和曉東 章建明 馬麗娜

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局）

0 引言

近年來，隨著我國配電網(wǎng)信息化水平的不斷提升，配電網(wǎng)一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)的智能化程度日益提高，但一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的信息交互使得兩者之間沒有清晰的分界線［1-3］。對(duì)于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)而言，其一次電氣系統(tǒng)與二次系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備之間通常是相互獨(dú)立工作，為了適應(yīng)我國配電網(wǎng)智能化發(fā)展的需求，配電網(wǎng)一二次系統(tǒng)有效融合是未來電網(wǎng)的一種智能化運(yùn)行形態(tài)，傳統(tǒng)一二次融合系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行形態(tài)將轉(zhuǎn)變至融合運(yùn)行形態(tài)［4-6］。這帶來的挑戰(zhàn)是需要整體設(shè)計(jì)配電網(wǎng)的一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)，但和獨(dú)立運(yùn)行形態(tài)相比較，一二次融合系統(tǒng)能夠有效提升一二次的配合問題，且提升了配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行性能和大大降低了配電網(wǎng)的運(yùn)維工作量。

然而，我國目前配電網(wǎng)一二次融合研究才剛剛起步，合理有效地設(shè)計(jì)配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)對(duì)推動(dòng)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用通常需要對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)的方法是利用專用測(cè)試儀對(duì)配電網(wǎng)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)分別單獨(dú)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該測(cè)試方法難以對(duì)一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的交互影響進(jìn)行分析，且測(cè)試可靠性低、靈活性差［7-11］。針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)［12］提出了一種配電網(wǎng)一二次聯(lián)合系統(tǒng)的數(shù)字仿真方案，該方案通過RTDS仿真軟件對(duì)實(shí)際配電網(wǎng)一二次運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)一二次聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬測(cè)試，且避免了采用實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。該類方法雖然能夠完成配電網(wǎng)的運(yùn)行特性測(cè)試，但是缺乏對(duì)一二次融合系統(tǒng)的交互運(yùn)行特性以及通信特性進(jìn)行測(cè)試的方案，且急需一個(gè)應(yīng)用一二次融合系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、可靠的實(shí)時(shí)測(cè)試方法。

鑒于此，本文為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的全面有效測(cè)試，在配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的總體框架和實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)一二次融合系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行模擬檢測(cè)的平臺(tái)。

1 配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)

RTDS仿真系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、閉環(huán)以及連續(xù)的數(shù)字仿真功能，在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［13-14］，因此文中對(duì)配電網(wǎng)的一二次融合系統(tǒng)采用RTDS仿真器進(jìn)行模擬和分析。配電網(wǎng)一二次融合仿真系統(tǒng)主要包括配電網(wǎng)一次電氣系統(tǒng)的故障數(shù)字仿真和二次系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備的實(shí)際裝置，其中配電網(wǎng)一次系統(tǒng)數(shù)字仿真能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的不同運(yùn)行工況進(jìn)行靈活、可靠的模擬，而二次系統(tǒng)的設(shè)備主要是采用真實(shí)的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行接入模擬，能夠精確地反映繼電保護(hù)設(shè)備的物理特性和動(dòng)作邏輯，一二次融合系統(tǒng)的具體定義如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)定義

配電網(wǎng)一次系統(tǒng)模擬主要是分析配電網(wǎng)一次系統(tǒng)的故障運(yùn)行特性，可精確地模擬和顯示故障期間的電壓、電流等電氣量信號(hào)，并能夠提供不同運(yùn)行工況和故障條件下的電氣信息數(shù)據(jù)源。配電網(wǎng)電氣信息量主要是通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，且數(shù)據(jù)庫提供配電網(wǎng)一次系統(tǒng)和二次設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，可完成配電網(wǎng)一二次系統(tǒng)有效融合的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。二次設(shè)備系統(tǒng)則通過對(duì)一次系統(tǒng)故障信號(hào)數(shù)據(jù)的接收和分析，結(jié)合相關(guān)的保護(hù)算法進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的關(guān)鍵設(shè)備是功率放大器和多功能傳感器，具體實(shí)現(xiàn)流程如下：配電網(wǎng)一次系統(tǒng)的模擬量輸出卡將輸出的電壓信號(hào)量輸送至功率放大器的采樣接口，功率放大器將接收到的電壓信號(hào)放大后再輸送給二次系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備；而二次系統(tǒng)設(shè)備的輸出電流通過傳感器采樣后并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并通過模擬量輸入卡將采集的電壓信息傳輸?shù)揭淮闻潆娋W(wǎng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)一次系統(tǒng)和二次設(shè)備系統(tǒng)之間的有效融合。

2 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試平臺(tái)基本組成

在配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)基礎(chǔ)上，搭建了對(duì)應(yīng)的通用測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)主要包括一二次融合系統(tǒng)數(shù)字動(dòng)態(tài)模擬和仿真、測(cè)試規(guī)約、調(diào)度自動(dòng)化和信息安全等，各系統(tǒng)組成關(guān)系如圖3所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)各系統(tǒng)之間關(guān)系

配電網(wǎng)一次系統(tǒng)采用RTDS數(shù)字仿真可對(duì)配電網(wǎng)的不同運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，而二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)接口后能夠?qū)σ淮蜗到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和動(dòng)作控制；規(guī)約測(cè)試主要是完成配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的不同協(xié)議測(cè)試，包括一致性測(cè)試和互操作測(cè)試等；調(diào)度自動(dòng)化主要是模擬和仿真配網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，與測(cè)試平臺(tái)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接；信息安全系統(tǒng)主要是對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)攻擊事件的模擬。

除此之外，從硬件組成部分來看，測(cè)試平臺(tái)的正常運(yùn)行需由外部輔助系統(tǒng)提供供電電源、監(jiān)測(cè)設(shè)備以及功能分析設(shè)備，主要分為電源模塊、安控模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊以及顯示模塊。其中電源模塊為測(cè)試平臺(tái)提供可靠的供電電源，主要包括市電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)；安控模塊主要是對(duì)設(shè)備實(shí)際參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；記錄分析模塊主要是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行記錄和分析；顯示模塊則是對(duì)測(cè)試平臺(tái)的分析記錄結(jié)果進(jìn)行直觀有效的展示。

2.2 測(cè)試平臺(tái)總體架構(gòu)

配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為基礎(chǔ)，主要由站控層、間隔層和過程層等三層結(jié)構(gòu)組成，總體架構(gòu)圖如圖4所示。測(cè)試平臺(tái)站控層主要由監(jiān)控模塊、時(shí)鐘模塊以及遠(yuǎn)動(dòng)工作站等模塊組成，其功能是完成信息采集分析、主站互動(dòng)等；間隔層主要包括繼電保護(hù)二次系統(tǒng)、綜合測(cè)控等，其功能是轉(zhuǎn)發(fā)站控層和過程層的信息，收發(fā)信息并網(wǎng)成二次系統(tǒng)繼電保護(hù)功能；過程層主要是與一二次融合系統(tǒng)的接口相連接，具體包括互感器和智能終端等。

圖4 測(cè)試平臺(tái)總體架構(gòu)

2.3 測(cè)試平臺(tái)接口設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)接口主要是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與一二次融合系統(tǒng)、外部輔助功能系統(tǒng)之間的信息交互，主要由邏輯接口和物理接口所組成。其中邏輯接口主要是平臺(tái)和一二次仿真系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)之間的信息交互，具體的功能包括信息采樣、主站遠(yuǎn)程接口等；而物理接口則是平臺(tái)與外委功能模塊連接所需要的電纜、光纖等接口材料。

測(cè)試平臺(tái)接口部分主要包括接口算法以及接口設(shè)備，接口算法主要是對(duì)一二次融合系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)等輸出量以及反饋量的延時(shí)或者誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以提高一二次系統(tǒng)融合系統(tǒng)的信息采樣精度，而接口設(shè)備則是連接一二次融合系統(tǒng)、外部輔助功能的實(shí)際設(shè)備，接口設(shè)備性能的好壞對(duì)仿真系統(tǒng)的精度具有較大的影響。因此，在設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)接口時(shí)采用有效合理的接口算法，同時(shí)選型合適的接口設(shè)備，有效降低數(shù)據(jù)之間交互的時(shí)間延時(shí)以及誤差。

2.4 測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法

一二次融合系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)在站控層、間隔層和過程層架構(gòu)基礎(chǔ)上，采用分層結(jié)構(gòu)和模塊化思想完成閉環(huán)測(cè)試，其基本實(shí)現(xiàn)如圖5所示，主要包括測(cè)試平臺(tái)接口層、方案設(shè)置層和測(cè)試層，其中測(cè)試平臺(tái)接口層由過程層來實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵組成包括工業(yè)交換機(jī)以及實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RTDS的GTNET-GSE模塊，為被測(cè)一二次融合系統(tǒng)提供測(cè)試接口；方案設(shè)置層包括一二次融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型、測(cè)試方案數(shù)據(jù)庫以及測(cè)試方案的多類型數(shù)據(jù)接口庫，方案設(shè)置層是附加開發(fā)模塊，能夠?qū)τ诓煌\(yùn)行特性的一二次融合系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，編輯和設(shè)置對(duì)應(yīng)的測(cè)試方案；測(cè)試層則主要在間隔層實(shí)現(xiàn)，其由測(cè)試控制模塊以及GOOSE報(bào)文通信模塊組成。

圖5 測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)合配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)思路，制定一二次融合系統(tǒng)實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試的總體實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示，具體如下：

圖6 一二次融合系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試總體流程

1）建立一二次融合系統(tǒng)模型。首先利用RTDS仿真平臺(tái)搭建配電網(wǎng)一次系統(tǒng)模型，具體包含配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、保護(hù)設(shè)備模塊、故障控制模塊，并進(jìn)一步搭建一次系統(tǒng)的電子式互感器模塊，通過仿真模擬配電網(wǎng)在故障情況下的運(yùn)行特性來獲取對(duì)應(yīng)的故障電壓、電流信號(hào)；然后設(shè)置二次系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)以及接口設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，將一次系統(tǒng)采集到的電壓、電流信號(hào)連接至RTDS的GTNET_SV采樣值板卡輸入端，通過GTNET_SV模塊將這些采樣值數(shù)字信號(hào)變?yōu)闈M足IEC61850-9-2LE通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的格式數(shù)據(jù)幀，所有訂閱了該采集信號(hào)的間隔層設(shè)備都能夠獲取該類信息。

2）配置測(cè)試方案。通過配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的通信模塊，對(duì)一二次融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，根據(jù)提前配置的測(cè)試方案來設(shè)置一二次融合系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)方案，并生成對(duì)應(yīng)的一二次融合系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告模板。

3）啟動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。通過操控測(cè)試平臺(tái)的主控中心模塊，打開配置好的具體測(cè)試方案，并開始測(cè)試工作，不同的測(cè)試項(xiàng)目采用不同的測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)啟動(dòng)后，一次系統(tǒng)電壓和電流信號(hào)的輸出格式為滿足IEC61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀形式，而二次系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備的信息采用GOOSE報(bào)文的方式進(jìn)行輸出。

4）形成閉環(huán)測(cè)試。當(dāng)測(cè)試平臺(tái)能夠接收到一次系統(tǒng)的GOOSE報(bào)文信息，對(duì)二次系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行解析，對(duì)測(cè)試方案中的一二次融合系統(tǒng)的基本功能測(cè)試以及接口通信性能測(cè)試等進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，從而形成配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

5）處理測(cè)試異常。在測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試過程中，對(duì)測(cè)試過程可能存在的異常情況進(jìn)行分析和判斷，如果測(cè)試過程中存在異?，F(xiàn)象，需調(diào)整之前的測(cè)試流程，當(dāng)異常排除后再次執(zhí)行之前的測(cè)試流程。

6）生成測(cè)試結(jié)果。當(dāng)檢測(cè)到測(cè)試任務(wù)已完成，測(cè)試平臺(tái)控制中心對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和保存，并判斷當(dāng)前的測(cè)試結(jié)果是否滿足合格標(biāo)準(zhǔn)，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果寫入到準(zhǔn)備好的報(bào)告模板，生成滿足要求的測(cè)試報(bào)告。

3 測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用

利用本文設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)對(duì)搭建的配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試和分析，測(cè)試內(nèi)容包括配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的一次系統(tǒng)故障運(yùn)行特性、二次系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)動(dòng)作特性以及GOOSE網(wǎng)絡(luò)流量。

首先在測(cè)試平臺(tái)上配置測(cè)試方案，設(shè)定配電網(wǎng)一次系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障，一次系統(tǒng)的輸出特性發(fā)生變化且二次系統(tǒng)的開關(guān)保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)二次系統(tǒng)會(huì)將跳閘信號(hào)發(fā)送給基于RTDS的一次系統(tǒng)。當(dāng)一次系統(tǒng)接收到二次系統(tǒng)傳送的報(bào)文信息后，此時(shí)二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)也將發(fā)生改變。對(duì)此過程的一次系統(tǒng)故障運(yùn)行特性、二次系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)動(dòng)作特性以及GOOSE網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行了測(cè)試分析。

圖7是一次系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的一次系統(tǒng)線路電流變化以及二次系統(tǒng)斷路器動(dòng)作特性，圖中分別表示的是一次系統(tǒng)故障處的電流信息和二次系統(tǒng)開關(guān)動(dòng)作信息。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，一次系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映故障運(yùn)行狀態(tài)的暫態(tài)過程，而二次系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備能夠接收一次系統(tǒng)的故障信息來做出正確地動(dòng)作，且一二次融合系統(tǒng)能夠接收二次系統(tǒng)所發(fā)出的跳閘控制信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)二次系統(tǒng)斷路器的控制。測(cè)試結(jié)果表明一二次融合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)和GOOSE報(bào)文信息之間的快速、有效通信，確保了測(cè)試平臺(tái)的有效性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

圖7 一二次融合系統(tǒng)運(yùn)行特性測(cè)試

另外，圖8給出了配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)在故障保護(hù)過程中的GOOSE網(wǎng)絡(luò)流量特性。由結(jié)果可知，測(cè)試過程中的網(wǎng)絡(luò)流量最高值才為40M左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于具有千兆帶寬的交換機(jī)設(shè)備最大網(wǎng)絡(luò)流量，對(duì)測(cè)試過程中的報(bào)文信息網(wǎng)絡(luò)輸送和一二次融合系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)沒有任何影響，完全滿足配電網(wǎng)實(shí)際工程需求。

圖8 保護(hù)動(dòng)作下的GOOSE網(wǎng)絡(luò)流量

4 結(jié)束語

本文針對(duì)配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)在測(cè)試方面的需求，分析和設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)。首先對(duì)智能化配電網(wǎng)電氣設(shè)備一次、二次設(shè)備深度融合的總體框架和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)闡述；然后在此基礎(chǔ)上通過配置文件和物理設(shè)備來分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，詳細(xì)分析配電網(wǎng)一二次融合系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)基本組成、總體架構(gòu)、接口設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)方法等。最后測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)一二次融合系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、動(dòng)作特性以及網(wǎng)絡(luò)流量等進(jìn)行有效、可靠和實(shí)時(shí)的檢測(cè)。