全数字化变电站系统的检测手段研究

全数字化变电站系统的检测手段研究数字化变电站组成结构可以分为站控层、间隔层和过程层。变电站层内部以及间隔层与变电站层之间通过MMS(制造报文规范)交换事件和状态数据;间隔层内部以及间隔层与过程层之间通过GOOSE信号交换控制和状态数据;过程层与间隔层之间交换采样值数据SMV。间隔、过程层中的GOOSE信号相当于传统变电站系统中的硬接点信号(跳闸、位置),过程层向间隔层传送的电流电压采样值SMV则相当于传统TA、TV信号。这两部分合起来就相当于传统变电站中二次回路部分,是数字化变电站技术的重心[124]。按照现行规范,控制、保护装置必须通过静/动模入网试验才能获准进入电力系统。而新建变电站的控制保护系统在投运前还必须通过现场调试,确保功能完善、设置正确才能投运。数字化变电站中,所有的控制、保护以及电流、电压信号都是在网络中传递的,现有的测试手段都不再适用,通信网络的性能对控制保护系统的功能起了决定性作用,目前,针对数字化变电站的测试设备尚不多见,其检测手段相对于传统方法还十分有限。同常规变电站工程项目相比,数字化变电站工程调试中减少了大部分电缆接线及现场调试工作,但增加了系统集成和测试工作。由于系统集成和测试工作依赖于外部实验环境,必须在试验室中进行,并与基建工程同步进行,能够大大提高工程的速度和效率,但同时也对试验室调试工作提出了更高的要求。因此,研究如何在试验室环境中完整的模拟变电站一次系统,为集成和测试提供条件是十分必要的。1数字化变电站系统的模拟检测1.1模拟试验环境为了验证对数字化变电站系统的测试能力,本文通过搭建一个数字化变电站测试环境,应用RTDS和OMICRON对数字化变电站系统的测试能力进行了试验和比较。试验接线图如图1所示。该试验间隔为主变间隔,RTDS将电压、电流模拟量通过放大器输入MU,MU经过同步采样后再将采样值按照IEC61850-9-2协议送到SV交换机。与此同时,OMICRON和RTDS还将采样值输出直接送SV交换机。变压器保护从SV交换机读取采样值数据,并将跳闸信号送入GOOSE交换机。RTDS和OMICRON都从GOOSE交换机读取跳闸信号。同步时钟采用统一的卫星同步时钟源。试验中采用SKUNKWORKS的MMSETHE-REAL抓包软件对各装置输出的GOOSE和采样值报文进行分析。此外,还采用了报文分析仪对所有通信进行监视。信息请登陆:输配电设备网1.2全数字化变电站系统的检测仪器1.2.1加拿大RTDS数字实时仿真系统[6]信息来源:http:加拿大曼尼托巴RTDS公司生产的RTDS实时数字仿真器,是目前应用较为广泛的电力系统实时仿真系统。它能够对电力系统进行全数字化的电磁暂态实时仿真,被广泛的应用在电力系统分析计算、电力系统控制保护系统测试等方面。RTDS公司针对数字化变电站技术,开发了专门用于将RTDS与其他网络设备相连的GTNET卡。GTNET卡支持IEC-61850的GOOSE信息输入输出和基于IEC-61850-9-2的采样值传送。GTNET可以根据运行固件的不同具备不同的功能。如果采用采样值输出固件,则该GTNET卡为一个MU,其输出的采样值为4路电流量和4路电压量。而采用GOOSE固件时,则最多可以支持各32路GOOSE信号的输入和输出。但同一块GT-NET卡不能同时具备采样值和GOOSE的功能,只能选择其一。用户可以根据需求的不同,灵活配置GTNET卡的数量。信息来源:(1)GTNET卡针对数字化变电站的具有2个接口:1个100M以太网接口,用于输出采样值或者输入和输出GOOSE信号;1个为BNC口的秒脉冲(1PPS)输入/输出口。(2)当输出采样值时,RTDS允许采用外部授时时钟源进行同步和自身同步时钟两种不同的同步方式:前者的功能允许RTDS接入外部秒脉冲,RTDS根据外部时钟来对采用进行同步;后者的功能开启后,RTDS将产生一个1PPS脉冲,并通过BNC口输出。该脉冲能够将RTDS与外部MU进行同步。IEC-61850-9-2的每一路采样值都包含一个2个字节的品质字,该控制字是用于表示该采样值的品质,具体含义定义于IEC-61850-7-3。GTNET卡提供了对采样值数据品质字的测试功能,即在仿真过程中,可以动态的改变每一路采样值数据的品质字。此外还可以选择是否要在采样值数据帧中设置采样率。GTNET支持32路的GOOSE信号开入/开出。与其他测试仪不同,GTNET卡配置GOOSE信号时需要读取一个SCD文件,该文件中需要包含所有的输入GOOSE的定义,以及相应输出GOOSE信号IED的定义。1.2.2OMICRONCMC256测试仪CMC256测试仪是OMICRON公司开发的电力系统测试装置,被广泛的应用在电力系统控制保护装置的检测中,其V2.22以上的版本中提供了对IEC61850的支持。其中GOOSE信号支持10路输入,8路输出;此外能够最多模拟3个MU,提供3组(即24路)基于IEC61850-9-2的采样值。OMICRON测试仪将GOOSE信号和采样值输出的使用,看做是传统接点信号和电压、电流信号的扩展。只需要在TESTUNIVERSE软件的IEC61850模块中对其进行设置,然后在其它试验模块中进行映射即可使用,整个配置和操作过程十分简单,与通常的测试并没有很大区别。OMICRON还提供了一个IEDSCOUT软件,该软件能够在PC机上实现GOOSE信号的输入和输出。信息来源:国电南思报文分析仪信息来该装置主要通过交换机上的千兆口,将交换机内传送的各种数据记录下来并打上时标,然后通过一定的规则对各种报文进行分析,主要用于数字化变电站中报文的监视。目前该装置已经全面支持MMS、GOOSE以及SMV报文。信息来源:机的报文抓包软件,通过该软件,可以将PC机网口上的数据包进行截取和解包。1.3试验内容(1)利用MMSETHEREAL和报文分析仪对OMICRION和RTDS以及MU输出的采样值报文进行分析和比较。信息来源:(2)变压器保护采用MU输出的采样值,将GOOSE跳闸信号接入OMICRION和RTDS,测试其GOOSE信号的输入性能。(3)变压器保护分别采用OMICRION和RTDS的采样值输出,并通过GOOSE信号构成闭环试验,测试二者的整体试验能力。1.4试验结果(1)通过MMSETHEREAL和报文分析仪对OMICRION和RTDS以及MU输出的采样值报文进行分析,结果表明所有报文都能够被正确解析,这表明在报文层面上,OMICRION和RTDS都完全支持IEC61850-9-2。此外,MMSE2THEREAL和报文分析仪都能够正确解析保护发出的GOOSE报文。利用报文分析仪,能够对所有IED发出的采样值和GOOSE报文进行监视。图2为MU的采样值报文监视情况,图3和图4为OMICRON测试仪的报文监视情况,图5为RTDS的输出采样值报文。通过比较可知,MU和RTDS输出的采样值报文的内容正确,报文发送时间间隔稳定。OMICRON的采样值报文中的“采样同步”标志为0,即表示所有采样值均未同步。事实上OMICRON测试仪无论是否接入了同步信号,其“采样同步”标志均为0。信息信息请登陆:输配电设备网由图2和图5可知,MU和RTDS输出报文的时间间隔比较均匀,约为250μs。而OMICRON测试仪的输出间隔则不均匀,最短为189μs,最长为312μs,如图3。另外,由图4可知,OMICRON输出的采样值数据帧的中性点电压、电流的品质字的未定义位不为零,而RTDS和MU不存在这种情况。(2)试验表明,RTDS和OMICRON都能够顺利的接收保护发出的跳闸GOOSE报文,并将其转化为开关量信号。其中OMICRON测试仪的设置比较简单,只需要先查询GOOSE网上有哪些GOOSE信号,再进行订阅就可以了。相比之下,RTDS则要复杂的多,需要将保护的CID文件与GTNET卡的ICD文件进行处理,整合成相应的SCD文件。这需要有专门的SCD处理工具,否则手动处理的效率比较低。(3)由于OMICRON测试仪无法通过1PPS信号同步,因此,无法与MU混合进行采样值的输出,只能单独进行试验。由于OMICRON的采样值的“采样同步”标志均为0,而这样的采样值保护是不进行处理的,因此无法与保护进行联动试验。信息来自:输配电设备网由于RTDS既能作为同步源输出1PPS信号,也能接收外部的1PPS信号进行同步采样,因此,能够代替任意MU,可与其它MU配合或独自进行试验。RTDS能通过采样值输出以及GOOSE信号输入构成完整的闭环测试(图1)。2结论(1)RTDS和OMICRON测试仪都能很好的支持GOOSE信号的输入和输出,并可将GOOSE信号与传统的开关量信号相关联,对控制保护装置进行测试。(2)OMICRONCMC256测试仪由于无法与外界设备同步,现阶段还无法输出有效的采样值数据,只能对GOOSE信号进行测试,无法对全数字化变电站系统进行测试。(3)RTDS能够通过外接或者自产秒脉冲的方式与其它MU和控制保护装置进行同步,从而能够单独或者与MU配合输出采样值。此外,通过GOOSE信号的接入,能对全数字化变电站的控制保护系统进行闭环测试。可以认为RTDS是目前对全数字化变电站系统进行检测的有效手段。相对于传统的变电站现场接线及功能调试,在数字化变电站工程中,将改变为全规模的试验室集成、测试和现场安装调试两部分。在试验室对变电站控制、保护系统全规模的集成、配置、测试后,变电站的控制保护系统已经具备了现场运行的条件,只需现场简单的安装、调试,就能够投运。建立完整的试验室集成、测试环境是进行试验室集成、测试的先决条件。本文研究的RTDS应用不但提供了支持数字化变电站系统的接口,通过其强大的实时仿真能力,还为数字化变电站试验室集成和测试提供了全面的支持。(4)全数字化变电站系统的测试仪器应满足以下的要求。1)具有GOOSE输入输出能力。GOOSE信号主要用于在数字化变电站中传递状态和数据,相当于传统变电站系统中的硬接点。测试仪器应能从GOOSE网上直接抓取GOOSE报文,订阅需要进行监视的GOOSE报文,并与相关的状态信号相关联,其功能应该简单、易用,不宜采用读取装置CID的方式进行配置。2)具有采样值输出能力。传送数字采样值可大大提高采样值数据的复用性,降低了二次回路的复杂性。目前,基于IEC61850-9-2的网络采样值传输技术已取代了基于IEC61850-9-1的点对点方式。检测采样值传输,需要检测仪器具有从一个网口作为多个MU发送采样值数据,且这些采样值报文必须被同步。此外,采样值数据的品质位应能够单独设置,从而对控制保护装置对不同品质位处理逻辑进行检测。信息来源:)具有同步时钟源输入/输出能力。数字化变电站,采样值报文在任何时候都应是同步的,否则,差动、距离保护等较为复杂的功能将无法实现。因而检测仪器输出的报文也应该是同步的,不仅如此,还要求检测仪器能与外部MU和保护进行同步。这就要求检测仪器能输入和输出同步信号。