基于IEC61850标准的合并单元性能测试

1、基于IEC61850标准的合并单元性能测试(Performance testing of Merging Unit based on the IEC61850 standard)杨永标（国电自动化研究院，江苏省南京市 210003）(Nanjing Automation Research Institute, Nanjing 210003,China)摘要：根据国电公司十一五规划关于建设数字化变电站的要求，我们和广东省电力试验研究所共同研制了基于IEC61850的标准的过程层设备合并单元(MU)，为了满足IEC61850标准对于设备互联操作的要求，我们根据IEC61850-10对于装置性能测试

2、部分的内容，提出了一套合并单元的性能测试方案。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.关键词：IEC 61850；合并单元；一致性测试；性能测试；测试方案 Keywords: IEC 61850；Merging Unit；Conformace Testing ；Performance Testing；Testing Scheme 0 引言近年

4、来，随着数字化变电站建设的呼声的日益高涨以及IEC61850标准的不断研究和推广，强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及技术发展和功能应用的可扩展性，强调设备数据模型标准、完整、规范，可实现间隔层设备和站级设备对过程层信息的共享。因此合并单元作为过程层主要设备是实现基于IEC61850标准的数字化变电站自动化系统的基础。广东省电力试验研究所提出了一种由传统变电站向数字化变电站过渡的方案，研究基于传统模拟PT、CT的合并单元作为过程层设备，推动基于IEC61850数字化变电站间隔层和站控层的应用，因此对合并单元的测试是实现基于IEC61850标准的变电站系统的重要保证。IEC61850-

5、10部分提出了变电站网络和系统进行一致性测试的内容，它涵盖了整个数字化变电站从过程层到站控层一致性测试的要求。其中对过程层设备合并单元进行功能测试也是一致性测试的一项重要内容。本文根据IEC61850-10部分测试标准和与广东省电力试验研究所提出的合并单元性能测试指标要求，提出了合并单元功能测试部分的具体方案，验证合并单元的性能指标。1 测试要求IEC61850-10部分提出的一致性测试的目的就是为了保证所有的供应商提供的设备遵守相应的要求，满足和其它设备互联并行的要求。智能设备性能的一致性测试就是对功能要求（静态测试）和变电站自动化系统内设备提供的典型应用性能要求的测试。表明能够满足DL/T

6、 860系列标准，用一定的方式可以和其它互联运行的能力。其中性能测试部分对变电站网络和系统的通信延时和时间同步和准确性提出了要求和测试方法框图。合并单元的性能测试也是其中的重要的组成部分。因此，本文参照IEC61850-10部分的内容，提出了针对合并单元性能具体测试方案。2 具体测试方案根据IEC60044-7/8和IEC61850-9-1等标准定义的合并单元主要功能就是同步采集三相电压和电流输出的信号并汇总，按照一定的数据格式输出给二次保护控制单元。因此，验证输出的数据是否时间同步，是否准确，是否超出二次保护控制单元容忍的通讯延时都是我们需要测试的内容。2.1 输出数据时间同步测试这一测试的

7、范围是检验合并单元事件通信时标的能力，一个准确的时标决定于几个分立的通讯功能。包括接收信号译码时钟准确度，包括接收对时单元的时间准备同步，状态量变化时合并单元的及时检出和时标数据的准确使用使用。2.1.1合并单元同步方式 本文中合并单元采用的同步时钟源由外部时钟源GPS时钟模块提供。GPS时钟模块提供装置同步对时的1PPS（秒脉冲信号）和GPS时标信号。1PPS在GPS信号有效的情况下误差最大不超过150ns，对应于交流量相角误差不大于0.0027o，能够为站内甚至广域范围内提供精确的同步对时精度，足以保证线路保护及差动保护对时精度的要求。即使在GPS失步的情况下，由于站内我们使用的是同一个G

8、PS对时模块，它首先保证了站内装置的绝对同步，如果需要广域范围的同步，我们使用恒温晶振对1PPS信号进行跟踪补偿技术，也能保证2小时广域误差不大于0.05ms，即交流量相角误差不大于0.9o。 图1合并单元对时及对外数据交换 Fig 1 Merging unit right time and exchange data 2.1.2 交流量采样值时间同步测试我们选用一台高精度示波器，将其中的第1路通道和合并单元接同一路交流源，将第2路通道采集由GPS同步对时装置提供的1PPM（分脉冲）信号，选择第2路通道为上升沿触发方式。合并单元将采样数据通过高速光纤以太网口输入到合并单元管理软件（利用Winc

9、ap捕获采样数据包，开发小组自己编写的进行采样数据分析处理的小软件），还原整分点处的采样点波形，我们通过示波器1PPM上升沿对应的时刻和交流量波形上升沿过零点处对应的时刻可以计算出交流量波形上升沿过零点相对于1PPM时刻角度,利用合并单元管理软件还原的整分处的采样波形，读取波形上升沿过零点与坐标轴零点的刻度可以计算出角度，角度-即为采样数据时间同步产生的角度误差。 图2 采样数据时间同步测试方案 Fig 2 The testing scheme of synchronization sample data我们通过多组实验可以得到，-<1o，即合并单元在GPS同步对时的方式作用下带来的角度

10、误差小于1o，完全满足二次保护控制单元的数据同步要求。2.1.3开关量时间同步测试 我们选用高精度示波器的第1路通道和合并单元同时测量一路开关量，将第2路通道仍采集1PPM，仍选择1PPM上升沿触发方式。选择开关量在整分处附近动作，合并单元管理软件读取检出合并单元上送数据包中开关量变化信息，将该数据包中的时标与整分的时标相减，得到T2，同时读取示波器上开关量上升沿与1PPM上升沿之间的刻度，转换成时间T1，T1-T2则为开关量时间同步误差。 图3开关量时间同步测试方案 Fig3 The testing scheme of synchronization switch我们通过多组实验可以得到，T

11、1-T2<=100us，说明合并单元在GPS同步时钟源的作用下对开关量变化能够及时检出，开关量时间同步误差满足二次保护控制单元的要求。2.2采样数据准确性测试这一测试主要是验证合并单元采样的数据是否准确，是否能够满足数字化变电站二次保护控制单元对采样精度的要求。将合并单元的采样数据通过高速光纤以太网口输入到合并单元上，利用傅列叶算法计算各个通道的电压、电流、有功、无功、功率因数等，比较各通道计算值与交流测试仪输入量之间的误差。 图4 采样数据准确性测试方案Fig4 The testing scheme of sample data veracity表1 以电压Ua为例试验结果Table

12、1 The testing result as the example of voltage phase A电压/次数测试仪（V）软件显示（V）相对误差（V）157.7457.71-0.03260.0059.98-0.02350.0050.040.04420.0019.97-0.0355.004.97-0.97我们经过多组试验，测量多路电压电流，有功无功量，均满足电力系统测量精度要求，说明此合并单元可以为二次保护控制单元提供准确的采样数据。2.3采样数据传输延时测试 根据IEC61850-10关于性能测试部分通讯延时测试的要求，要求发送的物理设备到接收的物理设备传输时间要满足一定的要求。广东省

13、电力试验研究所招标文件要求合并单元到二次保护控制单元的网络传输延时小于10ms,根据电力系统继电保护的速断性、安全性要求，采样数据以尽可能短网络传输延时送到二次保护测控单元对于保护电力设备和电力系统本身的安全有着十分重要的作用，所以对于测定采样数据包的传输延时对于鉴定合并单元的性能是一项十分重要的指标，本文提供两种测试方案。2.1方案一 利用接收到发送数据包的GPS时标信息在这一测试中，我们利用两台合并单元，一台作为发送装置（测试装置），一台作为接收装置。它们都需要GPS时钟准确对时，作为接收装置，我们一旦接收到发送装置整秒时刻（GPS时标中毫秒为0）发送来的采样数据包，我们就读取当前的GPS

14、时标中的毫秒信息。将多次传输的延时值进行平均，就是采样数据包的传输延时。 图5 传输延时测试方案一 Fig5 One of the testing scheme of transmission delay我们利用上述测试方案对合并单元进行测试，经过多次试验，我们测得发送装置到接收接收装置，最大网络延时0.6ms，平均延时为0.5ms。可以满足二次保护控制单元对采样数据传输极低延时要求。2.3.2方案二 利用闭环方式在这一测试中，我们将一台合并单元作为被测试装置，通过一台二次保护控制单元（也可以在另外一台合并单元中加入简单的保护算法）最为测试装置，我们将交流测试仪的交流量输入到合并单元，合并单元

15、将采样数据通过高速光纤以太网送给二次保护控制单元，当交流测试仪进入故障状态时，交流测试仪同时进行计数，二次保护控制单元反映故障量并开出节点，反馈给测试仪停止测试仪计数，测试仪读取的时间为T3,继电器节点的动作时间为T2，二次保护控制单元的反映故障量动作算法时间为T1，合并器单元传输时间延时则为T3-T2-T1。 图6 传输延时测试方案二Fig6 Another testing scheme of transmission delay我们利用上述测试方案对合并单元进行测试，经过多次试验，我们得到T3动作时间在12-18ms之间，考虑到继电器本身固有动作时间T2在10ms-15ms之间，算法本身运

16、算时间在1ms左右，那么传输延时最大不超过7ms，满足广东中试所对传输延时最大不超过10ms的要求。3 结论 我们在与广东省电力试验研究所联合研制的基于IEC61850标准的合并单元中采用了上面的测试方案，得到了专家的认可，对于研制过程中合并单元测试取得了预定的效果，满足各项技术指标。即使对于以后基于光PT、CT的合并单元也可以采用本文中的方式，对于今后数字化变电站过程层设备的性能测试可以提供一个很好借鉴方法。4 参考文献：1 IEC 61850变电站通信网络和系统系列标准,全国电力系统控制及其通讯标准技术委员会,2002。IEC 61850 Communication Networks an

17、d Systems in substations.CSBTS/TC82,2002.2 崔厚坤，汤效军，梁志成，何卫 IEC 61850一致性测试研究，电力系统与自动化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，刘万顺，杨奇逊，秦应力，任雁铭 变电站自动化过程层与间隔层串行通讯研究，中国电力 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，刘万顺，杨奇逊，秦应力 一种遵循IEC61850标准的合并单元同步的实现新方法 电力系统自动化 2004 New Method For Imeplementing The Sysnchronization Of Merging Unit A