为了测试的关键和重点。但这部分工作不完全依赖于现场，在实验室内即可对智能化的二次设备进行闭环的动态仿真，测试保护测控系统的动作是否符合逻辑［2］。目前智能二次设备常用的测试手段主要包括动态物理模拟试验、继电保护测试仪以及数字实时仿真系统（如实时数字仿真器（RTDS）、ADPSS、HYPERSIM、DDRTS等），其中RTDS由于其建模周期短、灵活性强和数值稳定性好等优点在国内的使用最为广泛［3-4］。

IEC61850标准为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了途径［5］，符合IEC61850标准是对智能变电站及安装于其中设备的最基本的通信要求。对这些IED进行的测试，需采用光纤通信的方式直接获取仿真设备提供的电压和电流的数字量信息，而传统的测试方案只能提供模拟量。因此，应在传统测试方案的基础上进行升级，加入功率放大器以及D/A转换环节［6］。RTDS-GTNET板卡的开发极大地简化了这一过程，GTNET板卡可以直接输出符合IEC61850标准的数字量信息，操作方便灵活，并且RTDS公司也在针对国内应用IEC61850协议的情况不断进行同步开发。

本文首先简要介绍了RTDS及传统的RTDSGTNET测试结构，并分析了保护装置的实用化测试需求。针对这些需求，提出了新式采样值（SV）模块及参数识别匹配的关键技术。最后，本文以站域后备保护的IED为实例进行了测试，利用RTDSGTNET构建了实时的闭环测试系统，并通过报文数据的解析来验证测试的准确性。

1 RTDS及传统RTDS-GTNET测试结构

1.1 RTDS简介

RTDS已被广泛应用于电力系统分析、继电保护装置的闭环测试、HVDC和FACTS装置的控制系统闭环测试，尤其是保护装置闭环测试的应用［7-10］。利用RTDS对保护装置进行闭环测试，真实模拟现场运行情况，可以缩短保护装置的研发周期［11］。

RTDS由软件和硬件两部分构成。

a.RTDS的软件平台（RSCAD）可搭建一次电力系统模型，实时模拟电力系统，显示电压、电流以及开关的信息。

b.硬件平台（Rack）由 PB5、GTNET、GTWIF、GTSYNC等板卡组成。GTNET板卡提供符合各种网络规约用于与外部通信的数据接口①RTDS Technologies.GTNET network interface card.2012.，支持符合智能变电站IEC61850规约的SV信息和通用变电站事件（GSE）的传输。SV模块用于发送电压、电流的SV信息，GSE模块则用于GSE，面向通用对象的变电站事件（GOOSE）和通用变电站状态事件（GSSE）2种GSE机制均可接收和发送开关变位、保护动作等状态变化信息。

1.2 传统RTDS-GTNET保护装置测试结构

文献［12］给出了传统的RTDS-GTNET测试结构。RTDS实时仿真正常或故障时的电力系统，与保护装置通过GTNET板卡经交换机接口，提供符合IEC61850标准的SV及GOOSE信息，实时发送保护装置所需的数据，并接收保护装置反馈的GOOSE信息，控制电力系统中的开关动作，实现对保护装置的闭环测试。

GTNET板卡的功能在RSCAD中由软件模块实现，即在对应软件模块中配置RTDS收发的数据信号及GTNET板卡的硬件接口等信息。1个模块代表1张GTNET板卡，软件模块和硬件板卡结合等同于1个IED，并搭配1个处理数据的PB5板卡。

传统的RTDS-GTNET测试方式需在每个开关处设置1个GTNET-SV板卡，其原因是GTNET-SV板卡传输的数据受到限制，每个板卡只能传输包含A/B/C/N相的4路电压和4路电流共8路数据，即1个开关处的电压、电流数据。当保护装置需采集多处电压、电流信息时，需配置多个GTNET板卡。

2 保护装置的测试需求及实用化关键技术

随着RTDS的普遍应用以及智能变电站背景下继电保护技术的快速发展，保护装置的实时测试需求愈加广泛，对测试的准确性、便捷性、经济性等方面提出了更高的要求，本节对保护装置的测试需求及针对性的实用化测试关键技术进行了介绍。

2.1 保护装置的测试需求

a.不同的保护装置需采集不同路数的电压、电流量，当保护装置采集站内多处的电压或电流量作为逻辑判据时，传统的RTDS-GTNET测试方式无法使用单张GTNET-SV板卡实现测试，必须使用多张GTNET-SV板卡，故报文数据之间具有不确定性的非同步问题；且使用多张板卡的测试成本较高，经济性差。若保护装置只采集电压量或电流量，对SV模块进行数据改造后，也仅能采集8路数据，单张板卡仍不能满足路数需求。

b.针对所传输的SV报文，传统GTNET板卡也无法满足保护装置的需求，仅能支持IEC61850-9-2LE报文的传输。IEC61850-9-2LE是IEC61850-9-2的简化版本，这种版本的实现快速简单，国外的厂商多有使用［13-14］，但不符合国内以 IEC61850-9-2版本为依据的要求，无法直接实现对满足国内标准要求的保护装置的测试。另一方面，国内标准规定保护装置所接收的SV报文数据的抖动偏差（即报文的实际发出时间与设定发出时间的偏差）在10 μs以内，若抖动超过10 μs，保护装置会发生丢包事件，导致不能完整地采集电压或电流的SV数据，而传统SV模块及固件所驱动的GTNET板卡所输出的报文数据抖动偏差过大，远远超出了10 μs的标准。

c.保护装置根据合并单元（MU）或智能终端（ST）的CID/ICD文件识别所采集的电气信息量。在闭环测试中，要实现装置与RTDS间的双向通信，应向保护装置内部导入GTNET的等同IED配置文件。但RTDS的SV模块不能直接生成适合装置的CID/ICD文件，需寻求其他解决方案。

2.2 新式GTNET-SV模块的升级及对比

针对以上测试需求，在最新版本的RSCAD软件及RTDS硬件驱动下，每个GTNET-SV模块可支持24路数据传输，对于下文中站域保护以及母差保护等需要采集多处电流量的情况具有良好的适应性，可灵活配置各项参数。新式GTNET-SV模块传输的SV报文支持IEC61850-9-2版本，符合国内IED通信的需求，大幅增强了RTDS的实用性。

将RSCAD软件升级至最新版本，并更新RTDS硬件的驱动。由于GTNET与RTDS主机之间经文件传输协议（FTP）传输文件②RTDS Technologies.Instructions for updating the GTNET firmware.2013.，通过DOS命令将GTNET-SV协议及GTNET-FPGA安装至GTNET板卡。由于1张板卡可安装4种协议，所以选择1个位置进行安装，覆盖旧式协议或安装于空缺位置，安装完成后激活对应的位置。SV报文的发送也受GTWIF及GTSYNC板卡的影响，故使用RSCAD固件升级工具直接升级GTWIF/GTSYNC-OS/FPGA固件。新式GTNET-SV模块在传输数据量以及协议版本方面达到了保护装置的实用化测试需求。

SV的报文抖动偏差是影响报文接收连续性的关键。为检验新版SV模块的报文是否会引起丢包事件，本文使用专用的网络数据分析设备——网络分析仪（或电子式互感器校验仪）抓取GTNET板卡发出的SV报文数据包测试抖动偏差，以每个周期采样80个点为例，对新、旧版本的SV模块进行分析对比，结果如表1所示。

表1 新、旧版本SV模块报文抖动偏差对比Table 1 Comparison of SV module packet jitter between new and old versions

由统计数据可以看出，新版SV模块产生超标的报文抖动为小概率事件，基本不会发生丢包事件影响装置的测试。

2.3 保护装置与RTDS的实用化通信方法

针对2.1节所述测试需求c，本文采用了参数识别匹配的方法来实现保护装置与RTDS的双向通信，通过将已对该保护装置具有适应性的其他装置（如MU）配置文件进行更改，把该文件中用于通信识别的参数与SV模块中的对应参数进行匹配。经过解析保护装置的配置文件可知，通信参数以及采样控制参数等是保护装置识别并接收RTDS数据的关键，具体如表2所示。

表2 通信参数和采样控制参数Table 2 Communication parameters and sampling control parameters

保护装置的参数由其内部的CID/ICD配置文件确定，RTDS的参数由RSCAD中的SV通信控制块确定。RTDS与保护IED通信的关键SV参数及IED内部识别机制如图1所示。由图1可见，IED（保护装置）自身的文件Iedcfg用于基本的配置设置，MU的CID文件中包含符合IEC61850标准的通信段落和IED段落。IED的内部文件Iedcfg中的订阅值段落则配置了应采集（即订阅）的MU中的电气量数据。Iedcfg文件通过MU的CID文件名定位到相应的文件。具体配置时，首先在SV模块中设置通信参数以及采样参数，然后修改CID文件中通信段落的通信参数，使其与RTDS-SV的通信参数匹配，并设置为同一组播地址且划分为同一虚拟子网；同时，修改IED段落中的采样控制块参数与GTNET-SV的SmvID、Sample rate进行匹配。修改完成后利用保护装置的专用工具将新的CID文件导入装置中。

图1 RTDS与保护IED通信的关键SV参数及IED内部识别机制Fig.1 Key SV parameters of communication between RTDS and protective IED，and internal identification

对于SV模块的配置文件生成问题，存在另一种解决方案。对GTNET板卡进行升级后，新版SV协议模块可在编译RSCAD之后生成GTNETSV.iid文件，该文件可用于外部装置的参数识别，但对于不同厂商装置的适应性仍有待考证。

3 RTDS-GTNET闭环测试实例

针对传统的后备保护面临整定配合复杂、动作速度慢等问题，前期工作中提出了基于电流差动原理的站域后备保护方法，并利用智能变电站的信息共享技术开发了符合IEC61850标准的保护装置［15］，与主保护相配合以实现对智能变电站的后备保护功能。为验证该装置能否可靠动作，使用RTDS对保护装置进行闭环测试。

3.1 站域后备保护装置的RTDS测试方案

3.1.1 仿真模型及测试方案

在RSCAD软件平台的一次电力系统仿真模型中设置了2台变压器T1和T2，低压侧通过分段开关联接，模型如图2所示。

图2 电力系统仿真模型Fig.2 Simulation model of power system

图3为站域后备保护装置的测试结构接线图。在RSCAD软件平台搭建一次电力系统模型，设计了故障及断路器控制子系统，并配置了SV模块和GSE模块的通信子系统。RSCAD软件与Rack之间通过以太网进行连接，经GTWIF板卡与Rack内的其他板卡进行通信。软件中的SV/GOOSE模块对GTNET板卡的作用，通过连接到GTWIF的PB5板卡经GT光纤与GTNET板卡的通信来实现。本方案中使用了2张GTNET板卡，各自安装SV协议及GOOSE协议，2类数据分别经保护装置的SV接收板及CPU板传输，各自使用一对光纤接口。由于本测试使用的GTNET板卡为TX电端口，被测试的装置为FX光端口，需使用光电转换器对2种不同接口进行转换。

图3 站域后备保护装置测试方案Fig.3 Test scheme for substation backup protection

3.1.2 利用GTNET实现闭环测试的方法

站域后备保护装置利用电流差动原理判别2台变压器的故障逻辑，采集QF01—QF04和QF07共5处电流，即15路SV量。利用新版SV模块，单张GTNET板卡即可实现站域电流的采集。

闭环通信是实现闭环测试的重点。利用第2节中的参数识别匹配方法修改已对保护装置具有适应性的MU的CID文件，作为GTNET-SV的等同IED配置文件。除了表2所示参数外，在原MU的CID文件中，描述向外发送的数据集中的功能约束数据属性 FCDA（Functional Constrained Data Attribute）部分也需要根据RTDS发送的数据进行修改。原有数据集中仅有1个逻辑节点（LN）实例LnInst用于发送1处的A/B/C相电流数据，将该数据集扩展为5处数据对应的FCDA，即在原有的1个LnInst基础上增加4个新的LnInst，共形成15个FCDA的数据集，最终形成GTNET-SV模块的等同IED配置文件（SV.CID）。GTNET-GOOSE的等同IED配置文件则由GOOSE模块的SCDEditor工具直接导出ICD文件（GOOSE.ICD）。

向站域保护装置导入以上2个GTNET的等同IED配置文件（无需SCD文件），再将站域保护装置的内部Iedcfg文件关联SV.CID的采样值信号及GOOSE.ICD的开关量信号，以订阅RTDS所发布的信息。另一方面，使用SCDEditor将描述保护装置能力的CID配置文件导入GOOSE模块，生成RTDS订阅保护装置发布信息所需的SCD文件，配置于GTNET-GOOSE模块，以实现保护装置与RTDS之间的双向通信。

需注意的是，对GTNET进行配置时，每个GTNET软件模块与每张GTNET板卡一一对应，软件模块中的硬件板卡接口参数Proc/Port/Card需通过查看GTNET硬件板卡及其与PB5板卡的接线来设置。本文在利用SCDEditor生成SCD文件时，由于导入SCDEditor的保护装置配置文件中含有中文字符，导致配置完成后重新打开编辑该SCD文件时会出错，只能一次配置，故GTNET模块仍需要进行改进。此外，GOOSE模块仅能直接发送SPS的单点状态信息，而国内保护装置对开关位描述也使用DPS的双点状态信息，这增加了配置的难度。最新版本的RTDS软件已在这2点进行了改进。

3.2 测试结果

RSCAD平台显示仿真模型中的电流波形以及保护动作信息，以“T1高压侧故障，主保护动作，T1高压侧开关拒动”为例说明测试结果。图4为测试波形图。图中波形由上至下分别为T1高、低压侧电流波形，T2高、低压侧电流波形，T1/T2低压分段母线侧电流波形，T1主保护动作信号（0、1分别表示动作和未动作，后同），T2主保护动作信号和站域后备保护装置保护动作信号。

图4 测试结果Fig.4 Test results

T1高压侧故障时，故障电流出现；T1主保护信号动作，跳开高、低压侧的开关，低压侧故障电流消失，但由于高压侧开关拒动，故障电流保持；站域后备保护装置通过逻辑判断，延时300 ms发出后备跳闸信号，成功跳开T1高压侧开关，故障电流切除，实现了RTDS与保护装置之间的闭环测试，验证了装置的后备保护功能。

3.3 GTNET板卡SV报文数据解析

单张板卡采集15路电流量，图5为报文数据解析示意图。在该帧SV报文中，阴影部分为第1路电流的数据值与品质值，至帧尾共15路，即单张板卡发送的15路数据由1帧报文同时发送，电流量由保护装置同步接收，不存在多张板卡发送的多帧报文之间的不同步问题。

在RSCAD中显示其发送的电流量，与保护装置计算所得的电流量进行对比，保护装置接收的数据有效值浮动比例在1%以内，与RTDS发送的原值偏差也在1%以内。利用网络报文分析设备抓取某段时间内光电转换器输出的SV报文。将抓包文件的波形数据与RSCAD软件中的波形数据进行对比，测量有效值，前者与后者的数据偏差在0.1%以内。分析PCAP抓包文件，对报文数量以及比例的统计结果表明，报文抖动稳定地保持在 0 μs或±1 μs，如表 3所示，这说明造成该数据偏差的原因是少量报文偏离了正常报文的发送间隔。但这并非造成保护装置接收数据偏差的主因，同时也说明连接光电转换器对报文抖动产生的影响可忽略不计。保护装置将采样的80点/周期转换为24点 /周期，此插值过程以及相量的计算误差是产生数据偏差的主因。这也证明了GTNET板卡发送SV报文的准确性较高。

图5 报文数据解析示意图Fig.5 Schematic diagram of message data analysis

表3 PCAP文件报文抖动统计Table 3 Statistics of packet jitter for PCAP file

4 结语

本文通过分析国内保护装置的测试需求，介绍了升级SV模块的方法，并对新、旧版本的SV模块进行了对比。同时，介绍了利用通信参数进行识别匹配的方法，在此基础上对SV模块所需配置文件进行了修改，并根据保护装置的特点提供了闭环测试方法以及相应的方案。本文还解析了GTNET板卡的SV数据报文，验证了报文的准确性。对符合国内IEC61850标准的IED装置的测试结果表明，RTDS能够方便地满足国内装置的实时动态闭环测试的需求。

SV模块在本文测试使用的直采直跳方式下的报文抖动满足10 μs以内的抖动要求，在网采网跳方式下连接专用的交换机后同样可满足10μs以内的抖动要求。此外，2014年，RTDS公司新开发了GTNET×2板卡，集成了原来的2张GTNET板卡的功能，处理速度为老卡的5～10倍，经济性有所提升。GTNET×2板卡的固件升级也无需通过DOS命令，可通过RSCAD软件直接升级。RTDS的适用范围十分广泛，可较为精确地实时仿真大规模的电力系统，但RTDS也存在一些缺点，如保护动作时间记录不便、图形化界面的操作不够灵活、仿真规模受硬件限制等。总体上，RTDS的应用简化了传统装置和IED的测试。虽然目前国内厂家也开发了类似的测试设备，但实时性和准确性都不能与RTDS相比拟。

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