基于IEC61850的数字化变电站仿真测试装置

 

第一部分  概述

随着IEC 61850标准在国内的推广应用以及数字化变电站相关技术研究的逐步深入，数字化变电站试点建设在国内迅速推进。同传统的变电站相比，数字化变电站采用统一的通信标准体系，对变电站内信息模型和通信过程的描述更加规范统一，信息数字化、建模标准化、传输网络化已成为数字化变电站二次系统的重要特征，它颠覆了传统变电站信息传输与控制的模式，是变电站自动化技术的又一次重大变革，代表了今后一段时期变电站自动化系统的发展方向，符合国家电网公司有关智能电网建设的战略构想。

电子式互感器和IEC61850标准在变电站应用后，很多原有的问题（常规互感器电磁饱和、二次回路电磁干扰、传输压降等）得到很大的改善，但同时也带来新的问题，数字化变电站二次系统相关设备的测试项目、测试方法、测试手段等都有了较大的改变。在数字化变电站设备生产、采购以及运行调试等过程中，面对全新的技术、设备以及众多品牌的产品，迫切需要适应数字化变电站以及IEC61850标准的测试装置。

DDRTS-S提出了一种数字化变电站二次系统的测试方案，即基于数字动态仿真技术的数字化变电站测试系统，该系统分便携式和机柜式两种结构，具备静态和动态测试功能，可以对单台装置、固定系统以及用户自定义的各电压等级的全套数字化变电站二次设备进行测试，涵盖了继电保护测试仪、继电保护实验室以及数字动态实时仿真装置等多个系统的功能，是一种具有很高性价比的、基于IEC61850标准的数字化变电站仿真测试装置。

第二部分  系统描述

一、系统简介

DDRTS-S测试系统由仿真计算、数据打包、数据发送、GOOSE报文接收、GOOSE报文解析等多个环节构成，与被测装置一起构成完整的闭环系统，其原理框图如下图所示：

                       

二、总体结构及工作过程

装置由以下设备组成：测试主机、PCI总线扩展器（选配）、IEC61850通信卡（包括SMV通信卡和GOOSE通信卡）、信号扩展器（选配）等。系统总体构架如下图所示：

                        

系统工作过程如下：

1、测试主机产生测试需要的电压、电流等数据，包括静态和动态数据，其功能相当于变电站过程层中的ECT/EVT等；

2、将电压、电流等数字量按照IEC61850协议打包；

3、测试主机与IEC61850通信卡采用PCI总线接口。在目前技术条件下，测试节点数目超过6个，就需要配置PCI总线扩展器。

4、通信卡提供光纤以太网端口与保护装置及控制设备相连，其功能相当于变电站过程层中的合并单元（MU）。

5、如果每个测试节点需要带多套二次设备，则需要配置信号扩展器，每个信号扩展器可以将一个合并单元的信息同步扩展到12个光口。

6、保护装置产生的开关变位等信息通过GOOSE网、并经GOOSE通信卡返回测试主机，由测试主机模拟智能断路器的动作情况。

 

三、装置外观及主要部件

                                                 

机柜式（测试主机采用八CPU 工作站）

                     

便携式（测试主机采用四核处理器）

◆  重量：7kg

◆  尺寸：400（L）X292（H）X210（W）mm

1、IEC61850高速通信卡（包括SMV通信卡和GOOSE通信卡）

 1、外形                  

2、功能为基于数字信号处理器（DSP）和PCI总线技术的高速通讯卡，用于处理IEC61850-9-1、 IEC61850-9-2及IEC61850-7-2标准的数据通信标准的数据通信。提供3个并发的光纤收发口。

    ◆光纤口数量：3                                 

    ◆光纤口带宽：155Mbps

    ◆光纤口中心波长：多模，1310纳米

    ◆光纤口物理接口类型：SC型

2、PCI总线扩展器

   PCI总线扩展器采用标准4U机箱，其作用是扩展PCI总线插槽，扩展通信卡数量，从而扩展光纤口数量。当IEC61850高速通信卡和高速GOOSE通信卡数量总数超过3块时，通过PCI总线扩展器能扩展PCI总线插槽，可以同时配置和使用更多的通信卡。

3、信号扩展器

   1、外形

                                         

 2、功能

   如果每个测试节点需要带多套二次设备，则需要配置信号扩展器，每个信号扩展器可以将一个合并单元的信息同步扩展到12个光口。信号扩展器由电源模块、光电通信模块、光接口模块组成。光电通信模块：接上一级需要扩展的光纤口；光接口模块：扩展的光纤口。每个光接口模块有4个光纤口，最多可扩展3个光接口模块；

                                     1.光电通信模块                      2.光接口模块

                                                          

第三部分  系统功能

一、数字保护静态测试

静态测试是指根据测试需要，生成一系列稳定的数据，也可以将事先存储好的数据按照一定次序进行回放；静态测试方式简单、明确，可以单路也可以多路，可用于进行常规的数字保护测试。其配置界面及参数设置下图所示。

静态测试可配置如下的选项：

    1、电压电流有效值；  2、电压电流相角； 3、输出路数； 4、输出格式：61850-9-1或者61850-9-2

                                                                                                            合并单元静态模拟配置界面

                      

合并单元静态模拟参数设置界面

二、固定测试系统

所提供的典型方案均根据《线路继电保护动模试验技术条件》（SD286－88）和实际工作的需要，按照继电保护测试的要求所提出的。实验方案中的典型系统结构和系统参数均参照中国电力科学研究院使用的方案，以下试验系统的模拟方法和技术性能均满足SD 286-88标准的要求，模拟系统中各元件的参数指标也与SD 286-88标准的基本要求相符。

提供的典型系统具有如下特点：

    1、  供用户选择的典型系统还在不停地增加；

    2、  除提供缺省参数外，用户还可自定义系统参数；

    3、  在每个系统中用户可自定义故障点位置及故障性质，可以模拟被保护线路的区内外金属性故障、带电阻故障、转换性故障、跨线故障以及振荡中故障等各种故障情况，对继电保护装置进行测试。

下面是几种典型系统的结构示例：

                 

                  

                  

                  

                    

用户通过选择系统结构、设置元件参数、故障参数、故障类型可进行如下试验项目：

1、暂态超越实验

在被保护线路末端模拟单相接地、两相接地、两相短路、三相短路和三相短路接地故障，距离保护的暂态超越不应大于5%。

2、区内金属性故障

在保护线路出口、中点、末端各点模拟单相接地、两相接地、三相短路和三相短路接地故障。各种故障分别模拟瞬时故障和永久故障。

3、区外故障

在相邻线路两端模拟单相接地、两相接地、三相短路和三相短路接地故障。各种故障均模拟瞬时故障。

4、转换性故障

在被保护线路内部的同一故障点模拟经不同时限的转换性故障；在被保护线路与相邻线路之间模拟相近故障点之间的异名相转换性故障；在被保护线路与相邻线路之间模拟跨线相间故障。

5、经电阻接地故障

在被保护线路内部两端及中点模拟各种带电阻的单一故障；在相邻线路模拟各种带电阻的单一故障。单相接地故障过渡电阻为0~300Ω，相间故障电阻为0~100Ω

6、手合到故障

系统为单侧电源，分别模拟被保护线路在出口、中点和末端三相接地状态下合上断路器。

7、系统振荡及振荡中再发生故障

线路全相运行，系统因故障而发生动稳破坏; 在振荡过程中模拟被保护线路区内和区外各种短路故障

系统双回线重载运行，因相邻线路发生非全相运行而引起系统非全相振荡，在振荡过程中模拟被保护线路区内和区外各种短路故障

系统双回线运行，因本线路一侧断路器一相断开而引起系统非全相振荡，在振荡过程中模拟被保护线路区内和区外各种短路故障。

8、变压器空投试验。

9、变压器故障。

10、 母线故障。

三、数字动态实时仿真闭环测试系统

系统中包括丰富的电力系统元件模型，如发电机、励磁机及励磁调节装置、调速器、电动机、变压器、负荷、断路器、输电线、电抗器、串补元件等，能够根据系统实际接线结构、元件参数对一次系统的运行情况进行准确的计算。

用户可以灵活地改变系统一次接线方式，设置各种典型故障，并可任意设置故障的类型和接地阻抗等参数，从而对系统运行情况进行完整的仿真模拟，不仅计算系统的工频电量，而且考虑非周期和高频分量以及快速的动态过程。

                

                  同步发电机参数设置

                           

                  变压器参数设置

                 

线路参数设置

                 

                  断路器参数设置

                 

                   故障设置

                  

                 

                  故障参数、故障类型可通过双击故障元件图标可设置故障

                 

                  采样值（SMV9-1或者SMV9-2格式）参数设置界面

                 

                  GOOSE跳闸及开关位置参数设置界面

                 

 

四、通道无效和丢包测试

本系统采用多路信号并发以及信号变速率等技术，仿真数字化变电站运行过程中出现的通道无效、信号不同步和数据丢包等恶劣工况，对信号传递延迟、阻塞现象进行模拟和评估，为数字化变电站二次设备测试提供了更为强大、有效的技术手段。