专利名称：数字变电站测试仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种数字变电站测试仿真方法，属电力自动化技术领域。
背景技术：
近年来，随着IEC 61850标准在国内的推广应用以及数字化变电站相关技术研究 的逐步深入，数字化变电站试点建设在国内迅速推进。同传统的变电站相比，数字化变电站 采用统一的通信标准体系，对变电站内信息模型和通信过程的描述更加规范统一，信息数 字化、建模标准化、传输网络化已成为数字化变电站二次系统的重要特征，它颠覆了传统变 电站信息传输与控制的模式，是变电站自动化技术的又一次重大变革，代表了今后一段时 期变电站自动化系统的发展方向。数字化变电站是以变电站一、二次系统为数字化对象，对数字化信息进行统一建 模，将物理设备虚拟化，采用标准化的网络通信平台，实现信息共享和互操作，满足安全、稳 定、可靠、经济运行要求的现代化变电站。电子式互感器和IEC61850标准在数字化变电站应用后，很多原有的问题(常规 互感器电磁饱和、二次回路电磁干扰、传输压降等)得到很大的改善，但同时也带来新的 问题，数字化变电站二次系统相关设备的测试项目、测试方法、测试手段等都有了较大的改变。现在市场上广泛使用的是两种测试装置，一种是常规的带功率放大器的测试仪， 显然不能满足数字化变电站的测试要求，不符合IEC61850标准；另一种是输出IEC61850-9 格式的数字保护测试装置，提供的测试装置仍然沿用常规变电站测试的思路，只不过取消 了原来的功率放大器件，是在常规的微机保护试验仪基础上增加了一个接口装置，将常规 试验仪输出的电流、电压模拟量信息转换成光信号后输入给保护装置，这些方案仅能作为 数字化变电站建设初期的过渡型测试方案。目前使用的继电保护测试装置也不适应电力系统数字化的需要，现有的测试方法 的简单使得功能不完善，只能做一些简单的基本功能测试，不能进行系统闭环仿真测试和 对电力系统设备的整体功能测试，由于数字化变电站的广泛应用，测试方法和功能局限性 严重地限制和阻碍了现场调试和验收，从而影响了数字化变电站运行和电力系统的安全稳 定运行，不能满足电力系统发展的需要。
发明内容
本发明的目的是，为了解决目前使用的继电保护测试装置不适应电力系统数字化 的需要，现有的测试方法简单且功能不完善的缺陷，本发明提出了一种数字化变电站二次 系统全新的测试仿真方法，即基于IEC61850标准的数字动态测试仿真技术的变电站系统 测试方法，目的是研究开发基于IEC61850标准的数字化变电站IED测试系统，满足变电站 现场测试和验收的整体功能测试要求。本发明的技术方案是，本发明采用基于IEC61850标准的数字动态测试仿真技术
3的变电站系统测试方法，测试方法包括建立变电站仿真模型，模拟其实际运行，进行系统 闭环测试，检测被测装置的动态特性。为保证同时对多个装置进行系统级仿真测试，系统整 体设计采用了 PCI板卡和多CPU台式机的框架结构，建立由多CPU台式计算机、基于PCI总 线的IEC61850通信卡和小信号及开关量接口卡组成的系统仿真测试装置。多CPU台式机是系统控制的平台，进行绘图、仿真计算、人机交互等处理。基于PCI 总线的通信卡提供多个光纤以太网端口与多个保护装置及控制设备相连。保护装置接受通 讯卡的MU数据，产生的开关变位等信息通过通讯卡返回台式机，参与仿真模型的电磁暂态 计算，实现了动态闭环测试。61850通信卡以及小信号板卡与多CPU计算机通信采用的是PCI总线接口，PCI总 线可以提供极高的数据传送速率(132MB/S)。PCI总线与CPU无关，与时钟频率亦无关，可 适用于各种平台，支持多处理器和并发工作。PCI总线还具有良好的扩展性，通过PCI-PCI 桥路，可允许扩展。只要计算机能提供足够PCI总线插槽，61850通信卡及小信号卡就可以 扩展。本发明为同时测试多个被测IED和变电站系统提供了良好的硬件基础。通讯接口 以及小信号可以任意扩充；系统的实时计算分散到各个板卡上，测试系统不会因为光口和 小信号的增加而极大增加计算量。本发明实现了对被测装置的实时闭环测试，这种实时闭环测试既可以检测在实际 复杂的数字变电站系统中被测装置(IED)的动态特性，又可以实时反映被测的IED动作对 数字变电站系统的影响。为了解决因采用闭环测试带来的繁锁计算量，系统的软件设计结 合硬件平台，进行新的设计。本发明对系统进行闭环测试的实时计算由测试软件完成，软件中系统数学模型的 分解和数据计算部分在多CPU台式机上，解算好了分发给各个PCI卡，实时计算和通讯处理 部分在PCI卡上由DSP完成，这样充分发挥了多CPU台式机强大的计算能力，又避免其实 时性差的缺点；由于实时处理是由每块PCI卡上的DSP完成的，因此增加测试系统接口，即 扩展PCI卡，系统的实时性处理不受到影响，系统软件设计如图2所示。软件闭环计算的 过程为，由计算机控制系统在一定的时间步长内(最大为20us)通过外部数字量接口分析 goose信息，得到外部信息量，再根据其数据进行系统数学模型的分析，完成模型的闭环实 时计算，并同时将解算结果打包生成IEC61850-9或FT3格式的数据输出。本发明测试系统已经建立了数字变电站中各个一次、二次设备的数学模型，用户 可以根据现场实际需要，组合建立被测的一次系统模型，被测的多个IED在这个一次系统 模型中进行实时的仿真测试，真实反映其实际的动态特性，实现真实数字化变电站数字动 态模拟功能，即仿真测试。数字变电站中各个一次、二次设备的数学模型为用户对变电站的整体动态测试提 供了强大的软件基础，使变电站系统测试方法成为了可能。本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明改变了原专用化检测设备的模式， 实现了实时仿真功能，并能同时对多个IED测试，真正模拟现场变电站状态，提供了一个通 用的数字变电站测试平台。本发明能动态实时地模拟实际电力系统的暂态特性，实时仿真 被测装置的实际运行环境，特别是将实时仿真测试应用于现场测试，提高了现场对保护装 置的测试水平；本发明能根据用户要求同时检测多个被测IED，检验其复杂现场状态下的
4相互影响，能提前发现问题。仿真软件能真实地模拟现场，对保护装置进行系统级测试，大 大提高电力系统人员的技术水平以及电力系统设备生产开发人员的研究水平。
图1是本发明系统总体结构示例框图；图2是本发明系统软件示意图；图中图号表示1是多CPU台式机；2是台式机内部PCI总线；3是PCI的61850通 信卡；4是多个光纤端口 ；5是PCI的DA小信号卡；6是光纤以太网；7是保护装置设备；8是 模拟小信号和开关量接口。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
如图1所示。打开计算机，进入测试仿真软件系统；和被测的多个IED接线正确；选择“实时仿
真”项目。系统测试步骤如下(1)计算机控制系统首先进行自检自动查找底层通讯卡的连接状态，如通讯卡和PC机连接不上，或其卡有硬件故 障，则计算机系统不能进行硬件操作，并提示系统错误。(2)按现场被测IED的参数特性，设置通讯的goose和smv参数。用户可以直接设置参数，也可以通过读入icd配置文件自动设置。对goose参数， 装置也可以直接从被测IED上截取goose报文，自动配置。(3)按照被测继电保护装置内整定的参数进行仿真软件的参数设置，测试仪模拟 一次系统与保护装置对接。“参数设置区”——按照保护装置的要求对一次系统参数及系统仿真参数进行设 置。点击主界面右侧中部的按钮将所有参数设置框激活，依次对各参数进行设置；一次系统参数设置——对所有一次系统相关参数进行设置CT变比、电压等级、 系统频率(Hz)、线路全长、正序阻抗、正序阻抗角度、零序阻抗、零序阻抗角度；系统仿真参数设置——对所有系统仿真相关参数进行设置负荷百分比、过渡电 阻、故障类型、故障地点、故障转换时间；(4)按“运行”按钮，系统进入正常运行状态，计算机系统根据系统的拓扑的结构和 设置的参数进行实时仿真计算，对所有微分方程式解算并进一步计算出两侧电压互感器电 压以及流过电流互感器的电流、输出有关的电压电流信号等被测试装置需要的信息。(5)这些信息经过打包生成IEC61850-9或FT3数据，下载到各个通讯卡中，输出给 被测试装置或系统；系统接受通讯卡中的被测装置发送的goose信息，分析其开关量变化。(6)测试过程测试仿真装置先输出正常信息，处于正常运行状态，相当于被测试装置在电力系 统实际情况下的正常运行情况；按“故障”按钮，系统参数进行改变，这是被模拟的电力系统拓扑结构改变，计算机 根据电网的模型和算法进行解算微分方程，解算微分方程的条件即由故障的边界条件及两侧断路器开关通断状态来决定，通过解算的微分方程能正确模拟系统暂态过程；输出系统在故障状态下的输出系统故障时的参数给被测试系统或装置，参数包括 故障电流、电压以及非周期分量等，能真实的反应实际电力系统的运行、故障情况；被测试装置接受到故障信息后，对故障进行判断来进行选择正确动作，测试软件 通过实时仿真技术在时间间隔内、采集被测试系统的跳合信号、确定两侧断路器的跳合状 态，并根据新的拓扑结构判定下一时步的系统状态；被测保护装置与所仿真的电力系统构成闭环，通过它的动作行为来跳开或合上系 统的断路器开关。仿真算法正是根据断路器开关的跳开或合上的状态得到系统的拓扑结构 从而进行系统的实时解算工作，仿真过程边算边送数据，因此观测到的电压电流波形是与 同步的，这种快速实时解算及真正闭环的试验过程符合实际系统的动态过程；(7)被测继电保护装置发出动作信号，PC机接收被测保护装置反馈的信息，并显 示在界面上，同时系统给出测试报告，包括正常、故障时的信息以及被测试装置的动作信息 等，保存数据和波形。这样就可以测试出继电保护装置在模拟的一次系统各种故障情况下 能否正常动作，以及保护装置的各项保护功能动作次序和动作时间能否满足系统对保护装 置的要求；从而验证继电保护装置的各项性能和动作的准确性。(8)停止输出，按“停止”按钮，测试系统进入等待运行状态。
权利要求
一种数字变电站测试仿真方法，其特征在于，所述方法采用基于IEC61850标准的数字动态测试仿真技术的变电站系统测试方法，所述测试方法包括建立变电站仿真模型，模拟其实际运行，进行系统闭环测试，检测被测装置的动态特性；为保证同时对多个装置进行系统级仿真测试，系统整体设计采用了PCI板卡和多CPU台式机的框架结构，建立了由多CPU台式计算机、基于PCI总线的IEC61850通信卡和小信号及开关量接口卡组成的系统仿真测试装置；多CPU台式机是系统控制的平台，进行绘图、仿真计算、人机交互等处理；基于PCI总线的通信卡提供多个光纤以太网端口与多个保护装置及控制设备相连；保护装置接受通讯卡的MU数据，产生的开关变位等信息通过通讯卡返回台式机，参与仿真模型的电磁暂态计算，实现了动态闭环测试。
2.根据权利要求1所述的一种数字变电站测试仿真方法，其特征在于，所述方法对系 统进行闭环测试的实时计算由测试软件完成，软件中系统数学模型的分解和数据计算部分 在多CPU台式机上，解算好了分发给各个PCI卡，实时计算和通讯处理部分在PCI卡上由 DSP完成，软件闭环计算的过程为，由计算机控制系统在一定的时间步长内(最大为20us) 通过外部数字量接口分析goose信息，得到外部信息量，再根据其数据进行系统数学模型 的分析，完成模型的闭环实时计算，并同时将解算结果打包生成IEC61850-9和FT3格式的 数据输出。
全文摘要
一种数字变电站测试仿真方法，该方法采用基于IEC61850标准的数字动态测试仿真技术的变电站系统测试方法建立变电站仿真模型，模拟其实际运行，进行系统闭环测试，检测被测装置的动态特性。系统整体设计采用了PCI板卡和多CPU台式机的框架结构，建立了由多CPU台式计算机、基于PCI总线的IEC61850通信卡和小信号及开关量接口卡组成的系统仿真测试装置；多CPU台式机是系统控制的平台，进行绘图、仿真计算、人机交互等处理；基于PCI总线的通信卡提供多个光纤以太网端口与多个保护装置及控制设备相连；保护装置接受通讯卡的MU数据，产生的开关变位等信息通过通讯卡返回台式机，参与仿真模型的电磁暂态计算。
文档编号H04L12/26GK101980417SQ20101052862
公开日2011年2月23日 申请日期2010年11月2日 优先权日2010年11月2日
发明者崔斌, 李升健, 潘本仁, 马亮 申请人:江西省电力科学研究院