數(shù)字化變電站二次側(cè)調(diào)試技術(shù)分析

張世強(qiáng),李士林

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000；2.河北省送變電公司，石家莊 050051；3.河北省電力公司，石家莊 050021)

數(shù)字化變電站是由電子式互感器、智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC 61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站已成為變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流和方向，但目前數(shù)字化變電站二次側(cè)調(diào)試技術(shù)仍不夠成熟，有必要對(duì)此進(jìn)行分析和總結(jié)，為以后的工程實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

1 數(shù)字化變電站的特點(diǎn)

1.1 IED設(shè)備模型化處理

數(shù)字化變電站是由基于IEC 61850通信規(guī)范的智能化電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED)構(gòu)建的，其IED設(shè)備采用客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)的方式進(jìn)行模型化處理。數(shù)字化變電站工程調(diào)試中很重要的一部分工作是變電站模型的建立。目前，工程實(shí)施中變電站模型的建立主要體現(xiàn)在變電站配置描述(Substation Configuration Description，SCD)文件的生成。SCD文件是后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)以及后續(xù)其他配置的統(tǒng)一數(shù)據(jù)來(lái)源。

1.2 IED設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化

數(shù)字化變電站IED設(shè)備基于以太網(wǎng)技術(shù)，控制信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字化傳輸。在工程調(diào)試中，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試成為一項(xiàng)重要內(nèi)容。數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由以下三方面組成：MMS(Manufacturing Message Specification，制造報(bào)文規(guī)范)網(wǎng)、GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events，通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?網(wǎng)及SMV(Sampled Measured Value，采樣測(cè)量值)網(wǎng)。

MMS主要用于監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)化裝置、信息子站等自動(dòng)化設(shè)備的信息采集，它基于TCP/IP協(xié)議多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段多采用光纖(或電路)路由器，此類(lèi)交換機(jī)提供100 Mbit/s速率的以太網(wǎng)接口。GOOSE主要用于快速事件傳送，基于2層(物理層和鏈路層)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用ISO 8802.2 LLC1 / ISO 8802.3 CSMA/CD協(xié)議。在工程實(shí)施中多采用2層網(wǎng)絡(luò)路由器來(lái)組網(wǎng)，現(xiàn)階段應(yīng)用比較多的是RUGGEDCOM(羅杰康)電力專(zhuān)用2層式交換機(jī)。此交換機(jī)提供1 Gbit/s速率光纖以太網(wǎng)接口。SMV主要用于各IED的數(shù)字采樣，針對(duì)不同廠商的IED裝置，現(xiàn)階段主要有2種組網(wǎng)方式：一種是基于IEC 60044-8規(guī)約的FT 3串行口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng),另一種是基于IEC 61850-9-1/2規(guī)約的光纖以太網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。

1.3 互感器采樣數(shù)字化

數(shù)字化變電站的TA、TV均采用電子式互感器。電子式互感器是利用電子測(cè)量技術(shù)和光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電流、電壓測(cè)量的新型互感器，它包括基于光學(xué)傳感原理的互感器，也包括其它利用電子測(cè)試原理的電流、電壓互感器。

1.4 繼電保護(hù)的數(shù)字化

與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站保護(hù)裝置有重大改進(jìn)，其交流采樣由模擬采樣改為數(shù)字采樣，跳閘方式由原來(lái)的二次電纜物理連接電信號(hào)驅(qū)動(dòng)變?yōu)镚OOSE網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包報(bào)文驅(qū)動(dòng)。

2 數(shù)字化變電站二次側(cè)調(diào)試技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 變電站模型的建立

數(shù)字化變電站模型文件的建立，應(yīng)按照規(guī)范的流程，首先由SSD(一次系統(tǒng)配置描述)文件和ICD(智能電子設(shè)備的配置描述)文件通過(guò)系統(tǒng)配置工具(System Configuration Tool)生成SCD文件，再由SCD文件通過(guò)IED配置工具(IED Configuration Tool)生成CID文件，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化變電站模型建立過(guò)程示意

需要特別注意，任何IED設(shè)備模型的更改(即ICD文件的變動(dòng))都需要通過(guò)此流程生成新的CID文件，而不能手動(dòng)改動(dòng)CID文件中的相應(yīng)設(shè)置。在以往的工程實(shí)踐中，曾發(fā)生由于手動(dòng)更改CID文件，導(dǎo)致相應(yīng)的IED設(shè)備模型與SCD文件不一致，從而使得相應(yīng)的監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)以及保護(hù)信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。實(shí)踐表明，此種錯(cuò)誤的排查要花去大量的時(shí)間和精力，所以需要在源頭加以控制，嚴(yán)格按照上述流程建立模型文件。

2.2 全站的組網(wǎng)及測(cè)試

數(shù)字化變電站是基于模型化、模塊化思路設(shè)計(jì)的。每一個(gè)IED設(shè)備都需要與其他多個(gè)IED設(shè)備通信才可以正常工作，因此需要按照既定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完成每一臺(tái)IED設(shè)備與MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣網(wǎng)絡(luò)的連接。

在組網(wǎng)過(guò)程中，光纖以太網(wǎng)需要使用光功率計(jì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)光纖收發(fā)的衰耗，并做好數(shù)據(jù)記錄，這對(duì)于后續(xù)調(diào)試中網(wǎng)絡(luò)故障的排查有著重要的參考意義。

數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)劃分中多采用VLAN(虛擬局域網(wǎng))來(lái)區(qū)分不同電壓等級(jí)及不同單元類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)，所以要注意網(wǎng)絡(luò)中VLAN的劃分。VLAN劃分正確與否是保證網(wǎng)絡(luò)能否高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

對(duì)于VLAN的檢查，一方面可以通過(guò)登陸路由器檢查各個(gè)端口的設(shè)置，按照既定的VLAN方案進(jìn)行劃分；另一方面通過(guò)第三方抓包工具(即非IED制造廠商及集成商的工具，其具有一定的驗(yàn)證性，如GSE Tools和MMS Ethereal)，抓取各IED設(shè)備的數(shù)據(jù)包，查看其所屬VLAN是否正確。下面以羅杰康交換機(jī)為例，說(shuō)明VLAN的劃分。

現(xiàn)假定劃分為VLAN1、VLAN2、VLAN3 3個(gè)VLAN。Port1和Port2作為交換機(jī)與交換機(jī)之間的上聯(lián)口；Port3要求接收VLAN2和VLAN3的數(shù)據(jù)，但禁止接收VLAN1的數(shù)據(jù)；Port4要求接收VLAN1和VLAN2的數(shù)據(jù)，但禁止接收VLAN3的數(shù)據(jù)。

第一步，設(shè)置Global VLAN Prameters(全局VLAN參數(shù))。將VLAN-aware設(shè)置為Yes，即開(kāi)啟路由器的VLAN功能，見(jiàn)圖2。

圖2 全局VLAN參數(shù)設(shè)置

第二步，設(shè)置各組參數(shù)。按表1插入VLAN組，設(shè)置對(duì)應(yīng)的VID(VLAN ID)，VLAN Name(VLAN名稱(chēng))和對(duì)應(yīng)的Forbidden Ports(禁用端口)。

表1 各組VLAN的參數(shù)設(shè)置

第三步，端口VLAN配置。配置對(duì)應(yīng)端口的Type(類(lèi)型)、PVID(端口VLAN ID)及PVID格式，見(jiàn)表2。

Trunk類(lèi)型的端口傳輸所有VLAN的報(bào)文，一般指交換機(jī)之間相聯(lián)的端口或者需要收到多個(gè)或全部 VLAN報(bào)文的端口。802.1Q標(biāo)準(zhǔn)允許Trunk端口工作于多個(gè)VLAN。

Edge 類(lèi)型的端口一般連接到某一個(gè)設(shè)備(比如計(jì)算機(jī)或IED)，其報(bào)文帶有本身預(yù)設(shè)的VLAN 標(biāo)志或端口VLAN 標(biāo)志；Tagged和Untagged用于設(shè)置端口VLAN ID是否影響原始數(shù)據(jù)幀VLAN ID；GVRP 用于設(shè)置交換機(jī)之間VLAN的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)功能是否開(kāi)啟。

表2 端口VLAN參數(shù)配置

同時(shí)通過(guò)第三方工具，可以監(jiān)測(cè)實(shí)際報(bào)文中對(duì)應(yīng)IED設(shè)備的VLAN劃分情況及優(yōu)先級(jí)信息，從而有效的驗(yàn)證VLAN是否按照既定的工程設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行劃分。

2.3 電子式互感器的校驗(yàn)

電流互感器校驗(yàn)示意見(jiàn)圖3。標(biāo)準(zhǔn)TA選用與ETA(電子式電流互感器)同樣變比，由大電流發(fā)生器分別串接ETA和標(biāo)準(zhǔn)TA，由ETA經(jīng)光纖引至合并單元，并由合并單元把數(shù)字量電流信號(hào)接入電子式電流互感器校驗(yàn)儀，同樣，標(biāo)準(zhǔn)TA的輸出電流變換為一個(gè)模擬電壓弱信號(hào)接入電子式電流互感器校驗(yàn)儀。

圖3 電流互感器校驗(yàn)示意

利用大電流發(fā)生器模擬一次電流，通過(guò)校驗(yàn)儀，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)ETA輸出的數(shù)字量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)TA輸出的模擬信號(hào)的變比、極性是否一致，波形是否同步，從而完成電流互感器的校驗(yàn)工作。

電壓互感器校驗(yàn)接線方式見(jiàn)圖4。

圖4 電壓互感器校驗(yàn)示意

標(biāo)準(zhǔn)TV選用與ETV(電子式電壓互感器)同樣變比，由高壓發(fā)生器分別連接ETV和標(biāo)準(zhǔn)TV，數(shù)字量電壓信號(hào)由ETV經(jīng)光纖引至合并單元，并由合并單元把數(shù)字量電壓信號(hào)接入電子式互感器校驗(yàn)儀，同樣，標(biāo)準(zhǔn)TV的輸出電壓經(jīng)感應(yīng)式分壓器接入電子式電壓互感器校驗(yàn)儀。

利用高壓發(fā)生器模擬一次電壓，通過(guò)校驗(yàn)儀，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)ETA輸出的數(shù)字量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)TV輸出的模擬信號(hào)的變比、極性是否一致，波形是否同步，從而完成電壓互感器的校驗(yàn)工作。

2.4 保護(hù)裝置的調(diào)試

目前，國(guó)內(nèi)數(shù)字化保護(hù)裝置的數(shù)字采樣規(guī)約和接口較多，比較有代表性的有：北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司的裝置采用IEC 61850-9-1規(guī)約，光纖以太網(wǎng)采集；國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司的裝置除部分采用IEC 61850-9-1規(guī)約，另一部分采用IEC 61850-9-1規(guī)約的變種；南京南瑞繼保電器有限公司的裝置采用IEC 60044-8規(guī)約，F(xiàn)T3光纖串行采集。

由于數(shù)字化保護(hù)裝置采樣規(guī)約及接口的多樣性，國(guó)外OMICRON公司CMC356型，國(guó)內(nèi)北京博電新力電力系統(tǒng)儀器有限公司的PWF II型數(shù)字化保護(hù)裝置試驗(yàn)儀，并不能完全適應(yīng)所有數(shù)字化保護(hù)裝置的采樣系統(tǒng)，尤其是兩者都不能做到對(duì)于IEC 60044-8規(guī)約的支持。但數(shù)字化保護(hù)裝置試驗(yàn)儀均可以接收保護(hù)裝置的GOOSE反饋信息，發(fā)送GOOSE報(bào)文給保護(hù)裝置。

針對(duì)不同的保護(hù)裝置以及不同的試驗(yàn)儀，調(diào)試方案主要分為以下2種：

方案1，常規(guī)微機(jī)保護(hù)試驗(yàn)儀連接模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置(如南京南瑞繼保電器有限公司的HELP2000A和南京新寧光電自動(dòng)化有限公司的光電X700)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置輸出數(shù)字采樣信號(hào)到合并器，通過(guò)合并器接入數(shù)字化繼電保護(hù)裝置；同時(shí)通過(guò)PC連接保護(hù)裝置GOOSE網(wǎng)絡(luò)接口，由抓包分析工具抓取保護(hù)裝置GOOSE反饋信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

方案2，數(shù)字化保護(hù)試驗(yàn)儀數(shù)字采樣信號(hào)直接輸出到所連接的數(shù)字化保護(hù)裝置，同時(shí)保護(hù)裝置GOOSE信息直接反饋到所接入的數(shù)字化保護(hù)試驗(yàn)儀，通過(guò)數(shù)字化保護(hù)試驗(yàn)儀完成整個(gè)測(cè)試工作。

在方案1中，由于經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和合并器，模數(shù)轉(zhuǎn)換和合并器的積分轉(zhuǎn)換打包過(guò)程需要消耗一定的時(shí)間才能完成，因此在實(shí)際測(cè)試中存在一定的誤差。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，一般情況下存在幾個(gè)毫秒的誤差，所以在選用方案1時(shí)需要考慮此誤差，才能確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確。而對(duì)于方案2，由于不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程是由數(shù)字化保護(hù)試驗(yàn)儀和保護(hù)裝置閉環(huán)完成，其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度更高。上述2種方案中，在條件允許的情況下，推薦使用第2種方案。第1種方案抓取的報(bào)文示例,見(jiàn)圖5。

圖5主要關(guān)注GOOSE報(bào)文中以下內(nèi)容：

a. Enthernet II層面的源地址為00∶A0∶1E∶A8∶00∶64，目的地址為01∶0C∶CD∶01∶01∶15，VLAN ID為4，對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)為6，它正確與否決定了其它IED設(shè)備是否接收它。

圖5 GOOSE數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

b. 控制塊引用(Control Block Reference)、數(shù)據(jù)集引用(Data Set Reference)及GOOSE ID標(biāo)識(shí)是否正確。IED設(shè)備在接收到報(bào)文后要檢測(cè)這三部分與裝置中GOOSE連線配置是否一致，不一致則不作任何反應(yīng)。

c. 測(cè)試位(Test)是否為1。IED設(shè)備需要檢測(cè)報(bào)文中Test位與本裝置Test位是否一致，只有一致才做出動(dòng)作反應(yīng)。

d. 傳送的數(shù)據(jù)(Data)的對(duì)應(yīng)位是否為1。IED設(shè)備需要檢測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)位是否為1，對(duì)應(yīng)位為1表示接收到對(duì)方的輸出信號(hào)，本設(shè)備應(yīng)作出對(duì)應(yīng)反應(yīng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站在工程調(diào)試方面有許多不同的地方，以上針對(duì)其不同之處，分析了數(shù)字化變電站二次側(cè)調(diào)試的技術(shù)要點(diǎn)，更好的滿足了數(shù)字化變電站工程建設(shè)中的調(diào)試需求，并在河北省南部電網(wǎng)第一座220 kV數(shù)字化變電站名府變電站調(diào)試中實(shí)踐應(yīng)用，取得良好效果。對(duì)今后智能電網(wǎng)建設(shè)中變電站的工程調(diào)試具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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