智能变电站实验仿真测试平台与调试模式研究

曹 敏，沈 鑫，陈 晶，李 萍，戴太文

（1.云南电网有限责任公司电力研究院 云南 昆明650000；2.福建亿榕信息技术有限公司 福建 福州 350003）

智能变电站实验仿真测试平台与调试模式研究

曹 敏1，沈 鑫1，陈 晶2，李 萍1，戴太文2

（1.云南电网有限责任公司电力研究院 云南 昆明650000；2.福建亿榕信息技术有限公司 福建 福州 350003）

针对目前智能变电站二次系统集成调试环境搭建工作量大、配合环节多、调试周期长等问题，采用改进的二次系统仿真测试和集成调试模式，设计了智能变电站工程实验仿真测试平台，并详述了该平台的软硬件实现。通过对变电站过程层设备（智能终端、MU单元）进行单体测试机系统测试，验证了平台硬件架构的合理性，可支持变电站二次设备的间隔层通信功能，以及过程层、站控层的仿真功能，具有很好的经济效益和社会效益。

智能变电站；集成调试；仿真测试平台；过程层仿真

智能变电站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，其二次设备信息化、集成度较常规变电站有很大提升[1]。根据国家电网公司的“十二五”规划，在2016年前我国将建成数千座智能变电站。随着智能变电站二次系统应用功能的丰富，对其的集成调试工作亦愈加复杂，面临调试周期长、配合环节多、集成调试难度大等问题，进而阻碍了智能变电站的进一步发展[2]。因此，为满足智能变电站大规模建设的要求，函需探索一种适应发展要求的智能变电站二次系统集成调试模式，同时设计高效的系统级仿真测试平台，缩短集成测试周期，对智能变电站的推广发展具有重要的工程意义。

目前对智能变电站系统级实验仿真平台的设计是国内外电力系统状态测试领域的研究重点，相比于国外系统开发水准[3-4]，我国在该领域的系统开发尚缺乏标准化流程及关键状态评价指标。为此，国内诸多学者提出了测试方法及系统设计方案[5-9]，另外，文献[10]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[11]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[12]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。

为此，文中在借鉴国内较多技术成果的基础上，改进了智能变电站二次系统仿真测试和集成调试模式，利用仿真测试的技术手段对支撑各应用功能的采集输入和执行输出的外部特性进行仿真，简化了集成调试流程。设计了智能变电站工程实验仿真测试平台的总体架构，并详述了该平台的软硬件实现及相关功能。该仿真测试平台可根据需要灵活配置，具有过程层仿真测试功能，可对变电站过程层设备（智能终端、MU单元）进行单体测试机系统测试，可用于智能变电站高级应用功能的测试，具有良好的可扩展性和可升级性。

1　智能变电站二次系统集成调试模式改进

智能变电站二次系统大多划分为站控层、间隔层和过程层等三层。站控层主要负责全站电网运行监控、远方控制以及二次设备管理等，同时实现智能告警、数据辨识、故障综合分析等高级应用功能。间隔层实现对变电站一次设备的保护、测量和自动化控制；过程层则主要由MU单元和智能终端等设备构成，完成与一次设备相关的实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等功能[13]。目前的集成调试模式需各层先完成设备配置、单体调试以及整站虚端子配置和网络连接，接着完成二次系统的信号对点和传动试验，同时完成监控系统各应用的配置和组态之后，才能进行智能变电站高级应用功能的测试和集成调试。

然而，这种集成测试模式的弊端在于其工作量大、环节多，调试周期长、效率低，未从电网的角度对变电站二次系统开展整体测试。因此，为满足智能变电站大规模建设的需要，进一步提高集成测试效率，缩短工程调试周期，有必要设计适应于智能变电站的工程实验仿真测试平台，实现不同规模的单设备、单间隔以及全站的自动测试。通过这一套功能高度集成的系统级测试平台的应用，引导集成测试向系统化、自动化模式转变。

在平台搭建之前，需分析智能变电站二次系统对象结构，并对二次系统集成调试模式重新进行划分。抽象出全站二次设备对象等效仿真测试系统，上层高级应用功能的测试和集成调试仅需要全站二次设备采集和控制对象的支撑，下层二次设备的前置通信测试也仅需要全站二次设备数据对象的数据采集和控制命令下发的支撑。其系统对象结构如图1所示。

图1　智能变电站二次系统对象结构图

另外，为简化集成调试流程，将其分为组态测试和系统测试两大业务模块，将常规单体调试的项目分摊到两大业务模块当中。在组态测试阶段，首先完成常规组态配置工作，生成全站SCD文件并下装到IED装置中，将IED装置全部接入到工程实验仿真测试平台，平台应能根据SCD配置和性能检测标准自动实现以下功能[14]：①检验MU单元SV采样精度、延时及点对点输出的等间隔性能；②检验智能终端的开关量输入输出；③检验保护测控的采样值精度和开关量输入输出。而在系统测试阶段，按照变电站设计组网，将IED设备的采样值回路和GOOSE网络接入仿真测试平台，在其中按变电站接线方式建电网模型，模拟全站MU的采样值输出以及一次断路器分合状态，通过在不同区域设置各种故障类型，整体验证二次系统功能的正确性。

采用此改进的二次系统集成调试模式可减少二次系统各部分的集成调试环节，提高调试效率及可实施性，推动智能变电站高级功能的推广和应用。

2　工程实验仿真测试平台的总体架构

通过对集成测试的需求分析，智能变电站工程实验仿真测试平台总体设计架构如图2所示。

图2　工程实验仿真测试平台总体架构

该平台由实验仿真测试软件子系统、间隔层仿真子系统、过程层仿真子系统、同步对时系统、变电站综合自动化系统等组成。其中，实验仿真测试软件子系统位于站控层（包含站控层仿真测试子系统），主要实现变电站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；实现SCD配置文件版本管理，SCD文件规范化检查；构建智能变电站测试专家库并进行管理，实现变电站二次设备单体测试，继保、测控、计量等子功能系统测试，变电站全站系统联调测试等功能。

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3大系统的设备单体测试和系统联调测试功能。其硬件接口有：光网口（SV/GOOSE）、电网口、同步口及远程控制口等；软件模块有：继保仿真模块、测控仿真模块、同步测试模块、继保测试模块、测控测试模块及计量测试模块[15]。

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合间隔层完成保护、测控、计量3大系统的系统联调测试。其硬件设备有：光网口（SV/GOOSE）、光串口（FT3）、同步口（光/电）及远程控制口、模拟源、电压电流表、开关量（I/O）等；软件模块有：MU单元仿真模块、智能终端仿真模块、同步测试模块、MU单元测试模块、智能终端测试模块，可仿真SV直采、SV与GOOSE共网及SV与GOOSE分别组网等方式。

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。

在测试过程中，实验仿真测试子系统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，综合自控系统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，综合自控系统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。

该平台主要可以实现以下测试：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。

3　工程实验仿真测试平台的软硬件实现

3.1硬件设计

为确保智能变电站工程实验仿真测试平台大规模、高实时性的测试要求，可模拟变压器、母差各种故障状态，同时保障在任何负载情况下数据的精确时延发送（100 Mbps≤40 ns、1 000 Mbps≤10 ns），所有数据输入响应≤100 s，支持通道独立映射，该平台子机架构以Power PC＋FPGA进行硬件实现，该Power PC模块以P2020为核心，FPGA采用Xilinx V7系列，可支持至少24对光纤输出接口，每路最高可支持6.25Gbps速率。每台子机提供10对100 Mbps～1000 Mbps光纤以太网接口、6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。另外，提供12路模拟小信号输入/输出模块；4对开关量输出、8对开关量输入；1路电B码对时接口，1路光B码对时接口，1路独立RS485同步接口。其子机硬件架构如图3所示。

图3　工程实验仿真测试平台的子机硬件架构

3.2软件设计

测试平台全站仿真软件采用实时数字仿真技术实现电力系统稳态计算以及静态故障计算，可实时模拟全站二次系统的电气量、设备及执行机构的运行状态，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，完成全站二次系统的动作特性测试。其架构可分为4层，即通信层，数据层，功能层和应用界面层，如图4所示。

图4　工程实验仿真测试平台软件总体架构

其中，通信层完成本软件系统的通信功能，包含MMS标准协议[16]、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[17]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。

4　结束语

文中研究了智能变电站二次系统集成调试模式及工程实验仿真测试平台的设计问题。结合现有集成调试模式，分析了其局限性，其改进方案实现了二次系统集成调试的有效分离，提升了智能变电站仿真测试和集成调试的效率。在此基础上，以扩展性、开放性、自动化测试为设计目标，搭建了智能变电站工程实验仿真测试平台，对平台子机硬件架构进行了详述。同时为实时模拟全站二次系统的电气量、设备及执行机构的运行状态，并监测其运行、动作反馈信息，对其软件架构进行了分层描述。通过建立一种适应智能变电站发展要求的二次系统新型调试模式和工程实验仿真测试平台，可有效地提升智能变电站调试、运维的工作效率和自动化水平，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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Research on testing mode and simulation platform of smart substations

CAO Min1，SHEN Xin1，CHEN Jing2，LI Ping1，DAI Tai-wen2
（1.State Grid Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650000，China；2.Fujian Yirong Information Technology co.，LTD.，Fuzhou 350003，China）

In order to the disadvantages during smart substation secondary system integrated debug environment building such as large amount of work,many coordination link and long debugging period,the improved modes of secondary system simulation test were adopted.Then the smart substation engineering experimental simulation test platform was designed and specified its hardware and software implementations of this platform.This test platform could be configured flexible according to the requirement,it had the function of simulation test for process level,could be performed single tester system test to the equipment in process level（smart terminal,MU unit）,and supported the function of bay level communication and the simulation function of process and station levels,the result indicated that it had good economic benefit and social benefit.

smart substation；integrated testing；simulation testing platform；process layer simulation

TN914

A

1674－6236（2016）22-0168-04

2015-11-24稿件编号：201511235

曹 敏（1961—），男，山东齐河人，高级工程师。研究方向：智能电网、设备监测与物联网技术。