智能变电站系统及其测试技术(于跃海)

智能变电站系统及其测试技术于跃海 副总工/博士Email:yuyuehai@手机网电力科学研究院实验验证中心2012年3月2智能变电站技术3智能变电站系统级测试技术4智能变电站系统级典型案例45小结1智能电网发展EPRI开始“Intelligrid”(智能电网）研究20012003布什总统要求美国能源部（DOE）致力于电网现代化，DOE发布“Grid2030”DOE启动电网智能化(GridWise）项目2004DOE与NETL合作发起了“现代电网(MGI)”研究200520092030之后，研究机构、信息服务商和设备制造商与电力企业合作，纷纷推出自己的智能电网方案和实践

奥巴马将智能电网提升为美国国家战略.建设更坚强、更智能的电网。美国智能电网发展里程碑智能电网智能电网发展成立“智能电网(SmartGrids)欧洲技术论坛”欧洲智能电网技术平台，发布《欧洲未来电网的远景和策略》20052006提出智能电网愿景，能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略》发布，宣布智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向200720092030欧盟有关圆桌会议明确要依靠智能电网技术将北海和大西洋的海上风电、欧洲南部和北非的太阳能融入欧洲电网，以实现可再生能源大规模集成的跳跃式发展欧洲智能电网发展里程碑智能电网欧洲智能电网论坛制定了战略研究议程（SRA），用于指导欧盟及其各国开展相关项目，促成智能电网的实现智能电网发展美国与欧洲国家发展智能电网的动因与愿景出发点愿景美加大停电恐怖袭击……气候变化与用户互动……分布式电源和可再生能源的集成大规模利用集成先进通信、计算、电子技术的安全、自愈电网欧洲美国智能电网发展国外智能电网研究全景图智能电网发展保障特大规模、特高电压等级、特大输电能力输电网的“清洁、安全、自愈、经济、互动”运行。中国发展智能电网的独特挑战中国地域广阔，资源与需求的分布极不平衡，尤其大规模新能源集中在西部地区，所以，国网公司发展特高压输电技术来实现能源的长距离输送，有形成特高压输电网的内在要求与趋势。中国经济发展迅速，用户的要求不断提高，电网具有快速发展和不断升级的特点，具有发展与创新的双重任务。中国发展智能电网的特点智能电网发展坚强的电网基础可再生能源和环保产品快速发展数字化电网的全面建设信息化企业的全面建设强大的通信网络“努力超越、追求卓越”的企业精神国网公司拥有率先开展智能电网研究的基础智能电网发展近期（2009～2010）中期（2011～2015）远期（2016～2020）全面建设规划试点引领提升明确内涵，确定目标，完成整体规划，开展关键技术研究，加强实体电网建设，统一信息模型，整合信息平台，开展标准制订，进行相关试点，积累总结经验。基本达到国际先进水平。总结技术试点和设备研发经验优化业务流，规范建设要求，完善整体架构，滚动修订发展战略规划，全面推广建设。基本建成智能电网，达到国际领先水平。在全面建设基础上评估建设绩效，结合应用需求及技术发展，进一步提升技术、管理和装备水平，引领世界智能电网技术发展。全面建成世界领先、自主创新、中国特色坚强智能电网。整体规划、统一部署、试点先行、稳步推广中国智能化电网的分阶段建设目标智能电网发展2智能变电站技术3智能变电站系统级测试技术4智能变电站系统级典型案例45小结1智能电网发展智能变电站在智能电网中的作用 智能变电站的基本要求是全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，是智能电网的基础，是坚强智能电网安全稳定运行的重要环节，是可再生能源接入的重要节点。 智能变电站技术的应用在经济、技术具有显著的综合效益，智能变电站技术发展过程中可以实现对常规变电站技术的兼容，意味着智能变电站应用技术的发展可以建立在现有变电站自动化技术的基础上实现应用上的平稳发展和逐步突破，使新技术的应用能有机结合电网的发展，在智能变电站应用技术成熟的基础上实现新一代智能电网。 随着各种相关应用技术的成熟和发展，智能变电站将成为未来变电站自动化技术发展的主流。智能变电站技术智能变电站相对常规变电站的优势 组网方式灵活； 装置的冗余转换为信息的冗余； IEC61850标准体系实现应用与数据通信的分离； 实现信息应用的协调判断和处理，提高智能化程度； 具有设计、制造、工程实施、运行维护、故障分析、系统效用评估等方面的便利性； 可扩展性、易于接口； 支持可再生能源接入。智能变电站技术DL860（IEC61850）变电站通信网络和系统 IEC61850系列标准的全称是变电站通信网络和系统(CommunicationNetworksandSystemsinSubstations)，它规范了变电站内智能电子设备（IED）之间的通信行为和相关的系统要求； IEC61850系列标准是由国际电工委员会第57技术委员会(IECTC57)从1995年开始制订的,目前，IEC61850共14个部份已经全部通过为国际标准。我国的全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会对61850系列标准进行了同步翻译转换工作； IEC61850系列标准吸收了多种国际最先进的新技术，并且大量引用了目前正在使用的多个领域内的其它国际标准作为61850系列标准的一部分。所以它是一个十分庞大的标准体系，而不仅仅是一个通信协议标准； IEC61850看起来很像又一新的协议。其实它不是。确切地说，它是一种新的变电站自动化的方法，一种影响工程、维护、运行和电力行业组织的新方法； 它采用面向对象的建模技术，面向未来通讯的可扩展架构，来实现“一个世界，一种技术，一个标准”的目标。DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）标准的特点开放性：全部通信协议集将基于已有的IEC/IEEE/ISO/OSI可用的通信标准的基础上；不考虑具体实现先进性：采用ACSI、SCSM、OO的技术采用抽象的MMS作为应用层协议自我描述,在线读取/修改参数和配置采用XML语言来描述变电站的配置完整性：适用对象几乎包容了变电站内所有IED，例如：常规的测控装置、保护装置、RTU、站级计算机、可选的同期、VQC装置，未来可能广泛使用的数字式一次设备如PT、CT、开关DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）重要术语智能电子设备IntelligentElectronicDeviceIED 一个或者多个处理器协调工作的任何设备具有从或者到一个外部源接受和发送数据/控制(例如电子多功能表计,数字继电保护,控制器)的能力。逻辑节点LogicalNodesLN 逻辑节点是交换数据的最小功能。LN是由它的数据和方法所定义的对象。互操作性interoperability 来自同一或不同制造商的两个以上智能电子设备交换信息、使用信息以正确执行规定功能的能力。抽象通信服务接口ACSI 抽象通信服务接口(ACSI)：为智能电子设备(IED)提供了抽象通信服务，例如连接、变量访问、非请求数据传输(报告、设备控制以及文件传输服务、和所采用的实际通信栈和协议集独立的一种虚拟接口。DL860（IEC61850）系列标准标准制定的主要目的互操作性 为不同厂家的设备互联提供互操作性,即不同制造厂家提供的智能设备可交换信息和使用这些信息执行特定功能自由配置 满足变电站自动化系统（SAS）功能和性能的要求；可灵活配置，将功能自由分配到装置中，支持用户集中式（如RTU）和分散式系统的各种要求长期稳定性 支持未来的技术发展，因为它可兼容主流通讯技术而发展，并可伴随系统需求而进化

DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）内容简介DL/T860.1（IEC61850-1）介绍和概述 该标准介绍了整个61850系列标准的制定目的、历史沿革，对61850的其它标准的核心内容作了一个提炼并加以介绍，对以后的标准中涉及的核心概念作了初步的阐述DL/T860.2（IEC61850-2）术语该标准搜集了整个61850系列标准所涉及的术语解释、缩写名词定义、规范性引用文件DL/T860.3（IEC61850-3）总体要求 该标准从质量要求、环境条件、供电条件三个方面对SAS系统的性能进行了规范 质量要求包括可靠性、系统可用性、可维护性、安全性、数据完整性 环境条件包括对温度、湿度、大气压、振动、污染、腐蚀、电磁干扰的耐受能力 供电条件包括对供电电源的电压、频率范围以及瞬时失电的耐受能力DL/T860.4（IEC61850-4）系统和项目管理 该标准主要规范了SAS的参数化、文档化等工程管理要求

SAS及其IED始于研发阶段直至停产和退出运行的生命周期内的质量管理 SAS的质量保证，重点是试验设备、试验内容，如系统测试、型式试验、例行试验、一致性测试、FAT、SAT等DL/T860.5（IEC61850-5）功能的通信要求和设备模型 详细阐述了功能、逻辑节点和通信信息片三个概念以及三者的相互关系 对不同等级的变电站内的不同种类的通信报文的通信时间提出了要求，以及如何验证整个系统的通信性能要求DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）内容简介61850-6：变电站自动化系统配置描述语言 该标准描述了基于XML1.0的变电站自动化系统配置（SCL）语言的语法，并在附录中提供了模式文档定义（SCHEMA）文件的文本，并给出了一个不完整的变电站的SCL文件的实例SCL文件类型SSD:SystemSpecificationDescription.

XMLdescriptionoftheentiresystem.SCD:SubstationConfigurationDescription.

XMLdescriptionofasinglesubstation.ICD:IEDCapabilityDescription.

XMLdescriptionofitemssupportedbyanIED.CID:ConfiguredIEDDescription.

XMLconfigurationforaspecificIED.DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）内容简介DL/T860.7（IEC61850-7）变电站和馈线设备的基本通信结构DL/T860.71（IEC61850-7-1）原理和模型分别从应用、设备、通信的观点为对象建模，模型分别是逻辑节点及数据、逻辑设备/物理设备、客户/服务器，另外简要介绍了61850-7-2，-3，-4的内容及相互关系DL/T860.72（IEC61850-7-2）抽象通信服务接口(ACSI)DL/T860.73（IEC61850-7-3）公共数据类DL/T860.74（IEC61850-7-4）兼容的逻辑节点类和数据类DL/T860.72、DL/T860.73、DL/T860.74详尽的描述了各种对象模型的数据类和服务，是61850-8和-9的前提和基础DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）内容简介DL/T860.81（IEC61850-8-1）：特定通信服务映射(SCSM)–在ISO8802-3上映射到MMS(ISO/IEC9506第1部分和第2部分)该标准将ACSI映射到MMS，形成了基于802.3,传输层至少支持TCP/IP的应用层协议,该协议适用于站级和间隔级设备，或间隔级设备间，或站级设备间的通讯DL860（IEC61850）系列标准DL860（IEC61850）内容简介DL/T860.91（IEC61850-9-1）特定通信服务映射(SCSM)–串行单方向多点共线点对点链接 该标准将61850-7中有关采样测量值传输的部分映射过来，形成了基于802.3,LLC采用无应答连接，不使用网络层、传输层、会话层及表示层的应用层协议,该协议适用于间隔级设备和过程级设备间的通信DL/T860.92（IEC61850-9-2）特定通信服务映射-过程总线 与61850-9-1类似，区别有:非点到点，双向、可配置MU中参数DL860（IEC61850）系列标准ProtectionControlMergingUnitSignalProcessingPoint-to-PointEthernetLANEthernetProtectionControlMergingUnitSignalProcessingDL860（IEC61850）内容简介DL/T860.10（IEC61850-10）一致性测试对通信以及因为通信组成了系统的IED的型式试验，为各厂家的装置实现互操作做好测试基础。目标：对采用IEC61850协议的变电站二次装置或站控层设备进行通讯规约的测试分析，包括正向、反向测试，最终给出一致性评估报告。DL860（IEC61850）系列标准DL/T860.10（IEC61850-10）一致性测试流程DL/T860.10（IEC61850-10）为什么采用DL860（IEC61850）系列标准充分利用网络资源 DNP、TASE.2、IEC104没有充分发挥网络的资源按名访问 信息按模型组织，提供自描述功能内含一致性测试 一致性测试能避免规约实现的偏差互换性 为未来系统的升级、改造提供了解决方案后台组态简单组态文件自动生成后台系统运行参数应用得到扩展

全站逻辑闭锁、 接地选线DL860（IEC61850）系列标准采用DL860（IEC61850）存在问题模型数据的必选项限制功能的实现DL860（IEC61850）的模型中有很多的数据为可选项实现，不同厂家的装置混合使用，功能实现依赖于共同实现的部分。木桶理论 一个木桶装水的多少取决于最短的木条模型数据定义不足，需要扩充 使用GGIO逻辑节点 不标准的扩充定义存在不影响同一厂家的功能的实现 不同厂家对其它厂家扩充定义的数据可能存在需求双IP网? 国内产品大多采用两个IP地址的方式进行网络通讯,信息 可以在两个网络上作负载平衡和冗余处理61850的协议只 考虑单IP地址通信产品互换?功能的自由分配给模型的划分带来了自由不同厂家的保护功能实现模型的差异给装置互换后的维护带来不便本地化?模型数据为全英文简写国家没有标准的中文简写各厂家产品的界面在中文的表示上必然上存在差异调度接口?DL860（IEC61850）与IEC61970的模型不一致DL860（IEC61850）系列标准国内互操作试验不同厂家的IEC61850产品互连，还是需要双方的技术人员充分沟通和调试，但调试的时间和难度较IEC60870系列规约大大减少。IEC61850产品互连的主要难点不在通讯服务，而在数据模型的理解。但通讯服务作为入门的门槛，比传统规约要高的多DL860（IEC61850）系列标准2智能变电站技术3智能变电站系统级测试技术4智能变电站系统级典型案例45小结1智能电网发展智能变电站系统级测试的必要性 数字化技术的应用使单个设备与其他设备的关联性日益紧密，因此，迫切需要从全站角度来探索对设备的系统级测试手段、相应的测试方法，并建立对智能变电站整体性能、功能评价体系； 对智能变电站设备的测试，仅停留在单装置的单元测试是不够的。不考虑变电站系统级测试就无法检测装置间以及整个变电站系统的功能和性能等； 智能变电站的运行、维护的安全、稳定要求被越来越重视：二次设备的系统级测试，无论是在系统投运前还是投运后，都是必不可少，可以有效提高我国的电网建设的自动化水平。智能变电站系统级测试第一部分：数字动模测试动模与仿真实验室智能变电站系统级测试数字动模测试功能能够与数字化保护装置相连接进行闭环试验；能模拟多种故障，包括简单故障、区内转换性故障、区内转区外故障、区外转区内故障、发展性故障等；故障类型可以任意设置，包括故障时间、故障过渡电阻等，能够模拟重合闸的动作和保护合于永久故障等现象；具有波形回放功能，能读取现场录波的COMTRADE文件进行故障回放系统可以根据试验需要输出含直流和各次谐波分量的电压电流波形，谐波的叠加和衰减均可人为设定；具有发电机变压器组和变压器成套保护装置的动态数字动模功能，完成保护的动态实时闭环测试；能对变电站的各种智能设备（IED），例如数字保护，智能操作箱等进行功能测试，以及对保护的动作特性和时间特性等的常规测试等；能对变电站的各种智能设备（IED）组合形成的变电站自动化系统实施整组联调测试，验证IED之间数据关联、互操作的正确性。智能变电站系统级测试数字动模测试智能变电站数字动模测试考察对象计算机监控系统，包含各个继电器室测控柜；继电保护设备，母线保护、线路光差及远跳保护、电抗器保护、线路保护、断路器保护、主变保护；故障录波；网络报文记录分析仪；保护及故障信息管理。智能变电站系统级测试智能变电站数字动模测试项目智能电子式互感器传变测试合并单元对其它装置的影响测试项目网络风暴、网络性能对智能变电站系统性能的影响测试时间同步系统对智能比电站系统的及相关装置的影响测试智能变电站二次系统测试对所有保护设备的测试，对保护装置的功能、性能考证对计算机监控系统的测试，模拟量、状态量的正确性顺控操作测试雪崩试验，系统发生复杂的、发展性故障时，系统反应的正确性定值单调取等智能变电站系统级测试第二部分：通信协议测试通信规约测试实验室

智能变电站系统级测试通信协议测试保证智能变电站中多厂家多型号多技术装置的通信规约实现的一致性，全站配置文件的一致性、可读性及可靠性，信息共享的标准化，装置间无缝通信，实现互操作，满足用户期待的互换性。规约的统一解释非常关键，通常标准规约文本仅仅定义了90%，而10%是选择项。各个厂家的实施实现程度也不相同，这就需要第三方测试机构来进行规范。测试经验表明：单装置的一致性测试，80%没有一次性通过的，在工程集成的过程中，要多厂家协调，重新实例化配置文件，通信网络，以及根据不同地区特点实现变电站功能，所以系统级的测试是必需的。智能变电站系统级测试通信协议测试

根据IEC61850标准的完善，以及智能变电站的发展，提出系统测试的概念全站配置测试变电站互操作测试测试依据：IEC61850-6；IEC61850-7；

IEC61850-10《一致性测试》测试内容：文件版本检查；（MICS，PICS，PIXIT）

配置文件检查；icd文件有效性、IED数据模型一致性） ACSI服务测试，结合全站的功能和性能测试。测试工具：61850测试软件工具包智能变电站系统级测试通信协议测试系统级互操作测试 一致性测试是用标准的测试平台和被测装置进行互联，并测试相关数据和服务模型等，而互操作测试是在搭建好的系统中，进行不同厂家型号装置之间的互联互通能力，所以两者测试结果的差距还是存在的。互操作测试是必需的。 根据智能变电站的网络结构及功能的实现，要从工程实际需求出发，与IEC61850-10的测试用例相结合，针对功能测试所体现出的ACSI通信服务问题，再设计测试项目来分析和解决问题。智能变电站系统级测试第三部分：网络系统测试智能变电站系统级测试网络系统测试网络系统测试网络功能和性能测试 对应用于智能变电站网络的工业以太网交换机按照本站实际配置和运行情况 进行功能和性能测试；网络流量测试 测试智能变电站网络在正常和非正常情况下网络的流量，包括网络利用率、 网络数据包传输率、错误率等；网络风暴测试测试 智能变电站中使用的以太网装置抵御网络风暴的能力，在网络流量突增的情况下，以太网装置应该抵御带内带外风暴，避免发生装置功能失常或宕机等异常情况。 同时，测试以太网交换机的风暴抑制功能是否正常，包括广播抑制、组播抑制、未知单播抑制。智能变电站系统级测试网络功能和性能测试测试内容吞吐量测试、时延测试、帧丢失率测试、背靠背帧数测试、地址缓存能力测试、地址学习速率测试、GOOSE传输功能测试、VLAN功能测试、广播抑制功能测试、组播抑制功能测试、所有帧抑制功能测试、优先级测试、网络收敛协议功能测试、级联测试、端口镜像功能测试。智能变电站系统级测试网络流量测试 本测试项能够测试在正常和非正常情况下网络的流量，包括网络利用率、网络数据包传输率、错误率等。测试目的测试智能变电站网络系统的网络流量和网络协议是否正常，能够在整体上掌握整个智能站的网络运行的情况。在发生异常流量情况下，能够及时找出发生异常装置，测试的结果能够指导站内网络设置（风暴抑制、优先级设置、网络拓扑顺序等）。测试内容网络：数据包、丢包、广播、多点传送、字节、利用、错误。错误描述：不完整数据、太大数据、碎片、模糊帧、CRC校验错误、队列错误、冲突错误。颗粒分布：64、65-127、128-255、256-511、512-1023、1024-1518（单位：字节）。测试需求 智能变电站整站运行，以太网交换机配置好端口镜像。智能变电站系统级测试网络风暴测试概述测试以太网交换机风暴抑制功能测试网络风暴对电力装置的影响。测试目的 确保智能变电站网络系统在发生通常的网络风暴及网络攻击的情况下，各个以太网电力装置能够抵御突发流量以及网络异常攻击，接收正常报文，终端设备的状态和功能反应正常。测试需求工业以太网交换机网络拓扑图装置资产列表站内所有装置的接收目的地址（mac地址或IP地址）。智能变电站系统级测试第四部分：信息安全测评智能变电站系统级测试信息安全测评电监会规定国家电网调[2006]1167号文印发了关于贯彻落实电监会《电力二次系统安全防护总体方案》等安全防护方案的通知，提出各研究、开发单位要按《方案》要求，尽快改进或完善所提供的电力二次系统或设备的安全特性；凡2008年1月1日以后投入运行的调度自动化系统和变电站自动化系统应符合《方案》要求并通过安全测试认证，2009年1月1日以后投入运行的电力二次系统或设备都应符合《方案》要求并通过安全测试认证。国网公司应用系统和变电站综自生产厂家到实验室进行上线前和上线后的信息安全测评。已测试系统包括：国电南瑞NS3000、国电南自PS6000等等。提高智能变电站系统安全性全面测试变电站综合自动化系统的安全机制和安全功能，发现其中存在的安全缺陷和漏洞。典型漏洞包括：SQL注入漏洞、身份鉴别漏洞、访问控制漏洞等。智能变电站系统级测试信息安全测评国网和电监会的常态化督查要求 国网和电监会定期会对下属单位进行信息安全督查，要求不符合的单位进行整改。评估安全问题的危害性，为整改工作提供指导建议。应用系统第三方信息安全认证测试 通过安全整改及验证测试，评估残余风险，确认系统安全状态可以满足安全运行的基本要求。分析和总结发现的安全问题，形成《系统安全性测评报告》。联调过程系统功能和安全性应共同关注 传统联调过程中系统安全性、应用系统及整 站网络架构安全考虑不够。国网等级保护要求 《电力行业信息系统安全等级保护定级工 作指导意见》智能变电站系统级测试信息安全测评测评内容电力二次系统安全防护 电力二次系统安全防护要求包括“电力二次系统安全防护总体方案”要求和“变电站二次系统安全防护方案”要求。应用系统安全 等级保护要求针对变电站综合自动化系统的应用安全，测评内容包括两大部分，分别是应用与数据安全测试项目、渗透与攻击测试项目。

智能变电站系统级测试变电站综合自动化系统等级保护应用安全测评内容应用与数据安全测试项目 包括身份鉴别、访问控制、安全审计、软件容错、资源控制、数据完整性、数据保密性等渗透与攻击测试项目 信息泄露、越权操作