李修金，黃 偉，袁宇波，鄧潔清，強(qiáng) 生，高 磊，張小易，崔曉祥

（江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司，江蘇南京211102）

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，目前國(guó)內(nèi)數(shù)字化變電站技術(shù)正得到越來(lái)越多的重視與關(guān)注，全國(guó)各地都積極開(kāi)展了數(shù)字化變電站建設(shè)的試點(diǎn)工程。近年來(lái)純光學(xué)互感器、IEEE1588時(shí)鐘同步、IEC61850-9-2組網(wǎng)等技術(shù)又有了新的突破，并獲得初步試用。與常規(guī)變電站試驗(yàn)測(cè)試相比，變電站內(nèi)的保護(hù)原理并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，更多的是信息傳輸方式及信息表達(dá)的變化，由于數(shù)字化新技術(shù)中如網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、XML信息配置、IEEE1588同步技術(shù)等，這些給變電站系統(tǒng)性能測(cè)試評(píng)估帶來(lái)了許多新的問(wèn)題，因此與常規(guī)變電站試驗(yàn)測(cè)試相比增加了很多新的測(cè)試內(nèi)容，但由于在一些方面還缺乏相關(guān)數(shù)字化測(cè)試規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)字化變電站性能如何進(jìn)行有效的測(cè)試還處于探索階段，結(jié)合蘇州東數(shù)字化間隔測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了在測(cè)試中遇到的一些問(wèn)題。

1蘇州東數(shù)字化間隔測(cè)試方案

500 kV蘇州東是國(guó)網(wǎng)公司的數(shù)字化變電站重點(diǎn)試點(diǎn)項(xiàng)目，全站三層統(tǒng)一采用IEC61850協(xié)議，保護(hù)、測(cè)控各自獨(dú)立組網(wǎng)，保護(hù)為單獨(dú)的雙星型網(wǎng)絡(luò)，測(cè)控單元按照光纖環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)。在蘇州東側(cè)選擇第一串500 kV線路進(jìn)行數(shù)字化的試點(diǎn)，過(guò)程層采用光CT，傳輸協(xié)議采用IEC61850-9-2，時(shí)間同步采用IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘協(xié)議。其三層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

光纖電流電流互感器（TA）采用獨(dú)立支柱安裝方式，母線穿過(guò)光TA敏感環(huán)，詳細(xì)配置如下：2組光TA，2個(gè)合并器，1臺(tái)測(cè)控裝置，智能操作箱2臺(tái)，故障錄波器1臺(tái)，1臺(tái)IEEE1588時(shí)鐘設(shè)備，本側(cè)數(shù)字化線路保護(hù)一套，對(duì)側(cè)線路保護(hù)一套。該套線路保護(hù)采用雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，每套線路保護(hù)中含2個(gè)主保護(hù)功能，分別接入各自的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)上分別有GOOSE、IEEE1588、SAV采樣值報(bào)文。

圖1蘇州東數(shù)字化間隔三層結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)字化光纖差動(dòng)保護(hù)來(lái)講其應(yīng)用環(huán)境與傳統(tǒng)保護(hù)相比中間傳輸環(huán)節(jié)增加，考核環(huán)境變化對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響對(duì)數(shù)字化光纖差動(dòng)保護(hù)來(lái)講就顯得尤為重要，為了充分模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，考核光纖差動(dòng)保護(hù)在各種情況下工作的可靠性，圍繞蘇州東數(shù)字化間隔需求，搭建如下測(cè)試環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2蘇州東數(shù)字化間隔整體測(cè)試方案圖

2數(shù)字化間隔試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

數(shù)字化間隔測(cè)試主要進(jìn)行了以下內(nèi)容的試驗(yàn)：

（1）IEC61850通信模型、服務(wù)及配置測(cè)試；

（2）光學(xué)電流互感器精度、可靠性、極性測(cè)試；

（3）IEEE1588時(shí)鐘同步性能及影響測(cè)試；

（4）網(wǎng)絡(luò)安全與性能測(cè)試；

（5）數(shù)字化保護(hù)測(cè)試；

（6）數(shù)字化測(cè)控測(cè)試；

（7）數(shù)字化故障錄波測(cè)試。

2.1 IEC61850通信模型、服務(wù)及配置測(cè)試

本次數(shù)字化間隔集中了多個(gè)廠家的設(shè)備，由于都基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，且都通過(guò)相關(guān)測(cè)試認(rèn)證，所以通信能夠?qū)崿F(xiàn)快速的互操作。但也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在[1]：

（1）裝置的模型與服務(wù)不完全符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化變電站工程化實(shí)施技術(shù)規(guī)范》與國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《IEC 61850工程應(yīng)用模型》。

（2）各個(gè)廠家對(duì)某些服務(wù)細(xì)節(jié)理解存在差異，比如軟壓板的SBOw控制失敗，并能返回相應(yīng)額外原因值各不不統(tǒng)一。

（3）裝置配置文件中的描述信息與實(shí)際功能以及通過(guò)IEC61850客戶端三者讀出各不匹配，描述信息與功能信息不一致。如定值可設(shè)置的最大最小值。

（4）多個(gè)廠家配置文件缺乏有效統(tǒng)一管理，多基于手工修改與拷貝，無(wú)法有效地進(jìn)行配置文件版本跟蹤及管理。

2.2 光學(xué)互感器精度、可靠性、極性測(cè)試

500 kV蘇州東數(shù)字化間隔采用的是純光纖電子式互感器，光纖互感器由光纖傳感頭、前置采集模塊、合并單元組成，在結(jié)構(gòu)上、原理上與傳統(tǒng)的互感器截然不同?；ジ衅鱾鞲蓄^與前置采集模塊之間采用保偏光纖連接，這一段光纖的要求很高，任何振動(dòng)、擠壓等因素都有可能影響互感器的性能，甚至正常工作，因此需要對(duì)這種互感器各個(gè)組成環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試與分析，測(cè)試內(nèi)容主要針對(duì)互感器的精度、可靠性、極性進(jìn)行了比差、角差試驗(yàn)，光纖可靠性試驗(yàn)，極性試驗(yàn)。

光纖互感器存在固有的毛刺電流，但毛刺電流大小固定，約為10 A。當(dāng)互感器一次電流較小時(shí)，毛刺電流很明顯，甚至湮沒(méi)真實(shí)電流；當(dāng)互感器一次電流較大時(shí)，毛刺電流不明顯，互感器的輸出逐漸與標(biāo)準(zhǔn)源的波形吻合。（圖3～5中紅色波形為互感器數(shù)字量輸出，白色波形為升流器二次輸出，綠色波形為上述2個(gè)波形的差。

光纖互感器的光纖環(huán)與前置采集模塊之間采用保偏光纖連接，該段保偏光纖的性能對(duì)外部應(yīng)力變化、溫度變化、振動(dòng)等比較敏感。由圖6，7可以看出，在保偏光纖受到擠壓或歪捏時(shí)，互感器數(shù)出會(huì)發(fā)生

嚴(yán)重畸變。甚至在用力捏保偏光纖時(shí)會(huì)出現(xiàn)采樣值無(wú)效的現(xiàn)象，這對(duì)光纖互感器現(xiàn)場(chǎng)安裝、運(yùn)行提出了較高要求。

圖8為本次互感器極性校驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖，采用Doble測(cè)試儀給互感器時(shí)間直流電流，電流從互感器標(biāo)有P1的一端穿入，P2端穿出。為了得到更大的一次電流，一次導(dǎo)線仍然在光纖環(huán)上繞10圈。采用互感器數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接收互感器的9-2數(shù)據(jù)，實(shí)施顯示波形，從而根據(jù)波形與一次施加的直流電流判斷互感器極性。

2.3 IEEE1588時(shí)鐘同步性能及影響測(cè)試

試驗(yàn)分別引出 MU5011、MU5012、PCS931保護(hù)裝置內(nèi)部芯片中的秒脈沖信號(hào)，通過(guò)多路示波器記錄各裝置的同步秒秒沖與1588主鐘同步秒脈沖之間的時(shí)間差。分以下幾種情況記錄測(cè)試結(jié)果：

（1）在正常工作方式下的秒脈沖的時(shí)間差以及隨著時(shí)間變化的趨勢(shì)。

（2)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行風(fēng)暴測(cè)試，考核在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴情況下，各裝置秒脈沖時(shí)間差的變化趨勢(shì)。

（3)測(cè)試最優(yōu)時(shí)鐘選擇與切換，在IEEE1588主鐘切換過(guò)程中對(duì)合并器及保護(hù)的影響[2]。

（4）測(cè)試不同廠家交換機(jī)對(duì)IEEE1588的支持及時(shí)鐘同步性能。

各裝置脈沖同步比對(duì)見(jiàn)圖9。

圖9各裝置脈沖同步比對(duì)

經(jīng)過(guò)測(cè)試表明在正常工作情況下，合并單元秒脈沖時(shí)間差的變化范圍為-340～-130 ns，另PCS931保護(hù)測(cè)試結(jié)果類(lèi)似，都能滿足在1 μs以內(nèi)的同步精度要求。

測(cè)試了合并器在失去IEEE1588主鐘的情況下，大致5 min后發(fā)出1PPS告警，采樣值置為失步，合并器具有一定的守時(shí)功能，在約45 min后合并器偏差可達(dá)到8 μs以上。另PCS931保護(hù)沒(méi)有守時(shí)功能。

在最優(yōu)主鐘選擇切換（BMC）測(cè)試中將2臺(tái)主鐘接入交換機(jī)，測(cè)試自動(dòng)切換能力，測(cè)試表明在切換的過(guò)程中，合并器可能導(dǎo)致調(diào)整瞬間切換過(guò)大超過(guò)1 μs以內(nèi)的要求，因此在合并器從鐘跟蹤最優(yōu)主鐘切換與IEEE1588時(shí)鐘恢復(fù)時(shí)刻調(diào)整方式合并器、保護(hù)裝置應(yīng)基于統(tǒng)一的基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

另外通過(guò)增加了SmartBit增加網(wǎng)絡(luò)流量，測(cè)試對(duì)IEEE1588同步性能的影響，測(cè)試結(jié)果表明某廠家IEEE1588主鐘在20M流量下無(wú)法正常工作出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)。

2.4網(wǎng)絡(luò)安全與性能測(cè)試

數(shù)字化變電站中網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的性能及安全影響較大。構(gòu)建了通過(guò)SmartBits增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷流量進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)設(shè)置自動(dòng)發(fā)送Ethernet報(bào) 文 、ARP 報(bào) 文 、IP 報(bào) 文 、TCP 報(bào) 文 、IEEE1588、SMV報(bào)文、MMS報(bào)文模擬測(cè)試對(duì)各類(lèi)性能的影響。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試示意圖見(jiàn)圖10。

圖10網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測(cè)試示意圖

通過(guò)將SmartBit的2個(gè)端口分別連接到被測(cè)交換機(jī)上，網(wǎng)絡(luò)廣播流量從測(cè)試儀的1號(hào)端口發(fā)出，經(jīng)過(guò)被測(cè)交換機(jī)的2個(gè)端口后回到測(cè)試儀的2號(hào)端口，從而測(cè)試比較發(fā)出報(bào)文與收到的報(bào)文的數(shù)量就可得出交換機(jī)的吞吐率，同時(shí)也可得出被測(cè)交換機(jī)對(duì)于廣播的抑制率。

通過(guò)各廠家典型保護(hù)與測(cè)控裝置發(fā)送不同格式、不同流量的報(bào)文測(cè)試各個(gè)裝置對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的承受能力，測(cè)試表明有些廠家設(shè)備受網(wǎng)絡(luò)流量增加影響較大，易引發(fā)無(wú)法ping通、裝置死機(jī)、無(wú)法正常工作的現(xiàn)象。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)了測(cè)控組成的環(huán)網(wǎng)，比較容易引起環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴，發(fā)生風(fēng)暴后只有所有裝置重啟后才能恢復(fù)正常。

測(cè)試了光纖通道疊加延時(shí)測(cè)試與疊加誤碼測(cè)試；通過(guò)光纖延時(shí)測(cè)試裝置，測(cè)試兩側(cè)在不同的通道延時(shí)情況下的差動(dòng)電流。

通過(guò)光纖誤碼發(fā)生器，疊加不同的誤碼，觀察差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作行為?？己搜b置誤碼檢測(cè)機(jī)制、告警機(jī)制及閉鎖邏輯的正確性。

2.5數(shù)字化保護(hù)測(cè)試

數(shù)字化保護(hù)測(cè)試內(nèi)容主要包括考核數(shù)字化光纖差動(dòng)保護(hù)在兩側(cè)電流相對(duì)相位不同情況下，兩側(cè)裝置計(jì)算差動(dòng)電流、制動(dòng)電流的正確性；考核數(shù)字化光纖差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間、采樣值精度是否滿足要求；模擬被保護(hù)線路區(qū)內(nèi)外發(fā)生各種類(lèi)型的瞬時(shí)性故障、永久性故障、轉(zhuǎn)換性故障、發(fā)展性故障以及系統(tǒng)振蕩、系統(tǒng)振蕩中發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障等，測(cè)試各故障下動(dòng)作性能。

繼電保護(hù)、智能單元的網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)系到保護(hù)的動(dòng)作速度，試驗(yàn)中針對(duì)500 kV線路保護(hù)間隔在一定網(wǎng)絡(luò)流量背景下進(jìn)行動(dòng)作性能的測(cè)試。

測(cè)試中保護(hù)裝置、智能單元按照變電站實(shí)際運(yùn)行情況連接，通過(guò)間隔交換機(jī)進(jìn)行GOOSE通信；保護(hù)裝置的采樣數(shù)據(jù)由繼保測(cè)試儀提供；用模擬斷路器代替真實(shí)的斷路器開(kāi)關(guān)，動(dòng)作返回接點(diǎn)經(jīng)過(guò)智能單元的GOOSE返回到交換機(jī)；網(wǎng)絡(luò)背景流量由SmartBits通過(guò)間隔交換機(jī)加入被測(cè)系統(tǒng)中，保護(hù)動(dòng)作性能由繼保測(cè)試儀通過(guò)GOOSE返回接點(diǎn)而獲得，測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11保護(hù)動(dòng)作性能測(cè)試示意

2.6數(shù)字化測(cè)控測(cè)試

對(duì)數(shù)字化測(cè)控完成了遙測(cè)量精度、硬開(kāi)入與Goose開(kāi)入等遙信結(jié)果比對(duì)，合閘回路功能、斷路器操作回路功能測(cè)試驗(yàn)證。

2.7數(shù)字化故障錄波測(cè)試

蘇州東變電站側(cè)配置一臺(tái)500 kV故障錄波器，為數(shù)字化間隔保護(hù)錄波分析專(zhuān)用。專(zhuān)用故障錄波器接入來(lái)自合并單元的TA/TV數(shù)字量，以及第三套保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的開(kāi)關(guān)量。故障錄波裝置采用獨(dú)立網(wǎng)口分別與2個(gè)MMS網(wǎng)、1個(gè)SAV網(wǎng)、2個(gè)GOOSE網(wǎng)直接連接。

按圖2系統(tǒng)驗(yàn)證在各類(lèi)情況下保護(hù)動(dòng)作情況，驗(yàn)證數(shù)字化故障錄波能準(zhǔn)確地記錄故障前后過(guò)程的各種電氣量的變化情況，支持IEC61850-9采樣傳輸。能滿足對(duì)這些電氣量的分析、比較，對(duì)分析處理事故，判斷保護(hù)是否正確動(dòng)作。

另對(duì)數(shù)字化過(guò)程層采用實(shí)時(shí)報(bào)文監(jiān)測(cè)裝置來(lái)監(jiān)測(cè)合并器、IEEE1588時(shí)鐘、保護(hù)裝置等交互報(bào)文的正確性。先后在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)諸如采樣值序號(hào)不連續(xù)、交換機(jī)駐留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、交換機(jī)IEEE1588互操作存在理解不一致等問(wèn)題。

3對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題思考

按照江蘇電網(wǎng)“十二五”和“十三五”規(guī)劃，結(jié)合變電站智能化規(guī)劃進(jìn)程，今后幾年基于數(shù)字化變電站技術(shù)的智能變電站建設(shè)將得到進(jìn)一步加快。綜合以上試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的一些問(wèn)題，認(rèn)為今后在數(shù)字化變電站建設(shè)與技術(shù)方案選擇上應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)加強(qiáng)IEC61850一致性互操作性試驗(yàn)測(cè)試；IEC61850建模應(yīng)遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，對(duì)未有規(guī)范的模型應(yīng)進(jìn)一步制定相關(guān)的建模規(guī)范。

（2）對(duì)各個(gè)廠家配置文件應(yīng)考慮基于統(tǒng)一平臺(tái)下進(jìn)行有效管理；應(yīng)實(shí)現(xiàn)版本的可跟蹤維護(hù)，確保配置描述信息與裝置實(shí)際功能一致。

（3）對(duì)組網(wǎng)方案的技術(shù)選擇應(yīng)充分論證選擇；根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，各裝置之間的采樣值SV、跳閘GOOSE應(yīng)采用“直采直跳”方式[3，4]，蘇州東數(shù)字化間隔方案中采用采樣值、GOOSE跳閘、IEEE1588三網(wǎng)合一的方案。作為數(shù)字化試點(diǎn)工程，該站方案也不失為一次有益的探索。

（4）有必要引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商配置簡(jiǎn)化，以便于今后工程維護(hù)；網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)后對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員網(wǎng)絡(luò)有了非常高的要求，減少對(duì)設(shè)備廠家的依賴(lài)。

（5）IEEE1588技術(shù)應(yīng)用還需要進(jìn)一步長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證其穩(wěn)定性；國(guó)網(wǎng)公司《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》與江蘇省電力公司《220 kV數(shù)字化變電站技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定保護(hù)裝置應(yīng)不依賴(lài)于外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能[3，4]，但當(dāng)前IEEE1588應(yīng)用方案明顯依賴(lài)于GPS衛(wèi)星，測(cè)試表明模擬外部GPS信號(hào)丟失，保護(hù)功能將受到影響。

[1]IEC61850 Communication Networks and Systems in Substations[S].2003.

[2]IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2008.

[3]國(guó)家電網(wǎng).智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].2009.

[4]江蘇省電力公司.220 kV數(shù)字化變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].2009.