基于IEC61850的配网自动化终端测试技术研究

2021-07-22刘柱揆许守东张可胡凡君胡永承

云南电力技术 2021年3期

刘柱揆，许守东，张可，胡凡君，胡永承

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2. 云南电网有限责任公司大理供电局，云南大理 671099；3. 南京智汇电力技术有限公司，江苏南京 211100）

0 前言

目前，智能配电网正处于建设当中[1]。配网供电可靠性和供电指标已有很大提高，许多单位开展了不同层次、不同规模的配电自动化试点工作，取得了较大进展[2]。配网自动化运用技术手段对配电网进行离线与在线的智能化监控管理，使配电网处于最优运行状态[3]。配电网自动化系统是一项系统工程，它大致可分为三个子系统：配网自动化主站系统；配网自动化子站系统；配网自动化终端[4]。城市配网自动化终端[5]负责对城域所辖的柱上开关、开闭所、环网柜、配电变压器等进行监控，既要实现FTU、TTU等的三遥功能，又要实现对故障的识别和控制功能，从而配合配网自动化主站及子站实现城区配网运行中的工况检测、网络重构、优化运行以及网故障时的故障隔离和非故障区域的恢复供电。

配电网自动化程度的重要标志是通讯是否符合自动化的要求，它担负着设备及用户与自动化的联络，起着纽带作用。担负着信息的处理、命令的发送和返回。所有数据的传递，没有可靠有效的通讯，配电网无法与自动化相联系[6]。在实现具体的配电业务时，可采用的通信方式主要包括：

1）光纤专网，包括以太网无源光网络、工业以太网等光纤以太网技术。

2）配电线载波，包括电缆屏蔽层载波等技术。

3）无线专网，包括宽带技术。

4）无线公网，包括GPRS/CDMA/4G/5G通信技术[7]。

当今市场上关于配网自动化终端自动化校验的技术，仍处于空白状态。本文提出的基于IEC61850与传统多种类通信方式配网自动化终端测试技术研究，开发出IEC61850规约和模拟量输出组件，组件分别支持传统的模拟量和IEC61850规约，基于测试软件对其中的21种测试内容进行测试。能够对现有的配网自动化终端进行全自动闭环测试，减轻现场工作人员的负担，提高工作效率，提高配网自动化可靠性。

1 输出组件的硬件技术设计研究

IEC61850是国际电工委员会(IEC)TC57工作组制定的《变电站通信网络和系统》系列标准，是基于网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准[8]。IEC61850规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能。IEC61850标准的制定及其内容已超出变电站自动化系统的范围，将会扩展到其他工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制的国际标准。目前在电力系统的各个领域和工业自动控制领域，都在纷纷组织相关工作组，准备吸收IEC61850的技术来制定相应的标准。

IEC61850规约和模拟量输出组件如图1所示。其中，数字处理单元包括DSP+FPGA+ADSP三个处理模块；DSP为TMS320F28377，作为数字处理CPU，用于控制组件逻辑处理和数字信号产生；ADSP包括BF518处理器，作为通讯CPU，用于与工控机的以太网通讯；FPGA包括XC6SLX75用于DSP和ADSP之间的通讯、产生驱动功放单元的信号以及接收守时信号的秒脉冲信号。

图1 IEC61850规约和模拟量输出组件

守时单元包括GPS模块、IRIG-B码对时模块、IEEE1588对时模块以及守时处理模块；GPS模块、IRIG-B码对时模块、IEEE1588对时模块分别与守时处理模块相连；守时模块由K60DX256VLL10和XC3S100E组成，K60DX256VLL10处理来自于GPS模块、IRIG-B码对时模块、IEEE1588对时模块秒脉冲信号控制XC3S100E产生守时信号。

功放单元包括电压功放模块与电流功放模块，用于4路0-125伏交流电压信号和3路0-40A交流电流信号。IEC61850单元包括电压功放模块与电流功放模块，用于产生符合IEC61850规约的数字报文。通讯单元包括KS8995FQ与IP175CHLF，用于与工控机以太网通讯，两路外置以太网通讯以及WIFI模块通信。光纤以太网通讯单元包括AFBR5803光模块。FT3单元包括HFBR1414光模块，其中有3个发送端口，接口类型ST，光缆为62.5/125 μm的多模光纤。

2 新型配网自动化和传统终端接口区别

传统的配网自动化终端的接口为模拟量的电压和电流以及开关量接入，通讯方式为以太网或GPRS方式，通讯规约采用101规约或104规约。而基于IEC61850配网自动化终端其输入接口为模拟量的电压和电流，通讯方式采用EPON，采用的规约是IEC61840，在基于IEC61850配网自动化终端的后台为光纤以太网，规约为IEC61850。传统的配网自动化终端有两种测试方式，基于IEC61850配网自动化终端具备三种测试方式。由于接口的种类多变，因此需要对接口做扩展，一种采集量的组件即IEC61850规约和模拟量输出组件，一种通讯方式组件即通信方式（以太网、光纤、GPRS）接口组件。根据传统配网自动化终端与基于IEC61850的配网自动化终端的通讯方式不同，可以有如下的测试方案。

2.1 传统配网自动化终端通讯方式不同

根据将通讯方式分为以太网和GPRS，可以基于通讯方式的不同将传统的配电网自动化终端分为两种测试方法，然后可以采取不同的测试方案。

2.1.1 通讯方式为以太网

由控制器通过通讯方式组件的以太网获取配网自动化终端的定值等参数，控制器自动生成测试方案，控制输出组件的模拟量电压电流和开关量输出，监控配网自动化终端出口，同时控制器通过通讯方式组件读出配网自动化终端的SOE事件，从而完成整个测试。其如图2所示。

图2 通讯方式为以太网的传统自动化终端的控制图

试验前，输出组件的4相电压3相电流接入配网自动化终端，开出与开入量分别接入配网终端对应的断路器的位置信号与跳合闸出口后，打开自动化测试软件，通讯组件的以太网或RS485连入测试终端。

2.1.2 通讯方式为GPRS

将通讯方式改为GPRS后，控制图如图3所示。试验前，输出组件的4相电压3相电流接入配网自动化终端，开出与开入量分别接入配网终端对应的断路器的位置信号与跳合闸出口后，打开自动化测试软件，通讯组件的WIFI连入公网，配置好测试终端的IP地址和端口号。

图3 通讯方式为GPRS的传统自动化终端的控制图

2.2 新型通讯方式为以太网

由控制器通过通讯方式组件的以太网获取配网自动化终端的定值等参数，控制器自动生成测试方案，控制输出组件的IEC61850输出，监控配网自动化终端出口，同时控制器通过通讯方式组件读出配网自动化终端的SOE事件，从而完成整个测试。其控制图如图4所示。

图4 通讯方式为以太网的基于IEC61850的配网自动化终端后台

试验前，输出组件光网口接入配网自动化终端，打开自动化测试软件，通讯组件的以太网连入配网终端，配置好测试终端的IP地址和端口号。

3 新型配网自动化终端同步测试

基于IEC61850的配网自动化终端与配网自动化终端后台之间同步由光B码或秒脉冲同步，由控制器通过通讯方式组件的以太网获取配网自动化终端的定值等参数，控制器自动生成测试方案，控制输出组件的IEC61850输出至配网自动化后台，控制输出组件的模拟量输出至配网自动化终端，监控配网自动化终端出口，同时控制器通过通讯方式组件读出配网自动化终端后台的各项参数，从而完成整个同步测试。其测试图如图5所示。

图5 基于IEC61850的配网自动化终端同步测试流程图

试验前，将输出组件的光网口连接到配网自动化终端的后台，一路光B码输出接到配网自动化终端后台。模拟输出的4相电压与3相电流以及开关量接入配网自动化终端。

4 测试软件的使用

基于IEC61850配网自动化的层次化测试系统，其特征在于：测试系统为层次化结构，系统分为主站测试仪和终端测试仪。配电网层次化保护是基于单间隔数据的间隔保护，当由于通信通道等问题导致和站域保护或区域保护装置通信中断时，不依赖于通道的保护应能正常工作；站域保护不实现就地化保护功能，而是实现站内跨间隔保护，以主变差动保护和母线差动保护为主；区域保护主要以线路差动保护和负荷转移控制为主，也可以包括站间备投、失步解列、切机切负荷等功能。由于配电网层次化保护数据来源分散，结构复杂，现场运行无可靠的测试方法；另外，目前国内配电自动化系统，多数由于投运前的相关试验未完全系统开展，导致各功能模块运行的投入率、正确率指标不是很好，没有完全达到配网自动化的设计指标要求，而国网、南网近年来正积极开展配电自动化系统的相关测试、评估，以提升配网运行的自动化水平。为了解决这些问题，急需对配网层次化保护测试技术和测试方法、设备进行深入研究。

主站测试仪通过以太网口与配网自动化主站通讯，自动生成测试方案，测试过程中监视主站SOE事件。主站测试仪通过通讯单元通过公网控制多台终端测试仪输出。主站测试仪通过光输入输出单元模拟终端发至配网自动化主站的IEC61850报文。主站测试仪以GPS获取时间，并通过授时单元以IRIG-B授时主站。

终端测试仪具备模拟量的电压源、电流源以及开关量。终端测试仪通过通讯单元与主站测试仪通讯，接受主站测试仪指令，并回传信息给主站测试仪。终端测试仪通过守时单元与GPS获取时间信息，以保证与主站测试仪同步。终端测试仪、主站测试仪以GPS同步，主站测试仪发给配网自动化主站IRIG-B码，保证三者同步。依靠时钟同步，保证终端测试仪其输出的模拟电流电压与主站测试仪的IEC61850的SV与GOOSE同步。

根据配电自动化终端设备检测规程要求，共涉及了误差试验、影响性试验、开关量试验及逻辑试验。测试项目共包括：一致性检测、电压基本误差、电流基本误差、有功功率基本误差、无功功率基本误差、功率因素基本误差、频率变化影响、功率因素变化影响、小电流基本误差、状态量输入、SOE分辨率、遥信响应时间、遥测响应时间、遥控响应时间、相电流Ⅰ段保护、相电流Ⅱ段保护、零序过流保护、零序过压保护、低压告警保护、过压告警保护、一次重合闸，共21种项目测试。项目中的一致性检测不参与自动测试，只是自动测试前检测回采等是否正常。只有此项正常才可以进行自动测试。测试目的是为了看输出和回采是否正常，这是做任何试验的前提，由于不限制时间，软件以1000 s为测试时间，足以看出是否正常。

电压基本误差测试中，软件选择了4个测试点，是 60% UN，80% UN，100% UN，120% UN，其中UN为主界面的系统设置中的额定电压值。当前状态持续时间为试验时间设定的10000 ms，当运行完后会自动翻转到下一个状态，直到四个状态全部做完。之后会自动翻转到下一个选择的测试项目。试验开始后，测试仪会按设定的幅值、相位、频率输出值，通过遥测回采回来的值填入检测值，软件自动计算误差值、有功功率、无功功率、功率因数等信息。

相电流Ⅰ段保护测试项目中，软件根据主界面选择的试验倍数，每个测试点设计一轮自动测试，直到所有的倍数都测试到。试验时的正常态时间默认8 s，故障态测试时间是整定时间加0.2 s进行试验，如果有动作信号加进来就会在结果中显示出来。