精准负荷控制系统测试方法的研究和应用
许继电气股份有限公司的研究人员张文、徐兴豫等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，精准负荷控制是特高压交直流电网系统保护的重要组成部分，通过对负荷资源的分类、分级、分区域管理，实现由调度直接发令对分类用户可中断负荷的实时精准控制，能避免大量对变电所或线路进行整体拉闸，将电网故障的社会影响降到最低，提升大电网故障防御能力。
为了保证精准负荷控制系统的稳定性和可靠性，在精准负荷控制系统投入使用前，需要对其进行充分的验证测试。本文针对精准负荷控制系统的特点，开发了一套模拟测试环境，该测试环境基于实际的软硬件架构，针对内部通信特点，研究测试方法，定制测试用例驱动，能够模拟满负荷运行下的各种运行工况，全面验证和考核精准负荷控制系统的功能性能，从而保证精准负荷控制系统的稳定性和可靠性。该测试方法已经在精准负荷控制系统的研发测试过程中得到了充分的应用。
随着我国电网规模的不断壮大，当前我国电网已进入跨大区、特高压、交直流混联运行的新阶段，电网运行管理变得更加复杂。为了保证供电的质量和电力系统的可靠性和经济性，电网调度中心必须实时准确地掌握整个系统的运行情况，及时进行分析并做出正确的判断和决策，必要时采取紧急措施，处理应急事故和异常情况，以保证电力的安全、可靠、有效供应。
精准负荷控制是特高压交直流电网系统保护的重要组成部分，主要用于统筹电网资源与负荷综合配置，实现电源、电网、用户负荷互济互动，提高电网特高压故障应急响应能力[1-3]。通过对负荷资源的分类、分级、分区域管理，实现由调度直接发令对分类用户可中断负荷的实时精准控制，能避免出现大量变电所或线路出现整体跳闸的情况，将电网故障的社会影响降到最低，提升大电网故障防御能力。
为了保证负荷控制系统的稳定性和可靠性，在负荷控制系统投入使用前，需要对其进行验证测试。目前变电站自动化系统中，对负荷控制系统的验证测试主要是通过搭建负荷控制系统的实际模型和仿真模拟，然后对其进行分析和验证。
这种方法虽然能够测试出负荷控制系统的性能，但是会耗费较大的时间和人力物力，需要的成本比较高。经过对精准负荷控制系统仿真和判别方法的研究[13-17]，为了充分验证精准负荷控制系统相关功能和性能，在前期智能变电站自动测试系统研究的基础上[6-11]，本文提供了一种精准负荷控制系统的测试环境和测试方法，用于解决现有技术中在对负荷控制系统进行测试时成本较高的问题，同时能够全面验证和考核精准负荷控制系统的功能性能，从而保证精准负荷控制系统的可靠性和稳定性。
1 精准负荷控制系统结构
精准负荷控制系统的结构如图1所示，包括协控总站、主站、子站和负控终端[4-5]，协控总站的主机通信连接主站的主机，一个主站的主机通信连接有8个子站的主机，每个子站的主机连接8个通信接口扩展设备，每个通信接口扩展设备连接30个负控终端。
各负控终端将相应的负荷量发送给对应的子站主机，子站主机再将负荷量发送给主站主机。当需要切除负荷时，协控总站的主机向主站主机发送切负荷指令，主站主机接收到切负荷指令后进行
图1 精准控制系统
计算分析，得出各子站主机需要切除的负荷量，并向各子站主机发送对应的切负荷指令和需要切除的负荷量。子站主机接收到切负荷命令和需要切除的负荷量时，通过对应的通信接口，控制负控终端切除相应的负荷量。
主站主机根据总站下发的切负荷总量命令合理分配每个子站需切层级及负荷量，按默认8个子站规模预设自定义控制字，用于设置子站切负荷优先级，从低到高对应1—8优先级，按照该顺序切子站负荷，根据子站上送的负荷信息，统计各优先级可切负荷量等信息用于切负荷策略并上送总站。
子站主机根据主站下发的切负荷总量按负控终端地址从低到高的优先级合理分配每个负控终端需切层级及负荷量，根据负控终端上送的负荷信息，统计各优先级可切负荷量等信息用于切负荷策略，并上送主站主机。
2 测试环境构成
测试环境中包含了测试装置、主站主机和子站主机，其中测试装置内设有协控主站模拟模块，子站主机模拟模块和负控终端模拟模块，构成了一个闭环测试系统，如图2所示。
图2 测试环境
2.1 协控总站模拟模块
协控总站模拟模块的通信接口用于通信连接待测负荷控制系统的主站主机，协控总站模拟模块用于向待测负荷控制系统的主站主机发送模拟切负荷命令，从待测负荷控制系统的主站主机接收反馈命令，并根据模拟切负荷命令和反馈命令对被测负荷控制系统主站主机的性能进行测试。
2.2 子站主机模拟模块
子站主机模拟模块的通信接口用于通信连接负荷控制系统的主站主机，子站主机模拟模块用于向待测负荷控制系统的主站主机发送模拟负荷量，接收待测负荷控制系统主站主机的控制命令，并对控制命令进行判别。
2.3 负控终端模拟模块
负控终端模拟模块的通信接口用于通信连接负荷控制系统的子站主机，负控终端模拟模块用于向待测负荷控制系统的子站主机发送模拟负荷量，接收待测负荷控制系统子站的切负荷命令，并将切负荷的模拟结果反馈给待测负荷控制系统子站主机。
3 测试用例设计
3.1 硬件特性分析
测试装置采用成熟的软硬件平台[12]架构进行设计，主要硬件结构如图3所示，中央处理器CPU带有4个2M的光纤接口和两个通信扩展设备。4个2M的光纤接口用于连接待测负荷控制系统的主站主机，中央处理器CPU通过以太网连接相应的通信扩展设备。
图3 硬件结构
3.2 协控总站用例编制
协控总站通过4个2M接口进行数据收发，通信方式见表1，地址码对应的是接收装置的地址，正常通信时，数据帧数据为0x5500+地址码，当需要切负荷时开始发送命令帧，命令帧的数据为0x9900+地址码。
在测试用例设计时，精准负荷控制系统主站主机和子站主机的测试码能够进行整定，最小值是0，最大值是255，当设置成0时表示该主站主机未实际投入使用。
根据不同测试条件，灵活控制命令码的发送时间，常用的是发送切负荷命令持续时间是1s。为了保证命令交互的可靠性，通信报文中设置了切负荷命令码和切负荷命令反码，协控主站发送的切负荷命令码一直为0x00，反码为0xFF；控制切负荷量表示要切多少负荷，若协控主站发送的控制切负荷量为0，则表示需要切掉全部的负荷。
表1 协控总站通信方式
3.3 子站主机用例编制
子站主机模拟模块通过8个2M口与主站主机通信，模拟待测负荷控制系统的子站主机。
模拟模块连接的8个2M通信接口，其数据都可以独立设置，接收和监视自动判别。正常通信时，数据帧数据为0x5500+地址码，发送帧号和通道状态可以通过整定或检查实际通信链路，根据设定的参数发送帧号和通道状态，模拟正常和异常数据对待测负荷控制系统主站主机的影响。
各层级数据通过界面能够分别进行整定和置数，对最大值、最小值等边界值进行模拟测试。子站主机模拟模块还能够接收主站发送的切负荷命令，根据发送的层级负荷量自动判断待测负荷控制系统主站主机切负荷命令的正确性。
3.4 100M光口用例编制
100M光口主要用于模拟负控终端数据收到，收发数据报文见表2，目的地址为被测精准负荷控制系统子站主机装置接收网口的MAC地址。源发地址为当前网口的MAC地址。以太网帧类型为自定义的类型0xEB90。报文长度为有效数据的总长度，从字节17开始到结束的长度。高速串口包个数表示该数据中包含多少个2M光串口数据，每一个100M口最多支持发送30个光串口数据。
板卡信息表示哪个板卡发送的数据。报文有效性信息用于识别报文打包或发送的错误标识：Bit0为报文错误标志，Bit1为CRC错误标志，Bit2为报文长度错误标志。第n包数据就包含了表2中定义的报文，每一次按照最大30包数据进行收发。
表2 100M光口收发数据报文
4 应用实例
精准负荷控制系统测试装置开发完成后，能够对精准负荷控制系统中单装置和整个系统的功能和性能进行测试，能够完成的测试项目如下：1）通信异常模拟测试；2）切负荷命令动作逻辑测试；3）策略闭锁功能测试；4）切负荷策略测试；5）切负荷系统仿真测试；6）整组响应时间测试；7）系统压力测试。
对精准负荷控制系统进行分析和研究后，逐步完善了测试用例和监视手段，在相关产品的研发测试过程中进行了充分的测试验证，保证了精准负荷控制系统功能和性能的稳定。
4.1 整组响应时间测试
精准负荷控制系统要求系统出现扰动后，防止出现直流系统的双极闭锁[16]，必须在很短时间内实现负荷的精准切除，防止电力系统出现震荡和更大的潮流转移，因此对主站主机、子站主机和负控终端的命令响应时间提出了严格的要求，要求每个装置在接收到控制命令后的响应时间应小于10ms。
通过图2所示的闭环测试系统，在协控总站发送切负荷控制命令时记录下命令发送时间，根据主站主机的反馈命令，自动记录下命令反馈时间，从而实现单装置命令响应时间的测试。根据测试结果，每个测试装置的命令响应时间均在10ms以内，一般终端断路器动作时间均在100ms左右，通信扩展装置的转发延时为微秒级，这样整个系统的动作时间可以保证在130ms内实现负荷的精准切除。
该测试系统通过与RTDS仿真系统结合进行了全系统的仿真测试，按照两个主站、4个子站和960个负控终端节点配合测试装置对主站主机、子站主机和负控终端的策略和响应性能进行了仿真验证。在满负荷运行环境下对整组动作时间进行了更深入的分析和测试，模拟各类故障和负荷转移时，主站主机和子站主机均能按照预设的策略进行精准负荷切除，测试结果与图2测试系统测试出的动作时间一致。
4.2 异常模拟测试
测试模块中提供了各类数据的整定和设置，能够通过界面或后台进行异常数据的模拟和验证，如策略功能异常闭锁逻辑：策略功能闭锁信号和策略功能状态信号为互斥关系，即策略功能失效时置上策略功能闭锁标志；反之，出现策略功能闭锁信号，则一定存在投入的策略功能失效。
对于策略功能含多个触发条件的情况，若存在任一触发条件不满足判据导致策略功能失效的情况即置上该动作策略功能闭锁状态。当装置检测到和总站通信通道异常、装置总功能闭锁和优先级设置错误时，则闭锁策略，并点亮策略闭锁灯。
4.3 系统压力性能测试
精准负荷控制系统应用过程中，对网络要求更高，不应出现部分网络异常数据导致整组响应时间性能降低。测试装置中的各个测试模块针对各类信息进行了优先级分配，能够在正常数据发送过程中模拟异常数据的发送，考核在不同网络环境下精准负荷控制系统的各类装置响应情况。
使用该测试系统进行网络压力性能测试时，研发初期的装置对异常处理不完善，经常会出现策略不正确或响应时间慢的情况，经过反复的验证测试，目前精准负荷控制系统中的异常处理和监视越发的完善，时间响应性能也更加的稳定，从而保证精准负荷控制系统在工程应用中稳定运行。
通过对精准负荷控制系统的研究和分析，搭建的测试系统和测试方案在精准负荷控制系统相关装置开发和完善过程中起到了重要作用，对精准负荷控制系统运行工况进行了充分的验证。
随着交直流混合电网融合度越来越高，对区域电网的安全稳定运行提出了更高的要求，使用该测试系统和测试方法能够全面仿真和模拟精准负荷控制系统的运行工况，及早发现和解决精准负荷控制系统相关产品可靠性和长时间运行下可能存在的问题，从而保证电网更加稳定的运行。