張 文 徐興豫 王 哲

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精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)測(cè)試方法的研究和應(yīng)用

張 文 徐興豫 王 哲

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

精準(zhǔn)負(fù)荷控制是特高壓交直流電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)的重要組成部分，通過對(duì)負(fù)荷資源的分類、分級(jí)、分區(qū)域管理，實(shí)現(xiàn)由調(diào)度直接發(fā)令對(duì)分類用戶可中斷負(fù)荷的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，能避免大量對(duì)變電所或線路進(jìn)行整體拉閘，將電網(wǎng)故障的社會(huì)影響降到最低，提升大電網(wǎng)故障防御能力。為了保證精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)投入使用前，需要對(duì)其進(jìn)行充分的驗(yàn)證測(cè)試。本文針對(duì)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，開發(fā)了一套模擬測(cè)試環(huán)境，該測(cè)試環(huán)境基于實(shí)際的軟硬件架構(gòu)，針對(duì)內(nèi)部通信特點(diǎn)，研究測(cè)試方法，定制測(cè)試用例驅(qū)動(dòng)，能夠模擬滿負(fù)荷運(yùn)行下的各種運(yùn)行工況，全面驗(yàn)證和考核精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的功能性能，從而保證精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該測(cè)試方法已經(jīng)在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的研發(fā)測(cè)試過程中得到了充分的應(yīng)用。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制；特高壓；負(fù)控終端；可靠性

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷壯大，當(dāng)前我國(guó)電網(wǎng)已進(jìn)入跨大區(qū)、特高壓、交直流混聯(lián)運(yùn)行的新階段，電網(wǎng)運(yùn)行管理變得更加復(fù)雜。為了保證供電的質(zhì)量和電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，電網(wǎng)調(diào)度中心必須實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時(shí)進(jìn)行分析并做出正確的判斷和決策，必要時(shí)采取緊急措施，處理應(yīng)急事故和異常情況，以保證電力的安全、可靠、有效供應(yīng)。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制是特高壓交直流電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)的重要組成部分，主要用于統(tǒng)籌電網(wǎng)資源與負(fù)荷綜合配置，實(shí)現(xiàn)電源、電網(wǎng)、用戶負(fù)荷互濟(jì)互動(dòng)，提高電網(wǎng)特高壓故障應(yīng)急響應(yīng)能力[1-3]。通過對(duì)負(fù)荷資源的分類、分級(jí)、分區(qū)域管理，實(shí)現(xiàn)由調(diào)度直接發(fā)令對(duì)分類用戶可中斷負(fù)荷的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，能避免出現(xiàn)大量變電所或線路出現(xiàn)整體跳閘的情況，將電網(wǎng)故障的社會(huì)影響降到最低，提升大電網(wǎng)故障防御 能力。

為了保證負(fù)荷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在負(fù)荷控制系統(tǒng)投入使用前，需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，對(duì)負(fù)荷控制系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試主要是通過搭建負(fù)荷控制系統(tǒng)的實(shí)際模型和仿真模擬，然后對(duì)其進(jìn)行分析和驗(yàn)證。這種方法雖然能夠測(cè)試出負(fù)荷控制系統(tǒng)的性能，但是會(huì)耗費(fèi)較大的時(shí)間和人力物力，需要的成本比較高。經(jīng)過對(duì)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)仿真和判別方法的研究[13-17]，為了充分驗(yàn)證精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)相關(guān)功能和性能，在前期智能變電站自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上[6-11]，本文提供了一種精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中在對(duì)負(fù)荷控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)成本較高的問題，同時(shí)能夠全面驗(yàn)證和考核精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的功能性能，從而保證精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括協(xié)控總站、主站、子站和負(fù)控終端[4-5]，協(xié)控總站的主機(jī)通信連接主站的主機(jī)，一個(gè)主站的主機(jī)通信連接有8個(gè)子站的主機(jī)，每個(gè)子站的主機(jī)連接8個(gè)通信接口擴(kuò)展設(shè)備，每個(gè)通信接口擴(kuò)展設(shè)備連接30個(gè)負(fù)控終端。各負(fù)控終端將相應(yīng)的負(fù)荷量發(fā)送給對(duì)應(yīng)的子站主機(jī)，子站主機(jī)再將負(fù)荷量發(fā)送給主站主機(jī)。當(dāng)需要切除負(fù)荷時(shí)，協(xié)控總站的主機(jī)向主站主機(jī)發(fā)送切負(fù)荷指令，主站主機(jī)接收到切負(fù)荷指令后進(jìn)行計(jì)算分析，得出各子站主機(jī)需要切除的負(fù)荷量，并向各子站主機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)的切負(fù)荷指令和需要切除的負(fù)荷量。子站主機(jī)接收到切負(fù)荷命令和需要切除的負(fù)荷量時(shí)，通過對(duì)應(yīng)的通信接口，控制負(fù)控終端切除相應(yīng)的負(fù)荷量。

圖1 精準(zhǔn)控制系統(tǒng)

主站主機(jī)根據(jù)總站下發(fā)的切負(fù)荷總量命令合理分配每個(gè)子站需切層級(jí)及負(fù)荷量，按默認(rèn)8個(gè)子站規(guī)模預(yù)設(shè)自定義控制字，用于設(shè)置子站切負(fù)荷優(yōu)先級(jí)，從低到高對(duì)應(yīng)1—8優(yōu)先級(jí)，按照該順序切子站負(fù)荷，根據(jù)子站上送的負(fù)荷信息，統(tǒng)計(jì)各優(yōu)先級(jí)可切負(fù)荷量等信息用于切負(fù)荷策略并上送總站。

子站主機(jī)根據(jù)主站下發(fā)的切負(fù)荷總量按負(fù)控終端地址從低到高的優(yōu)先級(jí)合理分配每個(gè)負(fù)控終端需切層級(jí)及負(fù)荷量，根據(jù)負(fù)控終端上送的負(fù)荷信息，統(tǒng)計(jì)各優(yōu)先級(jí)可切負(fù)荷量等信息用于切負(fù)荷策略，并上送主站主機(jī)。

2 測(cè)試環(huán)境構(gòu)成

圖2 測(cè)試環(huán)境

2.1 協(xié)控總站模擬模塊

協(xié)控總站模擬模塊的通信接口用于通信連接待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主站主機(jī)，協(xié)控總站模擬模塊用于向待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主站主機(jī)發(fā)送模擬切負(fù)荷命令，從待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主站主機(jī)接收反饋命令，并根據(jù)模擬切負(fù)荷命令和反饋命令對(duì)被測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)主站主機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試。

2.2 子站主機(jī)模擬模塊

子站主機(jī)模擬模塊的通信接口用于通信連接負(fù)荷控制系統(tǒng)的主站主機(jī)，子站主機(jī)模擬模塊用于向待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主站主機(jī)發(fā)送模擬負(fù)荷量，接收待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)主站主機(jī)的控制命令，并對(duì)控制命令進(jìn)行判別。

2.3 負(fù)控終端模擬模塊

負(fù)控終端模擬模塊的通信接口用于通信連接負(fù)荷控制系統(tǒng)的子站主機(jī)，負(fù)控終端模擬模塊用于向待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的子站主機(jī)發(fā)送模擬負(fù)荷量，接收待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站的切負(fù)荷命令，并將切負(fù)荷的模擬結(jié)果反饋給待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站主機(jī)。

3 測(cè)試用例設(shè)計(jì)

3.1 硬件特性分析

測(cè)試裝置采用成熟的軟硬件平臺(tái)[12]架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，中央處理器CPU帶有4個(gè)2M的光纖接口和兩個(gè)通信擴(kuò)展設(shè)備。4個(gè)2M的光纖接口用于連接待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主站主機(jī)，中央處理器CPU通過以太網(wǎng)連接相應(yīng)的通信擴(kuò)展設(shè)備。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3.2 協(xié)控總站用例編制

協(xié)控總站通過4個(gè)2M接口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，通信方式見表1，地址碼對(duì)應(yīng)的是接收裝置的地址，正常通信時(shí)，數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)為0x5500+地址碼，當(dāng)需要切負(fù)荷時(shí)開始發(fā)送命令幀，命令幀的數(shù)據(jù)為0x9900+地址碼。

在測(cè)試用例設(shè)計(jì)時(shí)，精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)主站主機(jī)和子站主機(jī)的測(cè)試碼能夠進(jìn)行整定，最小值是0，最大值是255，當(dāng)設(shè)置成0時(shí)表示該主站主機(jī)未實(shí)際投入使用。根據(jù)不同測(cè)試條件，靈活控制命令碼的發(fā)送時(shí)間，常用的是發(fā)送切負(fù)荷命令持續(xù)時(shí)間是1s。為了保證命令交互的可靠性，通信報(bào)文中設(shè)置了切負(fù)荷命令碼和切負(fù)荷命令反碼，協(xié)控主站發(fā)送的切負(fù)荷命令碼一直為0x00，反碼為0xFF；控制切負(fù)荷量表示要切多少負(fù)荷，若協(xié)控主站發(fā)送的控制切負(fù)荷量為0，則表示需要切掉全部的負(fù)荷。

表1 協(xié)控總站通信方式

3.3 子站主機(jī)用例編制

子站主機(jī)模擬模塊通過8個(gè)2M口與主站主機(jī)通信，模擬待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)的子站主機(jī)。

模擬模塊連接的8個(gè)2M通信接口，其數(shù)據(jù)都可以獨(dú)立設(shè)置，接收和監(jiān)視自動(dòng)判別。正常通信時(shí)，數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)為0x5500+地址碼，發(fā)送幀號(hào)和通道狀態(tài)可以通過整定或檢查實(shí)際通信鏈路，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)發(fā)送幀號(hào)和通道狀態(tài)，模擬正常和異常數(shù)據(jù)對(duì)待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)主站主機(jī)的影響。各層級(jí)數(shù)據(jù)通過界面能夠分別進(jìn)行整定和置數(shù)，對(duì)最大值、最小值等邊界值進(jìn)行模擬測(cè)試。子站主機(jī)模擬模塊還能夠接收主站發(fā)送的切負(fù)荷命令，根據(jù)發(fā)送的層級(jí)負(fù)荷量自動(dòng)判斷待測(cè)負(fù)荷控制系統(tǒng)主站主機(jī)切負(fù)荷命令的正確性。

配電自動(dòng)化的作用是提高配電網(wǎng)的供電可靠性。配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)主要有系統(tǒng)平均停電頻率、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)、平均供電可靠率指標(biāo)、用戶平均停電指標(biāo)等,本文只考慮平均供電可靠率指標(biāo)進(jìn)行可靠性計(jì)算。

3.4 100M光口用例編制

100M光口主要用于模擬負(fù)控終端數(shù)據(jù)收到，收發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文見表2，目的地址為被測(cè)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)子站主機(jī)裝置接收網(wǎng)口的MAC地址。源發(fā)地址為當(dāng)前網(wǎng)口的MAC地址。以太網(wǎng)幀類型為自定義的類型0xEB90。報(bào)文長(zhǎng)度為有效數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度，從字節(jié)17開始到結(jié)束的長(zhǎng)度。高速串口包個(gè)數(shù)表示該數(shù)據(jù)中包含多少個(gè)2M光串口數(shù)據(jù)，每一個(gè)100M口最多支持發(fā)送30個(gè)光串口數(shù)據(jù)。板卡信息表示哪個(gè)板卡發(fā)送的數(shù)據(jù)。報(bào)文有效性信息用于識(shí)別報(bào)文打包或發(fā)送的錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)：Bit0為報(bào)文錯(cuò)誤標(biāo)志，Bit1為CRC錯(cuò)誤標(biāo)志，Bit2為報(bào)文長(zhǎng)度錯(cuò)誤標(biāo)志。第包數(shù)據(jù)就包含了表2中定義的報(bào)文，每一次按照最大30包數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。

表2 100M光口收發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文

4 應(yīng)用實(shí)例

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)測(cè)試裝置開發(fā)完成后，能夠?qū)珳?zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)中單裝置和整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行測(cè)試，能夠完成的測(cè)試項(xiàng)目如下：

1）通信異常模擬測(cè)試。

2）切負(fù)荷命令動(dòng)作邏輯測(cè)試。

3）策略閉鎖功能測(cè)試。

4）切負(fù)荷策略測(cè)試。

5）切負(fù)荷系統(tǒng)仿真測(cè)試。

6）整組響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

7）系統(tǒng)壓力測(cè)試。

對(duì)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究后，逐步完善了測(cè)試用例和監(jiān)視手段，在相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)測(cè)試過程中進(jìn)行了充分的測(cè)試驗(yàn)證，保證了精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)功能和性能的穩(wěn)定。

4.1 整組響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)后，防止出現(xiàn)直流系統(tǒng)的雙極閉鎖[16]，必須在很短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的精準(zhǔn)切除，防止電力系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩和更大的潮流轉(zhuǎn)移，因此對(duì)主站主機(jī)、子站主機(jī)和負(fù)控終端的命令響應(yīng)時(shí)間提出了嚴(yán)格的要求，要求每個(gè)裝置在接收到控制命令后的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于10ms。

通過圖2所示的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，在協(xié)控總站發(fā)送切負(fù)荷控制命令時(shí)記錄下命令發(fā)送時(shí)間，根據(jù)主站主機(jī)的反饋命令，自動(dòng)記錄下命令反饋時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)單裝置命令響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，每個(gè)測(cè)試裝置的命令響應(yīng)時(shí)間均在10ms以內(nèi)，一般終端斷路器動(dòng)作時(shí)間均在100ms左右，通信擴(kuò)展裝置的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)為微秒級(jí)，這樣整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間可以保證在130ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的精準(zhǔn)切除。

該測(cè)試系統(tǒng)通過與RTDS仿真系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行了全系統(tǒng)的仿真測(cè)試，按照兩個(gè)主站、4個(gè)子站和960個(gè)負(fù)控終端節(jié)點(diǎn)配合測(cè)試裝置對(duì)主站主機(jī)、子站主機(jī)和負(fù)控終端的策略和響應(yīng)性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在滿負(fù)荷運(yùn)行環(huán)境下對(duì)整組動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了更深入的分析和測(cè)試，模擬各類故障和負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，主站主機(jī)和子站主機(jī)均能按照預(yù)設(shè)的策略進(jìn)行精準(zhǔn)負(fù)荷切除，測(cè)試結(jié)果與圖2測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試出的動(dòng)作時(shí)間一致。

4.2 異常模擬測(cè)試

測(cè)試模塊中提供了各類數(shù)據(jù)的整定和設(shè)置，能夠通過界面或后臺(tái)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的模擬和驗(yàn)證，如策略功能異常閉鎖邏輯：

策略功能閉鎖信號(hào)和策略功能狀態(tài)信號(hào)為互斥關(guān)系，即策略功能失效時(shí)置上策略功能閉鎖標(biāo)志；反之，出現(xiàn)策略功能閉鎖信號(hào)，則一定存在投入的策略功能失效。對(duì)于策略功能含多個(gè)觸發(fā)條件的情況，若存在任一觸發(fā)條件不滿足判據(jù)導(dǎo)致策略功能失效的情況即置上該動(dòng)作策略功能閉鎖狀態(tài)。當(dāng)裝置檢測(cè)到和總站通信通道異常、裝置總功能閉鎖和優(yōu)先級(jí)設(shè)置錯(cuò)誤時(shí)，則閉鎖策略，并點(diǎn)亮策略閉鎖燈。

4.3 系統(tǒng)壓力性能測(cè)試

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)應(yīng)用過程中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求更高，不應(yīng)出現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)導(dǎo)致整組響應(yīng)時(shí)間性能降低。測(cè)試裝置中的各個(gè)測(cè)試模塊針對(duì)各類信息進(jìn)行了優(yōu)先級(jí)分配，能夠在正常數(shù)據(jù)發(fā)送過程中模擬異常數(shù)據(jù)的發(fā)送，考核在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的各類裝置響應(yīng)情況。

使用該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)壓力性能測(cè)試時(shí)，研發(fā)初期的裝置對(duì)異常處理不完善，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)策略不正確或響應(yīng)時(shí)間慢的情況，經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證測(cè)試，目前精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)中的異常處理和監(jiān)視越發(fā)的完善，時(shí)間響應(yīng)性能也更加的穩(wěn)定，從而保證精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

通過對(duì)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的研究和分析，搭建的測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方案在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)相關(guān)裝置開發(fā)和完善過程中起到了重要作用，對(duì)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。隨著交直流混合電網(wǎng)融合度越來越高，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，使用該測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法能夠全面仿真和模擬精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的運(yùn)行工況，及早發(fā)現(xiàn)和解決精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品可靠性和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下可能存在的問題，從而保證電網(wǎng)更加穩(wěn)定的運(yùn)行。

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Research and application of test method for precision load control system

Zhang Wen Xu Xingyu Wang Zhe

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Precision load control was considered an integral part of UHV (ultra-high voltage) AC/DC power grid system protection. Real-time precise control which the dispatcher can send commend directly to interruptible load for user classification could be done via classification, hierarchical and sub-regional management of load resources. This approach has the virtue of not requiring switch off a large number of substations or lines which can minimize the social impact due to grid failures and improve defense capabilities for bulk power systems. In order to guarantee the stability and reliability of precision load control, it is essential to be validated through adequate testing before its operation. Responding to the characteristics of precision load control system, this paper has developed a set of simulation test environment which can simulation various operation conditions running at full capacity and verified its effectiveness comprehensively through researched test methods and customized test case drivers based on actual hardware and software components, the characteristics of interior communication as well, thus ensuring the stability and reliability of precision load control system.This test metrology has been fully applied in the field of developing and testing process of precision load control system.

precision load control; ultra-high voltage; load control terminal; reliability

2018-04-11

張 文（1984-），男，安徽省阜陽市人，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品的測(cè)試技術(shù)、測(cè)試方法的研究和科研產(chǎn)品的研發(fā)測(cè)試工作。