面向智能变电站二次设备仿真测试技术研究

倪时龙

(福建亿榕信息技术有限公司，福建 福州 350003)

新型智能变电站的相关技术在“十二五”期间已经进行了相应的规划和研究，在“十三五”计划中提出了更高层次的建造千座新一代智能变电站的目标。这标志着电力领域将向着网络化、智能化、信息化方向发展，多项二次设备和相应技术得到应用，如电子式互感器、时钟同步、站域控制、保护装置、以太网、智能组件、测控装置等[1]。变电站内基础性的采集计算、监测保护、控制调度等功能得到持续发展。在此趋势下，需要对相关的仿真测试技术进行一定程度的创新以适应越来越多的新变化。在原有功能测试基础上，应更新自动化测试技术，可确保其在参照IEC 61850标准的同时，还具备网络通信的功能，并且GOOSE与SV网络设备之间存在着虚连接[2]。在面向应用的智能化检测方式和效用方面智能变电站通用平台仿真有很大的改进空间，具体反映在以下几个方面[3-5]:1)测试方式和测试效用需要改变。电网逐步更新换代促使更多的设备安装进来，进一步造成自动测试难度加大和一定程度上的测试重复。2)系统级多设备联调难度大。大量单个设备组合在一起完成系统级测试时，需要较多步骤和更长时段的调试工作。3)添加新型检测手段的必要性。智能变电站某些上层应用，如无功优化自动控制、数据辨识、顺序控制等在整体的集成测试上难度较大，需要系统内部相互连接形成二次设备的统一配合，在完成监控系统组态、参数设置、虚端子连接等过程后，再进行高级别的测试。综上，应探究二次设备仿真测试技术，构建相应的检测平台以完成基本闭环功能测试。

当前智能变电站二次设备以及相应仿真测试技术是电力系统学术界及工业界的研究重点。我国在该研究方向上的标准化进程缓慢，相应测试系统开发不具备某些必要的状态评价。国内多名研究人员已对二次设备测试方法进行研究，取得初步成果。文献[6]将新型数字化测控装置与传统测控装置进行区分，依据对应性能、功能测试的实例和方法，设计对应的测试仿真平台。文献[7]所设计的仿真测试系统利用分层、模块化、开放式的理念，完成扩展性较强的闭环自动仿真测试，为继电保护提供自动生成的测试仿真报告。文献[8]、[9]依据IEC 61850标准，以RTDS装置作为基础核心设备，构建数字化的仿真测试系统架构，确保智能保护检测方式的自动化、网络化。文献[10]改变了传统的集成仿真调试模式，将装置进行等效的组合配置，同时融合间隔层二次设备，形成与实际二次设备运行环境一致的等效站控层应用仿真。本文在以上研究的基础上，为满足大规模建站的需 求，开展智能变电站二次设备仿真测试技术分析，构建调试效率更高、周期更短的仿真测试平台，探索新型智能变电站二次系统集成调试模式，为推进智能变电站的工程建设提供技术支持。

1 二次设备仿真调试改进

对二次设备构成的系统进行功能上的调整以精简测试步骤、提高测试效率。以新一代二次系统为基础，对各物理设备和相应装置的功能进行提取和抽象，得到整个变电站的二次系统抽象结构，如图1所示。其中所有原件等效实际的仿真调试，包括多类面向用户的高级应用功能、接口服务应用功能、支撑应用功能等，其前置通信设定为依据整个站内的控制命令模块以及数据采集模块。

图1 二次系统抽象结构图

精简后集成调试步骤如下：在最初时刻设置测试业务单元，将之分成组态及系统两部分，传统仿真测试的项目在业务单元中完成。在组态测试阶段，得出全站SCD文件，按照正常组态配置情况放入到IED(intelligent electronic device,智能电子设备)装置。将IED装置与构建的实验仿真平台相连接，借助性能测试标准以及SCD文件完成以下检测要点:1)检测性能开关量输入输出、SV采样精度、延时等性能；2)检测涉及到保护测控、合并单元、智能终端等设备；3)系统测试过程中，依据变电站设计组网，即将GOOSE网络、IED装置的接口与系统平台接口相连，实现对所构造的智能变电站功能上的模拟，包括一次断路器开启和关闭、合并单元采样值输出等。依据位于全站内的多位置的故障，综合评定二次设备各项指标的准确性。改进后的二次设备仿真测试平台，很大程度上减少了仿真调试的步骤，提高了实际工程中的可执行度和效用，对于全站高级应用也有一定的推进作用。

2 通用平台构建与运行

2.1 系统架构

参照智能变电站的体系架构，所构造的仿真平台符合IEC 61850标准所描述模式，即由过程层、间隔层、站控层组成[11]。图2为对应系统架构。其中过程层中的智能终端、合并单元MU、电子式互感器等用来连接一次设备，同时通过与数字仿真接口连接，产生模拟的电压及电流量，构成信号的闭合通路；间隔层处于中间位置，是沟通上下两层的转发层，其综合测控功能模块负责信息收发，继电保护功能模块提供继电保护与控制；站控层内设备负责站间与主站的交互以及对整个智能变电站运行信息的分析处理，包含时钟同步、智能网开启/关闭、监控等多种功能模块。

2.2 辅助系统与接口

辅助系统的主要作用是让整个平台和其他设备能够处在正常的运行状态。工作电源、监视分析等作为辅助系统来完成接地、状态监控工作。辅助系统具有以下几类功能[12-13]：1)网络性能以及测试结果记录、显示，测试数据分析等功能；2)提供由直流、市电交流供电系统组成的保障平台运行的辅助电源功能；3)状态参数监视、空调恒温控制、安全策略维护等功能，以保证设备运行时的稳定与安全。

接口在整个系统中被划分为物理、逻辑两类。物理接口的工作集中在光电信号的转接上，利用平台系统、辅助设备上的电缆和光纤的原有接口，可以进行相互间连接和转换，使得两者实现无障碍的互连。为了满足二次设备的更高连接要求，对光、电信号进行更高程度的整理，并进行综合分类，使得在不同测试需求下形成不同的应用场景。

在灵活的物理接口结构的基础上，逻辑接口为整个平台提供了采样值接口功能、保护跳合闸接口功能以及其他与主站有关的接口功能。利用与模拟屏一致的配线箱完成各模块对应功能信息的配置，在实际测试中减少了多次连接。

2.3 仿真策略控制

智能变电站测试系统搭建完成后不能进行后续调整，无法满足多类测试要求，功能较为单一，只能实现最初设定的某种仿真测试。而测试平台具有一定的灵活性，可以进行多次重新构建，以满足实际操作中多类不同的仿真测试需求。重新构建需要依照一定的系统控制策略，来实现不同级别的系统测试。

图2 系统架构图

在测试过程中一次系统最小单位为通用的间隔长度，依照需求对其设置。参考以往仿真测试的工作经验，一次系统接线方式设定为双母线、3/2、单母分段等，电压等级由低到高可设置为110kV、220kV、330kV、500kV、750kV。对于二次系统的继电保护，根据最大运行方式原则，变电站继电保护整定计算出最大的短路电流；测控相关设备的配置满足拓展功能。利用测试工作开始前设定的SCD文件、CID文件分别实现监控、继电保护功能。依据IEC 61850标准完成多智能设备互通，尤其是有关SV和GOOSE的虚连接。这类虚连接将解耦设备与ICD文件，具有很高的互操作性。测试过程中出现仿真需求改变时，界面作为对外接口无变动，利用屏幕变换输出工作的线路配置，以减少测试新需求产生的大量的改接线步骤。

3 应用结果分析

本文设计的仿真平台涵盖了多类二次设备测试技术，可以进行二次设备的静态和动态测试。为了更好地对存在的问题进行分析计算，静态测试会通过仿真系统中的预处理文件，如故障录波和预生成数据文件反推故障行为。动态测试则更为具体，能够直接显示出建模后的待仿真测试系统的各类状态信息[14]。

3.1 继电保护事故

以变电站中的某条500kV线路距离保护出现问题、单相接地跳闸后重合失败为例。利用初始的录波数据，电力系统进行保护动作时形成大量基于Comtrade格式的录波数据，这些数据被封装为9-2协议格式的数据帧，进一步放置到对应合并单元MU内，配置的CID文件与现场一致。

图3 测试系统架构图

元件时序图和动作波形如图4所示。对图内参数进行说明：PDIS为距离保护；RREC为重合闸；RPSB为振荡判断；XCBR为断路器元件；PDIR为方向判别[15]。分析图内波形可知，在0ms时间前后发生单相接地，在这之后的120ms切除故障，重合失败。继电保护开始后，立刻进行振荡闭锁，振荡闭锁开放标志在这一瞬间出现变位，这一情况持续了大约100ms。振荡判别元件最终显示为+0，呈现出系统未发生震荡的状况。此后，与故障处最为相近的元件发送跳闸信号，接收到这一命令的智能终端促使断路器完成跳闸动作。智能终端对重合闸元件RREC发送相关指令，但这一指令未被RREC收到，因而重合失败。根据上述仿真过程可知，系统平台在故障发生后做出了正确保护动作，且能够根据现有情况作出可靠推断，重合失败很大程度上是由于虚端子连线存在故障，也有一定概率为智能终端损坏。根据上述仿真结果进行线路排查，发现GOOSE连线配置存在问题，纠正完毕后系统正常运行。

图4 元件时序图和动作波形

3.2 网络流量、传输延时测试

IEC 61850标准中规定GOOSE报文传输应小于4ms，据此在平台上还原出同样的包含多种二次设备的系统，以某500kV变电站为例，模拟得出GOOSE网络流量以及传输时延。图5为网络系统流量测试架构图[16]。

通过测试架构图能够清晰地获知各类网络接口连接状态。通过MAC地址形式的会话通信，完成二次系统运行过程中GOOSE网络情况的综合分析。表1为工作中GOOSE网络流量具体统计情况。表2收集了平均值为386.383KB的数据包在各个位置区间的存在情况，以分析其分布情况。表3为依据EthernetⅡ、UDP、STP等不同协议类别进行统计的情况。

图5 网络系统流量测试架构图表1 GOOSE网络流量统计

流量字节数/KB包数/个利用率/%每秒位数/kbps广播流量0.254100多播流量226.1735850.0011.304总计226.4215860.0011.304

表2 GOOSE网数据包大小分布统计

表3 GOOSE网协议类型分析

通过全站智能终端获取GOOSE网络状况，开关量全变位时刻流量如图6所示。在15:36～15:37的某个瞬间，流量出现激增的峰值，最大数值为90KB。推断以上状态出自于GOOSE网络恶劣的数据帧不断发送的故障阶段。依据交换机的网络流量承载上限，千兆带宽下的延时忽略不计，可以应对突发网络故障带来的影响。对于500kV线路出现故障时的GOOSE网络状况，线路保护动作流量如图7所示。单相接地故障的数据流量最大值为20KB，推断得知，传输所带来的延时可以忽略。

图6 开关量全变位时刻流量

图7 线路保护动作流量

4 结束语

本文所述仿真平台运用了大量二次设备仿真测试技术，改变了原有平台的功能和设备单一化情况，增加了系统整体的交互性和综合性。构建了新型二次设备仿真测试系统架构，通过设置动态、多变的架构以满足多种类型智能变电站的模拟需求，使得测试技术朝着多样、灵活、通用的方向推进。对单相接地故障后的整个继电保护的流程进行分析，查明故障以及重合失败原因。同时，对不同现场场景下可能出现的极端的GOOSE网络流量场景进行充分的预估和判定，证明该仿真平台具备应对复杂状况的能力。在该二次设备形成的闭环仿真测试环境下，数据结果显示可视化程度较高，符合实际现场需求，其灵活的系统架构能够应对多种现场需求。