張小易，彭志強

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智能變電站站控層測試技術研究與應用

張小易，彭志強

(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

根據(jù)智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能及應用情況，設計了智能變電站站控層測試系統(tǒng)架構，對測試系統(tǒng)架構各功能模塊及信息交互過程進行了分析。然后對智能變電站站控層測試技術進行了深入研究，分別圍繞站控層數(shù)據(jù)交互測試技術、監(jiān)控主機測試技術及遠動功能測試技術進行研究，創(chuàng)新性地提出了測試策略可配置、通信報文可訂制、交互行為可控的站控層數(shù)據(jù)交互測試方法，監(jiān)控主機信息閉環(huán)測試方法，基于取代服務的電力遠動裝置測試方法。為了驗證提出的測試技術方案可行性，通過軟件技術實現(xiàn)了具有上述技術特征的測試系統(tǒng)，含保護測控信息仿真系統(tǒng)及調控主站仿真系統(tǒng)。最后經(jīng)工程應用實踐，智能變電站站控層測試技術提高了測試效率，并保證了測試結果的可靠性。

智能變電站；站控層；一體化監(jiān)控系統(tǒng)；測試系統(tǒng)；閉環(huán)測試；IEC 61850

0 引言

智能變電站站控層對上縱向貫通調控主站系統(tǒng)，向下連接變電站間隔層設備，站控層負責全站設備的監(jiān)視控制，并與各級調控中心進行遠動信息實時交互，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行至關重要[1-2]。目前在智能變電站測試環(huán)節(jié)，對于站控層設備/系統(tǒng)測試仍借助一些功能單一的調試工具來進行，缺乏功能完善的智能變電站站控層測試系統(tǒng)來實現(xiàn)全面定量測試，對監(jiān)控主機及遠動功能測試無完好的解決方案，不能適應智能變電站建設的快速發(fā)展。

變電站調控數(shù)據(jù)交互規(guī)范對變電站支撐調控運行提出了更高的要求[3]，目前在智能變電站測試環(huán)節(jié)過程中，站控層測試屬于薄弱環(huán)節(jié)。其中對于監(jiān)控主機的測試依賴于間隔層設備，測試過程中自動化程度低，這就需要開展監(jiān)控主機測試技術研究。隨著調控一體化運行變電站成為無人值守，變電站對調控主站的遠動功能越來越重要，這就需要在智能變電站測試時開展遠動功能專項測試，從而更好地支撐調控一體化運行。本文提出了智能變電站站控層測試系統(tǒng)架構，對測試系統(tǒng)架構各功能模塊及信息交互過程進行了分析。然后對提出的測試系統(tǒng)架構應用到的測試技術進行了深入研究，分別圍繞站控層數(shù)據(jù)交互測試技術、監(jiān)控主機測試技術及遠動功能測試技術進行研究，創(chuàng)新性地提出了測試策略可配置、通信報文可訂制、交互行為可控的站控層數(shù)據(jù)交互測試方法，監(jiān)控主機信息閉環(huán)測試方法，基于取代服務的電力遠動裝置測試方法。為了驗證提出的測試技術方案可行性，通過軟件技術實現(xiàn)了具有上述技術特征的測試系統(tǒng)，含保護測控信息仿真系統(tǒng)及調控主站仿真系統(tǒng)。最后經(jīng)工程應用實踐，智能變電站站控層測試技術提高了測試效率，并保證了測試結果的可靠性。

1 ?測試系統(tǒng)架構

智能變電站站控層對上縱向貫通調控主站系統(tǒng)，向下連接變電站間隔層設備，負責全站設備的監(jiān)視與控制、并與各級調控中心進行遠動信息交互。圖1所示為智能變電站間隔層、站控層至調控主站網(wǎng)絡架構示意圖[4]，根據(jù)一體化監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)范要求，可將站控層按功能應用分為監(jiān)控主機功能及遠動功能。監(jiān)控主機負責站內(nèi)各類數(shù)據(jù)的采集、處理，實現(xiàn)站內(nèi)設備的運行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析及智能告警，集成防誤閉鎖操作工作站和保護信息子站等功能[1-2]。遠動功能負責采集站內(nèi)數(shù)據(jù)，通過調度數(shù)據(jù)網(wǎng)與調控中心進行信息實時交互，主要包括基于IEC60870-5-104規(guī)約基本“四遙”功能[5]、基于DL476的“告警直傳、遠程瀏覽”功能[3]、基于繼電保護故障信息處理系統(tǒng)技術標準(簡稱國網(wǎng)103)的保信功能[6]。對于監(jiān)控主機與遠動功能測試，如圖1所示通過保護測控信息仿真系統(tǒng)與調控主站仿真系統(tǒng)代替實際裝置與系統(tǒng)進行測試，仿真系統(tǒng)除具備基本功能，還集成先進的測試方法，可用于開展監(jiān)控主機與遠動功能專項功能及性能測試，同時提高測試的自動化程度。

圖1 智能變電站站控層測試系統(tǒng)網(wǎng)絡架構示意圖

2 ?測試技術研究

圖2所示為智能變電站站控層測試技術路線示意圖，整個測試系統(tǒng)涉及的通信規(guī)約有IEC61850、IEC104、DL476及國網(wǎng)103，通信規(guī)約是整個測試技術的理論基礎。測試方法研究包括站控層數(shù)據(jù)交互測試方法、監(jiān)控主機測試方法、遠動功能測試方法。研制的測試系統(tǒng)包括保護測控信息仿真系統(tǒng)、調控主站仿真系統(tǒng)。工程應用可開展監(jiān)控主機與遠動功能測試，監(jiān)控主機測試項目包括四遙基本功能、站控層五防功能、順控功能、智能告警、雪崩測試、網(wǎng)絡通斷等測試，遠動功能測試項目包括常規(guī)四遙功能、“告警直傳、遠程瀏覽”功能、保信功能等測試。

圖2 智能變電站站控層測試技術路線示意圖

2.1 站控層數(shù)據(jù)交互測試技術

站控層數(shù)據(jù)交互測試主要針對站控層系統(tǒng)(含監(jiān)控主機、遠動功能)與間隔層設備之間的信息交互，通過配置相應的測試策略，控制保護測控仿真系統(tǒng)信息交互行為，可實現(xiàn)通信報文可訂制及交互行為可控的目標。整個信息交互以SCL文件為中心，對模型文件的分析與重構是整個測試技術的基礎。依據(jù)《IEC61850工程繼電保護應用模型》[7]，可分別按下述方式進行基礎數(shù)據(jù)的分類與提取，測控裝置預定義下列數(shù)據(jù)集，前面為數(shù)據(jù)集描述，括號中為數(shù)據(jù)集名：

a)?遙測(dsAin)；

b)?遙信(dsDin)；

c)?故障信號(dsAlarm)；

d)?告警信號(dsWarning)；

e)?通信工況(dsCommState)；

f)?裝置參數(shù)(dsParameter)；

g)?聯(lián)鎖狀態(tài)(dsInterLock)。

保護裝置預定義下列數(shù)據(jù)集，前面為數(shù)據(jù)集描述，括號中為數(shù)據(jù)集名：

a)?保護事件(dsTripInfo)；

b)?保護遙信(dsRelayDin)；

c)?保護壓板(dsRelayEna)；

d)?保護錄波(dsRelayRec)；

e)?保護遙測(dsRelayAin)；

f)?故障信號(dsAlarm)；

g)?告警信號(dsWarning)；

h)?通信工況(dsCommState)；

i)?裝置參數(shù)(dsParameter)；

j)?保護定值(dsSetting)。

通過解析配置文件，依據(jù)配置文件構建仿真運行環(huán)境，建立整個測試系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)應用平臺，并基于此環(huán)境進行測試策略配置。依據(jù)配置的測試策略，構建測試系統(tǒng)與站控層系統(tǒng)信息交互行為，用以對站控層數(shù)據(jù)交互測試。根據(jù)工程需求，本文提出了下列測試策略，前面為測試策略名，后面為釋義及可測試的項目：

a)?單點：可進行遙測、遙信單點設置，用于監(jiān)控主機及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機的人工對點測試；

b)?多點：可進行遙測、遙信跨間隔多點設置，用于監(jiān)控主機及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機的多點并發(fā)測試；

c)?批處理：可進行遙測、遙信批量信息輸出設置，并可對信息輸出時序進行設置，用于雪崩測試、綜合智能告警測試；

d)?網(wǎng)絡通斷：可進行站控層網(wǎng)絡通斷設置，用于監(jiān)控主機及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機的網(wǎng)絡通斷測試；

e)?雙網(wǎng)切換：可進行站控層雙網(wǎng)切換設置，用于站控層系統(tǒng)雙網(wǎng)切換測試；

f)?遙控：可進行遙控全過程行為設置，包括遙控允許選擇與否、允許執(zhí)行成功與否及狀態(tài)量返回與否，并可對選擇、執(zhí)行、返回行為進行延時設置，用于IEC61850客戶端遙控行為全過程測試；

g)?心跳報文：可進行心跳報告響應設置，IEC61850 MMS通信一般以GetServerDirectory(服務器目錄)或GetDataValues(讀數(shù)據(jù)值)服務作為應用層數(shù)據(jù)交互心跳判斷依據(jù)，用于IEC61850客戶端通信中斷專項測試。

2.2 監(jiān)控主機測試技術

智能變電站監(jiān)控主機測試采用信息閉環(huán)測試方法，測試系統(tǒng)架構如圖3所示，包括測試工作站、保護測控信息仿真系統(tǒng)、站控層交換機、監(jiān)控主機、IEC61850網(wǎng)絡報文記錄分析儀。其中保護測控信息仿真系統(tǒng)、監(jiān)控主機以及IEC61850網(wǎng)絡報文記錄分析儀均與站控層交換機連接，測試工作站與保護測控信息仿真系統(tǒng)連接。監(jiān)控主機為被測對象，可導出測試過程中站控層交互數(shù)據(jù)的文件，并將導出文件發(fā)送給測試工作站。保護測控信息仿真系統(tǒng)可根據(jù)SCD文件仿真多臺保護測控裝置，在信息交互上完全模擬基于IEC61850保護和測控設備的信息輸入輸出，并接收測試工作站的配置策略，使站控層通信報文可定制，交互行為可控。IEC61850網(wǎng)絡報文記錄分析儀接受測試工作站的啟停指令，通過網(wǎng)絡監(jiān)聽方式記錄并分析站控層交換機的網(wǎng)絡報文生成分析簡報(分析簡報內(nèi)容及格式模板見附錄A)，將分析簡報和網(wǎng)絡報文數(shù)據(jù)反饋給測試工作站。測試工作站配置測試策略并形成原始測試數(shù)據(jù)文件，向IEC61850網(wǎng)絡報文記錄分析儀發(fā)送啟停指令并接收IEC61850網(wǎng)絡報文記錄分析儀發(fā)送的分析簡報和網(wǎng)絡報文數(shù)據(jù)，接收監(jiān)控主機導出文件，并將測試策略、分析簡報和導出文件進行比對，根據(jù)比對結果自動生成測試報告。整個測試流程如下：

圖3 監(jiān)控主機信息閉環(huán)測試系統(tǒng)架構示意圖

①?在測控工作站配置測試策略；

②?保護測控信息仿真系統(tǒng)根據(jù)測試策略進行站控層數(shù)據(jù)交互；

③?保護測控仿真系統(tǒng)與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)交互；

④?網(wǎng)絡分析儀進行報文分析并形成數(shù)據(jù)簡報；

⑤?測試工作站以文件服務從網(wǎng)絡分析儀獲取數(shù)據(jù)簡報；

⑥?監(jiān)控主機導出交互數(shù)據(jù)；

⑦?測試工作站對將測試策略、分析簡報和監(jiān)控主機導出文件進行比對，根據(jù)比對結果自動生成測試報告。

2.3 遠動功能測試技術

智能變電站遠動功能測試采用基于取代服務的測試方法，如圖4為基于取代服務的遠動功能測試系統(tǒng)架構示意圖，測試系統(tǒng)包括調控主站仿真系統(tǒng)、保護測控信息仿真系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機。調控主站仿真系統(tǒng)除具備常規(guī)的遠動前置功能，還具備IEC61850 MMS客戶端取代服務功能，保護測控信息仿真系統(tǒng)具有IEC61850 MMS服務端通信功能。調控主站仿真系統(tǒng)通過取代服務對保護測控信息仿真系統(tǒng)的遙測及遙信數(shù)據(jù)進行設值，保護測控信息仿真系統(tǒng)接受MMS客戶端設值，并支持周期性、數(shù)據(jù)變化、總召等數(shù)據(jù)上送方式，對被取代的數(shù)據(jù)以IEC61850 MMS上送至數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機，再通過IEC104轉發(fā)到調控主站仿真系統(tǒng)。通過對IEC61850取代服務設置的原始值與待測數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機上送的值進行比較，來驗證待測裝置接收并轉發(fā)數(shù)據(jù)的正確性。

圖4 基于取代服務的電力遠動裝置測試系統(tǒng)架構示意圖

測試流程如下：

①?調控主站仿真系統(tǒng)通過IEC61850取代服務置數(shù)；

②?保護測控信息仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化及品質變化觸發(fā)報告上送；

③?數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機通過IEC61850接受變化數(shù)據(jù)，并通過IEC104轉發(fā)至調控主站仿真系統(tǒng)；

④?調控主站仿真系統(tǒng)對置數(shù)源與接收的數(shù)據(jù)進行比對，并形成測試報告。

3 ?測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 保護測控信息仿真系統(tǒng)

保護測控信息仿真系統(tǒng)通過模擬IEC61850保護測控裝置站控層數(shù)據(jù)交互行為，用于測試監(jiān)控主機及遠動功能。圖5所示為保護測控信息仿真系統(tǒng)功能結構示意圖[8-10]，功能模塊包括模型解析模塊、仿真系統(tǒng)運行管理模塊、仿真系統(tǒng)運行模塊、抽象通信服務接口(ACSI)模塊、MMS網(wǎng)絡通信服務模塊，各功能模塊作用如下。

圖5 保護測控信息仿真系統(tǒng)功能結構示意圖

a)?模型解析模塊。導入SCL文件，校核文件的合法性，解析配置文件，依據(jù)IEC61850-6及Q/GDW 1396構造仿真環(huán)境所需的數(shù)據(jù)模型，為仿真系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)。

b)?仿真系統(tǒng)運行管理模塊。配置測試策略，根據(jù)模型解析模塊生成的基礎數(shù)據(jù)，對仿真的智能電子設備(IED)進行測試策略配置。可配置的測試策略有：單點、多點(跨間隔、跨裝置)、批處理、網(wǎng)絡通斷、雙網(wǎng)切換、遙控行為(選擇、執(zhí)行、返回)、心跳報文返回等。

c)?仿真系統(tǒng)運行模塊。根據(jù)模型解析模塊生成的基礎數(shù)據(jù)創(chuàng)建IED運行進程，依據(jù)仿真系統(tǒng)運行管理模塊配置的測試策略，使仿真系統(tǒng)報文輸出可訂制，交互行為可控。

d)?抽象通信服務接口(ACSI)模塊。依據(jù)IEC61850- 7-2創(chuàng)建抽象通信服務接口，使仿真系統(tǒng)滿足IEC61850規(guī)定的各類服務。

e) MMS網(wǎng)絡通信服務模塊。依據(jù)IEC61850-8-1特定通信服務映射(SCSM)，將ACSI映射至MMS，使仿真系統(tǒng)滿足MMS通信應用。

3.2 調控主站仿真系統(tǒng)

調控主站仿真系統(tǒng)，支持目前主流電力遠動規(guī)約(IEC60870-5-104、DL476、TASE.2等)，具備調控主站模擬、報文解釋及分析功能，用于調度端與變電站端的遠動功能測試。根據(jù)一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范，遠動功能包括基本“四遙”功能、“告警直傳、遠程瀏覽”功能、保信功能[11-14]。調控主站仿真系統(tǒng)功能模塊架構如圖6所示，分別包括前置通信模塊、基本遠動功能模塊及高級應用功能模塊，各功能模塊作用如下。

圖6 調控主站仿真系統(tǒng)功能模塊示意圖

a)?前置通信模塊集成的通信規(guī)約包括IEC104、DL476、國網(wǎng)103等，是調控主站仿真系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)輸入、輸出中心，是調控主站仿真系統(tǒng)的基礎模塊。

b)?基本遠動功能模塊，是以前置通信模塊為基礎，實現(xiàn)“四遙”功能、“告警直傳、遠程瀏覽”功能、保信功能等遠動功能。

c)?高級應用功能模塊是在前置通信模塊與基本遠動功能模塊的基礎上，集成相應的測試策略，實現(xiàn)基于取代服務的遠動功能測試、保信信息智能預處理功能及遠動異常信息診斷服務。

4 ?工程應用

按照上述設計的測試系統(tǒng)架構及提出的測試方法，通過軟件技術研制了智能變電站站控層測試系統(tǒng)(含保護測控信息仿真系統(tǒng)及調控主站仿真系統(tǒng))。通過該測試系統(tǒng)可開展監(jiān)控主機測試、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機測試、告警圖形網(wǎng)關機測試及保信功能測試。其中監(jiān)控主機測試項目包括遙信、遙測、遙控、同期功能、檢修機制處理、網(wǎng)絡通斷、雙網(wǎng)切換、雪崩、站控層五防、順控功能、信息綜合與智能告警等。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關機測試項目包括通信狀態(tài)、遠動信息傳輸、遠方操作、裝置初始化及數(shù)據(jù)重傳等。告警圖形網(wǎng)關機測試項目包括告警直傳、遠程瀏覽。保信功能測試項目包括初始化配置、自動上送信息、獲取歷史信息及獲取運行信息等。

智能變電站站控層測試系統(tǒng)已先行在國網(wǎng)實驗室-變電站智能設備檢測技術實驗室應用驗證了技術的可行性，后陸續(xù)應用于實際工程中，包括江蘇500 kV西津渡智能變電站、江蘇500 kV揚州北智能變電站，都達到了良好的應用效果。

5 ?結論

針對傳統(tǒng)測試技術在智能變電站站控層工程調試與測試過程中存在的局限性[15-16]，本文設計了智能變電站站控層測試系統(tǒng)架構，提出了站控層數(shù)據(jù)交互測試方法、監(jiān)控主機信息閉環(huán)測試方法、基于取代服務的遠動功能測試方法，并實現(xiàn)具有上述技術特點的智能變電站站控層測試系統(tǒng)。本文研究的智能變電站站控層測試技術提升了現(xiàn)有測試技術水平，對加快推廣智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)應用技術具有一定的促進作用。

附錄A 分析簡報內(nèi)容及格式模板

A.1、簡報內(nèi)容

1)、IED的通信狀態(tài)

a)、通信中斷時間、通信恢復時間

b)、通信中斷原因：客戶端斷開或服務端斷開，長時間無數(shù)據(jù)(包括tcp keep-alive)

2)、事件報告描述

a)、按照報告塊分類歸納：報告時間、每個報告內(nèi)可包含多個事件狀態(tài)，事件狀態(tài)包括事件描述、事件品質、值、引用、事件時間

3)、控制過程描述

a)、控制操作結果：控制對象、控制值、結果、失敗原因(包括AddCause原因)、時間

4)、設定值過程描述

a)、修改定值、切換定值結果

5)、文件服務過程跟蹤

a)、文件名稱、下載時間、傳送持續(xù)時間(單位秒)、傳送文件大小(單位字節(jié))

6)、統(tǒng)計信息

a)、所關聯(lián)的TCP連接數(shù)

b)、服務端TCP連接中斷次數(shù)

c)、客戶端TCP連接中斷次數(shù)

d)、報告控制塊初始化次數(shù) (包括成功、失敗)

e)、遙控操作成功次數(shù)、失敗次數(shù)

A.2、簡報格式示例

"恢復"/>

"中斷">客戶端發(fā)起中斷

"恢復"/>

"中斷">長期無數(shù)據(jù)

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(編輯 周金梅)

Research and application on substation level test technology of smart substations

ZHANG Xiaoyi, PENG Zhiqiang

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China)

According to the function and application of smart substation integrated supervisory and control system, a substation level test system architecture is designed, each function module and information interaction process of test system architecture are analyzed. Then the substation level test technologies are deeply studied, including the station level data interaction testing technology, supervision and control system testing technology and remote functional testing technology. The station level data interactive test method is innovatively put forward, with which the test strategy can be configured, messages can be customized, and interactive behavior can be controlled. A closed-loop test method for supervision and control system information and electric power telecontrol device testing method based on substituted service are respectively proposed too. In order to verify the feasibility of the proposed technological test scheme, the testing system with the above technical characteristics is realized through the software technology, which includes relay protection and measurement & control information simulation system and main station simulation system. Finally, engineering application proves that station level test technology of smart substation improves testing efficiency and ensures the reliability of measurement results.

smart substation; substation level; integrated supervision and control system; test system; closed-loop test; IEC 61850

10.7667/PSPC150767

2015-05-08；

2015-10-12

張小易(1978-)，男，碩士，高級工程師，從事調度自動化及智能變電站技術研究工作；彭志強(1986-)，男，通信作者，碩士，工程師，從事調度自動化及智能變電站技術研究工作。E-mail:?peng_ zhiqiang@163.com