安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試技術(shù)研究

趙巍，侯玉強(qiáng)，陳洶，薛峰，許劍冰

（1.國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)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106）

0 引言

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，長期以來其運(yùn)行可靠性高度依賴廠內(nèi)測試、現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試等［1-5］。2019年國家電網(wǎng)公司頒布了調(diào)技115號文，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)也對現(xiàn)有相對孤立的廠內(nèi)測試、工程驗(yàn)證、現(xiàn)場調(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，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)測試，但實(shí)驗(yàn)室測試難以有效指導(dǎo)現(xiàn)場聯(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)，提出多臺測試儀對時(shí)聯(lián)網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)的整體測試，僅能實(shí)現(xiàn)離線開環(huán)測試，應(yīng)用場景為實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模穩(wěn)控系統(tǒng)的測試，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)測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程開環(huán)測試。該系統(tǒng)僅能校驗(yàn)穩(wěn)控裝置策略的準(zhǔn)確性，且無法對復(fù)雜連鎖故障下的穩(wěn)控策略進(jìn)行驗(yàn)證。可見，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程測試方案存在普適性較差、平臺構(gòu)建靈活性不足、實(shí)施代價(jià)較高等不足。

針對上述不足，本文提出了一種穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試技術(shù)，詳述了遠(yuǎn)程測試平臺方案與模塊設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)解決方案以及測試流程，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。

1 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試平臺總體方案

遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試平臺總體架構(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、測試主站、實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)控裝置和平臺管理系統(tǒng)組成；終端層由測試終端和現(xiàn)場穩(wěn)控裝置組成。

圖1 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試平臺總體架構(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)傳輸給測試主站，利用測試主站的時(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)送給測試終端。其次，測試終端對接收到的報(bào)文信息進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場穩(wěn)控裝置能夠識別的數(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)場穩(wěn)控裝置。接著，測試終端將帶有時(shí)間標(biāo)記的現(xiàn)場穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號和動(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)反饋給測試主站和平臺管理系統(tǒng)，測試主站對現(xiàn)場穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號按照時(shí)序進(jìn)行整合。最后，在實(shí)驗(yàn)室重新模擬相同故障，測試主站按照動(dòng)作時(shí)序?qū)F(xiàn)場穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號載入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，平臺管理系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作結(jié)果比對點(diǎn)表，自動(dòng)校驗(yàn)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作行為的正確性。

2 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試平臺模塊設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程閉環(huán)測試實(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)場廣域分布的穩(wěn)控裝置，現(xiàn)場穩(wěn)控裝置的動(dòng)作信號和動(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。

2.1 遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)

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。本文提出的測試平臺對遠(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，確保平臺管理系統(tǒng)與測試終端以及測試主站與測試終端間數(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、幀序號組成。其中，源設(shè)備SN代表消息發(fā)送方的設(shè)備序列號；目標(biāo)設(shè)備SN代表消息接收方的設(shè)備序列號；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：一類是平臺管理系統(tǒng)與測試終端之間遠(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；另一類是測試主站與測試終端之間遠(yuǎn)程交互的信息，包括電流、電壓、開關(guān)位置、動(dòng)作信號、時(shí)標(biāo)、應(yīng)用層加密的數(shù)字認(rèn)證字段等。

2.2 平臺管理系統(tǒng)

平臺管理系統(tǒng)是測試平臺的大腦，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，具備測試設(shè)備管理、測試環(huán)境配置、測試流程控制、測試結(jié)果比對、測試報(bào)告生成等功能，其架構(gòu)如圖3所示。其中，測試設(shè)備管理功能負(fù)責(zé)對測試平臺中各設(shè)備信息進(jìn)行集中管理，如設(shè)備序列號、設(shè)備狀態(tài)等；測試環(huán)境配置功能負(fù)責(zé)根據(jù)現(xiàn)場待測穩(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，用于測試主站和測試終端數(shù)據(jù)分發(fā)重組；測試流程控制功能負(fù)責(zé)根據(jù)測試流程節(jié)點(diǎn)狀態(tài)給RTDS 發(fā)送啟停指令，并按照測試場景序列自動(dòng)開展測試；測試結(jié)果比對功能負(fù)責(zé)根據(jù)待測穩(wěn)控系統(tǒng)需要驗(yàn)證的控制策略配置動(dòng)作信號、動(dòng)作事件等信息，形成穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作結(jié)果比對點(diǎn)表，自動(dòng)校驗(yàn)動(dòng)作結(jié)果的正確性；測試報(bào)告生成功能負(fù)責(zé)梳理測試結(jié)果，形成遠(yuǎn)程閉環(huán)測試報(bào)告。

圖3 平臺管理系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the functional architecture of a platform management system

平臺管理系統(tǒng)與RTDS 和測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)啟停以及故障場景切換等。平臺管理系統(tǒng)向測試主站發(fā)送通道映射方案、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸指令等，測試主站向平臺管理系統(tǒng)反饋測試數(shù)據(jù)處理狀態(tài)等，確保測試流程有序進(jìn)行。

2.3 測試主站

測試主站是連接實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場的樞紐，架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。支持通過接收GPS/北斗對時(shí)信號，保證測試主站與測試平臺其他設(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)至各測試終端；具備對測試終端反饋的現(xiàn)場穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號按照時(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)作信號按照電網(wǎng)模型仿真進(jìn)程自動(dòng)載入RTDS。

圖4 測試主站功能架構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the functional architecture of the testing master station

測試主站與RTDS 通過光纖連接，基于Aurora 協(xié)議可達(dá)到微秒級別的高精度、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（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）協(xié)議實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(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。

2.4 測試終端

測試終端可直接外接GPS/北斗衛(wèi)星對時(shí)信號，或利用廠站內(nèi)對時(shí)時(shí)鐘裝置的信號，通過差分/光纖形式的IRIG-B 碼實(shí)現(xiàn)對時(shí)，以確保不同變電站測試終端的時(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)場穩(wěn)控裝置，并接收現(xiàn)場穩(wěn)控裝置的動(dòng)作信號和動(dòng)作報(bào)文，附加精確的時(shí)標(biāo)后經(jīng)5G通信網(wǎng)絡(luò)分別回傳至測試主站和平臺管理系統(tǒng)。測試終端架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 測試終端功能架構(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 的小信號方式將三相電流、電壓信號輸出至穩(wěn)控裝置；若現(xiàn)場穩(wěn)控裝置不具備小信號采樣功能，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)將斷路器位置信號輸出至現(xiàn)場穩(wěn)控裝置，并接收現(xiàn)場穩(wěn)控裝置的動(dòng)作信號；數(shù)字量接口模塊視被測穩(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)場穩(wěn)控裝置動(dòng)作報(bào)文。測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。

3 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試關(guān)鍵技術(shù)

3.1 廣域同步觸發(fā)技術(shù)

測試終端隨現(xiàn)場穩(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)測試的關(guān)鍵技術(shù)之一。

當(dāng)外部時(shí)鐘信號穩(wěn)定時(shí)，測試終端對時(shí)接口通過對GPS/北斗同步時(shí)鐘信號進(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)間間隔測量模塊獲取本地時(shí)鐘與外部時(shí)鐘1PPS脈沖信號的時(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脈沖信號與外部時(shí)鐘1PPS脈沖信號同步輸出，從而提高授時(shí)精度；當(dāng)失去外部時(shí)鐘信號時(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，實(shí)現(xiàn)高精度自守時(shí)，使得異地分布測試終端間的同步對時(shí)精度優(yōu)于0.2 μs。

測試終端控制主板輸出對時(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。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。但測試終端不同接口數(shù)據(jù)的輸出路徑各不相同，如：小信號模擬量經(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。為實(shí)現(xiàn)測試終端各信號最終的“出口時(shí)刻”一致，需要對不同接口數(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，將各路信號統(tǒng)一到同一時(shí)刻出口。

3.2 多協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

為滿足智能站或與直流控保系統(tǒng)相連的穩(wěn)控裝置測試需求，測試終端需具備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

3.3 基于時(shí)間切片的遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試流程

針對無線網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定且延時(shí)較長的缺點(diǎn)，制定了遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試流程，如圖9所示。其中，循環(huán)測試流程包括：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)傳輸給測試主站；第三步，測試主站將帶有時(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)場各測試終端；第四步，測試終端對接收到的報(bào)文信息進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場穩(wěn)控裝置能夠識別的數(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)場穩(wěn)控裝置；第五步，現(xiàn)場各穩(wěn)控裝置將第一輪設(shè)備動(dòng)作信息反饋至測試終端，測試終端完成時(shí)間標(biāo)記和協(xié)議轉(zhuǎn)換后上送至測試主站和平臺管理系統(tǒng)；第六步，測試主站根據(jù)現(xiàn)場穩(wěn)控裝置上送的信息自動(dòng)推算現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際動(dòng)作時(shí)刻，并將其作為第二輪測試（即閉環(huán)反演）的預(yù)置條件；第七步，平臺管理系統(tǒng)自動(dòng)將整個(gè)測試平臺恢復(fù)到第二步，開始閉環(huán)反演測試；若存在相繼故障，重復(fù)第二步到第六步測試工作，直至所有故障場景反演結(jié)束。

圖9 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試流程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)對電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)、站間通信數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場穩(wěn)控動(dòng)作信號進(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，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。

3.4 遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試整組時(shí)間

穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試整組時(shí)間是指從第一輪仿真開始到所有穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號反饋至RTDS 并執(zhí)行到位的時(shí)間。以典型三級穩(wěn)控系統(tǒng)（包含穩(wěn)控主站、穩(wěn)控子站和執(zhí)行站）為例，單一故障場景下遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試整組時(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 模型開始送量到測試主站數(shù)據(jù)完成重組的時(shí)間，包括RTDS 到測試主站的傳輸耗時(shí)、測試主站數(shù)據(jù)解析與重組耗時(shí)。

3）Δtremote指從測試主站數(shù)據(jù)開始發(fā)送到測試終端各接口數(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指測試終端數(shù)據(jù)觸發(fā)到穩(wěn)控裝置動(dòng)作信號回收完成的時(shí)間，包括測試終端發(fā)送至穩(wěn)控裝置的時(shí)間、穩(wěn)控系統(tǒng)從啟動(dòng)到最后一級穩(wěn)控裝置動(dòng)作出口的時(shí)間、動(dòng)作信號反饋至測試終端的時(shí)間、測試終端動(dòng)作信號接收與重組耗時(shí)。

5）Δtconform指從測試終端數(shù)據(jù)開始發(fā)送到測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)和測試主站動(dòng)作信號整合耗時(shí)。

6）Δtinversion指從RTDS 模型重新啟動(dòng)到穩(wěn)控動(dòng)作信號反饋至RTDS并完成具體措施執(zhí)行的時(shí)間，包括Δtstart、測試主站數(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模型接收到信號并完成動(dòng)作的時(shí)間。

當(dāng)模擬相繼故障場景時(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)測試整組時(shí)間為n個(gè)單一故障場景下遠(yuǎn)程閉環(huán)測試整組時(shí)間之和。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 總體方案

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，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)測出線運(yùn)行情況，識別線路故障，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)先級設(shè)置為：水電站1>水電站2>水電站3。

4.2 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

基于RTDS 搭建的穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試實(shí)驗(yàn)平臺如圖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，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)測試平臺Fig.12 The remote non-real-time closed-loop testing platform for safety and stability control systems based on RTDS

圖12 中待測穩(wěn)控系統(tǒng)分為實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)控裝置和現(xiàn)場穩(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；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)場穩(wěn)控裝置則通過測試主站和測試終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程硬件在環(huán)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

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、2 號機(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)至對應(yīng)的直流控保執(zhí)行。至此，完成該場景的策略驗(yàn)證，直流輸電功率變化和切機(jī)動(dòng)作信號如圖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”和“X號水電站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)場穩(wěn)控裝置和實(shí)際通道開展“實(shí)驗(yàn)室+現(xiàn)場”穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試，現(xiàn)場穩(wěn)控裝置能夠準(zhǔn)確識別電網(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，被測穩(wěn)控系統(tǒng)各層級按照預(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試終端對時(shí)誤差和程序執(zhí)行周期差異小于1 ms，測試主站程序執(zhí)行周期在2 ms左右，現(xiàn)場穩(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)測試平臺Fig.14 The closed-loop testing platform for safety and stability control system in laboratory environment

5 結(jié)語

本文提出了一種“實(shí)驗(yàn)室＋現(xiàn)場”穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)閉環(huán)測試技術(shù)，介紹了測試平臺的總體架構(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，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)室測試和現(xiàn)場聯(lián)調(diào)測試的實(shí)際痛點(diǎn)，主要有以下5個(gè)方面：

1）測試模式由實(shí)驗(yàn)室拓展到“實(shí)驗(yàn)室+現(xiàn)場”，測試對象由實(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)測試和現(xiàn)場聯(lián)調(diào)測試。

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)故障場景和閉環(huán)驗(yàn)證的優(yōu)勢，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，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)場穩(wěn)控裝置共同構(gòu)建具有完整控制鏈路的被測系統(tǒng)，無需退出整套系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試。

5）采用5G 通信組網(wǎng)，不受地域條件的限制，測試平臺構(gòu)建成本低、靈活性高、工程部署便捷，測試自動(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。