虛實結合的配電主站測試平臺設計

趙中華，艾紹偉，馮昊，何剛，朱軍紅

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

配電自動化系統主站對配電網中的架空線路、配電所、配電變壓器的遙測、遙信、告警等信息進行采集，通過工作站對采集到的數據進行分析和展示，同時通過監控畫面對配電網運行結構、設備運行狀態等進行實時監控。工作站可以對配電設備進行遙控操作，對故障進行隔離、負荷轉供等。在實際應用配網前，需要對配電主站的功能和性能進行測試驗證。由于配電網的特殊性，無法進行現場驗證，所以需要搭建實驗平臺對主站的功能和性能進行測試驗證[1]。

本文設計了一套虛實結合的配電主站實驗平臺，該平臺利用配電網中的實際終端、虛擬終端、實時數字仿真系統(RTDS)、云平臺、NTM等對主站系統的功能、性能、壓力、雪崩、饋線自動化(FA)等功能進行測試，驗證了平臺的可用性和有效性。同時驗證了平臺是否滿足國網電力科學研究院(以下簡稱國網電科院)入網檢測試驗的要求和配電網現場運行工況模擬的要求。

1 測試平臺架構

1.1 測試平臺設計分析

配電主站測試項目主要有功能測試、性能測試、壓力測試、雪崩測試、FA測試等。測試平臺的設計必須滿足所有測試項目的需求。配電主站的基本功能主要依賴配電終端實現，包括數據的采集、告警、開關的遙控、拓撲著色、狀態顯示等。測試平臺采用配電網饋線終端(FTU)、環網柜終端(DTU)、故障指示器來測試主站的基本功能。

主站的壓力和雪崩測試需要模擬多節點大數據，真實配電終端占地空間大，費用高，接線復雜，基本不可能實現。所以只能依靠虛擬終端來實現，測試平臺需要設計一套能滿足測試需求的虛擬配電終端[2]。

圖1 測試平臺框架

FA功能拓撲結構復雜，需要大量實時數據支撐，對時間指標要求高，可采用RTDS強大的建模功能來實現。

配電主站國網電科院檢測大綱中要求主站與60臺工作站連接。如果利用60臺計算機(PC)實現工作站的連接，投資成本大，場地要求高，操作不方便。因此測試平臺利用服務器搭建了云平臺，通過云平臺的虛擬技術，虛擬60臺工作站，解決了工作站連接數的測試需求。

多頁面瀏覽工具(WEB)采用現在廣泛應用的B/S架構并發工具louderrunning實現，歷史數據的統計和分析通過NTM實現。NTM能夠對10/100/1 000/10 000 M以太網的4條通道進行監視和數據捕獲，將捕獲的數據存儲在內部存儲盤(RAID)子存儲系統上，供用戶分析和調用。

1.2 測試平臺整體框架

根據上述分析，本次配電主站測試平臺整體構架如圖1所示。

測試平臺分為站控層和終端層，站控層由配電主站服務器、數據服務器、云平臺、NTM、前置服務器、工作站組成。終端層由真實配電終端和虛擬終端組成。

1.2.1 云平臺

測試平臺利用其虛擬技術對配電主站的工作站連接數進行測試驗證，云平臺的硬件系統由3臺華為服務器組成，軟件系統采用業界領先的虛擬化平臺VMware vSphere。VMware vSphere能夠通過虛擬化縱向擴展和橫向擴展應用，重新定義可用性和簡化虛擬數據中心，最終實現可用性高、恢復能力強的按需基礎架構，這是云計算環境的理想基礎[3]。

利用云平臺的虛擬技術，虛擬出60臺PC，通過在虛擬機上安裝工作站來驗證主站的工作站連接數。也可以應用云平臺的管理平臺對工作站進行刪減、并發操作等。

1.2.2 NTM

NTM是福祿克公司生產的專門對數據進行存儲和分析的工具。通過系統提供的4個監視口，可以對站控層、終端層、跨區數據等進行分類存儲。通過分析工具對存儲的數據進行對比分析。用來測試配電主站數據的可靠性，判斷主站數據是否有漏送、延時等問題，并對問題進行定位分析[4]。

1.2.3 配電終端

配電終端采用配電網最基礎的FTU、DTU、配電變壓器監測終端(TTU)、故障指示器，上送遙測、遙信、錄波信息，接收主站的遙控命令，驗證主站的基本功能。虛擬終端采用多線程的IEC 104數據傳輸規約(以下簡稱IEC 104規約)模擬源實現?？蓪崿F多終端大數據的模擬，數據可以手動觸發，也可自定觸發，觸發精度為毫秒級，滿足主站系統雪崩測試的要求。

1.2.4 RTDS

RTDS是電力系統廣泛應用的實時模擬系統，測試平臺利用RTDS的強大仿真能力，建模配電網一次模型，并用其中的故障模塊來實現配電網的故障模擬。故障信號通過RTDS的通信模塊模擬信號輸出卡(GTAO)輸出給前置系統，最終到達主站，觸發主站饋線自動化處理流程[5]。

2 測試平臺的通信

測試平臺網絡分為站控層網絡和終端層網絡，網絡之間通過千兆交換機進行連接，網線采用超六類網線，平臺網絡用單網連接。

2.1 RTDS與主站通信

RTDS模型建立以后，通過自帶的104模塊和 IEC 60870-5-104 數據傳輸協議(以下簡稱104協議)實現與前置系統之間的數據傳遞，如圖2所示。

圖2 RTDS與主站通信Fig.2 RTDS communicates with the master station

2.2 主站與終端通信

虛擬配電終端系統、真實配電終端、主站之間通過以太網進行通信，采用104協議進行相互之間的信息傳輸。

虛擬終端系統布置在PC上，終端的個數和發送的數據量取決于PC的性能。每個終端可以單獨設置虛擬IP和端口號，也可以共享一個IP，設置不同的端口號。終端提供豐富的設置界面，可以根據各種規約的終端參數、通道實時數據、遙信、遙測、遙控、遙調、事件順序記錄(SOE)系統的故障事件進行設置，實現多節點子站的接入。每臺虛擬終端可以靈活配置遙測、遙信、SOE數據的數量。

3 測試平臺的應用

3.1 壓力測試

根據國網電科院檢測大綱要求，主站需接入虛擬終端6 000個，每個虛擬終端每60 s 2個遙信、2個SOE,每10 s 80個遙測(浮點型)，試驗需要持續4 h。虛擬終端系統采用2臺PC，每臺PC模擬3 000個終端，每臺終端接入100個遙測、50個遙信和50個SOE[6-7]。NTM的2個端口分別捕獲虛擬終端系統發送的數據和主站接收到的數據，并存放在相應的文件中。

3.2 測試結果

壓力測試結束后，虛擬終端上送遙信變為288萬條，SOE 288萬條，遙測69 120萬條。通過NTM的統計功能，計算出虛擬系統所發出的數據是否與設置的數據量相等，如圖3所示。A端口為虛擬系統捕獲的數據，B端口為主站系統捕獲的數據。

圖3 NTM報文統計Fig.3 NTM packet statistics

根據上述結果可知。

(1)虛擬終端系統可以很好地模擬多節點大數據量，能夠滿足配電主站壓力試驗的要求。

(2)NTM海量數據存儲系統能夠正確地統計虛擬終端系統發送的數據。

(3)配電主站能夠接收模擬終端仿真配電網數據信息。

4 結束語

本文設計的配電主站測試平臺采用虛實結合的方法，利用RTDS強大的實時仿真能力和云平臺先進的虛擬技術，可以對配電主站的功能、性能、壓力、雪崩等進行仿真測試，測試平臺操作簡單、測試覆蓋面廣，具有可擴展性和實用性。