凌 光，儲(chǔ)祥國(guó)，張秀鋒，謝 駿

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

基于系統(tǒng)測(cè)試觀點(diǎn)的智能變電站與傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)比較研究

凌 光，儲(chǔ)祥國(guó)，張秀鋒，謝 駿

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

針對(duì)智能變電站與傳統(tǒng)變電站內(nèi)繼電保護(hù)系統(tǒng)存在的差異，從系統(tǒng)測(cè)試的角度對(duì)兩者及其測(cè)試方法進(jìn)行了比較研究。首先對(duì)傳統(tǒng)變電站和智能變電站內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，比較兩者在結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)和區(qū)別點(diǎn)，指出它們的內(nèi)在聯(lián)系。然后把2種保護(hù)系統(tǒng)視為2個(gè)被測(cè)對(duì)象，從結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行分解，分別得到各自最小的被測(cè)單元。遵循先單體后整體的原則，建立2種保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)試體系。最后通過(guò)比較研究，揭示智能變電站和傳統(tǒng)變電站測(cè)試思路上的繼承性，同時(shí)舉例說(shuō)明了智能變電站中特有的測(cè)試項(xiàng)目以及測(cè)試原理，便于測(cè)試人員理解和掌握。建立了傳統(tǒng)變電站和智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的橋梁，為全面推廣智能站保護(hù)測(cè)試方法提供了新的思路。

智能變電站；傳統(tǒng)變電站；繼電保護(hù)；系統(tǒng)測(cè)試；比較研究

0 引言

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站目前已廣泛普及，預(yù)示著傳統(tǒng)變電站和智能變電站在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將共同存在。智能變電站中網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸模式和便捷的數(shù)據(jù)共享，使得智能告警、分析決策、支撐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與控制等高級(jí)應(yīng)用成為可能[1]。智能變電站的測(cè)試方法，也與傳統(tǒng)變電站有很大區(qū)別[2]，對(duì)習(xí)慣于常規(guī)繼電保護(hù)測(cè)試的工作人員而言，也是不小的挑戰(zhàn)。針對(duì)智能變電站繼電保護(hù)的測(cè)試方法，現(xiàn)階段已有不少研究成果，主要研究方向是集成測(cè)試和自動(dòng)化測(cè)試[3-4]，但出于安全性考慮，此類測(cè)試方法很難在現(xiàn)場(chǎng)獲得實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]提出了智能變電站繼電保護(hù)的一種新的架構(gòu)形式，即保護(hù)裝置的就地化。但是上述變電站新的架構(gòu)形式必然要求新的測(cè)試方法，對(duì)日后的運(yùn)維工作又是一種挑戰(zhàn)。

無(wú)論繼電保護(hù)采用何種形式實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)在邏輯和外在功能是不變的。本文從系統(tǒng)測(cè)試的角度，通過(guò)對(duì)以保護(hù)裝置為核心的繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，揭示傳統(tǒng)變電站和智能變電站中繼電保護(hù)的內(nèi)在一致性，系統(tǒng)地比較傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護(hù)在系統(tǒng)測(cè)試上的異同，旨在幫助調(diào)試人員更好地理解智能變電站保護(hù)原理，并順利掌握當(dāng)前乃至下一代智能變電站中繼電保護(hù)的系統(tǒng)測(cè)試方法。

1 繼電保護(hù)系統(tǒng)建模

繼電保護(hù)系統(tǒng)用于保護(hù)電網(wǎng)的安全，與一般的被測(cè)系統(tǒng)相同，保護(hù)系統(tǒng)也是由信號(hào)采集模塊（包括模擬量和數(shù)字量）、運(yùn)算決策模塊和決策執(zhí)行模塊組成[6]。以圖1為例，傳統(tǒng)變電站的保護(hù)系統(tǒng)由互感器（模擬量采集）、保護(hù)裝置（運(yùn)算決策以及電平信號(hào)采集）和斷路器（決策執(zhí)行）組成。

圖1 傳統(tǒng)變電站保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)變電站內(nèi)，電流/電壓互感器采集的模擬電量經(jīng)過(guò)電纜傳輸至保護(hù)及測(cè)控裝置的模擬量采集模塊；反映斷路器狀態(tài)的一些電平信號(hào)也通過(guò)電纜傳輸至保護(hù)測(cè)控裝置的開入模塊。保護(hù)裝置根據(jù)這些采集量進(jìn)行邏輯運(yùn)算，若滿足動(dòng)作、告警或閉鎖條件，則輸出相應(yīng)的信號(hào)至操作箱、測(cè)控裝置以及故障錄波器。操作箱根據(jù)接收到的保護(hù)裝置命令，實(shí)現(xiàn)跳閘、合閘或者閉鎖重合閘功能，從而實(shí)現(xiàn)故障隔離。

智能變電站內(nèi)，保護(hù)系統(tǒng)同樣可以分為信號(hào)采集模塊、運(yùn)算決策模塊和決策執(zhí)行模塊3部分，只是執(zhí)行該項(xiàng)功能的裝置以及裝置間傳遞信號(hào)的形式發(fā)生了變化（如圖2所示）。與傳統(tǒng)變電站不同，智能變電站模擬量采集功能由就地合并單元完成，而非保護(hù)裝置中的采樣模塊；傳統(tǒng)變電站的操作箱功能，在智能站中都下放到就地的智能終端執(zhí)行。此外，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸替代了傳統(tǒng)的電信號(hào)傳輸，保護(hù)裝置至測(cè)控裝置、故障錄波器以及其他間隔的信號(hào)，都經(jīng)過(guò)交換機(jī)組網(wǎng)傳輸；為了監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)健康狀況，智能變電站中還增加了網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

圖2 智能變電站保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

忽略系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)節(jié)，單從保護(hù)系統(tǒng)外部特性和功能來(lái)看，智能變電站和傳統(tǒng)變電站并無(wú)區(qū)別，即兩者對(duì)電網(wǎng)的同一個(gè)異?，F(xiàn)象將產(chǎn)生相同的響應(yīng)。另一方面，即便考慮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，若只關(guān)注信息流內(nèi)容而非信息形式和信息駐留地點(diǎn)，則智能變電站和傳統(tǒng)變電站的內(nèi)涵是一致的。

2 系統(tǒng)測(cè)試原理應(yīng)用于保護(hù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測(cè)試基本原理

系統(tǒng)測(cè)試是針對(duì)整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行的，目的是驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足了需求規(guī)格，找出與需求規(guī)格不符甚至是矛盾的地方，從而提出更加完善的方案。系統(tǒng)測(cè)試一般包含單體測(cè)試和整體測(cè)試2部分，主要內(nèi)容包括功能性測(cè)試和健壯性測(cè)試。功能性測(cè)試，即測(cè)試系統(tǒng)的功能是否正確，其依據(jù)是功能定義。由于正確性是系統(tǒng)最重要的質(zhì)量因素，所以功能測(cè)試必不可少。健壯性測(cè)試，即測(cè)試系統(tǒng)在異常情況下能否正常運(yùn)行的能力。健壯性包括容錯(cuò)能力和恢復(fù)能力2層含義。在特定情況下，系統(tǒng)需具備容錯(cuò)能力。而恢復(fù)測(cè)試作為一種系統(tǒng)測(cè)試，主要關(guān)注導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失敗的各種條件，并驗(yàn)證其恢復(fù)過(guò)程能否正確執(zhí)行。

系統(tǒng)中任意一項(xiàng)子功能或整體功能的測(cè)試流程如圖3所示。系統(tǒng)測(cè)試要測(cè)試到所能分解的最小子系統(tǒng)，再對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，排除問(wèn)題，直至所有子系統(tǒng)測(cè)試通過(guò)后，再進(jìn)行整體測(cè)試（包含單體間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)測(cè)試）；若整體功能符合預(yù)期定義，則說(shuō)明測(cè)試成功，否則需要不斷排除測(cè)試中碰到的問(wèn)題，直至系統(tǒng)功能達(dá)到預(yù)期要求。

圖3 任意系統(tǒng)的一般性測(cè)試流程

2.2 保護(hù)系統(tǒng)功能分解

對(duì)于傳統(tǒng)變電站而言，主要針對(duì)由互感器、保護(hù)裝置、操作箱和斷路器組成的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；而對(duì)于智能變電站，主要針對(duì)由互感器、合并單元、保護(hù)裝置、智能終端和斷路器組成的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。整體測(cè)試方面，由于智能變電站的信號(hào)采集源端是電信號(hào)，最后輸出至斷路器的跳合閘信號(hào)也是電信號(hào)，和傳統(tǒng)變電站一致，因此整組試驗(yàn)兩者完全一致，區(qū)別僅在于單體間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)測(cè)試。單體測(cè)試方面，關(guān)于互感器和斷路器的測(cè)試，傳統(tǒng)變電站和現(xiàn)階段的智能變電站也完全一致，因而測(cè)試方法可以直接移植，單體測(cè)試其余部分則存在較大區(qū)別。

保護(hù)裝置可以定義成4大功能模塊，即：采樣模塊、開入模塊、邏輯運(yùn)算模塊、開出模塊。

操作箱可視作包含輸入、輸出和內(nèi)部邏輯運(yùn)算系統(tǒng)。開入模塊為跳閘和重合閘等命令，開出為開關(guān)位置和閉鎖重合閘等信號(hào)。邏輯運(yùn)算模塊的功能就是建立開入與開出之間的對(duì)應(yīng)規(guī)則。以220 kV線路分相操作箱為例，操作箱的開入開出模塊具體定義如圖4所示。

圖4 分相操作箱的功能定義

保護(hù)裝置和操作箱之間通過(guò)短電纜聯(lián)系。以線路保護(hù)為例，保護(hù)裝置把跳閘、重合閘以及閉鎖重合閘命令發(fā)送給操作箱，操作箱則把斷路器位置、低氣壓閉鎖重合閘和閉鎖重合閘信號(hào)傳至保護(hù)裝置。保護(hù)裝置與互感器、操作箱及斷路器之間亦通過(guò)電纜聯(lián)系，用以傳送電流、電壓以及相關(guān)的命令和狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)變電站的保護(hù)系統(tǒng)可以定義成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。

圖5 傳統(tǒng)變電站保護(hù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

按照同樣的方法，對(duì)智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)單體進(jìn)行功能定義。相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站中的保護(hù)系統(tǒng)增加了合并單元和智能終端，取消了操作箱，原先保護(hù)裝置的采樣模塊以及電壓并列切換模塊轉(zhuǎn)移至就地合并單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，原先操作箱功能以及開入量采集功能在智能終端內(nèi)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，如果不考慮接口以及信號(hào)形式的差異，傳統(tǒng)變電站和智能變電站的保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)流傳輸內(nèi)容是一致的，智能變電站系統(tǒng)中僅僅增加了光電轉(zhuǎn)換模塊。綜上所述，智能站保護(hù)系統(tǒng)的功能定義如圖6所示。

3 測(cè)試方法比較

圖6 智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)前文所建模型，遵從先單體后整體的測(cè)試原則，可以對(duì)保護(hù)系統(tǒng)及所涉及的對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。無(wú)論是單體還是整體的測(cè)試，只需關(guān)注該系統(tǒng)的輸入、輸出以及兩者之間的聯(lián)系，所以一般的系統(tǒng)測(cè)試包含3部分：輸入有效性測(cè)試、系統(tǒng)規(guī)則驗(yàn)證和輸出有效性測(cè)試。例如，對(duì)于一個(gè)保護(hù)裝置，輸入有效性測(cè)試包含采樣、開入量測(cè)試，系統(tǒng)規(guī)則驗(yàn)證是指保護(hù)邏輯和定值校驗(yàn)，輸出有效性測(cè)試則是指對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)（接點(diǎn)或光信號(hào)）是否準(zhǔn)確變位。

本文忽略具體的測(cè)試步驟，重點(diǎn)關(guān)注測(cè)試的對(duì)象以及項(xiàng)目，通過(guò)比較傳統(tǒng)變電站和智能變電站在測(cè)試方法上的異同，揭示2種測(cè)試體系的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)合一般性的測(cè)試原理和保護(hù)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)變電站的測(cè)試項(xiàng)目如圖7所示，智能變電站系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目如圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)變電站保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目

圖8 智能變電站保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目

對(duì)比圖7和圖8可知，除了信號(hào)形式不同，傳統(tǒng)變電站和智能變電站各單體所包含的功能也有了顯著變化，因此各單體的測(cè)試存在較大差別。但就保護(hù)系統(tǒng)所有單體內(nèi)的功能模塊而言，智能變電站相對(duì)于傳統(tǒng)變電站只增加了光電信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，其他所有功能模塊依然保留。因此，傳統(tǒng)變電站中測(cè)試任一功能模塊的思路在智能變電站中同樣適用。例如采樣精度試驗(yàn)，傳統(tǒng)變電站里這一功能測(cè)試在保護(hù)裝置上完成，而在智能變電站中則需在合并單元上完成。因此，把單體測(cè)試進(jìn)一步分解成各功能模塊的測(cè)試，傳統(tǒng)變電站和智能變電站就體現(xiàn)出很大程度上的一致性。

表1列出了傳統(tǒng)變電站和智能變電站中的各個(gè)主要功能模塊測(cè)試內(nèi)容，從表中可以清晰比較出兩者的異同。其中，有些項(xiàng)目是智能變電站保護(hù)系統(tǒng)特有的測(cè)試項(xiàng)目，這是由于網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及新的分布式設(shè)計(jì)帶來(lái)的。例如智能變電站需要測(cè)試其網(wǎng)絡(luò)性能，包括實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性等指標(biāo)，這是傳統(tǒng)變電站所不需要的。而對(duì)于傳統(tǒng)變電站和智能變電站共有的測(cè)試項(xiàng)目，只要掌握數(shù)字化測(cè)試工具的使用即可。

4 智能變電站測(cè)試項(xiàng)目舉例

為進(jìn)一步說(shuō)明智能變電站與傳統(tǒng)變電站的聯(lián)系和區(qū)別，以智能變電站的2個(gè)測(cè)試項(xiàng)目為例，一是SCD（變電站配置描述）文件的檢查，將SCD文件與傳統(tǒng)變電站的設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行對(duì)比；另一個(gè)是電壓、電流的同步性檢查。這是智能站獨(dú)有的測(cè)試項(xiàng)目，其測(cè)試必要性由其數(shù)據(jù)傳輸方式?jīng)Q定的。

表1 傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護(hù)系統(tǒng)項(xiàng)目測(cè)試差異

SCD文件是描述所有IED（智能電子設(shè)備）的實(shí)例配置和通信參數(shù)、IED之間的通信配置以及變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置文件。SCD文件是智能變電站二次調(diào)試人員及運(yùn)行維護(hù)人員最重要的資料，對(duì)保護(hù)系統(tǒng)而言，其作用相當(dāng)于保護(hù)裝置原理圖和設(shè)計(jì)藍(lán)圖。以紹興220 kV江桃變SCD文件為例，選取其中一個(gè)線路間隔，兩者類比如圖9所示。圖中SCD連線為智能終端至保護(hù)的信號(hào)，類比于傳統(tǒng)變電站中操作箱至保護(hù)裝置的信號(hào)。由圖9可知，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖中的端子演變成SCD文件中的“虛端子”，但端子所對(duì)應(yīng)的信號(hào)以及信號(hào)間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系是一致的。傳統(tǒng)變電站中二次回路的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法在智能變電站中得到了很好的繼承，SCD文件正是這一繼承的載體，因此無(wú)論是在驗(yàn)收還是例行校驗(yàn)中，都要首先檢查SCD文件的正確性。

智能變電站另一個(gè)典型測(cè)試項(xiàng)目是電壓、電壓同步性測(cè)試。傳統(tǒng)變電站中的電壓、電流通過(guò)電纜直接傳至保護(hù)裝置，其延時(shí)可以忽略；而智能變電站中模擬量要經(jīng)過(guò)合并單元后才能傳至保護(hù)裝置，由于傳輸路徑并不一致，電壓往往比電流多經(jīng)過(guò)一個(gè)母線電壓合并單元，因此兩者傳輸至保護(hù)裝置的延時(shí)并不一致。傳輸延時(shí)的差異導(dǎo)致兩者間的相位關(guān)系失真，因此需要進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，否則容易引起保護(hù)不正確動(dòng)作?？紤]傳輸延時(shí)后的電壓、電流特性如圖10所示。假設(shè)原始電壓、電流波形相位差是零，那么經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后盡管存在滯后，但相互之間的相位關(guān)系應(yīng)和原始信號(hào)保持一致，這就是同步性概念。

圖9 SCD文件與傳統(tǒng)變電站設(shè)計(jì)藍(lán)圖類比

圖10 電壓、電流經(jīng)合并單元后的延時(shí)特性

由圖10可知，經(jīng)過(guò)合并單元傳輸后，若要保持電壓、電流間的相位差依然為零，需要準(zhǔn)確補(bǔ)償傳輸環(huán)節(jié)中的延時(shí)，間隔層和站控層設(shè)備才能準(zhǔn)確還原出電壓、電流的原始相位關(guān)系。此外同步性不僅僅是指電壓、電流間的同步，也指多間隔保護(hù)（如母差保護(hù)）中各間隔電量之間的同步。同步性的測(cè)試非常重要，直接關(guān)系到保護(hù)動(dòng)作的正確性，測(cè)試中要引起足夠的重視。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從系統(tǒng)測(cè)試的角度，首先比較了傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護(hù)的系統(tǒng)測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和建模，揭示了傳統(tǒng)變電站和智能變電站的內(nèi)在聯(lián)系：智能變電站保留了傳統(tǒng)變電站保護(hù)系統(tǒng)的所有功能模塊，但功能模塊的分布以及信號(hào)聯(lián)絡(luò)形式發(fā)生了改變。其次結(jié)合普遍性的測(cè)試原理，忽略具體的測(cè)試工具和步驟，指出傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護(hù)系統(tǒng)在測(cè)試方法上的共通之處，使熟悉傳統(tǒng)變電站的技術(shù)人員能更好地理解智能變電站的測(cè)試原理，為技術(shù)人員盡快掌握智能變電站的測(cè)試方法提供了思路。

[1]何磊.IEC 61850應(yīng)用入門[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[2]Q/GDW 441-2010智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3]劉巍，趙勇，石光.智能變電站繼電保護(hù)裝置一鍵式測(cè)試方法及系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（2）:152-155.

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[6]何廣軍，高育鵬，白云.現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

（本文編輯：趙曉明）

Comparative Study on Relay Protection in Intelligent Substation and Traditional Substation from the Perspective of System Testing

LING Guang，CHU Xiangguo，ZHANG Xiufeng，XIE Jun
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

For the distinction of relay protection system between intelligent substation and traditional substation，this paper conducts a comparative study on the difference and testing method in the view of system testing.The protection systems in the two kinds of substations are modeled respectively in the first step so that their structural similarities and differences as well as their inherent relations can be observed.Then，the two protection systems are taken as two testing objects for structural and functional decomposition to respectively get the smallest testing units of their own.The testing system for the two protection systems is established in line with the principle of unit first and entirety following.Finally，the inheritance of testing ideas between intelligent and traditional substation is revealed through comparative study，and some exclusive test items in intelligent substation are also illustrated by taking examples，which facilitates testers to understand.This paper builds a bridge between intelligent substation and traditional substation，and provides new insight for promoting test methods of protection system in intelligent substation.

intelligent substation；traditional substation；relay protection；system testing；comparative study

TM77

：B

：1007-1881（2016）07-0032-05

2016-03-03

凌 光（1986），男，工程師，從事繼電保護(hù)與智能變電站研究工作。