趙巍,侯玉強(qiáng),陳洶,薛峰,許劍冰
(1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司,南京 211106;2.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211106)
從發(fā)輸變電規(guī)模、聯(lián)網(wǎng)緊密程度和系統(tǒng)穩(wěn)定特性等多方面來看,我國(guó)電網(wǎng)已發(fā)展成為世界上規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、控制難度最大的電網(wǎng),同步構(gòu)建三道防線立體防御體系,特別是大型跨區(qū)域協(xié)同的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“穩(wěn)控系統(tǒng)”),已經(jīng)成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。穩(wěn)控系統(tǒng)分布地域廣、涵蓋站點(diǎn)多、邏輯功能復(fù)雜而標(biāo)準(zhǔn)化程度低,長(zhǎng)期以來其運(yùn)行可靠性高度依賴廠內(nèi)測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合調(diào)試等[1-5]。2019年國(guó)家電網(wǎng)公司頒布了調(diào)技115號(hào)文,要求穩(wěn)控系統(tǒng)必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下開展工程驗(yàn)證,進(jìn)一步健全了穩(wěn)控系統(tǒng)檢驗(yàn)檢測(cè)體系。
近年來,穩(wěn)控系統(tǒng)多次發(fā)生不正確動(dòng)作事件,給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行敲響警鐘,同時(shí)也對(duì)現(xiàn)有相對(duì)孤立的廠內(nèi)測(cè)試、工程驗(yàn)證、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試模式帶來巨大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[6-9]首次提出基于RTDS(實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng))的數(shù)字仿真平臺(tái),采用復(fù)雜大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真建模技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)控系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控裝置動(dòng)作可靠性和策略執(zhí)行準(zhǔn)確性的閉環(huán)測(cè)試,但實(shí)驗(yàn)室測(cè)試難以有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[10]提出了一種基于實(shí)時(shí)仿真的遠(yuǎn)程試驗(yàn)方法,主要側(cè)重穩(wěn)控策略正確性驗(yàn)證,但該方法需對(duì)穩(wěn)控裝置進(jìn)行硬件和軟件改造,并在實(shí)驗(yàn)室加裝大量設(shè)備廠家配套的信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置,部署實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[11]基于錄波回放技術(shù),提出多臺(tái)測(cè)試儀對(duì)時(shí)聯(lián)網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)的整體測(cè)試,僅能實(shí)現(xiàn)離線開環(huán)測(cè)試,應(yīng)用場(chǎng)景為實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模穩(wěn)控系統(tǒng)的測(cè)試,難以在跨區(qū)域多廠站聯(lián)調(diào)工程中應(yīng)用。文獻(xiàn)[12]提出了一套適用于大規(guī)模穩(wěn)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)整組仿真測(cè)試系統(tǒng),借助調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和電力無線虛擬專網(wǎng)傳輸動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程開環(huán)測(cè)試。該系統(tǒng)僅能校驗(yàn)穩(wěn)控裝置策略的準(zhǔn)確性,且無法對(duì)復(fù)雜連鎖故障下的穩(wěn)控策略進(jìn)行驗(yàn)證??梢?,現(xiàn)有的遠(yuǎn)程測(cè)試方案存在普適性較差、平臺(tái)構(gòu)建靈活性不足、實(shí)施代價(jià)較高等不足。
針對(duì)上述不足,本文提出了一種穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試技術(shù),詳述了遠(yuǎn)程測(cè)試平臺(tái)方案與模塊設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)解決方案以及測(cè)試流程,并基于實(shí)際電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1 所示,主要包括主站層和終端層,兩者之間采用無線通信。其中,主站層由RTDS 仿真設(shè)備群、測(cè)試主站、實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)控裝置和平臺(tái)管理系統(tǒng)組成;終端層由測(cè)試終端和現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置組成。
圖1 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of a remote non-real-time closed-loop testing platform
首先,采用RTDS 對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真,模擬不同運(yùn)行方式下各種故障,將電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)和穩(wěn)控系統(tǒng)站間通信數(shù)據(jù)傳輸給測(cè)試主站,利用測(cè)試主站的時(shí)間戳標(biāo)記和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能,將帶有時(shí)間標(biāo)記的仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于遠(yuǎn)程傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文,并通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給測(cè)試終端。其次,測(cè)試終端對(duì)接收到的報(bào)文信息進(jìn)行解析,并轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式,按照統(tǒng)一觸發(fā)指令將仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)下載至現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置。接著,測(cè)試終端將帶有時(shí)間標(biāo)記的現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號(hào)和動(dòng)作報(bào)文轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文,并通過通信網(wǎng)絡(luò)反饋給測(cè)試主站和平臺(tái)管理系統(tǒng),測(cè)試主站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號(hào)按照時(shí)序進(jìn)行整合。最后,在實(shí)驗(yàn)室重新模擬相同故障,測(cè)試主站按照動(dòng)作時(shí)序?qū)F(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號(hào)載入RTDS,實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)故障觸發(fā)、穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作以及電網(wǎng)特性恢復(fù)的閉環(huán)反演;反演結(jié)束后,平臺(tái)管理系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作結(jié)果比對(duì)點(diǎn)表,自動(dòng)校驗(yàn)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作行為的正確性。
遠(yuǎn)程閉環(huán)測(cè)試實(shí)施的關(guān)鍵是實(shí)驗(yàn)室側(cè)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)如何穿透地域并同步下載至現(xiàn)場(chǎng)廣域分布的穩(wěn)控裝置,現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置的動(dòng)作信號(hào)和動(dòng)作報(bào)文如何反饋至實(shí)驗(yàn)室,并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反演。
由于穩(wěn)控系統(tǒng)分布地域廣,主站層與終端層傳輸數(shù)據(jù)容量大,對(duì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互可靠性和完整性要求較高,本文采用5G通信組網(wǎng)可快速實(shí)現(xiàn)工程部署。本文提出的測(cè)試平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)性要求不高,若變電站不支持5G聯(lián)網(wǎng),遠(yuǎn)程通信模塊可兼容2/3/4G通信,確保平臺(tái)管理系統(tǒng)與測(cè)試終端以及測(cè)試主站與測(cè)試終端間數(shù)據(jù)有效交互。
遠(yuǎn)程通信傳輸層采用TCP/IP協(xié)議,應(yīng)用層選用MQTT(消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)協(xié)議。MQTT 的“發(fā)布/訂閱”模式能夠有效節(jié)省控制器的計(jì)算資源和流量,承載海量終端信息傳輸,并發(fā)性能更強(qiáng),通信可靠性更高[13],報(bào)文幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 MQTT協(xié)議報(bào)文幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure of MQTT protocol message
幀報(bào)文主題由源設(shè)備SN、目標(biāo)設(shè)備SN、操作指令、幀序號(hào)組成。其中,源設(shè)備SN代表消息發(fā)送方的設(shè)備序列號(hào);目標(biāo)設(shè)備SN代表消息接收方的設(shè)備序列號(hào);操作指令包括開始傳輸數(shù)據(jù)、結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)、取消傳輸數(shù)據(jù)等。幀報(bào)文內(nèi)容主要包括兩類:一類是平臺(tái)管理系統(tǒng)與測(cè)試終端之間遠(yuǎn)程交互的信息,包括協(xié)議配置文件、通道映射方案、統(tǒng)一觸發(fā)時(shí)間、動(dòng)作報(bào)文和時(shí)標(biāo)等信息;另一類是測(cè)試主站與測(cè)試終端之間遠(yuǎn)程交互的信息,包括電流、電壓、開關(guān)位置、動(dòng)作信號(hào)、時(shí)標(biāo)、應(yīng)用層加密的數(shù)字認(rèn)證字段等。
平臺(tái)管理系統(tǒng)是測(cè)試平臺(tái)的大腦,負(fù)責(zé)人機(jī)交互,具備測(cè)試設(shè)備管理、測(cè)試環(huán)境配置、測(cè)試流程控制、測(cè)試結(jié)果比對(duì)、測(cè)試報(bào)告生成等功能,其架構(gòu)如圖3所示。其中,測(cè)試設(shè)備管理功能負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試平臺(tái)中各設(shè)備信息進(jìn)行集中管理,如設(shè)備序列號(hào)、設(shè)備狀態(tài)等;測(cè)試環(huán)境配置功能負(fù)責(zé)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)穩(wěn)控裝置采樣需求,配置RTDS 仿真數(shù)據(jù)的通道映射方案和協(xié)議轉(zhuǎn)換配置文件,用于測(cè)試主站和測(cè)試終端數(shù)據(jù)分發(fā)重組;測(cè)試流程控制功能負(fù)責(zé)根據(jù)測(cè)試流程節(jié)點(diǎn)狀態(tài)給RTDS 發(fā)送啟停指令,并按照測(cè)試場(chǎng)景序列自動(dòng)開展測(cè)試;測(cè)試結(jié)果比對(duì)功能負(fù)責(zé)根據(jù)待測(cè)穩(wěn)控系統(tǒng)需要驗(yàn)證的控制策略配置動(dòng)作信號(hào)、動(dòng)作事件等信息,形成穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作結(jié)果比對(duì)點(diǎn)表,自動(dòng)校驗(yàn)動(dòng)作結(jié)果的正確性;測(cè)試報(bào)告生成功能負(fù)責(zé)梳理測(cè)試結(jié)果,形成遠(yuǎn)程閉環(huán)測(cè)試報(bào)告。
圖3 平臺(tái)管理系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the functional architecture of a platform management system
平臺(tái)管理系統(tǒng)與RTDS 和測(cè)試主站均通過以太網(wǎng)基于TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通信。RTDS 具備Socket通信能力,平臺(tái)管理系統(tǒng)采用Server/Client方式通過Socket 發(fā)送RTDS 自定義的腳本命令語句來控制RTDS[14],實(shí)現(xiàn)RTDS 自動(dòng)啟停以及故障場(chǎng)景切換等。平臺(tái)管理系統(tǒng)向測(cè)試主站發(fā)送通道映射方案、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸指令等,測(cè)試主站向平臺(tái)管理系統(tǒng)反饋測(cè)試數(shù)據(jù)處理狀態(tài)等,確保測(cè)試流程有序進(jìn)行。
測(cè)試主站是連接實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的樞紐,架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。支持通過接收GPS/北斗對(duì)時(shí)信號(hào),保證測(cè)試主站與測(cè)試平臺(tái)其他設(shè)備處于統(tǒng)一時(shí)標(biāo);具備接收解析電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)的能力,并對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳標(biāo)記;根據(jù)通道映射方案將電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)經(jīng)5G通信網(wǎng)絡(luò)分發(fā)至各測(cè)試終端;具備對(duì)測(cè)試終端反饋的現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號(hào)按照時(shí)序進(jìn)行拼接整合,并以數(shù)據(jù)回放的方式,將整合后的動(dòng)作信號(hào)按照電網(wǎng)模型仿真進(jìn)程自動(dòng)載入RTDS。
圖4 測(cè)試主站功能架構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the functional architecture of the testing master station
測(cè)試主站與RTDS 通過光纖連接,基于Aurora 協(xié)議可達(dá)到微秒級(jí)別的高精度、高速通信[15],其通信內(nèi)容包括但不限于表1所示。單個(gè)測(cè)試主站裝置可支持2 個(gè)光口,1 個(gè)光口最多可傳輸128 路位寬為32 bit的整型或浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。
表1 Aurora通信協(xié)議內(nèi)容Table1 Content of Aurora protocol
測(cè)試主站與實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)控裝置通過電纜連接,基于HDLC(高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制)協(xié)議實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[16-17],編碼方式與實(shí)際穩(wěn)控裝置站間通信編碼方式一致,收發(fā)速率為600幀/s。單個(gè)測(cè)試主站具備8個(gè)站間通信接口,通信內(nèi)容一般包括控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)和上層站點(diǎn)的控制命令兩大類,控制對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)如機(jī)組/負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組/負(fù)荷可切量、功率損失量等;上層站點(diǎn)的控制命令包括切機(jī)、切負(fù)荷、調(diào)制直流等。
測(cè)試終端可直接外接GPS/北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)信號(hào),或利用廠站內(nèi)對(duì)時(shí)時(shí)鐘裝置的信號(hào),通過差分/光纖形式的IRIG-B 碼實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí),以確保不同變電站測(cè)試終端的時(shí)間同步;具備接收和解析主站側(cè)數(shù)據(jù)的能力,按照通道映射方案將電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)分發(fā)至各接口模塊;接口模塊嚴(yán)格按照統(tǒng)一啟動(dòng)時(shí)刻同步觸發(fā),將主站側(cè)數(shù)據(jù)下載至現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置,并接收現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置的動(dòng)作信號(hào)和動(dòng)作報(bào)文,附加精確的時(shí)標(biāo)后經(jīng)5G通信網(wǎng)絡(luò)分別回傳至測(cè)試主站和平臺(tái)管理系統(tǒng)。測(cè)試終端架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。
圖5 測(cè)試終端功能架構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the functional architecture of the testing terminal
圖6 時(shí)間同步邏輯框圖Fig.6 Block diagram of time synchronization logic
測(cè)試終端接口模塊支持模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量、站間通信和動(dòng)作報(bào)文等多種接口類型。其中,模擬量接口模塊以±10 V 的小信號(hào)方式將三相電流、電壓信號(hào)輸出至穩(wěn)控裝置;若現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置不具備小信號(hào)采樣功能,可以通過增加功率放大設(shè)備與穩(wěn)控裝置進(jìn)行連接。開關(guān)量接口模塊負(fù)責(zé)將斷路器位置信號(hào)輸出至現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置,并接收現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置的動(dòng)作信號(hào);數(shù)字量接口模塊視被測(cè)穩(wěn)控裝置的通信需求,具備GOOSE、SV、FT3 等通信協(xié)議交互能力[18-20]。動(dòng)作報(bào)文接口模塊通過以太網(wǎng)基于103規(guī)約與穩(wěn)控裝置通信,收集現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置動(dòng)作報(bào)文。測(cè)試終端接口模塊采用插件式設(shè)計(jì),單個(gè)裝置具備48路模擬量接口和32路開關(guān)量輸入、輸出接口,視被測(cè)穩(wěn)控裝置采樣需求,數(shù)字量接口插件可與模擬量和開關(guān)量接口插件靈活組合,實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展。
測(cè)試終端隨現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置異地分布,且有多種不同數(shù)據(jù)類型的輸入、輸出接口,實(shí)現(xiàn)廣域分布的測(cè)試終端同步輸出數(shù)據(jù)是開展穩(wěn)控裝置遠(yuǎn)程閉環(huán)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)之一。
當(dāng)外部時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定時(shí),測(cè)試終端對(duì)時(shí)接口通過對(duì)GPS/北斗同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行B 碼解析和1PPS(每秒脈沖數(shù))脈沖時(shí)刻精確捕捉,時(shí)間間隔測(cè)量模塊獲取本地時(shí)鐘與外部時(shí)鐘1PPS脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔,通過PID 控制模塊計(jì)算出電壓控制量,經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)后給到本地恒溫晶振的電壓控制端口,實(shí)現(xiàn)對(duì)本地晶振輸出頻率的修正,分頻控制模塊產(chǎn)生的本地時(shí)鐘1PPS脈沖信號(hào)與外部時(shí)鐘1PPS脈沖信號(hào)同步輸出,從而提高授時(shí)精度;當(dāng)失去外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí),由于本地恒溫晶振輸出頻率得到了補(bǔ)償,分頻控制模塊產(chǎn)生的1PPS脈沖作為輸出信號(hào),實(shí)現(xiàn)高精度自守時(shí),使得異地分布測(cè)試終端間的同步對(duì)時(shí)精度優(yōu)于0.2 μs。
測(cè)試終端控制主板輸出對(duì)時(shí)報(bào)文給各接口模塊,保證所有模塊處于統(tǒng)一的時(shí)鐘域下,延時(shí)穩(wěn)定且同步差異在納秒級(jí)。各接口模塊具備獨(dú)立的FPGA硬件邏輯單元,實(shí)現(xiàn)真正意義的并行處理。但測(cè)試終端不同接口數(shù)據(jù)的輸出路徑各不相同,如:小信號(hào)模擬量經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波、時(shí)序處理后輸出;開關(guān)量信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)及光耦隔離后輸出;GOOSE、SV 和FT3 等數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過前置驅(qū)動(dòng)和光電串行轉(zhuǎn)換后輸出等。由于上述各回路的固有路徑延遲不一致,最大差異會(huì)達(dá)到幾十微秒級(jí)。為實(shí)現(xiàn)測(cè)試終端各信號(hào)最終的“出口時(shí)刻”一致,需要對(duì)不同接口數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行預(yù)調(diào)整。
不同接口的信號(hào)處理延時(shí)穩(wěn)定,記模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量、站間通信接口延時(shí)分別為T1、T2、T3、T4,取最大值延時(shí)Tm=max(T1,T2,T3,T4),控制主板對(duì)不同接口數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整,在原觸發(fā)時(shí)刻基礎(chǔ)上,分別后移Tm-T1、Tm-T2、Tm-T3、Tm-T4,將各路信號(hào)統(tǒng)一到同一時(shí)刻出口。
為滿足智能站或與直流控保系統(tǒng)相連的穩(wěn)控裝置測(cè)試需求,測(cè)試終端需具備MQTT 協(xié)議與GOOSE、SV、FT3 等協(xié)議無差別轉(zhuǎn)換功能,其轉(zhuǎn)換流程如圖7所示。
圖7 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換流程Fig.7 Communication protocol conversion process
首先,測(cè)試終端控制主板根據(jù)MQTT協(xié)議主題中目標(biāo)設(shè)備SN信息進(jìn)行過濾,僅接收發(fā)給本終端的報(bào)文數(shù)據(jù);再按照主題中的操作指令信息,識(shí)別此幀報(bào)文的類型,類型主要包括電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)、穩(wěn)控裝置采樣通道映射方案XML文件、通信協(xié)議配置XML文件等。
其次,控制主板根據(jù)報(bào)文類型分別將MQTT報(bào)文內(nèi)容提取出來,將通道映射方案和通信協(xié)議配置XML 文件分別轉(zhuǎn)換成通道映射C++鏈表和報(bào)文數(shù)據(jù)流;利用通道映射C++鏈表將電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)分解成模擬量和開關(guān)量序列,再與協(xié)議配置數(shù)據(jù)流一起經(jīng)總線發(fā)送給數(shù)字量接口模塊。
最后,接口模塊完成目標(biāo)協(xié)議報(bào)文的組裝,并按照一定的速率發(fā)送給穩(wěn)控裝置。以GOOSE、SV 協(xié)議為例,其組幀過程如圖8 所示。同樣的,GOOSE、SV協(xié)議轉(zhuǎn)換成MQTT協(xié)議時(shí),控制主板按照穩(wěn)控裝置通信協(xié)議配置文件,找到數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)的字段并提取出來,再增加相應(yīng)的主題生成MQTT報(bào)文幀。
圖8 通信協(xié)議幀報(bào)文組裝示意圖Fig.8 Schematic diagram of assembly of communication protocol frame messages
針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定且延時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn),制定了遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試流程,如圖9所示。其中,循環(huán)測(cè)試流程包括:第一步,根據(jù)典型運(yùn)行方式數(shù)據(jù),基于RTDS完成一次電網(wǎng)建模和調(diào)試;第二步,模擬電網(wǎng)各種故障,將電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)傳輸給測(cè)試主站;第三步,測(cè)試主站將帶有時(shí)標(biāo)的電網(wǎng)故障前運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息以及站間通信數(shù)據(jù)分發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)試終端;第四步,測(cè)試終端對(duì)接收到的報(bào)文信息進(jìn)行解析,并轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式,按照統(tǒng)一觸發(fā)指令將電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)和站間通信數(shù)據(jù)下載至現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置;第五步,現(xiàn)場(chǎng)各穩(wěn)控裝置將第一輪設(shè)備動(dòng)作信息反饋至測(cè)試終端,測(cè)試終端完成時(shí)間標(biāo)記和協(xié)議轉(zhuǎn)換后上送至測(cè)試主站和平臺(tái)管理系統(tǒng);第六步,測(cè)試主站根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置上送的信息自動(dòng)推算現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際動(dòng)作時(shí)刻,并將其作為第二輪測(cè)試(即閉環(huán)反演)的預(yù)置條件;第七步,平臺(tái)管理系統(tǒng)自動(dòng)將整個(gè)測(cè)試平臺(tái)恢復(fù)到第二步,開始閉環(huán)反演測(cè)試;若存在相繼故障,重復(fù)第二步到第六步測(cè)試工作,直至所有故障場(chǎng)景反演結(jié)束。
圖9 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試流程Fig.9 Flowchart of remote non-real-time closed-loop testing
基于時(shí)間切片的穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作信息整合過程如圖10所示。圖中,Δt0表示仿真開始時(shí)刻與第一次故障觸發(fā)時(shí)間間隔;Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtn表示第n次故障觸發(fā)與故障后穩(wěn)控動(dòng)作的時(shí)間間隔。
圖10 基于時(shí)間切片的動(dòng)作信息整合過程Fig.10 The process of action information integration based on time slicing
利用高精度時(shí)間戳標(biāo)記技術(shù)對(duì)電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)、站間通信數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記,提取仿真開始時(shí)刻、故障觸發(fā)時(shí)刻和穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)刻等重要節(jié)點(diǎn),以上述節(jié)點(diǎn)為信息整合的切片點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接,形成現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置動(dòng)作序列。閉環(huán)反演階段,自動(dòng)按照仿真進(jìn)程載入相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào),實(shí)現(xiàn)從故障觸發(fā)、穩(wěn)控動(dòng)作、電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定的全過程仿真驗(yàn)證。
穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試整組時(shí)間是指從第一輪仿真開始到所有穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號(hào)反饋至RTDS 并執(zhí)行到位的時(shí)間。以典型三級(jí)穩(wěn)控系統(tǒng)(包含穩(wěn)控主站、穩(wěn)控子站和執(zhí)行站)為例,單一故障場(chǎng)景下遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試整組時(shí)間主要包括:Δtstart、Δtreorg、Δtremote、Δtrecall、Δtconform、Δtinversion。
1)Δtstart指從RTDS 模型仿真啟動(dòng)到運(yùn)行平穩(wěn)后開始送量的時(shí)間。
2)Δtreorg指從RTDS 模型開始送量到測(cè)試主站數(shù)據(jù)完成重組的時(shí)間,包括RTDS 到測(cè)試主站的傳輸耗時(shí)、測(cè)試主站數(shù)據(jù)解析與重組耗時(shí)。
3)Δtremote指從測(cè)試主站數(shù)據(jù)開始發(fā)送到測(cè)試終端各接口數(shù)據(jù)回放序列生成的時(shí)間,包括5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸耗時(shí)、測(cè)試終端數(shù)據(jù)解析以及各接口模塊數(shù)據(jù)分發(fā)重組耗時(shí)。
4)Δtrecall指測(cè)試終端數(shù)據(jù)觸發(fā)到穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號(hào)回收完成的時(shí)間,包括測(cè)試終端發(fā)送至穩(wěn)控裝置的時(shí)間、穩(wěn)控系統(tǒng)從啟動(dòng)到最后一級(jí)穩(wěn)控裝置動(dòng)作出口的時(shí)間、動(dòng)作信號(hào)反饋至測(cè)試終端的時(shí)間、測(cè)試終端動(dòng)作信號(hào)接收與重組耗時(shí)。
5)Δtconform指從測(cè)試終端數(shù)據(jù)開始發(fā)送到測(cè)試主站信息整合完成并生成數(shù)據(jù)回放序列的時(shí)間,包括5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸耗時(shí)和測(cè)試主站動(dòng)作信號(hào)整合耗時(shí)。
6)Δtinversion指從RTDS 模型重新啟動(dòng)到穩(wěn)控動(dòng)作信號(hào)反饋至RTDS并完成具體措施執(zhí)行的時(shí)間,包括Δtstart、測(cè)試主站數(shù)據(jù)回放啟動(dòng)耗時(shí)、穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)刻與RTDS 送量時(shí)刻的時(shí)間間隔以及RTDS模型接收到信號(hào)并完成動(dòng)作的時(shí)間。
當(dāng)模擬相繼故障場(chǎng)景時(shí),由于每次故障需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量和5G網(wǎng)絡(luò)通信速率各不相同,且不同故障場(chǎng)景下穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作出口時(shí)間各異,上述各階段中除Δtstart保持不變外,其他時(shí)間均不相同。若相繼故障次數(shù)為n,則遠(yuǎn)程閉環(huán)測(cè)試整組時(shí)間為n個(gè)單一故障場(chǎng)景下遠(yuǎn)程閉環(huán)測(cè)試整組時(shí)間之和。
以四川電網(wǎng)水電經(jīng)特高壓直流集中送出穩(wěn)控系統(tǒng)為原型搭建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),區(qū)域電網(wǎng)地理接線圖如圖11 所示,變電站1 部署了穩(wěn)控系統(tǒng)協(xié)控總站和主站,特高壓直流換流站1、2、3分別部署了穩(wěn)控交流子站1、2、3和直流子站1、2、3,變電站4 部署了穩(wěn)控交流子站4,在水電站1、2、3分別部署了穩(wěn)控裝置,用于執(zhí)行穩(wěn)控系統(tǒng)切機(jī)命令。
圖11 區(qū)域電網(wǎng)地理接線圖Fig.11 Geographic wiring diagram of a regional power grid
協(xié)控總站用于接收主站上送的信息,當(dāng)發(fā)生交直流故障時(shí),根據(jù)交流故障機(jī)組損失量和直流損失量采取回降或提升直流等措施。
主站用于接收各子站故障、功率損失量以及直流可回降/提升量信息;接收協(xié)控總站的直流調(diào)制命令,分配發(fā)送至相應(yīng)的直流子站。本次實(shí)驗(yàn)各直流調(diào)制的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為:直流3>直流2>直流1。
換流站直流子站1、2、3 與各自直流控保通信,用于監(jiān)測(cè)直流運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行功率,根據(jù)直流控保發(fā)送的故障和功率速降信息計(jì)算直流功率損失量,并將上述信息轉(zhuǎn)發(fā)至各自換流站交流子站;接收換流站交流子站發(fā)來的調(diào)制直流命令,并轉(zhuǎn)發(fā)至直流控保。
換流站交流子站1、2、3用于監(jiān)測(cè)各自出線運(yùn)行情況,接收各自區(qū)域內(nèi)水電站或交流子站上送的可切機(jī)組信息,交流斷面故障后根據(jù)策略表向各站發(fā)送切機(jī)命令,并將功率損失量發(fā)送至主站;接收換流站直流子站直流故障損失量,按容量切機(jī)組,并將功率損失量上送至主站;接收主站調(diào)制直流命令,并轉(zhuǎn)發(fā)直流子站執(zhí)行。
交流子站4用于監(jiān)測(cè)出線運(yùn)行情況,識(shí)別線路故障,并按策略執(zhí)行相應(yīng)的控制措施;接收換流站交流子站1切機(jī)組輪次命令,并轉(zhuǎn)發(fā)至區(qū)域內(nèi)各水電站執(zhí)行,并將機(jī)組功率損失量上送主站。
水電站1、2、3 用于監(jiān)測(cè)出線及機(jī)組運(yùn)行情況,并將可切機(jī)組信息上送至換流站交流子站1。本次實(shí)驗(yàn)水電站切機(jī)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為:水電站1>水電站2>水電站3。
基于RTDS 搭建的穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。利用RTDS將圖11所示的區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架、變壓器、斷路器、負(fù)荷、發(fā)電機(jī)組及其控制部分、直流輸電及其控保系統(tǒng)、故障、線路保護(hù)等進(jìn)行建模,所有電氣設(shè)備元件模型參數(shù)取自實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行方式數(shù)據(jù),與BPA 或PSASP仿真結(jié)果比對(duì),校驗(yàn)?zāi)P蜏?zhǔn)確性。
圖12 基于RTDS的穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)Fig.12 The remote non-real-time closed-loop testing platform for safety and stability control systems based on RTDS
圖12 中待測(cè)穩(wěn)控系統(tǒng)分為實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)控裝置和現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置兩個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)控裝置采用接口板卡實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán),其中,GTAO 為模擬量輸出板卡,將RTDS生成的電壓、電流信號(hào)輸送給穩(wěn)控裝置;GTDO 和GTDI 分別為開關(guān)量輸出和輸入板卡,將RTDS 生成的斷路器位置信號(hào)等輸送給穩(wěn)控裝置并實(shí)時(shí)接收穩(wěn)控裝置的切機(jī)切負(fù)荷動(dòng)作信號(hào);GTHDLC_FT3 為直流控保與穩(wěn)控裝置的接口交互板卡,采用與實(shí)際電網(wǎng)一致的FT3 通信協(xié)議,能夠?qū)崿F(xiàn)直流輸電運(yùn)行狀態(tài)、功率調(diào)制、閥組/極閉鎖等信息的實(shí)時(shí)交互?,F(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置則通過測(cè)試主站和測(cè)試終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程硬件在環(huán)。
利用RTDS 模擬換流站1—變電站4單回線檢修方式下,剩余一回線換流站1側(cè)無故障跳閘。交流子站1 穩(wěn)控裝置判斷出換流站1—變電站4 斷面開斷,且故障前斷面功率大于穩(wěn)控策略動(dòng)作門檻值,按策略計(jì)算出需切機(jī)容量1 629 MW,并向水電站1 發(fā)切機(jī)輪次命令,水電站1 穩(wěn)控裝置切除1號(hào)、2 號(hào)機(jī)組(實(shí)切量1 727 MW);交流子站1 將水電站1機(jī)組損失量1 727 MW上送至主站,主站轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)控總站;協(xié)控總站按照機(jī)組損失量向主站發(fā)送回降直流3和直流2命令,回降功率分別為600 MW和327 MW;主站將直流回降命令分發(fā)至交流主站3 和2,再經(jīng)直流子站3 和2 轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的直流控保執(zhí)行。至此,完成該場(chǎng)景的策略驗(yàn)證,直流輸電功率變化和切機(jī)動(dòng)作信號(hào)如圖13所示。
圖13 系統(tǒng)響應(yīng)及各站點(diǎn)穩(wěn)控裝置動(dòng)作過程Fig.13 System response and the operation process of the safety and stability control system in each station
圖13 中,“P_HVDCX”表示各直流輸送的有功功率,其動(dòng)態(tài)過程為換流站1—變電站4剩余一回線無故障跳閘和穩(wěn)控策略執(zhí)行前后有功功率變化情況;“DCX回降信號(hào)”和“X號(hào)水電站1”表示穩(wěn)控系統(tǒng)執(zhí)行直流回降功率指令和切機(jī)指令,為開關(guān)量。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,本文提出的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置和實(shí)際通道開展“實(shí)驗(yàn)室+現(xiàn)場(chǎng)”穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試,現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置能夠準(zhǔn)確識(shí)別電網(wǎng)運(yùn)行方式和故障,并基于實(shí)際通信通道可靠交互站間信息,被測(cè)穩(wěn)控系統(tǒng)各層級(jí)按照預(yù)設(shè)的控制策略可靠動(dòng)作,電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。
與圖14所示的純實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下閉環(huán)測(cè)試相比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差很小。以穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作出口為基準(zhǔn),考慮到廣域分布的測(cè)試終端對(duì)時(shí)誤差和程序執(zhí)行周期差異小于1 ms,測(cè)試主站程序執(zhí)行周期在2 ms左右,現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控站間通信耗時(shí)較實(shí)驗(yàn)室模擬的站間通信耗時(shí)差異小于5 ms,因此,極端情況下二者會(huì)產(chǎn)生8 ms 誤差,此誤差對(duì)穩(wěn)控策略、穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性等驗(yàn)證影響可以忽略不計(jì)。
圖14 純實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下穩(wěn)控系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)Fig.14 The closed-loop testing platform for safety and stability control system in laboratory environment
本文提出了一種“實(shí)驗(yàn)室+現(xiàn)場(chǎng)”穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試技術(shù),介紹了測(cè)試平臺(tái)的總體架構(gòu)及模塊設(shè)計(jì)方案,研究了廣域同步觸發(fā)、多協(xié)議轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù),制定了基于時(shí)間切片的遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試流程。以四川電網(wǎng)水電經(jīng)特高壓直流集中送出穩(wěn)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),驗(yàn)證了該技術(shù)在實(shí)際工程中的可行性和有效性。
該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于立足解決大電網(wǎng)復(fù)雜穩(wěn)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)測(cè)試的實(shí)際痛點(diǎn),主要有以下5個(gè)方面:
1)測(cè)試模式由實(shí)驗(yàn)室拓展到“實(shí)驗(yàn)室+現(xiàn)場(chǎng)”,測(cè)試對(duì)象由實(shí)驗(yàn)室鏡像穩(wěn)控系統(tǒng)擴(kuò)展到實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)控裝置和站間通信通道,有效融合了實(shí)驗(yàn)室閉環(huán)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)測(cè)試。
2)充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下精細(xì)化模擬各種電網(wǎng)故障場(chǎng)景和閉環(huán)驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì),有效解決現(xiàn)階段穩(wěn)控系統(tǒng)復(fù)雜策略無法在現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)過程中全面驗(yàn)證的難題,同時(shí)檢驗(yàn)了策略的有效性。
3)充分利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)控裝置和站間通信通道,能夠?qū)Ψ€(wěn)控系統(tǒng)軟硬件、測(cè)量回路、控制策略、定值整定和通信傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)中的隱性缺陷進(jìn)行檢測(cè),亦可開展穩(wěn)控裝置與一次設(shè)備之間的開關(guān)傳動(dòng)和相關(guān)二次回路的檢驗(yàn)。
4)對(duì)于分區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)這類復(fù)雜穩(wěn)控系統(tǒng),往往由多個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)改造時(shí),為了降低系統(tǒng)保護(hù)停運(yùn)對(duì)一次電網(wǎng)運(yùn)行的影響,可利用實(shí)驗(yàn)室鏡像穩(wěn)控裝置模擬其他子系統(tǒng),與改造子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)控裝置共同構(gòu)建具有完整控制鏈路的被測(cè)系統(tǒng),無需退出整套系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試。
5)采用5G 通信組網(wǎng),不受地域條件的限制,測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建成本低、靈活性高、工程部署便捷,測(cè)試自動(dòng)化水平高,提升了穩(wěn)控裝置檢驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的規(guī)范性,可顯著降低人力和物力成本。