智能變電站一體化智能測試系統(tǒng)研究?

劉 曦 錢碧甫 張雯燕

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司 溫州 325000）

1 引言

目前的智能變電站基于IEC61850 規(guī)約，站內(nèi)設(shè)備包括合并單元、智能終端、保護(hù)測控裝置、監(jiān)控遠(yuǎn)動(dòng)、網(wǎng)分故錄等，主要采用各類規(guī)范后的數(shù)字量傳輸。對(duì)于現(xiàn)場調(diào)試驗(yàn)收人員來說，由于大量通訊規(guī)約及網(wǎng)絡(luò)通訊概念的引入，智能變電站調(diào)試、測試、維護(hù)和管理的難度都大幅提升，以往所積累下來的各類設(shè)備檢定、測試、校驗(yàn)、使用維護(hù)和故障診斷等經(jīng)驗(yàn)和方法很多已不再適用［1～3］。隨著智能變電站的興起，各種智能設(shè)備的引入，相應(yīng)的各類測試設(shè)備需求增加。目前，測試人員還是針對(duì)單一設(shè)備開展測試，并未考慮多設(shè)備，因此需要涵蓋多層變電站網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備。對(duì)于合并單元，需要安裝合并單元測試儀；對(duì)于符合IEC61850 的保護(hù)裝置，需要安裝數(shù)字化的繼電保護(hù)測試儀；針對(duì)智能變電站所特有的SV 和GOOSE 網(wǎng)絡(luò)，試驗(yàn)人員需要建立相應(yīng)的測試和驗(yàn)證系統(tǒng)；針對(duì)IEC61850 模型（SCD 等文件），需要檢查其規(guī)范性，并驗(yàn)證相應(yīng)的連點(diǎn)信息。但是目前市場上只有相互獨(dú)立的各類測試系統(tǒng)，并未形成一套全面而完整的測試體系。開展智能變電站一體化智能測試系統(tǒng)研究可使測試人員摒棄各類測試設(shè)備以及各類相互獨(dú)立的測試系統(tǒng)。目前國外公司和機(jī)構(gòu)暫無相類似產(chǎn)品和研究［4～6］。本系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書轉(zhuǎn)化為裝置測試方案（測試模板和報(bào)告模板），通過對(duì)繼電保護(hù)測試儀的控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)數(shù)字機(jī)電保護(hù)裝置，自動(dòng)生成測試報(bào)告的功能。測試功能模塊可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按定值測試參數(shù)、自動(dòng)提示測試接線盒操作方法、自動(dòng)下載測試儀的IEC61850 配置、自動(dòng)評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果并產(chǎn)生試驗(yàn)報(bào)告。開放試驗(yàn)報(bào)告（數(shù)據(jù)）文件標(biāo)準(zhǔn)，便于與其他系統(tǒng)接口。該系統(tǒng)既能使測試工作更完善有效，同時(shí)也將大幅降低相關(guān)運(yùn)維作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，希望為智能變電站一體化管理提供參考。

2 裝置原理

根據(jù)IEC61850，目前的智能變電站都將站內(nèi)設(shè)備分為“三層兩網(wǎng)”，即過程層、間隔層、站控層、過程層網(wǎng)絡(luò)及間隔層網(wǎng)絡(luò)［7］。過程層設(shè)備主要包括合并單元和智能終端等二次設(shè)備，以及互感器和開關(guān)刀閘等一次設(shè)備；間隔層主要是保護(hù)測控等二次設(shè)備；站控層主要由監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)及保信子站等設(shè)備組成；過程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)過程層設(shè)備和間隔層設(shè)備的通訊，承載的是SV、GOOSE、1588 等報(bào)文；間隔層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備的通訊，承載MMS、SNTP等報(bào)文。一體化智能測試系統(tǒng)根據(jù)“三層兩網(wǎng)”的變電站結(jié)構(gòu)，主要對(duì)三層設(shè)備分別測試，以及綜合后的系統(tǒng)級(jí)聯(lián)調(diào)測試。以系統(tǒng)性完整測試為目標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)指導(dǎo)書為藍(lán)本，通過由系統(tǒng)提供的專業(yè)調(diào)試工具快速、準(zhǔn)確地完成對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的測試工作。

圖1 系統(tǒng)功能圖

考慮系統(tǒng)未來可進(jìn)行跨平臺(tái)移植及針對(duì)目前已掌握技術(shù)的整合等要求，本系統(tǒng)主要使用Qt5 進(jìn)行編寫，數(shù)據(jù)庫使用Sqlite，可進(jìn)行跨平臺(tái)編譯，目標(biāo)平臺(tái)為Windows 及Linux，如需使用其他第三方庫，也將選擇開源跨平臺(tái)庫，以保證整個(gè)軟件跨平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

3 功能設(shè)計(jì)

3.1 過程層設(shè)備測試

3.1.1 互感器校驗(yàn)

本系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可對(duì)模擬量輸出的及數(shù)字量輸出的電子式互感器進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)兼容傳統(tǒng)的電磁式互感器校驗(yàn)。系統(tǒng)可對(duì)電子式互感器進(jìn)行IEC 61850 協(xié)議的一致性校驗(yàn)、可輸出多路光同步信號(hào)、監(jiān)測穩(wěn)態(tài)下的信號(hào)輸出，并精確檢測出比差、相差和頻差等數(shù)據(jù)指標(biāo)，系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，如圖2所示［8～9］。

圖2 互感器校驗(yàn)

3.1.2 合并單元測試

合并單元（MU）是數(shù)字化變電站內(nèi)重要設(shè)備，是智能變電站的過程層的接口設(shè)備。合并單元是互感器的組成部分，主要完成采集單元數(shù)據(jù)接收、本地模擬量輸入信號(hào)采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)同步，微分積分信號(hào)最終以特定協(xié)議（主要是61850-9 以及FT3）將數(shù)據(jù)發(fā)送給變電站內(nèi)其余保護(hù)測控等裝置。合并單元性能的好壞，直接關(guān)系到保護(hù)、計(jì)量、測控以及故障錄波器等二次設(shè)備。因此，對(duì)合并單元的測試顯得格外重要。目前市場上已有部分合并單元測試儀，但大多都只是測試合并單元數(shù)據(jù)處理性能的，對(duì)其合并單元61850模型的測試尚未涉及［10～13］。

本系統(tǒng)提出一種新型的合并單元測試系統(tǒng)，如圖3 所示。該系統(tǒng)通過高速同步模擬信號(hào)采集卡采集基準(zhǔn)源模擬信號(hào)，通過數(shù)字信號(hào)采集模塊采集合并單元的輸出數(shù)字信號(hào)，將采集到的基準(zhǔn)源信號(hào)與數(shù)字量信號(hào)通過USB 通信以及以太網(wǎng)口傳輸至后臺(tái)分析系統(tǒng)。后臺(tái)分析系統(tǒng)通過高級(jí)算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出比差、相差、頻差等數(shù)據(jù)指標(biāo)，并形成相應(yīng)的測試報(bào)告。同時(shí)，通過61850的MMS服務(wù)，校驗(yàn)合并單元模型的一致性。

圖3 系統(tǒng)原理圖

3.1.3 智能終端測試

智能終端作為一次開關(guān)刀閘的智能化前端設(shè)備，是保護(hù)測控裝置控制一次設(shè)備的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通過SCD 文件，系統(tǒng)將對(duì)智能終端GOOSE 報(bào)文規(guī)范性、常規(guī)功能、時(shí)間性能、網(wǎng)絡(luò)性能等功能做出全面地檢測和評(píng)估，如圖4所示。

圖4 智能終端

3.2 間隔層設(shè)備測試

保護(hù)測控裝置作為變電站內(nèi)設(shè)備最核心的組成部分，功能復(fù)雜，廠家間也存在著較大差異。以往現(xiàn)場基本上都是采用手動(dòng)并逐一的功能測試，這樣既對(duì)測試人員提出較高要求，同時(shí)也將花費(fèi)大量時(shí)間。針對(duì)此情況，本系統(tǒng)采取的保護(hù)測控裝置自動(dòng)化測試系統(tǒng)將從根本上改變這一現(xiàn)狀。將標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書轉(zhuǎn)化為裝置測試方案（測試模板和報(bào)告模板），通過對(duì)繼電保護(hù)測試儀控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)數(shù)字繼電保護(hù)裝置，自動(dòng)生成測試報(bào)告的功能，可利用在線或離線兩種方法獲取裝置測試方案，系統(tǒng)根據(jù)測試模板，提示工作人員完成相關(guān)危險(xiǎn)點(diǎn)分析及控制、設(shè)備交接等準(zhǔn)備工作，并自動(dòng)選擇測試功能模塊，自動(dòng)按定值測試參數(shù)、自動(dòng)提示測試接線盒操作方法、自動(dòng)下載測試儀的IEC61850 配置、自動(dòng)評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果并生產(chǎn)試驗(yàn)報(bào)告，開放試驗(yàn)報(bào)告（數(shù)據(jù)）文件標(biāo)準(zhǔn)，便于與其他系統(tǒng)接口。具體流程如圖5所示。

自動(dòng)測試系統(tǒng)加載測試方案后可對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行配置（包括定值及壓板），根據(jù)被測對(duì)象定值控制測試儀輸出模擬量。

測試完成后可生成對(duì)應(yīng)測試方案的測試報(bào)告，包括以下內(nèi)容：1）測試環(huán)境。包括測試定值、測試壓板等。2）測試結(jié)果。包含測試過程中各種動(dòng)作行為記錄，如跳閘時(shí)間、事件報(bào)文、遙信變位記錄等。由此可見，自動(dòng)測試系統(tǒng)的測試過程為閉環(huán)測試，生成的報(bào)告涵蓋整套系統(tǒng)在測試過程中的各種行為邏輯，不但能提高測試工作效率，更能留下完整的記錄供測試后分析系統(tǒng)的工作狀況。

圖5 測試流程圖

3.3 站控層設(shè)備測試

3.3.1 自動(dòng)化設(shè)備在線監(jiān)測子站測試

為了實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范化、運(yùn)行檢修維護(hù)效率最大化，國家電網(wǎng)公司提出了智能變電站自動(dòng)化設(shè)備“四統(tǒng)一、四規(guī)范”，要求對(duì)變電站自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測和異常分析［14～16］。規(guī)范要求由變電站內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備在線監(jiān)測子站系統(tǒng)進(jìn)行信息收集、處理、控制、存儲(chǔ)，并按要求向在線監(jiān)測主站系統(tǒng)發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化設(shè)備的在線監(jiān)視、異常分析、狀態(tài)評(píng)價(jià)和集中管理。

主站與子站之間以DL/T 860作為通信標(biāo)準(zhǔn)，遵循DL/T 860 定義的抽象服務(wù)通信接口（ACSI）模型，采用MMS 通信協(xié)議集實(shí)現(xiàn)通信功能。通信模式如圖6 所示。本自動(dòng)測試系統(tǒng)通過模擬自動(dòng)化設(shè)備在線監(jiān)測主站，與子站進(jìn)行通信、采集數(shù)據(jù)，來測試驗(yàn)證子站的通信功能及相關(guān)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。被測自動(dòng)化設(shè)備在線監(jiān)測子站廠家需要提供：SCD模型文件、監(jiān)測子站IP地址，配置與本自動(dòng)測試系統(tǒng)通訊的通道。

圖6 通信模式

3.3.2 其它高級(jí)功能測試定制

服務(wù)器從站控層設(shè)備能獲取到各類設(shè)備信息，根據(jù)差異化需求，系統(tǒng)支持根據(jù)所獲取信息定制化測試。通過定制化測試的不斷深入和完善，使一體化智能測試系統(tǒng)不斷完善。如根據(jù)變電站的對(duì)時(shí)方式及所需達(dá)到的參數(shù)指標(biāo)，制定相應(yīng)測試方案，對(duì)全站對(duì)時(shí)設(shè)備做出系統(tǒng)級(jí)對(duì)時(shí)特性測試。

3.4 系統(tǒng)級(jí)綜合測試

通過自動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行的通訊測試可以完整地覆蓋數(shù)字站的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)測控裝置、交換機(jī)、智能終端、操作機(jī)構(gòu)的完整通訊鏈路，做到完整的通訊鏈路及系統(tǒng)動(dòng)作行為測試，如圖8 所示。通過以上各項(xiàng)子系統(tǒng)測試，使用圖形化的界面，即可完成全站的SCL正確性檢查。

圖8 監(jiān)控原理圖

4 結(jié)語

目前，由于智能變電站新增了較多的調(diào)試設(shè)備，且各設(shè)備間也存在部分功能重疊，從而引起測試設(shè)備采購浪費(fèi)。開發(fā)一套自動(dòng)化智能測試系統(tǒng)，替代各類單一設(shè)備，從而降低設(shè)備采購費(fèi)用至關(guān)重要。基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)“三層兩網(wǎng)”的變電站結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)性完整測試為目標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書為藍(lán)本，通過由一體化系統(tǒng)提供的專業(yè)調(diào)試工具，快速、準(zhǔn)確地完成智能變電站一體化智能測試工作。本文研制的智能變電站一體化智能測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢驗(yàn)數(shù)字繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)生成測試報(bào)告的功能，既能使測試工作更完善有效，同時(shí)也將大幅降低繼電保護(hù)相關(guān)運(yùn)維作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率和工作質(zhì)量。