基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元性能測試

1、基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元性能測試(Performance testing of Merging Unit based on the IEC61850 standard)楊永標(biāo)（國電自動(dòng)化研究院，江蘇省南京市 210003）(Nanjing Automation Research Institute, Nanjing 210003,China)摘要：根據(jù)國電公司十一五規(guī)劃關(guān)于建設(shè)數(shù)字化變電站的要求，我們和廣東省電力試驗(yàn)研究所共同研制了基于IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)的過程層設(shè)備合并單元(MU)，為了滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對于設(shè)備互聯(lián)操作的要求，我們根據(jù)IEC61850-10對于裝置性能測試

2、部分的內(nèi)容，提出了一套合并單元的性能測試方案。Abstract:According the request of constructing digital substation in nation electric power corporations eleven-five layout,We and Gongdong electric power test resuarch institute develop a porcess device merging Unit(MU) base on IEC61850 stardard.For meeting the mutual operatio

3、n request about IEC61850 stardard. We preseted a series of performance testing scheme on merging Unit base on IEC61850-10 Content about the device performace testing Part.關(guān)鍵詞：IEC 61850；合并單元；一致性測試；性能測試；測試方案 Keywords: IEC 61850；Merging Unit；Conformace Testing ；Performance Testing；Testing Scheme 0 引言近年

4、來，隨著數(shù)字化變電站建設(shè)的呼聲的日益高漲以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的不斷研究和推廣，強(qiáng)調(diào)未來變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的開放性、互操作性以及技術(shù)發(fā)展和功能應(yīng)用的可擴(kuò)展性，強(qiáng)調(diào)設(shè)備數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)、完整、規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備和站級設(shè)備對過程層信息的共享。因此合并單元作為過程層主要設(shè)備是實(shí)現(xiàn)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。廣東省電力試驗(yàn)研究所提出了一種由傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化變電站過渡的方案，研究基于傳統(tǒng)模擬PT、CT的合并單元作為過程層設(shè)備，推動(dòng)基于IEC61850數(shù)字化變電站間隔層和站控層的應(yīng)用，因此對合并單元的測試是實(shí)現(xiàn)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站系統(tǒng)的重要保證。IEC61850-

5、10部分提出了變電站網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)進(jìn)行一致性測試的內(nèi)容，它涵蓋了整個(gè)數(shù)字化變電站從過程層到站控層一致性測試的要求。其中對過程層設(shè)備合并單元進(jìn)行功能測試也是一致性測試的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文根據(jù)IEC61850-10部分測試標(biāo)準(zhǔn)和與廣東省電力試驗(yàn)研究所提出的合并單元性能測試指標(biāo)要求，提出了合并單元功能測試部分的具體方案，驗(yàn)證合并單元的性能指標(biāo)。1 測試要求IEC61850-10部分提出的一致性測試的目的就是為了保證所有的供應(yīng)商提供的設(shè)備遵守相應(yīng)的要求，滿足和其它設(shè)備互聯(lián)并行的要求。智能設(shè)備性能的一致性測試就是對功能要求（靜態(tài)測試）和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備提供的典型應(yīng)用性能要求的測試。表明能夠滿足DL/T

6、 860系列標(biāo)準(zhǔn)，用一定的方式可以和其它互聯(lián)運(yùn)行的能力。其中性能測試部分對變電站網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的通信延時(shí)和時(shí)間同步和準(zhǔn)確性提出了要求和測試方法框圖。合并單元的性能測試也是其中的重要的組成部分。因此，本文參照IEC61850-10部分的內(nèi)容，提出了針對合并單元性能具體測試方案。2 具體測試方案根據(jù)IEC60044-7/8和IEC61850-9-1等標(biāo)準(zhǔn)定義的合并單元主要功能就是同步采集三相電壓和電流輸出的信號(hào)并匯總，按照一定的數(shù)據(jù)格式輸出給二次保護(hù)控制單元。因此，驗(yàn)證輸出的數(shù)據(jù)是否時(shí)間同步，是否準(zhǔn)確，是否超出二次保護(hù)控制單元容忍的通訊延時(shí)都是我們需要測試的內(nèi)容。2.1 輸出數(shù)據(jù)時(shí)間同步測試這一測試的

7、范圍是檢驗(yàn)合并單元事件通信時(shí)標(biāo)的能力，一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)標(biāo)決定于幾個(gè)分立的通訊功能。包括接收信號(hào)譯碼時(shí)鐘準(zhǔn)確度，包括接收對時(shí)單元的時(shí)間準(zhǔn)備同步，狀態(tài)量變化時(shí)合并單元的及時(shí)檢出和時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確使用使用。2.1.1合并單元同步方式 本文中合并單元采用的同步時(shí)鐘源由外部時(shí)鐘源GPS時(shí)鐘模塊提供。GPS時(shí)鐘模塊提供裝置同步對時(shí)的1PPS（秒脈沖信號(hào)）和GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)。1PPS在GPS信號(hào)有效的情況下誤差最大不超過150ns，對應(yīng)于交流量相角誤差不大于0.0027o，能夠?yàn)檎緝?nèi)甚至廣域范圍內(nèi)提供精確的同步對時(shí)精度，足以保證線路保護(hù)及差動(dòng)保護(hù)對時(shí)精度的要求。即使在GPS失步的情況下，由于站內(nèi)我們使用的是同一個(gè)G

8、PS對時(shí)模塊，它首先保證了站內(nèi)裝置的絕對同步，如果需要廣域范圍的同步，我們使用恒溫晶振對1PPS信號(hào)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償技術(shù)，也能保證2小時(shí)廣域誤差不大于0.05ms，即交流量相角誤差不大于0.9o。 圖1合并單元對時(shí)及對外數(shù)據(jù)交換 Fig 1 Merging unit right time and exchange data 2.1.2 交流量采樣值時(shí)間同步測試我們選用一臺(tái)高精度示波器，將其中的第1路通道和合并單元接同一路交流源，將第2路通道采集由GPS同步對時(shí)裝置提供的1PPM（分脈沖）信號(hào)，選擇第2路通道為上升沿觸發(fā)方式。合并單元將采樣數(shù)據(jù)通過高速光纖以太網(wǎng)口輸入到合并單元管理軟件（利用Winc

9、ap捕獲采樣數(shù)據(jù)包，開發(fā)小組自己編寫的進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)分析處理的小軟件），還原整分點(diǎn)處的采樣點(diǎn)波形，我們通過示波器1PPM上升沿對應(yīng)的時(shí)刻和交流量波形上升沿過零點(diǎn)處對應(yīng)的時(shí)刻可以計(jì)算出交流量波形上升沿過零點(diǎn)相對于1PPM時(shí)刻角度,利用合并單元管理軟件還原的整分處的采樣波形，讀取波形上升沿過零點(diǎn)與坐標(biāo)軸零點(diǎn)的刻度可以計(jì)算出角度，角度-即為采樣數(shù)據(jù)時(shí)間同步產(chǎn)生的角度誤差。 圖2 采樣數(shù)據(jù)時(shí)間同步測試方案 Fig 2 The testing scheme of synchronization sample data我們通過多組實(shí)驗(yàn)可以得到，-<1o，即合并單元在GPS同步對時(shí)的方式作用下帶來的角度

10、誤差小于1o，完全滿足二次保護(hù)控制單元的數(shù)據(jù)同步要求。2.1.3開關(guān)量時(shí)間同步測試 我們選用高精度示波器的第1路通道和合并單元同時(shí)測量一路開關(guān)量，將第2路通道仍采集1PPM，仍選擇1PPM上升沿觸發(fā)方式。選擇開關(guān)量在整分處附近動(dòng)作，合并單元管理軟件讀取檢出合并單元上送數(shù)據(jù)包中開關(guān)量變化信息，將該數(shù)據(jù)包中的時(shí)標(biāo)與整分的時(shí)標(biāo)相減，得到T2，同時(shí)讀取示波器上開關(guān)量上升沿與1PPM上升沿之間的刻度，轉(zhuǎn)換成時(shí)間T1，T1-T2則為開關(guān)量時(shí)間同步誤差。 圖3開關(guān)量時(shí)間同步測試方案 Fig3 The testing scheme of synchronization switch我們通過多組實(shí)驗(yàn)可以得到，T

11、1-T2<=100us，說明合并單元在GPS同步時(shí)鐘源的作用下對開關(guān)量變化能夠及時(shí)檢出，開關(guān)量時(shí)間同步誤差滿足二次保護(hù)控制單元的要求。2.2采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試這一測試主要是驗(yàn)證合并單元采樣的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，是否能夠滿足數(shù)字化變電站二次保護(hù)控制單元對采樣精度的要求。將合并單元的采樣數(shù)據(jù)通過高速光纖以太網(wǎng)口輸入到合并單元上，利用傅列葉算法計(jì)算各個(gè)通道的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)等，比較各通道計(jì)算值與交流測試儀輸入量之間的誤差。 圖4 采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試方案Fig4 The testing scheme of sample data veracity表1 以電壓Ua為例試驗(yàn)結(jié)果Table

12、1 The testing result as the example of voltage phase A電壓/次數(shù)測試儀（V）軟件顯示（V）相對誤差（V）157.7457.71-0.03260.0059.98-0.02350.0050.040.04420.0019.97-0.0355.004.97-0.97我們經(jīng)過多組試驗(yàn)，測量多路電壓電流，有功無功量，均滿足電力系統(tǒng)測量精度要求，說明此合并單元可以為二次保護(hù)控制單元提供準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)。2.3采樣數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)測試 根據(jù)IEC61850-10關(guān)于性能測試部分通訊延時(shí)測試的要求，要求發(fā)送的物理設(shè)備到接收的物理設(shè)備傳輸時(shí)間要滿足一定的要求。廣東省

13、電力試驗(yàn)研究所招標(biāo)文件要求合并單元到二次保護(hù)控制單元的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)小于10ms,根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的速斷性、安全性要求，采樣數(shù)據(jù)以盡可能短網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)送到二次保護(hù)測控單元對于保護(hù)電力設(shè)備和電力系統(tǒng)本身的安全有著十分重要的作用，所以對于測定采樣數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)對于鑒定合并單元的性能是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，本文提供兩種測試方案。2.1方案一 利用接收到發(fā)送數(shù)據(jù)包的GPS時(shí)標(biāo)信息在這一測試中，我們利用兩臺(tái)合并單元，一臺(tái)作為發(fā)送裝置（測試裝置），一臺(tái)作為接收裝置。它們都需要GPS時(shí)鐘準(zhǔn)確對時(shí)，作為接收裝置，我們一旦接收到發(fā)送裝置整秒時(shí)刻（GPS時(shí)標(biāo)中毫秒為0）發(fā)送來的采樣數(shù)據(jù)包，我們就讀取當(dāng)前的GPS

14、時(shí)標(biāo)中的毫秒信息。將多次傳輸?shù)难訒r(shí)值進(jìn)行平均，就是采樣數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)。 圖5 傳輸延時(shí)測試方案一 Fig5 One of the testing scheme of transmission delay我們利用上述測試方案對合并單元進(jìn)行測試，經(jīng)過多次試驗(yàn)，我們測得發(fā)送裝置到接收接收裝置，最大網(wǎng)絡(luò)延時(shí)0.6ms，平均延時(shí)為0.5ms?？梢詽M足二次保護(hù)控制單元對采樣數(shù)據(jù)傳輸極低延時(shí)要求。2.3.2方案二 利用閉環(huán)方式在這一測試中，我們將一臺(tái)合并單元作為被測試裝置，通過一臺(tái)二次保護(hù)控制單元（也可以在另外一臺(tái)合并單元中加入簡單的保護(hù)算法）最為測試裝置，我們將交流測試儀的交流量輸入到合并單元，合并單元

15、將采樣數(shù)據(jù)通過高速光纖以太網(wǎng)送給二次保護(hù)控制單元，當(dāng)交流測試儀進(jìn)入故障狀態(tài)時(shí)，交流測試儀同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，二次保護(hù)控制單元反映故障量并開出節(jié)點(diǎn)，反饋給測試儀停止測試儀計(jì)數(shù)，測試儀讀取的時(shí)間為T3,繼電器節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間為T2，二次保護(hù)控制單元的反映故障量動(dòng)作算法時(shí)間為T1，合并器單元傳輸時(shí)間延時(shí)則為T3-T2-T1。 圖6 傳輸延時(shí)測試方案二Fig6 Another testing scheme of transmission delay我們利用上述測試方案對合并單元進(jìn)行測試，經(jīng)過多次試驗(yàn)，我們得到T3動(dòng)作時(shí)間在12-18ms之間，考慮到繼電器本身固有動(dòng)作時(shí)間T2在10ms-15ms之間，算法本身運(yùn)

16、算時(shí)間在1ms左右，那么傳輸延時(shí)最大不超過7ms，滿足廣東中試所對傳輸延時(shí)最大不超過10ms的要求。3 結(jié)論 我們在與廣東省電力試驗(yàn)研究所聯(lián)合研制的基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元中采用了上面的測試方案，得到了專家的認(rèn)可，對于研制過程中合并單元測試取得了預(yù)定的效果，滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。即使對于以后基于光PT、CT的合并單元也可以采用本文中的方式，對于今后數(shù)字化變電站過程層設(shè)備的性能測試可以提供一個(gè)很好借鑒方法。4 參考文獻(xiàn)：1 IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn),全國電力系統(tǒng)控制及其通訊標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì),2002。IEC 61850 Communication Networks an

17、d Systems in substations.CSBTS/TC82,2002.2 崔厚坤，湯效軍，梁志成，何衛(wèi) IEC 61850一致性測試研究，電力系統(tǒng)與自動(dòng)化2005 The Study on IEC 61850 Conformance Testing CUI Hou-kun, TANG Xiao-jun, LIANG Zhi-cheng, HE Wei Automation of Electric Power Systems,2005.3 殷志良，劉萬順，楊奇遜，秦應(yīng)力，任雁銘 變電站自動(dòng)化過程層與間隔層串行通訊研究，中國電力 2004 Investigation of serial communication between process level and bay level of substation automation system YIN Zhi-liang,LIU Wan-shan,YANG Qi-xun,QIN Ying-li,REN Yan-ming,Electric Power,20044 殷志良，劉萬順，楊奇遜，秦應(yīng)力 一種遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元同步的實(shí)現(xiàn)新方法 電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2004 New Method For Imeplementing The Sysnchronization Of Merging Unit A