一种智能变电站继电保护装置测试平台

ElectronicDesignEngineering2017年11月Nov.2017一种智能变电站继电保护装置测试平台

张炳达，乔平，王阳，吴艳杰

（天津大学电气与自动化工程学院,天津300072）

摘要：为了满足智能变电站对继电保护装置多样性测试需求，开发了一种基于FPGA的智能变电站新型继电保护装置测试平台。一次系统仿真器采用多输入多输出指令流运算器实现智能变电站一次系统的电磁暂态实时仿真，过程层装置仿真器通过对SV报文信息流和GOOSE报文信息流重构实现过程层通信故障仿真。硬件在环算例结果表明，本平台能够向继电保护装置提供智能变电站一、二次系统复杂故障下的多样性测试。

关键词：继电保护测试；FPGA；IEC61850；实时仿真；硬件在环中图分类号：TM774

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2017）22-0031-05

Arelayprotectiontestplatformforsmartsubstation

ZHANGBing⁃da，QIAOPing，WANGYang，WUYan⁃Jie

（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）Abstract:Inordertosatisfytherequirementofvarioustestsfortherelayprotectiondeviceofsmartsubstation，anewsmartsubstationrelayprotectiontestplatformbasedonFPGAisdeveloped.Themulti⁃inputandmulti⁃outputinstructionstreamarithmeticunitandtheprocesslayerdevicesimulatorcansimulatetheprocesslayercommunicationfaultbyremodelingtheSVinformationflowandtheGOOSEprotectiondeviceonthesituationoftheprimaryandsecondarysystemcomplexfaultsofsmartsubstation.Keywords:relayprotectiontest；FPGA；IEC61850；real⁃timesimulation；hardwareinloop随着建设“坚强的智能电网”目标的提出，作为电网支撑节点的变电站经历着重大变革，由传统常规变电站转化为数字化变电站再迈向智能变电站[1-2]。继电保护系统中数据采样、数据传输和装置接入等方面也发生了重大变化，传统的继电保护测试仪已不能满足智能变电站保护装置的多样性测试。以实时数字仿真技术为基础的继电保护实时闭环测试方案具有实时性强、功能全面、扩展方便等优点，已成为继电保护测试技术的重点发展方向。

文献[3]在电力实时数字仿真器（RTDS）的基础上加入GTNETSV和GTNETGSE板卡作为一次系统与二次设备的接口，对110kV线路保护装置进行了测试。文献[4]和[5]分别采用殷图科技的数字动态实时仿真系统（DDRTS）和中国电科院的电力系统全数收稿日期：2016-09-28

稿件编号：201609253

primarysystemsimulatorcanrealizetheelectromagnetictransientreal⁃timesimulationbyadoptingainformationflow.Ahardwareinlooptestcaseshowsthattheplatformcanprovidevarioustestsforrelay

字仿真装置（ADPSS）作为实时仿真平台，通过IEC61850通信卡或光电数据转换接口（PWF-2T）连接到继电保护装置，形成硬件在环测试系统。文献[6]将实时Linux与高性能工控机相结合，用Matlab/Simulink建立系统模型进行实时计算并由网卡输出IEC61850报文，通过后台配置实现继电保护装置的自动测试。

近年来，现场可编程门阵列（FPGA）凭借其高度并行性和深度流水线的特点，已成功应用于国内外电力系统实时仿真领域[7-10]。FPGA厂家以知识产权核（IP核）的形式向用户提供以太网通信逻辑，降低了IEC61850标准的应用难度，拓宽了FPGA在智能变电站实时仿真方面的应用前景[11-12]。文献[13-16]将FPGA作为中央控制器，通过“截取-修改-转发”方式人为地修改了过程层网络中的采样值报文和

作者简介：张炳达（1959—），男，江苏常熟人，硕士，教授。研究方向：电力系统实时仿真。

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《电子设计工程》2017年第22期

GOOSE报文，模拟了智能变电站过程层故障。

监控机是测试平台的控制中枢，可对变电站元件参数、故障参数（如接地阻抗等）和过程层报文参数等进行配置，在仿真过程中可实时显示一次系统开关状态、母线电压和断路器电流值。在发出故障设置指令后，可根据仿真器的反馈信息自动生成故障执行报告。

一次系统仿真器主要实现智能变电站一次系统电磁暂态实时仿真功能。仿真器能够模拟包括接地短路、相间短路、断线在内的多种一次系统故障，也可对负荷波动、电源谐波等现象作精确模拟。

过程层装置仿真器主要模拟过程层通信故障和与继电保护装置通信。考虑到合并单元、智能终端、过程层交换机等过程层装置之间信息流的传输形式是SV报文和GOOSE报文，过程层装置仿真器重点模拟SV报文和GOOSE报文的信息流及其流动过程中可能出现的问题。

本文开发了一种基于FPGA的新型继电保护装

置测试平台。为了准确仿真一次系统电磁暂态现象并充分利用硬件资源，在一次系统仿真器上设计了一种多输入多输出指令流运算器，实现了运算式的并行处理。同时，采用指令流形式对运算器进行控制，用户无须了解FPGA编程，提高了一次系统建模效率。为了模拟过程层通信故障，在过程层装置仿真器上对SV报文信息流和GOOSE报文信息流进行了模拟，通过线性反馈移位寄存器结构生成伪随机数据，实现了采样值报文内容异常和延迟的随机性变化。

1测试平台架构

测试平台的硬件结构如图1所示，分为监控机、一次系统仿真器、过程层装置仿真器、继电保护装置4个部分。

2一次系统实时仿真原理

智能变电站一次系统的仿真计算顺序为：储能元件的历史电流源计算、伴随网络的节点注入电流计算、节点电压方程的顺序消去、节点电压方程的逆序回代、支路电压计算、支路电流计算。这6个计算步骤之间数据依赖性强，如果针对每种计算时，其他电路必然处于等待状态，这无疑造成了

图1

综合测试平台的硬件结构

算单独设计运算电路，当其中一个电路在进行运资源浪费。

图2指令流运算器

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张炳达，等一种智能变电站继电保护装置测试平台

文中设计了一种多输入多输出的指令流运算器，如图2所示。通过对图2中选择器MUX的控制，该运算器不仅可以实现x0+x7和x8还可以实现消去公+x9、x1×x2和

x5式×xx6等基本运算的并行计算，x3/x4×x1+x7和x3/x4×x6+x9，乘加公式

1样，×多个计算步骤可复用同一运算器，x2+x7和x5×x6+x9等复杂运算的并行计算。这

且多个运算公

式可并行处理，节省了硬件资源，加快了计算速度。

考虑到对一次系统仿真计算时运算器的作业非常复杂且无规律性，把可能对MUX、读数据、写数据的控制归纳成一条条指令，由指令译码电路完成指令翻译工作。由于指令格式是自定义的，指令流的编写与FPGA编程语言无关，用户可方便地对指令流进行修改。

仿真计算中的节点导纳等仿真参数与开关状态、故障设置和变压器磁饱和状态有关。若根据开关状态、故障设置和变压器磁饱和状态直接计算出相应的仿真参数，则需要耗费很长的计算时间。图3查询字结构

FPGA将所有可能的仿真参数的实际值预先存入到

存放。同时给每个仿真参数配备相应的查询字，的片内RAM中且同一类型参数的实际值连续其结构如图3所示。其中，基地址存放该参数实际值在RAM存储区的首地址，状态字受监控机指令影响

而改变，译码方式表示状态字与偏移量之间的映射关系。这样，根据译码方式和状态字可以计算出偏移地址，加上基地址就得到了物理地址，由此便可在仿真参数RAM中查到仿真参数的实际值。

3过程层装置实时仿真原理

智能变电站的过程层主要包括电子式互感器、合并单元、智能终端、过程层交换机等装置。这些装置与保护之间的通信遵循IEC61850协议，所以对过程层装置的仿真可转化为对SV报文、GOOSE报文信息流的模拟。

3.1SVSV报文从合并单元到保护装置的传输方式可

报文信息流仿真采用点对点传输模式或组网传输模式。当采用组网传输模式时，由于网络交换机的存在，SV报文的传输延时将不确定。在网络堵塞的情况下，易出现采样值内容异常，报文延迟、乱序和丢帧现象，从而触发保护装置告警，甚至误动或闭锁[17]。

为模拟上述情况，设计了SV报文信息流仿真的逻辑结构，如图4所示。SV组包模块从报文模板中读取MAC地址、以太网类型码、APPID等信息组成报头，在每个发送周期按照ASN.1基本编码规则将一次系统采样值写入应用协议数据单元（APDU），完成SV报文的封装。

图4SV报文信息流仿真的逻辑结构

为了模拟网络堵塞时采样值内容异常的随机性Feedback，SV修改Shift模Registers块利用线，LFSR性反）馈结构生成伪随机数移位寄存器（Linear[18]。建立一个5级LFSR1和一个32级LFSR2，LFSR1用来生成SV报文中被修改的数据地址，LFSR2则用来生成随机修改值。监控机按照采样值出错率生成窜改模板并下发到SV修改模块，SV修改模块根据窜

改模板、LFSR1和LFSR2产生随机数据，对采样值进行修改并将窜改记录上传给监控机。

为了模拟网络堵塞时SV报文的延迟情况，监控机根据故障类型向待发送报文加盖优先级标记以表示其延时范围。优先级标记分为超时标记、乱序标记μs和丢帧标记3种，超时标记延时范围为（0，100）时范围可视为无穷大。为体现延迟时间的随机性，，乱序标记延迟范围为（250，500）μs，丢帧标记延SV标记序列调用不同的线性反馈移位寄存器生成随机发送模块收到延迟模板后，按照模板内的优先级延迟时间，将待发报文按延迟时间排序得到优先级队列从而决定报文的发送时刻。

3.2GOOSE报文信息流仿真在智能变电站中，GOOSE报文可分为两类：一

类为在装置正常情况下按固定时间间隔T0顺序重传的心跳报文；另一类为在装置发出动作指令（比如跳闸、重合闸）情况下发送的变位报文，第一帧变位

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《电子设计工程》2017年第22期

报文发出后会进入快速重传阶段重复发送该报文，发送时间间隔也会逐次增加直到示，信息流是双向流动的。GOOSE报文信息流仿真GOOSE的逻T0辑。

报文发送信息流结构如图5所

的模拟过程与SV报文相似，不再赘述。GOOSE报文接收信息流依次经过GOOSE接收、GOOSE解析、指令传送3个模块。

图5GOOSE报文信息流仿真的逻辑结构

将GOOSE接收模块收到保护装置发来的报文后，

GOOSE报文存入寄存器组传给GOOSE解析模块解，提取协议数据单元解析模块按照预存好的报文模板将报文拆。（PDU）中事件序号（stNum）和发送序号（sqNum）字段并进行判断。若stNum保持不变，sqNum递增1，则该报文为顺序重传和快速重传的GOOSE，其数据集被忽略；若stNum加1，sqNum归0，则该报文为变位报文。GOOSE解析模块从变位报文中提取出跳闸、合闸、闭锁等信号传递给指令传送模块。指令传送模块将上述信号翻译为一次系统跳、合闸指令回传给一次系统仿真器。在GOOSE报文信息流接收过程中，监控机可以下发延时模板模拟网络堵塞带来的传输延迟；也可以下发故障模板，干扰指令翻译过程造成断路器拒动或者误动，以此模拟GOOSE报文丢失或内容出错。

4硬件在环测试算例

一个典型的智能变电站主接线图如图6所示，2台主变压器均为SFPSZ7-120000/220，220kV和110kV侧均为双母线、2回进线2回馈线，35kV侧为单母线，共2回馈线。在110kV馈线1的出口配置线路保护，主保护为3段式距离保护，后备保护为电流速断保护，保护装置采用北京四方公司产品。

4.1一次系统故障测试对110kV母线电压和流过断路器111的电流进

行采样，在110kV馈线1中点处设置A相单相接地

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图6一个典型的智能变电站主接线图

故障，采用北京博电PNS602报文分析仪进行SV报文录波，线路保护动作后监控机收到变位报告如表1所示。在离线电磁暂态软件PSCAD上搭建相同拓扑

和参数的智能变电站模型，根据保护动作时间和断路器跳闸情况复现该单相接地故障和保护动作过程。离线仿真波形和实时录波波形的对比如图7所示。

表1

变位信息报告

发送时刻发送源发送目标变位内容0.06s线路保护

断路器111

跳ABC三相

图7A相接地短路故障波形对比

故障波形的对比表明，一次系统仿真器的电磁暂态计算结果准确，满足保护测试要求。发生接地故障后，线路保护发出跳闸GOOSE报文，跳开断路器111以切除故障，动作时间为60ms。

4.2SV报文信息流故障测试针对线路保护的SV报文分别设置超时故障、乱

张炳达，等一种智能变电站继电保护装置测试平台

序故障和丢帧故障，故障时间为5s，线路保护装置测试结果如表2所示。

表2线路保护装置测试结果

故障类型保护装置测试结果报文超时SV抖动时间超限帧数：链路正常，不连续帧数：123920报文乱序SV链路正常，抖动时间超限帧数：不连续帧数：4354

1536报文丢帧

显示SVPT链路异常告警断线、CT断线

5结论

FPGA本文所开发的继电保护装置测试平台以高性能

复杂故障测试。为解决一次系统实时计算资源消耗为硬件核心，可对保护装置进行一、二次系统

问题，设计了多输入多输出指令流运算器实现了运算式的并行计算和运算步骤间的资源复用，采用指令流的作业形式提升了FPGA建模的灵活性；考虑到组网模式下采样值报文异常和延迟的随机性，通过线性反馈移位寄存器生成随机数据，提高了测试场景的真实性。与其他平台结构相比，基于FPGA的硬件架构在便携性和测试成本方面具有优越性，为继电保护实时闭环测试技术的发展提供了新思路。

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