郭瑞,劉冬季,馬圓圓,何金柏,靜毅,趙洪峰，彭寅章,4

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司,寧夏 銀川 750011;2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司,寧夏 靈武 751408;3.新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心,新疆 烏魯木齊 830046；4.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

繼電保護(hù)對變電站設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的保障作用，在電氣設(shè)備發(fā)生故障或工作異常時(shí)，能夠自動、快速、有選擇地將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，將事故限制在最小范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性?？煽?、高效的繼電保護(hù)技術(shù)對于變電站和電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有非常重要的意義[1-3]。目前，繼電保護(hù)技術(shù)在常規(guī)變電站的應(yīng)用中已經(jīng)顯得尤為成熟、穩(wěn)定，而正在新建的智能變電站相較常規(guī)變電站，對繼電保護(hù)技術(shù)的要求更為嚴(yán)格。智能變電站在繼電保護(hù)技術(shù)方面存在采樣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和以太網(wǎng)傳輸延遲的不確定性[4-5]的問題，因此，研究如何進(jìn)一步提高智能變電站數(shù)據(jù)采集的同步性，消除差異性傳輸與延遲帶來的影響至關(guān)重要。文獻(xiàn)[6-7]提出用于繼電保護(hù)中合并單元的高采樣率數(shù)據(jù)的方案，能有效識別準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間是智能變電站間隔層和過程層智能電子設(shè)備（intelligent electronic device,IED）之間數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵，這在很大程度上制約了智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。數(shù)字式繼電保護(hù)測試儀是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)試工具，數(shù)字式繼電保護(hù)測試儀基本能滿足智能變電站保護(hù)裝置測試的要求，但在測試過程中仍需要大量的人工操作[8-9]?，F(xiàn)有測試儀存在以下缺陷：繼電保護(hù)測試儀不能實(shí)現(xiàn)對所有保護(hù)裝置的遠(yuǎn)程控制；繼電保護(hù)測試儀不能自動設(shè)置故障參數(shù)；導(dǎo)入SCD（substation configuration description,SCD）文件后，繼電保護(hù)測試儀無法檢查保護(hù)裝置的一致性和測試儀配置信息的一致性。

因此，根據(jù)目前廠站側(cè)保護(hù)裝置的特點(diǎn)，開發(fā)了一種針對智能變電站保護(hù)裝置的自動測試系統(tǒng)，其中包括測試系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，旨在提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)支持多設(shè)備同步自動測試功能，進(jìn)一步提高測試效率。

1 系統(tǒng)測試方法設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)由保護(hù)測試主站通過智能變電站后備光纖控制多臺分布式信號發(fā)生器同步測試和現(xiàn)場智能終端動作反饋來完成測試參數(shù)配置和測試過程控制。如圖1所示的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括采集單元、測量接口裝置、制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification，MMS）信號接口模塊、面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event，GOOSE）信號接口模塊、分布式信號發(fā)生器接口模塊、時(shí)間信號接口模塊、時(shí)鐘同步模塊、測試控制模塊等。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

保護(hù)系統(tǒng)信息管理主站可獲取繼電保護(hù)設(shè)置表，配置繼電保護(hù)測試參數(shù)表，設(shè)置分布式信號發(fā)生器和信號輸出接口的間隔，控制自動測試過程；接收繼電保護(hù)動作信號，顯示最終測試結(jié)果，獲取智能變電站SCD文件等。

MMS信號接口模塊用于接入繼電保護(hù)MMS網(wǎng)絡(luò)，獲取繼電保護(hù)整定策略表，與人機(jī)交互界面獲取的繼電保護(hù)整定策略表進(jìn)行比對，完成繼電保護(hù)裝置校準(zhǔn)比對。GOOSE信號接口模塊用于訪問繼電保護(hù)GOOSE網(wǎng)口，獲取繼電保護(hù)動作信息[10]。分布式信號發(fā)生器接口模塊為3～4路光以太網(wǎng)接口，通過現(xiàn)場備用光纖接入分布式信號發(fā)生器進(jìn)行信號交互。計(jì)時(shí)接口模塊是指接入智能變電站計(jì)時(shí)到控制終端計(jì)時(shí)。時(shí)鐘同步模塊用于同步外部時(shí)間，形成信息管理端的準(zhǔn)確對時(shí)，可標(biāo)記從GOOSE信號接口獲取的繼電保護(hù)動作的準(zhǔn)確時(shí)間[11]。測試控制模塊用于連接MMS信號接口、GOOSE信號接口、分布式信號發(fā)生器接口、時(shí)鐘同步模塊和人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)總動測試功能。

2 系統(tǒng)測試方法關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分布式信號發(fā)生器同步技術(shù)

分布式信號發(fā)生器的功能如下：

1)發(fā)送FT3格式的SV（sample value,SV）信號和IEC61850-9-2格式的SV信號[12]，應(yīng)用于模擬總線電壓合并單元（merging unit,MU）輸出信號至間隔層MU；

2)接收IRIG-B碼/PPS時(shí)間脈沖，同步后輸出至合并單元；

3)將現(xiàn)場動作反饋信息、測試信號輸出信息、繼電保護(hù)動作信息傳輸至保護(hù)系統(tǒng)管理主站。

分布式信號發(fā)生器由FT3信號接口模塊、SV信號接口模塊、控制端接口模塊、信號處理模塊、時(shí)鐘信號接口模塊、時(shí)間脈沖接口模塊、時(shí)間同步模塊、現(xiàn)場動作反饋模塊、D/A模塊、電壓功放模塊和電流功率放大器模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式信號發(fā)生器

FT3信號接口模塊用于發(fā)送FT3格式的SV信號和傳輸級聯(lián)到間隔合并單元的SV信號。控制端接口模塊通過現(xiàn)場備用光纖與控制端連接，并進(jìn)行信號交換。時(shí)鐘信號接口模塊用于將IRIG-B碼/PPS脈沖信號接入分布式信號發(fā)生器。時(shí)間信號接口模塊用于向合并單元輸出準(zhǔn)確的時(shí)間同步信號IRIG-B碼/PPS脈沖，當(dāng)信號接口模塊將IRIG-B碼/PPS脈沖時(shí)間信號發(fā)送至分布式信號發(fā)生器時(shí)，同步IRIG-B碼/PPS脈沖信號通過時(shí)鐘信號接口模塊輸出至合并單元。時(shí)鐘同步模塊用于同步外部時(shí)間信號，與分布式信號發(fā)生器形成同步時(shí)間?，F(xiàn)場動作反饋模塊訪問智能終端動作觸點(diǎn)或開關(guān)位置觸點(diǎn)，獲取現(xiàn)場動作反饋信息。

D/A模塊將信號處理模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后發(fā)送至電壓功放模塊和電流功放模塊。電壓功放模塊用于對D/A模塊輸出的電壓信號進(jìn)行放大，輸出到現(xiàn)場合并單元模擬電壓輸入端口；電流功放模塊將D/A模塊輸出的電流信號進(jìn)行放大，輸出到現(xiàn)場合并單元模擬電流輸入端口。

信號處理模塊同時(shí)與FT3信號接口模塊、SV信號接口模塊、控制端接口模塊、時(shí)鐘同步模塊、現(xiàn)場動作反饋模塊和D/A模塊連接。信號處理模塊運(yùn)行邏輯如圖3所示。

圖3 信號處理模塊邏輯流程

2.2 通信組網(wǎng)技術(shù)

保護(hù)測試管理主站與分布式信號發(fā)生器的信息交換包括參數(shù)設(shè)置、同步狀態(tài)確認(rèn)、保護(hù)動作狀態(tài)切換、測試數(shù)據(jù)傳輸、測試啟?？刂频取８鶕?jù)智能變電站中SV和GOOSE報(bào)文的特點(diǎn)，通信組網(wǎng)是測試主站與分布式信號發(fā)生器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸與通訊的過程。

對于測試參數(shù)中的二進(jìn)制參數(shù)如PT位置、CT極性、故障類型、觸發(fā)方式、故障計(jì)算模型等參數(shù)，采用基于SV的通信協(xié)議和機(jī)制[13]利用SV報(bào)文中的保留字段來實(shí)現(xiàn);對于通信過程的同步狀態(tài)確認(rèn)、測試啟?？刂?、狀態(tài)切換等過程采用基于GOOSE的通信協(xié)議和機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

2.3 同步采樣技術(shù)

基于P2P通信方式的保護(hù)數(shù)據(jù)采樣同步技術(shù)[14]實(shí)質(zhì)上是一種從數(shù)據(jù)源采樣到傳輸保護(hù)裝置的采樣通道延遲計(jì)算，根據(jù)需要通過插值的方式計(jì)算平均時(shí)間的樣本的方法。P2P通信方式在智能站中體現(xiàn)為電氣量由電子式互感器采集并發(fā)送到保護(hù)裝置的過程，該過程的傳輸延遲見圖4。

圖4 采樣數(shù)據(jù)傳輸

電氣量傳輸和采樣過程的延時(shí)包括電子式互感器信號傳輸延時(shí)t1、通道延時(shí)t2、采集過程延時(shí)t3、通道延時(shí)t4、MU過程延時(shí)t5、MU到保護(hù)設(shè)備的通道延時(shí)t6、處理保護(hù)裝置中從接收采樣數(shù)據(jù)到同步操作的延時(shí)t7，其中用于數(shù)據(jù)采樣的電子式互感器延時(shí)為T1=t1+t2+t3。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，T1≤2Ts（Ts為采樣周期，4 kHz采樣頻率下為250μs）。發(fā)送到MU的采樣數(shù)據(jù)的通道延遲t4很小可以忽略，那么從電子變壓器到MU的延時(shí)為T1，因此，MU接收到的SV包含處理采樣的一次電壓和電流的耗時(shí)信息。

MU在接收SV后解析報(bào)文中的延時(shí)信息T1，實(shí)際采樣時(shí)間可通過從接收時(shí)間減去T1得到，經(jīng)過延遲校正后，MU將重新采樣SV，然后將MU中的多個采樣統(tǒng)一同步。以單一的MU為單位的處理延時(shí)很難準(zhǔn)確估計(jì)，但對于同類型的成熟產(chǎn)品來說相對穩(wěn)定，可以通過測試其準(zhǔn)確性得到以滿足工程應(yīng)用的需要。從開始采樣數(shù)據(jù)到MU發(fā)送SV的整個過程延時(shí)（以MU為單位）為T2=T1+t5，MU在SV消息中標(biāo)記該時(shí)間戳，然后發(fā)送至保護(hù)裝置。

對于從MU到保護(hù)設(shè)備的信道延時(shí)t6，光纖鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸速率約為2×108m/s，當(dāng)保護(hù)設(shè)備和MU之間的傳輸距離較短時(shí)，延時(shí)部分可以忽略；當(dāng)傳輸距離較長時(shí)，應(yīng)估計(jì)延時(shí)為t6，并用于保護(hù)中的時(shí)間補(bǔ)償計(jì)算。SV通常不能被直接用于保護(hù)裝置，需要緩存處理，處理時(shí)間約為t7。保護(hù)裝置可以通過標(biāo)記數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)中并從中讀取的相對時(shí)間來計(jì)算t7的值。

完成上述步驟后，可計(jì)算電氣量采樣，在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理并傳輸至保護(hù)裝置的延時(shí)T為

如果中間傳輸距離較長，則還需要包含t4和t6，如式（2）：

MU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采樣頻率高于傳統(tǒng)的保護(hù)裝置，不適合傳統(tǒng)的保護(hù)算法。為了解決這些問題，保護(hù)裝置需要根據(jù)采樣頻率的需要從不同的間隔重新采樣SVs（sample value,多個采樣值），從而獲得采樣數(shù)據(jù)，最終用于保護(hù)的計(jì)算。

從以上過程可以看出，由于數(shù)據(jù)采樣和傳輸是在P2P中完成的，因此可以估計(jì)出各個階段的延時(shí)，以確保保護(hù)動作的多間隔采樣數(shù)據(jù)同步，滿足工程應(yīng)用對保護(hù)設(shè)備的需求?；赑2P通信方式的保護(hù)傳輸采樣方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）保護(hù)算法的執(zhí)行不依賴外部時(shí)鐘源，與時(shí)鐘信號同步方式相比，提高了保護(hù)功能的獨(dú)立性和可靠性。

2）SV傳輸鏈路簡單，無需交換網(wǎng)絡(luò)，不受交換性能、故障和網(wǎng)絡(luò)異常因素的影響。

以上兩點(diǎn)對保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行至關(guān)重要，因此，在外部時(shí)鐘同步系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)可靠性不能滿足需求的情況下，P2P通信模式在智能變電站發(fā)展的初期得到了廣泛應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)控制終端通過智能變電站后備光纖控制多臺分布式信號發(fā)生器協(xié)同測試是分布式測試的重點(diǎn)?？刂贫送ㄟ^分布式信號發(fā)生器接口模塊傳輸測試參數(shù)表，開始和結(jié)束測試，切換分布式信號發(fā)生器輸出信號狀態(tài)。分布式信號發(fā)生器通過控制終端接口模塊獲取測試開始指令和狀態(tài)切換指令，并將測試結(jié)束信號、測試過程數(shù)據(jù)和現(xiàn)場動作反饋信息傳送給控制終端。測試平臺的測試流程如圖5所示。

圖5 測試流程

3 自動測試方法用例

以本地區(qū)某330 kV變電站為例，進(jìn)行保護(hù)功能自動測試技術(shù)的驗(yàn)證，變電站主接線如圖6所示。

圖6 某330 kV變電站主接線

以110 kV線路保護(hù)裝置為例，利用本地保護(hù)自動測試系統(tǒng)對A、B、C三套現(xiàn)場線路保護(hù)裝置進(jìn)行多機(jī)同步自動測試。測試過程包括以下步驟：

1）完成測試系統(tǒng)硬件平臺的搭建，從就地保護(hù)測試儀引出三組電壓和電流到就地接線轉(zhuǎn)換裝置，通過航空插頭接口連接三套現(xiàn)場保護(hù)裝置；

2）從三套現(xiàn)場保護(hù)裝置的ICD（IEDcapability description,ICD）文件中提取相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)模型文件；

3）基于任意設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，通過測試用例智能生成模塊生成整個設(shè)備的測試用例；

4）通過自動測試主程序創(chuàng)建多設(shè)備測試記錄。準(zhǔn)備就緒開始系統(tǒng)組網(wǎng)，組網(wǎng)完成進(jìn)行一鍵自動測試，測試完成后即可創(chuàng)建并生成測試記錄，生成測試報(bào)告。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)場保護(hù)裝置測試的特殊性，提出一套基于模塊化設(shè)計(jì)思想的多設(shè)備同步測試保護(hù)自動測試系統(tǒng)。通過時(shí)鐘同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的同步觸發(fā)，保證數(shù)據(jù)采集的同步性，解決了多區(qū)間采樣延時(shí)的問題，從而提高變電站數(shù)據(jù)的測試效率，為后期變電站運(yùn)維工作提供參考。