基于IEC61850標準的合并單元性能測試

1、基于IEC61850標準的合并單元性能測試(Performance testing of Merging Unit based on the IEC61850 standard)楊永標（國電自動化研究院，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)劃關于建設數(shù)字化變電站的要求，我們和廣東省電力試驗研究所共同研制了基于IEC61850的標準的過程層設備合并單元(MU)，為了滿足IEC61850標準對于設備互聯(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)字化變電站建設的呼聲的日益高漲以及IEC61850標準的不斷研究和推廣，強調未來變電站自動化系統(tǒng)的開放性、互操作性以及技術發(fā)展和功能應用的可擴展性，強調設備數(shù)據(jù)模型標準、完整、規(guī)范，可實現(xiàn)間隔層設備和站級設備對過程層信息的共享。因此合并單元作為過程層主要設備是實現(xiàn)基于IEC61850標準的數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的基礎。廣東省電力試驗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備，推動基于IEC61850數(shù)字化變電站間隔層和站控層的應用，因此對合并單元的測試是實現(xiàn)基于IEC61850標準的變電站系統(tǒng)的重要保證。IEC61850-

5、10部分提出了變電站網(wǎng)絡和系統(tǒng)進行一致性測試的內容，它涵蓋了整個數(shù)字化變電站從過程層到站控層一致性測試的要求。其中對過程層設備合并單元進行功能測試也是一致性測試的一項重要內容。本文根據(jù)IEC61850-10部分測試標準和與廣東省電力試驗研究所提出的合并單元性能測試指標要求，提出了合并單元功能測試部分的具體方案，驗證合并單元的性能指標。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商提供的設備遵守相應的要求，滿足和其它設備互聯(lián)并行的要求。智能設備性能的一致性測試就是對功能要求（靜態(tài)測試）和變電站自動化系統(tǒng)內設備提供的典型應用性能要求的測試。表明能夠滿足DL/T

6、 860系列標準，用一定的方式可以和其它互聯(lián)運行的能力。其中性能測試部分對變電站網(wǎng)絡和系統(tǒng)的通信延時和時間同步和準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等標準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并匯總，按照一定的數(shù)據(jù)格式輸出給二次保護控制單元。因此，驗證輸出的數(shù)據(jù)是否時間同步，是否準確，是否超出二次保護控制單元容忍的通訊延時都是我們需要測試的內容。2.1 輸出數(shù)據(jù)時間同步測試這一測試的

7、范圍是檢驗合并單元事件通信時標的能力，一個準確的時標決定于幾個分立的通訊功能。包括接收信號譯碼時鐘準確度，包括接收對時單元的時間準備同步，狀態(tài)量變化時合并單元的及時檢出和時標數(shù)據(jù)的準確使用使用。2.1.1合并單元同步方式 本文中合并單元采用的同步時鐘源由外部時鐘源GPS時鐘模塊提供。GPS時鐘模塊提供裝置同步對時的1PPS（秒脈沖信號）和GPS時標信號。1PPS在GPS信號有效的情況下誤差最大不超過150ns，對應于交流量相角誤差不大于0.0027o，能夠為站內甚至廣域范圍內提供精確的同步對時精度，足以保證線路保護及差動保護對時精度的要求。即使在GPS失步的情況下，由于站內我們使用的是同一個G

8、PS對時模塊，它首先保證了站內裝置的絕對同步，如果需要廣域范圍的同步，我們使用恒溫晶振對1PPS信號進行跟蹤補償技術，也能保證2小時廣域誤差不大于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 交流量采樣值時間同步測試我們選用一臺高精度示波器，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同步對時裝置提供的1PPM（分脈沖）信號，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)小組自己編寫的進行采樣數(shù)據(jù)分析處理的小軟件），還原整分點處的采樣點波形，我們通過示波器1PPM上升沿對應的時刻和交流量波形上升沿過零點處對應的時刻可以計算出交流量波形上升沿過零點相對于1PPM時刻角度,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與坐標軸零點的刻度可以計算出角度，角度-即為采樣數(shù)據(jù)時間同步產生的角度誤差。 圖2 采樣數(shù)據(jù)時間同步測試方案 Fig 2 The testing scheme of synchronization sample data我們通過多組實驗可以得到，-<1o，即合并單元在GPS同步對時的方式作用下帶來的角度

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

11、1-T2<=100us，說明合并單元在GPS同步時鐘源的作用下對開關量變化能夠及時檢出，開關量時間同步誤差滿足二次保護控制單元的要求。2.2采樣數(shù)據(jù)準確性測試這一測試主要是驗證合并單元采樣的數(shù)據(jù)是否準確，是否能夠滿足數(shù)字化變電站二次保護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，利用傅列葉算法計算各個通道的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)等，比較各通道計算值與交流測試儀輸入量之間的誤差。 圖4 采樣數(shù)據(jù)準確性測試方案Fig4 The testing scheme of sample data veracity表1 以電壓Ua為例試驗結果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，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控制單元提供準確的采樣數(shù)據(jù)。2.3采樣數(shù)據(jù)傳輸延時測試 根據(jù)IEC61850-10關于性能測試部分通訊延時測試的要求，要求發(fā)送的物理設備到接收的物理設備傳輸時間要滿足一定的要求。廣東省

13、電力試驗研究所招標文件要求合并單元到二次保護控制單元的網(wǎng)絡傳輸延時小于10ms,根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護的速斷性、安全性要求，采樣數(shù)據(jù)以盡可能短網(wǎng)絡傳輸延時送到二次保護測控單元對于保護電力設備和電力系統(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)包的傳輸延時對于鑒定合并單元的性能是一項十分重要的指標，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時標信息在這一測試中，我們利用兩臺合并單元，一臺作為發(fā)送裝置（測試裝置），一臺作為接收裝置。它們都需要GPS時鐘準確對時，作為接收裝置，我們一旦接收到發(fā)送裝置整秒時刻（GPS時標中毫秒為0）發(fā)送來的采樣數(shù)據(jù)包，我們就讀取當前的GPS

14、時標中的毫秒信息。將多次傳輸?shù)难訒r值進行平均，就是采樣數(shù)據(jù)包的傳輸延時。 圖5 傳輸延時測試方案一 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行測試，經(jīng)過多次試驗，我們測得發(fā)送裝置到接收接收裝置，最大網(wǎng)絡延時0.6ms，平均延時為0.5ms?？梢詽M足二次保護控制單元對采樣數(shù)據(jù)傳輸極低延時要求。2.3.2方案二 利用閉環(huán)方式在這一測試中，我們將一臺合并單元作為被測試裝置，通過一臺二次保護控制單元（也可以在另外一臺合并單元中加入簡單的保護算法）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)送給二次保護控制單元，當交流測試儀進入故障狀態(tài)時，交流測試儀同時進行計數(shù)，二次保護控制單元反映故障量并開出節(jié)點，反饋給測試儀停止測試儀計數(shù)，測試儀讀取的時間為T3,繼電器節(jié)點的動作時間為T2，二次保護控制單元的反映故障量動作算法時間為T1，合并器單元傳輸時間延時則為T3-T2-T1。 圖6 傳輸延時測試方案二Fig6 Another testing scheme of transmission delay我們利用上述測試方案對合并單元進行測試，經(jīng)過多次試驗，我們得到T3動作時間在12-18ms之間，考慮到繼電器本身固有動作時間T2在10ms-15ms之間，算法本身運

16、算時間在1ms左右，那么傳輸延時最大不超過7ms，滿足廣東中試所對傳輸延時最大不超過10ms的要求。3 結論 我們在與廣東省電力試驗研究所聯(lián)合研制的基于IEC61850標準的合并單元中采用了上面的測試方案，得到了專家的認可，對于研制過程中合并單元測試取得了預定的效果，滿足各項技術指標。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備的性能測試可以提供一個很好借鑒方法。4 參考文獻：1 IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)系列標準,全國電力系統(tǒng)控制及其通訊標準技術委員會,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，秦應力，任雁銘 變電站自動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，秦應力 一種遵循IEC61850標準的合并單元同步的實現(xiàn)新方法 電力系統(tǒng)自動化 2004 New Method For Imeplementing The Sysnchronization Of Merging Unit A