1、智能电网实训室建设项目研究报告智能电网实训室建设项目研究报告220kV智能化变电站继电保护实验室建设可行性研究报告新疆电力公司2012年8月一、项目概况1.国内外研究水平综述1.1与项目研究内容紧密相关的技术发展历史的简要回顾近几年，智能变电站的建设主要是试点工程，重点研究新技术及新设备的工程化应用，发现了很多工程实施方面的问题，为以后的推广应用积累了很多宝贵的经验。这些问题主要体现在智能变电站新技术及新设备的工程应用中，缺乏适用的测试和运行维护方面的规范，以及相应的测试方法、设备，无法有效保证设计、工程实施、运行维护等环节的正确性，难于提高智能变电站的建设效率。1.2国内外研究水平的现状和发
2、展趋势在智能变电站二次设备建模方面，各厂家在建模的一些细节上以及扩展原则方面存在差异，或存在不规范情况，也未根据最新的IEC 61850国际规范进行修订。在一致性测试方面，国内外都意识到单纯模型和服务的一致性测试无法保证设备的互操作性，所以正在研究和制定基于功能集成的一致性测试规范，但还没有涉及系统级性能方面的测试。智能变电站的数字化和网络化，尤其是GOOSE和SV的正确性、稳定性、安全性是工程实施及运行维护的重点之一。二次回路采用虚端子连线设计，不够直观，容易出错，且虚端子格式及连线缺乏相应的规范，测试困难。随着智能变电站的建设和发展，新技术及新设备将会得到大量的推广和应用，在工程实施及运行
3、维护方面、具有指导意义的检测流程，以及直观、高效的测试方法和设备，是急需的也是必然的。这些方面的规范化、智能化也是智能电网的发展目标之一。1.3介绍国内外研究机构对本项目的研究情况国外智能变电站工程实践落后于国内，尤其在过程层的网络通信大部分处于研究或少量应用中。KEMA实验室是IEC 61850的国际认证机构，主要做模型和服务的一致性测试，以及IEC 61850的服务模拟和抓包分析，这些测试和分析针对性和专业性强，不够直观，效率低，不适合在实际工程中使用；所有的测试都是基于IEC 61850国际标准，缺少对国内相应实施规范的支持。OMICRON公司主要研究和制造测试仪器，提供数字化的测试仪及
4、配套的测试工具，具有GOOSE和SV的测试功能，没有专门针对虚端子连线的高效、可视化的测试功能2.国内外研究水平综述2.1与项目研究内容紧密相关的实际生产力水平和今后的发展方向目前国家智能电网使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机的电力传输与分配网络。通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，最终用以改善电力传送，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。智能变电站的建设是建立坚强智能电网的关键环节，应加快智能变电站建设的步伐，提高电网运行的智能化水平，节省人力资源，提高生产效率。为了满足这些要求，需要对使用的新技术和设
5、备进行严格的检测，来尽可能的保证运行的稳定性、安全性，同时提高工作效率。2.2项目成果对该现状和技术发展的作用智能变电站与传统变电站相比出现了很多新的技术和变化，尤其是过程层数字化、通信网络化及标准化、信息模型化，影响到了智能变电站的设计、工程实施和运行维护等多个环节，使得传统的测试手段及设备不能满足智能变电站及其设备的测试需要。另一方面，智能变电站所采用的IEC 61850标准技术面向国际化的特点及其复杂性，不同的设备供应商对其理解和实现存在差异，影响了互联互通，由于缺乏相应的工程化规范及方便、直观的测试手段，使得问题的排查非常困难。基于上述考虑，本项目通过对智能变电站实验室建设及检测的研究
6、，建立二次系统设备及网络的检测平台，提高设备互操作性，加快智能变电站及其技术的发展及普及，提高工程实施及运行维护的效率和水平，为后续智能变电站的建设提供技术支撑；实验室也可作为相关工作人员和技术人员的培训和研究平台。同时智能电网发展会不断有新需求和新技术研究，可在本项目的研究成果基础上开展前期技术积累与实践工作，为后续大规模推广应用做好技术储备，提升专业人员对智能电网建设的认识，进一步提高专业人员业务能力，培养一批适应智能电网建设的复合型人才，为今后智能变电站建设打下坚实的基础。二、项目研究的理论与实践依据1.项目研究内容的原理简述主要依据IEC 61850标准及国内相关规范，分析并搜集智能变
7、电站应用中存在的问题和检测需求，形成实验室建设方案，包括规模、需要配置的变电站设备和检测设备。在模型、通信服务及功能的检测和模拟方面，除依据相应标准进行严格检测外，还需要重点研究和实现面向工程应用的功能性测试，使检测功能易用、高效。项目研究内容的理论或者实践依据主要参考：IEC 61850DL/T 860TCP/IPRFC 1006ISO 9506（MMS）ASN.1智能变电站导则Q/GDW 3832.项目研究的关键和难点1）、IEC 61850 中针对二次设备模型定义了相对比较复杂的建模规范，而在实际工程应用中经常发现设备的模型存在错误或不规范的情况，影响了设备的互操作性，因此需要研究更为适
8、用和更有效的模型检测方法和手段，能够快速的发现模型存在的问题，并给出分析建议；国内发布了面向工程的实施规范，目的是为了减少工程应用中不必要的分歧或问题，有效提高工程实施效率，这也是模型检测研究的关键内容之一。2）、智能变电站信息数字化和通信网络化后，二次回路设计发生了很大变化，由传统的硬连线变为基于模型和通信报文的虚回路设计，即虚端子连线，使设计、工程实施和运行维护的难度加大。目前还缺乏具有指导性的二次回路连线设计规范和方法，以及连线正确性的测试手段。本项目针对这些问题主要研究如何进行有效且便捷的虚端子连线正确性测试。3）、智能变电站网络化程度提高，出现了很多网络通信方面的问题，甚至有些复杂的
9、通信问题无法复现、测试和分析。本项目通过多方面研究，包括通信服务及功能的测试、模拟，以及网络通信的监视和分析，实现更加方便和直观的通信测试及分析工具。三、项目研究内容与实施方案1.项目研究内容1）、智能变电站实验室的建设：研究并确定建设方案，包括实验室的规模、需要配置的设备，所具备的检测、培训等功能。实验室规模根据实际需求按照典型智能变电站设计，配置主要常用设备，设备数量少，但涉及全面，能够对各厂家二次设备进行检测。建成的实验室具备对相关工作人员和技术人员的培训条件，便于这些人员对智能变电站新的技术和设备的熟悉和掌握；配置的检测工具和设备提供易用、便捷的检测功能和分析、提示视图，使相关人员能够
10、快速的熟悉对二次设备的检测；2）、二次设备模型的检测研究，依据建模规范及工程实施规范，实现对各厂家设备模型的规范性检测，输出检测结果，给出处理建议；同时面向工程实施增加一些有助于提高工作效率、防止潜在模型问题的检测功能，如数据集与控制块的匹配情况，点表信息等。3）、IEC 61850 通信及功能服务的测试和模拟，包括客户端/服务器端通信、GOOSE通信、SV通信等。依据MMS、GOOSE及SV的通信规范，实现对这些通信服务及功能的测试和模拟。在实现方面，需要重点考虑面向功能的测试，分析视图直观，对通信中存在的问题给以提示，使工具易于使用，提高工作效率；4）、二次回路虚端子连线测试是将变电站的配
11、置文件SCD中的虚端子连接信息在工具中导入，然后模拟接收和发送，以检测连接的正确性，确保投入运行的设备及配置的正确性，提高运行安全稳定性。5）、智能变电站网络通信记录及分析的研究是对试验过程中整个网络通信过程的监视、记录、存储和分析；除了针对IEC 61850通信（MMS、GOOSE及SV）过程的规范性检测和分析外，还依据如TCP/IP等规范进行深层次的分析，以便更加全面的网络分析，有助于对复杂网络通信问题的排查。分析功能除了详细、直观的分析视图外，对通信中存在的问题显式提示，如通信的中断、报文格式错误、重要报文如遥控报文的提示等，方便运行维护人员快速的定位和分析通信中的问题。2.理论研究步骤
12、1）、对智能变电站实验室建设进行分析，提出建设方案；2）、对设备模型检测进行分析，提出检测功能及技术方案；3）、对通信服务及功能的实现及检测进行分析，提出检测功能及技术方案；4）、对网络通信记录分析系统进行分析，提出技术方案；5）、全面分析和总结实验室建设及检测需求，设计总体方案；6）、根据总体方案，进行设备配置、测试，以及检测工具的开发；7）、建设实验室，并提供各检测工具及设备；8）、撰写研究报告；9）、项目验收。3.理论研究和试验内容与项目总目标的因果关系通过对智能变电站建设，以及二次设备的模型、通信服务及功能的检测技术研究，并建立完善的检测平台，实现对各厂家二次设备的检测，帮助运行维护人
13、员直观、高效的进行二次系统设备及网络的功能、性能测试，快速定位、分析和诊断工程实施及运行维护中出现的复杂问题，提高了工作效率、培训效果，提升了相关专业技术人员的水平和智能变电站的检修、运行维护水平和科研实验等。4.主要研究及培训项目1电子式互感器与常规互感器的不同原理、试验方法。2电子式互感器与常规互感器一次电流转换二次电流的精度。3比较常规保护与智能保护的采样精度。4模拟同一条线路发生故障时，常规保护与智能保护的动作时间及动作逻辑的分析。5220kV及以下等级微机保护装置、测控装置接线及运行维护。6220kV及以下等级微机保护装置、测控装置及二次回路调试。7远动通道的安装、运行及故障排查。8
14、变电站综合自动化系统安装、调试、运行维护。9变电站综合自动化系统使用。10变电站综合自动化系统、远动系统异常及故障排查。11数字化继电保护装置原理、配置（ICD）、调试、接口及通信规约调试。12智能变电站合并单元原理、配置、功能调试、接口及通信规约调试。13智能变电站智能终端原理、配置、功能调试、接口及通信规约调试。14智能变电站GOOSE网络调试与检修。15智能变电站测控装置调试与检修。16智能变电站站内通信及网络设备调试与检修。17智能变电站后台监控系统的检修与调试。18智能变电站数据处理及远传数据调试。19智能变电站GPS的调试与检修。20智能变电站配置SCD文件的使用维护。四、技术原理
15、1.模型检测变电站配置语言（SCL）定义了IEC61850模型（ICD/SCD/CID）的格式规范、内容及扩展规则。SCL是基于XML标准的行业扩展，根据SCL定义的SCHEMA，大多数XML解析器都可以实现ICD/SCD/CID的格式良好性和SCHEMA合法性检测，其他的检测针对模型内容和工程实施规范。从XML角度，模型文件只是格式良好、SCHEMA合法的文件，但从IEC61850的角度，模型文件中的几乎每个节点内容都具有实际意义，更多的是根据名称和内容格式综合判断，以实现检测的目的，如虚端子规范定义了相关节点的名称和格式，就可以检测ICD/CID中虚端子的规范性；SCD中虚端子的信息更丰富
16、，按照标准/规范就可以检测二次回路虚端子的定义、连接，并输出。动态合法性检测基于标准定义的ACSI从装置获取模型，然后与静态模型比对。所使用的ACSI都是标准中规定为装置必须实现、支持的，因此使通用、合理的。2.IEC61850通信测试与模型的动态合法性检测类似，通信测试工具可以在线获取装置的模型。并按照SCL的定义形成模型树，为了使用的方便和关键技术的突出，会对模型树面向功能做一些调整。在测试工具和装置之间，通过对标准ACSI所定义的数据格式和服务流程的支持，实现大多数ACSI映射到MMS的读写服务的可能性。通信测试包括MMS/ACSI、GOOSE和SV。这些测试严格遵循标准定义，如通过标准
17、的ACSI实现遥控、定值操作、录波等操作功能，接收并分析装置上送的报告。在智能变电站中，GOOSE的可靠性尤为重要。为了传输的可靠性，GOOSE在稳定状态下以较长的周期发布，如果发生变化，马上发布，之后以较短的梯形时间周期发布（各厂家实现略有差异），直到稳定状态下的周期发布。这种发布机制是为了保证变化信息的及时传输，提高GOOSE的快速性和可靠性。另外，GOOSE基于VLAN和优先级的网络传输，同样是为了保证GOOSE的快速性。每个发布的GOOSE都有允许存活时间信息（类似于IP的TTL作用），订阅者根据该时间检查GOOSE通信中断。GOOSE报文中有状态序号和重发序号计数器，用于标识GOOS
18、E的状态和发布情况，如重发序号为0表示GOOSE变化，大于零表示为重发的报文。测试工具完整模拟GOOSE的发布机制，并对订阅的GOOSE按照同样的机制进行分析和检测。3.IEC61850服务器端通信服务模拟有时需要对监控系统等IEC61850客户端系统和设备进行对点和服务测试，或者进行雪崩试验测试网络负荷情况及客户端处理能力等。通常这些测试需要实际的间隔层设备和测试仪才能完成，雪崩测试则需要更多的设备。准备这样一个测试环境并不是很方便，往往是准备测试环境时间超出了实际测试的时间。因此，有必要对间隔层设备等服务器端通信服务进行模拟，并可以模拟置数，为上述测试提供方便的途径。IEC61850服务器
19、端通信服务模拟工具可模拟IEC61850服务器端的通信服务，进行雪崩测试，也可以用于验证各厂家模型文件（ICD/CID）的动态正确性；或者模拟信息、接受下行操作命令等，对IEC61850客户端进行对点和服务测试等。通过这些模拟功能，缩短工程调试周期，为工程实施带来最大便利。4.IEC61850通信记录分析在智能变电站中，对网络传输的可靠性要求很高。因此，通常会针对实际情况，划分多个物理子网络，记录仪对所有这些网络上的通信报文进行监视和记录，作为分析仪的原始报文数据。交换机是非共享式的报文交换，一个目的明确的报文只发往“目的”端口，而不是其他无关端口；“镜像”是指将一个端口的报文“复制”，发往另
20、一个端口（镜像口），需要通过交换机的镜像配置实现；原理上，交换机的一个或多个端口可以被镜像到其他一个或多个端口；很明显，复杂或过多的“镜像”会影响交换机性能；使用的交换机必须支持镜像功能。通过镜像后，所有报文就可以流经至记录仪的监视网口，但只有目的地址匹配（网卡地址，加入的组播，广播），网卡才接收，否则丢弃；因此，需要设置监视网口为“混杂”模式，是指什么报文都接收，是网卡的一个隐性配置功能。GOOSE和SV通常基于VLAN传输。VLAN，即虚拟局域网，是在物理网络上划分逻辑子网（VLAN），使得报文仅在需要的逻辑子网内传输，而不是整个物理网络；如果要接收多个VLAN的报文，就必须同时被划分在这
21、些VLAN中，VLAN的划分方式很多，由具体工程确定使用的划分方式。实际网络中，为了避免性能降低及网络风暴，报文总是在一个小范围传输，不可能从一个监视网口接收到所有报文。“监视”首先要让所有的网络报文到达监视网卡（端口镜像，VLAN划分），其次是让监视网卡接收这些报文（混杂模式）。实际安装配置时，根据变电站网络划分要求和网络流量，通过多个记录仪/监视网卡分散实现对所有报文的监视，即每个网卡只监视一部分网络报文。根据IEC61850通信过程的特点，信息点的类型定义和值通过不同的服务传输，即读定义和读值服务，写值也不含类型信息。而系统是被动监视，不参与变电站运行实体间的通信，也就无法通过服务获取读
22、写值报文中信息点的类型信息，导致应用分析无法给出值对应的类型信息，使得分析不是很清晰。可以根据IEC61850标准中已经定义的类型信息（如报告成员定义及其在报文中的组织方式，遥控类型结构定义等），分析输出报文中数据对应的类型信息；其他符合SCL规范，但又灵活定义的信息类型，可以通过解析静态模型，或动态服务（在安装调试时）获取，形成信息点路径与其类型映射关系配置，在分析时，由路径从配置中找到对应的类型定义五、项目完成情况工程实施前，杨振工作室人员都做了充分的准备工作，召集工作人员学习本工程施工方案，明确了本工程的工作任务、工作范围、危险点及控制措施，工作质量标准。工程施工中，每日开工前总工作负责
23、人和安全监督负责人召集全体工作人员开会，安排交代当日的工作及工作范围、危险点及防范措施及工作质量标准。总工作负责人和安全监督负责人认真监督检查安全与工作质量，由于检修工区工程前期做了大量充分的准备工作，加上总工作负责人和安全监督负责人通力指挥协调各班组间的紧密合作，得以确保本次工程顺利完成。第一阶段：2013年1月-3月，申请资金，完善智能电网实训室施工方案第二阶段2013年4月-8月，智能电网实训室建设及相关设备的安装、系统搭建、调试第三阶段：2013年9月- 10月，智能电网实训室试运行及相关制度、标准的建设第四阶段：2013年11月- 12月，智能电网实训室试组织专家、领导评估、验收。六
24、、资金使用情况（资金预算不确定）项目资金设备费计划 元，安装费资金计划 元，合计资金计划七、实训室主要特点和创新常规继电保护装置由于使用时间较长，工作人员对其原理、调试方法较熟悉，对二次回路故障排除思路清楚，但是智能继电保护在电网的使用时间较短，缺乏运维经验。工作人员在短时间内对其原理、调试方法不容易接受、精通，解决、处理及分析问题的能力较差，时间较长，大多依靠厂家来现场解决，人员培训需要去厂家培训，因此，建设智能化变电站继电保护实训室将会解决储多的问题，它的主要特点如下：a)能够满足三集五大体系建设后大检修、大运行继电保护检修、运维、远动、通信等专业技术人员培训。b)人员无需进厂培训，能做到
25、全员随时培训，减少人员的培训成本及培训周期。c)人员能在较短的时间内掌握能化变电站继电保护专业知识，紧跟新技术的步伐，熟练掌握新技术后能较快的处理、解决现场保护装置、通信、二次回路故障实际问题，降低电网、设备的隐患。d)解决现场无法完成的试验项目，在智能电网实训室模拟实完成，如：模拟同一条线路发生故障时，常规保护与智能保护的动作时间及动作逻辑的比较分析。e)可实现电子式互感器、与常规互感器一次电流转换二次电流的精度对比分析。f)满足全疆各相关单位专业人员培训需求。g)建设智能化继电保护实训室的创新之处在于：a)智能继电保护实训室是全疆首个智能化继电保护实训室，在全国也不多见。b)智能继电保护实
26、训室紧贴科技前沿，可尝试试验智能化设备的工作模式，智能化保护装置动作方式及新功能。c)智能继电保护实训室可建设一体化信息平台，实现设备控制、故障告警与综合分析、设备在线检测等功能。d)智能继电保护实训室可以进行联合多专业进行事故演习、技能竞赛。八、效益分析智能电网的发展有力于可再生能源的优化配置，同时大大降低能耗。在智能电网实训室建成后可以减低培训的成本、节省技术人员到厂家培训的时间、大大提高人员培训的效率、效果，而且能做到继电保护运维及通信、自动化、计量等专业人员的全员培训。满足科研人员的科研和有关实验的模拟实验和相关单位技术人员技能竞赛。还可以进行科研项目研究。九、成果应用和推广的途径通过
27、本项目的研究，最终建成智能变电站实验室，具备IEC 61850模型及通信服务一致性、虚端子、网络通信等方面的检测流程和手段，并根据实际工程应用及技术发展逐渐完善。通过建立的检测平台，在智能变电站的工程实施及推广应用中，对各厂家二次设备的模型、通信及功能的进行规范性和一致性测，以及故障复现、分析和定位；对二次系统的虚端子连线进行可视化测试，并对设备的功能和性能进行评估。实验室也可作为设计、工程实施和运行维护等环节工作人员，以及技术人员等培训和研究平台。随着新疆220kV智能化变电站即将年内投运，智能化变电站继电保护设备联调问题突显。建立智能变电站保护设备联调实验室，能够吸取以往智能化变电站联调过
28、程中的各种经验教训，避免出现繁杂、冗长的无头绪的调试局面。智能变电站实验室可以有效降低工程实施及运行维护的成本，促进智能变电站技术的推广及相关产品的完善，提高系统建设水平；实验室可以帮助运行维护人员直观、高效的进行二次系统设备及网络的功能、性能测试，快速定位、分析和诊断工程实施及运行维护中出现的复杂问题，提高了工作效率，提升了相关专业技术人员的水平和智能变电站的运行维护水平。测试平台与RTDS（或DRTDS）的结合，实现系统级行为仿真，通过测试及评估发现并消除潜在的问题，实现电网的安全稳定运行，降低大规模停电的风险。二次设备模型及二次回路虚端子连线测试，能够直观、方便的检测虚端子设计及连接是否
29、正确，检测出人为的疏漏，保证整个系统设计与配置信息的一致性，保障智能变电站的可靠和稳定。十、项目推广前景和价值智能变电站实验室作为厂家二次设备的模型、通信服务及功能的检测平台。并通过配置的二次设备，以及检测工具和设备，对相关工作人员和技术人员进行培训，以及对智能变电站新的技术和设备的研究和掌握。建成智能变电站实验室系统，配置主要常用的二次设备，具备小型但涉及全面的智能变电站规模，以及专用的测试设备和工具。具备对各种二次设备IEC 61850通信和功能检测试验，故障记录及分析，以及相关技术和设备的培训。实验室配置的二次设备包括数字化的保护/测控设备、过程层智能终端及合并单元、监控、远动、数字化故
30、障录波器、GPS、高性能安全稳定的网络交换机，能够接入数字和模拟的试验输入数据。实验室配置的检测用设备和工具主要包括模型检测工具、IEC 61850客户端测试工具、IEC 61850服务器端模拟工具、GOOSE发布/订阅模拟工具、虚端子连线测试工具、网络通信记录分析系统等。智能变电站实验室配置智能变电站实验室主要由两大部分组成：1.用于搭建完整的智能变电站实验室的系统和设备：监控系统、远动装置、保护装置、智能操作箱、合并单元、GPS对时装置、数字化录波器及交换机等2.用于检测的系统和设备：网络录波分析系统、模型检测工具、IEC61850客户端工具、IEC 61850服务器端模拟工具及GOOSE
31、模拟工具等实验室配置示意图配置清单实验变配置说明鉴于本次贵方要求，作为实验变，要求含双套配置，一套为智能220kV变电站标准配置，一套为常规220kV变电站配置。具体配置及报价如下：智能化设备数量单价总价常规保护数量单价总价母线保护CSC-150/E11818CSC-15011515全站共用测控CSI-200EA/E13.53.5CSI-200EA12.52.5220kV线路CSC-103B/E21836CSC-103B21530110kV线路CSC-163A/E11010CSC-163A18835kV线路CSC-211/E12.52.5CSC-21111.81.8电容器保护CSC-221A/E12.52.5CSC-221A11.81.8电抗器保护CSC-231/E133CSC-23112.52.5220kV测控CSI-200EA/E13.53.5CSI-200EA12.52.5主变保护CSC-326/E11515CSC-32611212远动CSC-1321166CSM-320E144监控后台（含硬件）CSC-2000(V2)智能一体化11010CS
