張婷娟，王　濤，黃　鷹

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力公司 伊春供電公司運(yùn)維檢修部，黑龍江 伊春 153000；2.濟(jì)南置真電氣有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.伊春市工程質(zhì)量監(jiān)督管理站，黑龍江 伊春 153000)

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智能變電站小電流接地選線裝置測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

張婷娟1，王濤2，黃鷹3

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力公司 伊春供電公司運(yùn)維檢修部，黑龍江 伊春 153000；2.濟(jì)南置真電氣有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.伊春市工程質(zhì)量監(jiān)督管理站，黑龍江 伊春 153000)

摘要：隨著智能變電站應(yīng)用，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置將成為變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。介紹了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的小電流接地選線裝置的特點(diǎn)以及總結(jié)了目前人工測(cè)試現(xiàn)狀，提出了以智能自動(dòng)化測(cè)試儀為主要平臺(tái)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。實(shí)際應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)對(duì)提高智能變電站小電流接地選線裝置的測(cè)試效率、規(guī)范選線裝置測(cè)試過程具有較高的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：IEC-61850；小電流接地；繼電保護(hù)測(cè)試；選線裝置

0引言

目前基于IEC-61850 標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并有迅速替代傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化技術(shù)的趨勢(shì)，并且已經(jīng)從500 kV、220 kV逐漸向110 kV、35 kV推進(jìn)。單相接地故障是配電網(wǎng)中出現(xiàn)概率最高的故障類型，快速準(zhǔn)確地選出故障線路對(duì)提高智能變電站的供電可靠性具有重要意義。對(duì)于電壓等級(jí)110 kV及以下等級(jí)的智能變電站，小電流接地選線裝置是智能變電站二次設(shè)備的重要組成部分。

常規(guī)變電站的小電流接地故障選線實(shí)現(xiàn)方案是所有線路的零序電流和母線的零序電壓通過二次電纜接入選線裝置，選線裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯及分析計(jì)算，選線結(jié)果上報(bào)綜自后臺(tái)或者調(diào)度中心。在智能變電站中二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是IEC-61850體系下的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，智能變電站大量采用光纜代替電纜。IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化通信方式，各個(gè)間隔的合并單元得到電子式互感器采集到的電壓電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過光纖傳送到交換機(jī)上，二次設(shè)備通過交換機(jī)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。對(duì)于小電流接地選線裝置來說，選線裝置只需具備一個(gè)光纖接口或者網(wǎng)口就可以獲取數(shù)據(jù)，并將分析處理后的選線結(jié)果通過另外一個(gè)光纖接口或者網(wǎng)口連接站控層網(wǎng)，并上報(bào)至綜自[1-2]。

傳統(tǒng)變電站對(duì)于小電流接地選線裝置的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一般采用繼電保護(hù)測(cè)試儀[3]進(jìn)行測(cè)試的方式。小電流接地選線裝置接入繼電保護(hù)測(cè)試儀輸入的多路電壓電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析判斷輸出結(jié)果。通過對(duì)結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證小電流接地選線裝置的功能。但是對(duì)于智能變電站，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀無法輸出符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信息，因此無法完成測(cè)試功能。

目前市場(chǎng)上己經(jīng)有數(shù)字化測(cè)試儀產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)思想遵循傳統(tǒng)繼電保護(hù)測(cè)試儀模擬故障的仿真算法，輸出上采用了光纖數(shù)據(jù)輸出取代了電氣量仿真，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間由GOOSE跳閘信號(hào)計(jì)算得出，其功能滿足基于IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)的普通繼電保護(hù)裝置測(cè)試的需要[4-7 ]。

但與傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置測(cè)試相比，數(shù)字化測(cè)試儀對(duì)繼電保護(hù)裝置的測(cè)試方法沒有發(fā)生大的變化，對(duì)于智能變電站小電流接地選線裝置的功能測(cè)試仍然無法滿足，需要進(jìn)一步改進(jìn)提高。

本文提出了一種智能變電站小電流接地選線裝置測(cè)試儀，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)基于IEC-61850-2標(biāo)準(zhǔn)的小電流接地選線裝置的功能性測(cè)試。

1小電流接地選線裝置測(cè)試的基本要求

目前，國內(nèi)繼電保護(hù)裝置檢測(cè)主要依據(jù)IEC60255系列標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14047國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。一般的繼電保護(hù)裝置從研發(fā)到使用一般要經(jīng)四個(gè)階段：研發(fā)測(cè)試、入網(wǎng)測(cè)試、生產(chǎn)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)四個(gè)過程[8]。

在研發(fā)測(cè)試階段，基于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)安全性考慮和嵌入式系統(tǒng)的特殊性，繼電保護(hù)產(chǎn)品測(cè)試極為嚴(yán)格，一般通過組建實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，對(duì)裝置進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)測(cè)試。在生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，測(cè)試任務(wù)主要是檢測(cè)裝置的硬件、動(dòng)作性能、保護(hù)功能以及其他一般性檢測(cè)項(xiàng)目。入網(wǎng)測(cè)試主要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功能和電磁兼容性能測(cè)試。

小電流接地選線裝置可以作為一般的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試。但是與其他保護(hù)裝置相比較，小電流接地選線裝置所需要的電氣量來自多個(gè)間隔。而且電氣量的設(shè)置與普通的保護(hù)相比除了單獨(dú)間隔的電氣量幅值相角的參數(shù)外，還存在電氣量相互之間的關(guān)系。這使得使用傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，無法真正對(duì)選線原理多樣的小電流接地選線裝置進(jìn)行功能性測(cè)試。目前國內(nèi)應(yīng)用的數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀功能主要是針對(duì)線路保護(hù)、主變保護(hù)等基礎(chǔ)類繼電保護(hù)裝置，存在的問題同傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀一樣，無法專門針對(duì)小電流接地選線裝置進(jìn)行功能性測(cè)試。

一般保護(hù)裝置的單體調(diào)試的項(xiàng)目包括遙信測(cè)試、模擬量測(cè)試、定值測(cè)試、壓板投退測(cè)試、保護(hù)錄波文件、保護(hù)告警、保護(hù)事件、網(wǎng)絡(luò)切換、網(wǎng)絡(luò)中斷、動(dòng)作邏輯測(cè)試和對(duì)時(shí)測(cè)試等[9]。但對(duì)于小電流接地選線裝置來講主要是模擬量測(cè)試和選線結(jié)果上報(bào)兩項(xiàng)。

對(duì)于基于EC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的智能變電站小電流接地選線裝置來講，已實(shí)現(xiàn)了模擬量信號(hào)網(wǎng)絡(luò)化傳輸。選線裝置通過光纖接口或者網(wǎng)口就可以獲取數(shù)據(jù)，并將分析處理后的選線結(jié)果通過站控層網(wǎng)上報(bào)至綜自。因此對(duì)于選線裝置測(cè)試的基本要求是自動(dòng)檢測(cè)其是否能夠正確的獲取報(bào)文并解析所需的電氣量信息，正確選線并將結(jié)果上傳至站控層網(wǎng)。

圖1　系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)圖

為了有效解決人工測(cè)試時(shí)因人工因素干擾帶來測(cè)試可靠性和測(cè)試效率低下，小電流接地選線裝置測(cè)試儀必須滿足以下基本要求:

(1)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化。所有測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試要求均由測(cè)試開發(fā)人員制定并且必須符合規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，測(cè)試執(zhí)行人員只能執(zhí)行測(cè)試流程不能修改測(cè)試流程。

(2)閉環(huán)性自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試執(zhí)行人員只需要導(dǎo)入配置信息，系統(tǒng)就能夠自動(dòng)選定測(cè)試方案，自動(dòng)設(shè)定測(cè)試項(xiàng)目、故障參數(shù)；測(cè)試結(jié)果判斷必須以裝置反饋信息和其他儀器返回信息作為判斷依據(jù)，形成閉環(huán)性測(cè)試。

(3)報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)在測(cè)試完成后能夠自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)格式的試驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)要求生成相關(guān)格式電了文檔。

(4)測(cè)試軟件智能化?？稍O(shè)置多種故障類型、接地時(shí)間等參數(shù)。對(duì)于生成的故障信息可以錄波重現(xiàn)，可與被檢測(cè)選線裝置的波形進(jìn)行比對(duì)?？山尤胝究貙泳W(wǎng)獲取報(bào)文形成閉合自動(dòng)檢測(cè)。

2系統(tǒng)架構(gòu)

智能變電站小電流接地選線裝置的測(cè)試儀采用對(duì)象化設(shè)計(jì)思想，按照模塊化設(shè)計(jì)模式，系統(tǒng)組成圖如圖2所示。測(cè)試儀主要包括配電網(wǎng)單相接地故障模擬模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、嵌入式系統(tǒng)主板處理模塊、人機(jī)交互模塊和通訊端口模塊；配電網(wǎng)單相接地故障模擬模塊一端與數(shù)據(jù)采集模塊連接，另一端與嵌入式系統(tǒng)主板處理模塊連接；數(shù)據(jù)采集模塊一端與配電網(wǎng)單相接地故障模擬模塊連接，另一端與嵌入式系統(tǒng)主板處理模塊連接；嵌入式系統(tǒng)主板處理模塊分別與配電網(wǎng)單相接地故障模擬模塊、數(shù)據(jù)采集模塊連接、人機(jī)交互模塊和通訊端口模塊連接。所述通訊端口模塊有2組網(wǎng)絡(luò)接口，一組通過網(wǎng)線與過程層網(wǎng)的交換機(jī)連接，另外一組通過網(wǎng)線與站控層網(wǎng)的交換機(jī)連接。

圖2　測(cè)試儀系統(tǒng)組成圖

配電網(wǎng)單相接地故障模擬模塊，由模擬零序網(wǎng)絡(luò)電路和模擬零序電源控制回路組成，其中模擬零序網(wǎng)絡(luò)電路由多路“Π”型等值線路模型首端連接組成，線路通過電流互感器二次側(cè)輸出接入數(shù)據(jù)采集模塊；模擬零序電源控制回路與嵌入式主板處理模塊連接。

嵌入式系統(tǒng)主板處理模塊硬件架構(gòu)由MCU模塊、DSP模塊和FPGA模塊組成。其中MCU模塊為核心控制單元，控制人機(jī)交互模塊、配電網(wǎng)單相接地模擬模塊和通訊端口模塊；DSP模塊為數(shù)據(jù)處理單元，接收處理數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)；FPGA模塊進(jìn)行報(bào)文處理。

人機(jī)交互模塊，可以設(shè)置故障線路、故障時(shí)間間隔、故障類型。MCU模塊將人機(jī)交互模塊的指令文件與獲取的選線結(jié)果比較，顯示檢測(cè)結(jié)果。

該系統(tǒng)是集控制、采集、處理、存儲(chǔ)、分析、顯示、打印為一體的小電流接地選線裝置專用測(cè)試平臺(tái)，其主要特點(diǎn)為:

測(cè)試儀設(shè)計(jì)原理先進(jìn)，輸出的電壓電流信號(hào)嚴(yán)格符合配電網(wǎng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電容電流分布特征及零序電壓變化特征?？梢阅M中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式；

可以模擬瞬時(shí)接地、永久接地、同條線路的間歇性接地、不同線路的相繼接地等故障類型。多臺(tái)測(cè)試儀器級(jí)聯(lián)可以測(cè)試不同段母線同時(shí)接地、變電站開閉所分層級(jí)聯(lián)、雙母線等多種運(yùn)行方式下的故障類型；

電壓電流信號(hào)輸出包括1段母線共4路電壓信號(hào)及12路饋線模擬零序電流信號(hào)。接入小電流接地選線裝置，方便地進(jìn)行單相接地測(cè)試試驗(yàn)。開關(guān)量接點(diǎn)有16對(duì)空接點(diǎn)輸出，8對(duì)空接點(diǎn)輸入；

裝置外接筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)進(jìn)行操作，方便快捷，性能穩(wěn)定。采用了大量先進(jìn)技術(shù)和精密元器件材料，并進(jìn)行了專業(yè)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因而裝置體積小、重量輕、功能全、攜帶方便，開機(jī)即可工作，流動(dòng)試驗(yàn)非常方便。軟件功能強(qiáng)大，可完成手動(dòng)設(shè)定自動(dòng)執(zhí)行工作，能方便地設(shè)定各種類型故障，進(jìn)行故障錄波，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，打印報(bào)告等；

接口完整。裝置帶有USB通訊口和網(wǎng)絡(luò)接口，可與計(jì)算機(jī)及其它外部設(shè)備通信。完善的自我保護(hù)功能，散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，硬件保護(hù)措施可靠完善。

3關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1暫態(tài)電氣量的產(chǎn)生

目前，大部分被動(dòng)式選線原理的接地選線裝置是利用接地故障產(chǎn)生的暫穩(wěn)態(tài)電氣量信號(hào)進(jìn)行選線。如圖3所示，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的等效網(wǎng)絡(luò)[10-11]。

圖3　消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障零序等效網(wǎng)絡(luò)

圖4　基本編碼規(guī)則

測(cè)試儀硬件架構(gòu)中的配電網(wǎng)單相接地故障模擬模塊就是根據(jù)零序等效網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行設(shè)計(jì)的。通過控制接地點(diǎn)零序電壓源可以進(jìn)行瞬時(shí)接地、永久接地及間歇性接地等故障的發(fā)生。每條線路流過的等效零序電流和等效母線零序電壓被采集模塊采集，按照IEC-61850的標(biāo)準(zhǔn)接入過程層，供被檢測(cè)選線裝置使用。

3.2基于IEC61850的信息接入

作為小電流接地選線裝置的通用化和智能化的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其系統(tǒng)本身必須具有良好的可擴(kuò)展性，必須適應(yīng)不同類型被測(cè)裝置。本系統(tǒng)中通訊端口模塊，具備61850規(guī)約接入和解析功能[12]，以滿足智能變電站選線裝置測(cè)試的需要。

IEC61850通訊協(xié)議第9部分定義2種采樣值傳輸技術(shù):單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路上的采樣值(簡稱IEC61850-9-1)和映射到ISO /IEC 8802一3的采樣值(簡稱IEC61850-9-2)。本測(cè)試儀只針對(duì)基于IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的小電流接地選線裝置。

IEC61850-9-2LE為IEC61850-9-2簡化版本，即互感器數(shù)字接口IEC61850-9-2應(yīng)用導(dǎo)則，主要目的是制定一個(gè)能快速將IEC61850-9-2應(yīng)用于工程的IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)子集。這個(gè)子集大大降低實(shí)現(xiàn)的難度。

IEC61850-9-2LE模型[13]只定義了4路電流量和4路電壓量共8路模擬量，實(shí)際工程中，一個(gè)間隔可能需要12路以上模擬量(IEC 60044-8定義，3路保護(hù)電流、3路測(cè)量電流、1路3I0，3路線路電壓、1路母線電壓)。這時(shí)需要擴(kuò)充模擬量通道數(shù)。9-2 LE明確的配置參數(shù)有IED名稱、MAC地址、額定頻率，實(shí)際工程還需要配置smvID，APPID，VID、優(yōu)先級(jí)等。對(duì)于小電流接地選線裝置來講，只需要1路零序電流量、1路母線零序電壓量即可。

IEC61850-9-2采樣值報(bào)文幀格式采用了基本編碼規(guī)則(BER)相關(guān)的ASN.1語法對(duì)通過ISO/IEC 8802-3傳輸?shù)牟蓸又敌畔⑦M(jìn)行編碼和譯碼?；揪幋a規(guī)則的主要編碼原理:基本編碼規(guī)則的轉(zhuǎn)換語法具有T-L-V(類型一長度-值)或者Tag-Length-Value(標(biāo)記一長度一值)三個(gè)一組的格式?；揪幋a規(guī)則如圖4所示。IEC61850-9-2采樣值報(bào)文APDU結(jié)構(gòu)見表1。

4結(jié)論

本文提出的智能變電站小電流接地選線裝置測(cè)試儀研制開發(fā)，解決了目前國內(nèi)尚無對(duì)智能變小電流接地選線裝置進(jìn)行檢測(cè)的問題，對(duì)規(guī)范智能變電站小電流接地選線裝置的基本功能，提升其整體性能提供了更好的方式與手段，為智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證。

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Intelligent Substation of Small Current Grounding Line Selection Device Test Instrument Research and Design

ZHANG Ting-juan1，WANG Tao2，HUANG Ying3

(1.Yichun Power Supply Company，Heilongjiang Yichun 153000；2.Ji’nan’s Electric Co.Ltd.，Shandong Jinan 250013；3.Yichun Engineering Quality Supervision Management Station，Heilongjiangg Yichun 153000)

Abstract：With intelligent substation applications，based on IEC61850 standard will become the development trend of relay protection device.This paper introduces the characteristics of small current grounding line selection device based on IEC61850 standard，and summarizes the present status of the manual test，put forward the intelligent automation test instrument as the main platform for the design of automatic test system.Practical application effect shows that the system is to improve the intelligent substation test efficiency，small current grounding line selection device specification line selection device testing process has higher use value.

Key words：IEC-61850；The small current grounding；Relay protection testing；Line selection device

中圖分類號(hào)：TM74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2016)01-0013-05

作者簡介：張婷娟(1981-)，女，吉林省長春市人，國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司伊春供電公司 工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化.

收稿日期：2015-12-10