專利名稱：數字變電站測試仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種數字變電站測試仿真方法，屬電力自動化技術領域。
背景技術：
近年來，隨著IEC 61850標準在國內的推廣應用以及數字化變電站相關技術研究 的逐步深入，數字化變電站試點建設在國內迅速推進。同傳統的變電站相比，數字化變電站 采用統一的通信標準體系，對變電站內信息模型和通信過程的描述更加規范統一，信息數 字化、建模標準化、傳輸網絡化已成為數字化變電站二次系統的重要特征，它顛覆了傳統變 電站信息傳輸與控制的模式，是變電站自動化技術的又一次重大變革，代表了今后一段時 期變電站自動化系統的發展方向。數字化變電站是以變電站一、二次系統為數字化對象，對數字化信息進行統一建 模，將物理設備虛擬化，采用標準化的網絡通信平臺，實現信息共享和互操作，滿足安全、穩 定、可靠、經濟運行要求的現代化變電站。電子式互感器和IEC61850標準在數字化變電站應用后，很多原有的問題(常規 互感器電磁飽和、二次回路電磁干擾、傳輸壓降等)得到很大的改善，但同時也帶來新的 問題，數字化變電站二次系統相關設備的測試項目、測試方法、測試手段等都有了較大的改變。現在市場上廣泛使用的是兩種測試裝置，一種是常規的帶功率放大器的測試儀， 顯然不能滿足數字化變電站的測試要求，不符合IEC61850標準；另一種是輸出IEC61850-9 格式的數字保護測試裝置，提供的測試裝置仍然沿用常規變電站測試的思路，只不過取消 了原來的功率放大器件，是在常規的微機保護試驗儀基礎上增加了一個接口裝置，將常規 試驗儀輸出的電流、電壓模擬量信息轉換成光信號后輸入給保護裝置，這些方案僅能作為 數字化變電站建設初期的過渡型測試方案。目前使用的繼電保護測試裝置也不適應電力系統數字化的需要，現有的測試方法 的簡單使得功能不完善，只能做一些簡單的基本功能測試，不能進行系統閉環仿真測試和 對電力系統設備的整體功能測試，由于數字化變電站的廣泛應用，測試方法和功能局限性 嚴重地限制和阻礙了現場調試和驗收，從而影響了數字化變電站運行和電力系統的安全穩 定運行，不能滿足電力系統發展的需要。
發明內容
本發明的目的是，為了解決目前使用的繼電保護測試裝置不適應電力系統數字化 的需要，現有的測試方法簡單且功能不完善的缺陷，本發明提出了一種數字化變電站二次 系統全新的測試仿真方法，即基于IEC61850標準的數字動態測試仿真技術的變電站系統 測試方法，目的是研究開發基于IEC61850標準的數字化變電站IED測試系統，滿足變電站 現場測試和驗收的整體功能測試要求。本發明的技術方案是，本發明采用基于IEC61850標準的數字動態測試仿真技術
3的變電站系統測試方法，測試方法包括建立變電站仿真模型，模擬其實際運行，進行系統 閉環測試，檢測被測裝置的動態特性。為保證同時對多個裝置進行系統級仿真測試，系統整 體設計采用了 PCI板卡和多CPU臺式機的框架結構，建立由多CPU臺式計算機、基于PCI總 線的IEC61850通信卡和小信號及開關量接口卡組成的系統仿真測試裝置。多CPU臺式機是系統控制的平臺，進行繪圖、仿真計算、人機交互等處理。基于PCI 總線的通信卡提供多個光纖以太網端口與多個保護裝置及控制設備相連。保護裝置接受通 訊卡的MU數據，產生的開關變位等信息通過通訊卡返回臺式機，參與仿真模型的電磁暫態 計算，實現了動態閉環測試。61850通信卡以及小信號板卡與多CPU計算機通信采用的是PCI總線接口，PCI總 線可以提供極高的數據傳送速率(132MB/S)。PCI總線與CPU無關，與時鐘頻率亦無關，可 適用于各種平臺，支持多處理器和并發工作。PCI總線還具有良好的擴展性，通過PCI-PCI 橋路，可允許擴展。只要計算機能提供足夠PCI總線插槽，61850通信卡及小信號卡就可以 擴展。本發明為同時測試多個被測IED和變電站系統提供了良好的硬件基礎。通訊接口 以及小信號可以任意擴充；系統的實時計算分散到各個板卡上，測試系統不會因為光口和 小信號的增加而極大增加計算量。本發明實現了對被測裝置的實時閉環測試，這種實時閉環測試既可以檢測在實際 復雜的數字變電站系統中被測裝置(IED)的動態特性，又可以實時反映被測的IED動作對 數字變電站系統的影響。為了解決因采用閉環測試帶來的繁鎖計算量，系統的軟件設計結 合硬件平臺，進行新的設計。本發明對系統進行閉環測試的實時計算由測試軟件完成，軟件中系統數學模型的 分解和數據計算部分在多CPU臺式機上，解算好了分發給各個PCI卡，實時計算和通訊處理 部分在PCI卡上由DSP完成，這樣充分發揮了多CPU臺式機強大的計算能力，又避免其實 時性差的缺點；由于實時處理是由每塊PCI卡上的DSP完成的，因此增加測試系統接口，即 擴展PCI卡，系統的實時性處理不受到影響，系統軟件設計如圖2所示。軟件閉環計算的 過程為，由計算機控制系統在一定的時間步長內(最大為20us)通過外部數字量接口分析 goose信息，得到外部信息量，再根據其數據進行系統數學模型的分析，完成模型的閉環實 時計算，并同時將解算結果打包生成IEC61850-9或FT3格式的數據輸出。本發明測試系統已經建立了數字變電站中各個一次、二次設備的數學模型，用戶 可以根據現場實際需要，組合建立被測的一次系統模型，被測的多個IED在這個一次系統 模型中進行實時的仿真測試，真實反映其實際的動態特性，實現真實數字化變電站數字動 態模擬功能，即仿真測試。數字變電站中各個一次、二次設備的數學模型為用戶對變電站的整體動態測試提 供了強大的軟件基礎，使變電站系統測試方法成為了可能。本發明與現有技術比較的有益效果是，本發明改變了原專用化檢測設備的模式， 實現了實時仿真功能，并能同時對多個IED測試，真正模擬現場變電站狀態，提供了一個通 用的數字變電站測試平臺。本發明能動態實時地模擬實際電力系統的暫態特性，實時仿真 被測裝置的實際運行環境，特別是將實時仿真測試應用于現場測試，提高了現場對保護裝 置的測試水平；本發明能根據用戶要求同時檢測多個被測IED，檢驗其復雜現場狀態下的
4相互影響，能提前發現問題。仿真軟件能真實地模擬現場，對保護裝置進行系統級測試，大 大提高電力系統人員的技術水平以及電力系統設備生產開發人員的研究水平。
圖1是本發明系統總體結構示例框圖；圖2是本發明系統軟件示意圖；圖中圖號表示1是多CPU臺式機；2是臺式機內部PCI總線；3是PCI的61850通 信卡；4是多個光纖端口 ；5是PCI的DA小信號卡；6是光纖以太網；7是保護裝置設備；8是 模擬小信號和開關量接口。
具體實施例方式本發明的具體實施方式
如圖1所示。打開計算機，進入測試仿真軟件系統；和被測的多個IED接線正確；選擇“實時仿
真”項目。系統測試步驟如下(1)計算機控制系統首先進行自檢自動查找底層通訊卡的連接狀態，如通訊卡和PC機連接不上，或其卡有硬件故 障，則計算機系統不能進行硬件操作，并提示系統錯誤。(2)按現場被測IED的參數特性，設置通訊的goose和smv參數。用戶可以直接設置參數，也可以通過讀入icd配置文件自動設置。對goose參數， 裝置也可以直接從被測IED上截取goose報文，自動配置。(3)按照被測繼電保護裝置內整定的參數進行仿真軟件的參數設置，測試儀模擬 一次系統與保護裝置對接。“參數設置區”——按照保護裝置的要求對一次系統參數及系統仿真參數進行設 置。點擊主界面右側中部的按鈕將所有參數設置框激活，依次對各參數進行設置；一次系統參數設置——對所有一次系統相關參數進行設置CT變比、電壓等級、 系統頻率(Hz)、線路全長、正序阻抗、正序阻抗角度、零序阻抗、零序阻抗角度；系統仿真參數設置——對所有系統仿真相關參數進行設置負荷百分比、過渡電 阻、故障類型、故障地點、故障轉換時間；(4)按“運行”按鈕，系統進入正常運行狀態，計算機系統根據系統的拓撲的結構和 設置的參數進行實時仿真計算，對所有微分方程式解算并進一步計算出兩側電壓互感器電 壓以及流過電流互感器的電流、輸出有關的電壓電流信號等被測試裝置需要的信息。(5)這些信息經過打包生成IEC61850-9或FT3數據，下載到各個通訊卡中，輸出給 被測試裝置或系統；系統接受通訊卡中的被測裝置發送的goose信息，分析其開關量變化。(6)測試過程測試仿真裝置先輸出正常信息，處于正常運行狀態，相當于被測試裝置在電力系 統實際情況下的正常運行情況；按“故障”按鈕，系統參數進行改變，這是被模擬的電力系統拓撲結構改變，計算機 根據電網的模型和算法進行解算微分方程，解算微分方程的條件即由故障的邊界條件及兩側斷路器開關通斷狀態來決定，通過解算的微分方程能正確模擬系統暫態過程；輸出系統在故障狀態下的輸出系統故障時的參數給被測試系統或裝置，參數包括 故障電流、電壓以及非周期分量等，能真實的反應實際電力系統的運行、故障情況；被測試裝置接受到故障信息后，對故障進行判斷來進行選擇正確動作，測試軟件 通過實時仿真技術在時間間隔內、采集被測試系統的跳合信號、確定兩側斷路器的跳合狀 態，并根據新的拓撲結構判定下一時步的系統狀態；被測保護裝置與所仿真的電力系統構成閉環，通過它的動作行為來跳開或合上系 統的斷路器開關。仿真算法正是根據斷路器開關的跳開或合上的狀態得到系統的拓撲結構 從而進行系統的實時解算工作，仿真過程邊算邊送數據，因此觀測到的電壓電流波形是與 同步的，這種快速實時解算及真正閉環的試驗過程符合實際系統的動態過程；(7)被測繼電保護裝置發出動作信號，PC機接收被測保護裝置反饋的信息，并顯 示在界面上，同時系統給出測試報告，包括正常、故障時的信息以及被測試裝置的動作信息 等，保存數據和波形。這樣就可以測試出繼電保護裝置在模擬的一次系統各種故障情況下 能否正常動作，以及保護裝置的各項保護功能動作次序和動作時間能否滿足系統對保護裝 置的要求；從而驗證繼電保護裝置的各項性能和動作的準確性。(8)停止輸出，按“停止”按鈕，測試系統進入等待運行狀態。
權利要求
一種數字變電站測試仿真方法，其特征在于，所述方法采用基于IEC61850標準的數字動態測試仿真技術的變電站系統測試方法，所述測試方法包括建立變電站仿真模型，模擬其實際運行，進行系統閉環測試，檢測被測裝置的動態特性；為保證同時對多個裝置進行系統級仿真測試，系統整體設計采用了PCI板卡和多CPU臺式機的框架結構，建立了由多CPU臺式計算機、基于PCI總線的IEC61850通信卡和小信號及開關量接口卡組成的系統仿真測試裝置；多CPU臺式機是系統控制的平臺，進行繪圖、仿真計算、人機交互等處理；基于PCI總線的通信卡提供多個光纖以太網端口與多個保護裝置及控制設備相連；保護裝置接受通訊卡的MU數據，產生的開關變位等信息通過通訊卡返回臺式機，參與仿真模型的電磁暫態計算，實現了動態閉環測試。
2.根據權利要求1所述的一種數字變電站測試仿真方法，其特征在于，所述方法對系 統進行閉環測試的實時計算由測試軟件完成，軟件中系統數學模型的分解和數據計算部分 在多CPU臺式機上，解算好了分發給各個PCI卡，實時計算和通訊處理部分在PCI卡上由 DSP完成，軟件閉環計算的過程為，由計算機控制系統在一定的時間步長內(最大為20us) 通過外部數字量接口分析goose信息，得到外部信息量，再根據其數據進行系統數學模型 的分析，完成模型的閉環實時計算，并同時將解算結果打包生成IEC61850-9和FT3格式的 數據輸出。
全文摘要
一種數字變電站測試仿真方法，該方法采用基于IEC61850標準的數字動態測試仿真技術的變電站系統測試方法建立變電站仿真模型，模擬其實際運行，進行系統閉環測試，檢測被測裝置的動態特性。系統整體設計采用了PCI板卡和多CPU臺式機的框架結構，建立了由多CPU臺式計算機、基于PCI總線的IEC61850通信卡和小信號及開關量接口卡組成的系統仿真測試裝置；多CPU臺式機是系統控制的平臺，進行繪圖、仿真計算、人機交互等處理；基于PCI總線的通信卡提供多個光纖以太網端口與多個保護裝置及控制設備相連；保護裝置接受通訊卡的MU數據，產生的開關變位等信息通過通訊卡返回臺式機，參與仿真模型的電磁暫態計算。
文檔編號H04L12/26GK101980417SQ20101052862
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月2日 優先權日2010年11月2日
發明者崔斌, 李升健, 潘本仁, 馬亮 申請人:江西省電力科學研究院