數字化變電站繼電保護系統關鍵檢驗技術分析

常風然，蕭 彥，孫利強，齊少娟

(河北省電力公司，石家莊 050021)

數字化變電站的繼電保護系統明顯有別于常規變電站。國內外研究重點多集中在技術標準、技術方案、設備研發、信息共享、互操作等方面，缺乏針對數字化變電站檢驗技術方面的研究，也沒有相應的檢驗技術支撐，數字化變電站效能無法得到可靠保證。對使用電子互感器、GOOSE等技術的數字化變電站而言，繼電保護檢驗的重點除設備外，還應更注重繼電保護系統性能檢驗與繼電保護系統出廠驗收、新安裝驗收及運行中的檢驗，而且各階段的檢驗策略、檢驗周期、檢驗項目、檢驗方法、檢驗標準等都需要不斷探索和實踐。

1 過程層網絡檢驗

數字化變電站對網絡通信的可靠性、實時性、穩定性、安全性等方面都有嚴格要求。即便使用點對點的報文跳合閘方式，設備間的啟動、閉鎖等信息需要利用網絡傳送。常規變電站中站控層網絡的各項要求適用于數字化變電站，過程層網絡測試及檢測技術則是數字化變電站特有的。在常規變電站調試時，可以利用查線、傳動等方法來檢查二次回路的正確性。在數字化變電站中，由光纖、交換機構成的過程層網絡承擔了二次回路的功能。在過程層網絡檢驗中，交換機是重點設備，網絡性能是重點項目，整組試驗是保證項目。

1.1 交換機的檢驗

在實際工程中，應根據過程層網絡的組網方式，如采樣值網絡是否與GOOSE網合一、網絡結構是星形還是環形等，來分析確認交換機的實際應用功能和性能要求，進而在出廠驗收檢驗階段對過程層交換機進行相應的檢驗，不能簡單照搬工業交換機的檢驗標準。對于數字化變電站要考慮以下檢驗項目：

a. 在100%網絡負載情況下，測試不同幀長度數據包的吞吐量。

b. 不同幀長度無丟包傳輸速率下的傳輸時延(包括單裝置傳輸延時、交換機級聯延時)。

c. 不同幀長、不同網絡負載下的丟包率。

d. VLAN劃分功能、地址緩存能力、報文優先級QOS功能、組播過濾功能、快速生成樹功能等的測試。

e. 對保護裝置等智能電子設備的GOOSE數據處理能力、自恢復能力、報文設置等進行測試，VLAN的GOOSE報文驗證尤為重要。如在某工程首次組網聯調時，其中1套線路保護的GOOSE報文無法通過交換機傳輸，檢查發現其GOOSE報文默認設置的VLAN是2，而交換機端口設置的VLAN是1，所以GOOSE報文無法通過交換機。

1.2 網絡光纖檢驗與網絡性能測試

在新安裝階段，除對交換機進行必要的檢驗檢查外，還要重點對網絡光纖和實際網絡性能進行檢查測試，這些都是出廠驗收中無法檢測的內容。光纖檢驗應包括光纖接頭可靠性檢查、尾纖彎曲度檢查、光纖標示檢查、發光功率及光纖衰耗測試等。網絡性能測試至少應包括：

a. 正常狀態下GOOSE網絡流量，根據變電站的實際情況，同時產生多個跳閘命令、同時多個遙信發生變化網絡重載狀態下GOOSE網絡流量。

b. GOOSE網跨度最大2臺交換機的端口在正常GOOSE網絡負載和GOOSE網絡重載下的傳輸延時和幀丟失率。

c. 按照全站網絡參數表，對所有交換機進行VLAN報文的再檢測，每臺交換機只能出現規定VLAN內的GOOSE報文。

這些測試結果應與出廠驗收時的測試結果進行比對分析。在變電站投運前進行整組試驗時，應在網絡測試和所有IED單體檢驗完成后進行。將所有的交換機、IED都投入正常運行后，再進行試驗，以確保檢測到在網絡上相互影響的結果。

1.3 運行中的監測與維護

在正常運行中，應重點關注各交換機端口的狀態信息。一些數字化變電站未集中采集交換機告警信息，交換機異常時多依賴廠家，現場維護人員不能對交換機報警進行準確地判斷。維護人員可以充分綜合利用網絡報文記錄分析系統的信息、錄波信息、保護信息，實現對全站網絡通信狀態的在線監視、狀態評估網絡故障信息綜合分析及異常診斷功能，并有針對性地進行維護和檢測。在常規的停電檢修期間，網絡測試必須有可靠的安全隔離措施，只有在采取安全隔離措施后，才能檢驗待維護的網絡設備，一般只需要進行光纖端口光功率檢查、交換機日志分析等。

2 智能電子設備檢驗

繼電保護系統包括保護裝置、智能終端、合并單元等智能電子設備，它們功能測試和性能測試的主要難點在于：與電子互感器配合的檢驗，即交流采樣系統的檢驗；與其它智能電子設備配合的檢驗，尤其是使用網絡方式和GOOSE報文配合時的檢驗；智能電子設備動作、告警等信息網絡化傳輸共享后的性能測試，如光纖斷鏈對繼電保護裝置、監控系統和運行操作的影響等。因此，智能電子設備檢驗儀器、檢驗方法、檢驗時機、檢驗中的配合都需要根據數字化變電站的具體設備、網絡結構、作業性質、作業條件等合理安排。

2.1 設備采樣系統

進行交流采樣系統檢驗時，可采用模數轉換裝置與常規保護試驗儀配合，也可使用支持數字量傳輸規約的數字試驗儀。使用常規試驗儀時，應配合使用電子式互感器廠家提供的模數轉換裝置，雖然缺少第三方驗證，但可以檢驗包括合并單元在內的采樣系統；使用數字試驗儀時，試驗儀應能導入模型配置文件，自動產生測試所需的信息文件，自動檢測輸出信息流，此時可能需要將采樣值直接加到IED上，除非試驗儀支持電子式互感器至合并單元的私有數據幀格式。

數字化變電站繼電保護裝置采樣系統中的數字采樣是前移的，因此繼電保護裝置無需對零點漂移、精度等進行常規檢驗，但合并單元的采樣檢驗是必不可少的檢驗項目，也是檢驗重點，其實質與常規保護的檢驗類似。與電子式互感器配合檢驗時，應在數字化變電站安裝調試時予以特別注意，可與高壓專業配合試驗，現場加入一次電流和一次電壓來檢驗采樣回路的正確性，檢查電子式互感器的極性，檢查所有IED的采樣情況。將標準電流互感器和升流器串聯，經過轉換器和合并單元，傳輸到電子式互感器校驗儀進行比對，保護、測量用電流互感器的電流誤差及相位誤差、延時等應滿足要求；將標準電壓互感器和升壓器并聯，經過感應分壓器和合并單元，傳輸到互感器校驗儀進行比對，保護、測量用電壓互感器的電壓誤差及相位誤差、延時等需滿足要求。

2.2 設備間配合

各智能電子設備間的配合檢驗包括間隔內的配合檢驗和跨間隔的配合檢驗，并需要進行GOOSE報文檢驗和整組試驗測試。GOOSE報文檢驗包括文件檢查、傳輸機制檢查等，都應在出廠驗收階段重點檢驗。在新安裝階段，則應通過配置文件、軟件版本等的比對檢查驗證，通過開關量輸入、開關量輸出傳動來檢查文件的正確性。以各智能電子設備為節點，按照圖紙、GOOSE聯系表等，依次加入激勵量，觀測相關接收方的開關量變化是否與實際相符。全變電站的整組試驗必不可缺，試驗應在網絡測試完成后進行，主要包括單間隔試驗傳動、跨間隔試驗傳動。整組試驗時應從GOOSE網絡記錄儀、錄波器處查看設備的源地址和目的地址是否正確，GOOSE心跳報文和GOOSE變位報文是否正確傳輸、變位是否正常等，必要時使用抓包工具進行詳細分析。

數字式保護整組動作時間的測試不同于傳統測試方法，無需硬接點反饋，只需要訂閱相應GOOSE報文，利用GOOSE報文反饋進行整組測試。動作時間測試時應訂閱保護動作報文，如訂閱了開關變位報文，需注意其中包括了斷路器輔助接點的動作時間。有條件時，利用數字錄波器就可以對GOOSE報文進行監測，試驗也不需要額外接線，值得推廣應用。

2.3 設備與網絡配合

智能電子設備動作、告警等信息網絡化傳輸后，還需注意驗證網絡各種異常狀態下智能電子設備的性能，如網絡光纖中斷、單鏈中斷、端口中斷、斷電、交換機配置錯誤、GOOSE配置錯誤等。通過各種模擬手段，如拔出光纖、模擬錯誤文件傳輸等，檢查確定裝置是否正確動作、是否閉鎖保護、是否告警等。這些檢查測試應在出廠驗收和新安裝時有重點地進行，以便確定各類典型故障的特征狀態量，為以后運行維護階段形成異常處理規范、進行故障診斷、采取安全措施提供基礎數據。唯有如此，才能使得在網絡設備發生故障或異常后，通過綜合分析，辨明其原因、部位和性質，并提出相應處理措施，縮短異常處理時間，保證繼電保護系統的可靠運行。

3 配置文件檢驗

數字化變電站使用網絡通信替代了傳統的二次電纜，而各裝置的配置文件定義了網絡通信的具體內容，如全站SCD文件、各智能電子設備的CID和ICD文件、交換機配置文件等，配置文件的正確與否決定了各功能正常與否。配置文件檢驗應成為數字化變電站繼電保護系統檢驗的重點內容，需要在出廠驗收、新安裝檢驗和運行維護各階段予以特別注意。出廠驗收時重點檢驗模型規范、配置工具、配置文件等，新安裝時進行文件比對、文件備份，運行維護中加強文件變更管理，各階段都應對配置文件進行備份和一致性檢查。

3.1 模型規范檢查

模型文件不規范會給互連互通增加很多障礙，必須檢驗模型是否符合IEC 61850規范，是否符合標準模型。工程實踐中發現的一些問題包括：ICD文件中過多使用GGIO擴展，如斷路器控制和隔離開關控制應采用邏輯節點CSWI建模，GOOSE跳閘邏輯節點應該使用PTRC邏輯節點等；同一廠商各類型裝置ICD文件的數據模板不一致；私自擴充標準中已經明確定義的內容等。

3.2 GOOSE報文方式檢查

采用點對點GOOSE或網絡GOOSE報文方式時，其報文配置和報文傳輸機制也是出廠驗收時的重點測試內容，需要對每臺智能電子設備的GOOSE報文判據、檢修壓板功能、報文重發機制及通電后GOOSE報文的發送機制等進行測試，對錯誤配置GOOSE發送機制的后果進行試驗。如工程實踐發現的個別智能電子設備只對GOOSE報文的MAC地址進行判斷，對其它參數不做判別，增加了誤動風險，也不符合規范要求。GOOSE報文中應包含GOOSE訂閱與發送的信息，GOOSE報文的出處、特征及版本號。GOOSE報文中有狀態改變時，StNumr加1，SqNum自動清零；GOOSE數據集變位信息應與SCD文件嚴格對應。

3.3 配置工具檢查

配置工具分為各IED廠商的單裝置配置工具和系統集成商的系統配置工具。裝置配置工具負責生成和維護裝置ICD文件和CID文件，要檢查其能否導入全站SCD文件并提取需要的實例配置信息；能否正確自動生成該裝置的CID文件；能否自動生成配置文件的版本號和修訂版本號；能否對導出的ICD或CID文件進行合法性檢查。系統配置工具負責生成和維護全站SCD配置文件，檢查其能否正確導入SSD文件，能否正確導入各廠商的ICD文件，導入后能否保留ICD文件的私有項；能否進行系統實例化配置，如一次系統和IED的關聯關系、全站IED的通信參數設置以及IED間的GOOSE聯結等信息配置；能否正確導出全站SCD配置文件，能否正確導出CID文件；能否對導出的SCD文件進行合法性檢查；檢查系統配置工具能否自動生成SCD文件的版本號和修訂版本號。

4 結束語

數字化變電站的建設和發展要求檢測、調試手段隨之變化，因此需要研究新的試驗方式、試驗手段及試驗標準等，也要求打破原有的專業工作界線，以適應新技術的發展。值得注意的是，繼電保護系統新的檢驗技術必須有可靠的安全措施、標準化作業等作為支撐，各階段的檢驗內容必須相互協調配合，緊密聯結。