第三代智能變電站一次設(shè)備就地模塊自動測試技術(shù)研究

謝軍，余斌，寧春海

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽供電分公司，湖南 邵陽 422000；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

0 引言

智能變電站由于高度的系統(tǒng)集成化、合理的結(jié)構(gòu)布局，在經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保等方面取得了一定的成效。然而，在實際的運用中，也暴露了不少問題，智能變電站對保護裝置、合并單元、智能終端等設(shè)備的運維檢修一直采用人工手動檢測方式，繁重的檢修工作量和高額的檢修成本極大的制約著智能變電站的發(fā)展[1－3]。為了實現(xiàn)電網(wǎng)供電可靠性和變電站運檢高效的目標，國家電網(wǎng)有限公司在2018年啟動第三代智能變電站試點建設(shè)工作[4－5]。

第三代智能變電站以“一鍵操作、自動巡檢、主動預(yù)警、智能決策”等功能為主要特征，是對傳統(tǒng)變電站、第一代智能站及新一代智能站從設(shè)計、制造、建設(shè)、運檢等各方面進行的全面總結(jié)與提升[5－6]。第三代智能變電站取消了合并單元與智能終端設(shè)備，采用結(jié)構(gòu)標準化、信息標準化的就地子模塊設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，如何對就地子模塊設(shè)備進行高效的運維檢測是第三代智能變電站安全穩(wěn)定運行亟待解決的問題[7－9]。

隨著智能裝置不斷向標準化、信息規(guī)范化方向邁進，智能變電站中智能裝置的自動測試技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛。自動化測試技術(shù)必將替代手工測試技術(shù)，解決智能變電站調(diào)試周期長、工作效率低的問題，為變電站一次設(shè)備就地模塊的高效運維檢修提供有力技術(shù)支撐[10－14]。

為了提高設(shè)備檢測效率，提出就地模塊測試方法，研制具有可模擬發(fā)送及接收通信報文、自動生成檢測報告等功能的便攜一次設(shè)備就地模塊測試裝置，實現(xiàn)對開關(guān)量一次設(shè)備就地模塊、模擬量一次設(shè)備就地模塊的一鍵式測試，避免失效一次設(shè)備就地模塊帶病投運及有效防止因一次設(shè)備就地模塊故障導致的電網(wǎng)事故。

1 第三代智能變電站一次設(shè)備就地模塊

如圖1所示，第三代智能變電站采用全站集成測控裝置加就地化保護模式實現(xiàn)，測控采用“兩層一網(wǎng)”系統(tǒng)構(gòu)架，由間隔層、站控層及站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過數(shù)字化就地模塊與一次設(shè)備相連接。保護采用就地化保護方案，由就地化保護、保護專網(wǎng)和智能管理單元構(gòu)成，通過光纜和數(shù)字化就地模塊與一次設(shè)備相連接。

圖1 第三代智能變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)

全站集成測控裝置采用模塊插件，針對不同間隔的遙信、遙測等信號的采集使用不同的采集插件，利用光纖接口由61850報文將對應(yīng)的開關(guān)量模塊和模擬量模塊的開關(guān)信號、模擬量電壓電流信號傳遞給全站集成測控主機。不同間隔采樣插件采集到全站所有間隔的測控信息后，統(tǒng)一由全站集成測控主機的CPU插件進行相關(guān)的采樣計算和邏輯處理，實現(xiàn)全站模擬量模塊和開關(guān)設(shè)備的測量與控制功能。

就地模塊是全站集成測控裝置與刀閘、開關(guān)、互感器等一次設(shè)備的連接紐帶，其將一次刀閘設(shè)備的位置、互感器的量值通過61850報文上送到全站集成測控裝置，同時也將全站集成測控裝置下發(fā)的跳閘指令由61850報文轉(zhuǎn)發(fā)給一次刀閘開關(guān)，實現(xiàn)集成測控裝置對全站一次設(shè)備信息的采集、傳輸和控制。就地模塊主要由模擬量就地模塊、開關(guān)量就地模塊、變壓器就地模塊和操作模塊等4部分構(gòu)成。模擬量就地子模塊與智能變電站合并單元裝置相似，開關(guān)量就地子模塊與智能變電站智能終端設(shè)備相似。

就地模塊可實現(xiàn)電壓、電流、油溫、油位等模擬量及斷路器狀態(tài)、分接頭檔位、非電量信號燈開關(guān)量的就地數(shù)字化，使用按鍵設(shè)置地址，無需軟件配置，體積小(體積合并單元/智能終端的1/7)，可不停電更換。

2 一次設(shè)備就地模塊測試方法

2.1 模擬量就地子模塊測試方法

模擬量就地模塊測試系統(tǒng)如圖2所示。在使用狀態(tài)下，模擬量電流模塊和被測模擬量就地模塊的電流采集口相連，用于發(fā)送模擬電磁互感器二次側(cè)電流額定值；模擬量電壓和被測模擬量就地模塊的電壓采集口相連，用于發(fā)送模擬電磁互感器二次側(cè)電壓額定值；61850報文收發(fā)端口互連，用于傳輸模擬量電壓、電流信號或轉(zhuǎn)發(fā)其他模擬量就地模塊的61850報文。

圖2 模擬量測試系統(tǒng)圖

1)測試模擬量就地模塊轉(zhuǎn)發(fā)61850協(xié)議報文的正確性。通過測試系統(tǒng)61850插件模擬其他就地測試模塊發(fā)送的61850協(xié)議報文給被測模擬量就地模塊，同時回采該模擬量就地模塊發(fā)送的61850協(xié)議報文，利用軟件系統(tǒng)對比發(fā)送的61850協(xié)議報文和采集的61850協(xié)議報文的一致性。

2)測試模擬量就地模塊將模擬量電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為61850協(xié)議報文的正確性。通過測試系統(tǒng)發(fā)送額定二次值的電壓、電流信號給模擬量就地模塊，并通過61850采集插件采集其轉(zhuǎn)換輸出的對應(yīng)數(shù)字61850協(xié)議報文，從而實現(xiàn)模擬量就地模塊離散度、采樣精度和采樣響應(yīng)時間等功能和性能測試。

3)模擬量就地模塊采樣精度及離散度自動測試。通過測試系統(tǒng)自動測試軟件控制發(fā)送二次額定值的電壓電流信號給模擬量就地模塊，并通過61850采集插件采集其轉(zhuǎn)換輸出的對應(yīng)數(shù)字61850協(xié)議報文，對比模擬量電壓、電流通道發(fā)送數(shù)值和61850協(xié)議報文電壓、電流通道采集數(shù)值，計算出模擬量就地模塊采樣精度；統(tǒng)計分析測試系統(tǒng)采集到的61850協(xié)議報文，計算出模擬量就地模塊離散度和抖動性。

4)模擬量就地模塊采樣響應(yīng)時間測試。通過測試系統(tǒng)自動測試軟件控制發(fā)送二次額定值的電壓電流信號給模擬量就地模塊，并通過61850采集插件采集其轉(zhuǎn)換輸出的對應(yīng)數(shù)字61850協(xié)議報文，對比模擬量電壓、電流通道發(fā)送時刻和61850協(xié)議報文電壓、電流通道采集時刻，計算就地模擬量采樣響應(yīng)時間；

5)模擬量就地模塊檢修機制測試。利用自動測試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)對模擬量就地模塊檢修機制時間進行測試，對于測控裝置下發(fā)的開關(guān)量控制命令，當模擬量就地模塊的檢修狀態(tài)與測控裝置檢修狀態(tài)一致時，模擬量模塊應(yīng)能正確執(zhí)行測控裝置下發(fā)的相關(guān)開關(guān)量控制命令；當模擬量就地模塊檢修狀態(tài)與測控裝置檢修狀態(tài)不一致時，模擬量裝置應(yīng)能不執(zhí)行測控裝置下發(fā)的相關(guān)開關(guān)量控制命令。對于模擬量就地模塊轉(zhuǎn)發(fā)其他就地模塊61850協(xié)議報文時，無論其是否為檢修狀態(tài)，均不應(yīng)該影響轉(zhuǎn)發(fā)其他模塊61850協(xié)議報文的檢修狀態(tài)。對于模擬量就地模塊本身，當其投入檢修壓板時，對外發(fā)送的61850協(xié)議電壓、電流報文檢修標志位應(yīng)該置1，當其退出檢修壓板時，對外發(fā)送61850協(xié)議電壓、電流報文檢修標志位應(yīng)該置0。

2.2 開關(guān)量就地子模塊測試方法

開關(guān)量測試系統(tǒng)如圖3所示。開關(guān)量就地模塊測試系統(tǒng)在使用狀態(tài)下，硬接點輸入口和被測試開關(guān)量就地模塊的硬接點輸出口相連，用于接收被測試開關(guān)量就地模塊轉(zhuǎn)發(fā)的刀閘、斷路器控制命令；硬接點輸出口和被測試開關(guān)量就地模塊的硬接點輸入口相連，用于向被測試開關(guān)量就地模塊的發(fā)送斷路器、刀閘實際硬接點分合位置。61850報文收發(fā)端口互連，用于傳輸?shù)堕l、斷路器控制命令以及刀閘、斷路器轉(zhuǎn)換為分合位置的61850報文。

圖3 開關(guān)量測試系統(tǒng)圖

1)通用開關(guān)量就地模塊測試系統(tǒng)測試方法

①測試通用開關(guān)量就地模塊轉(zhuǎn)發(fā)61850協(xié)議報文的正確性。通過測試系統(tǒng)61850插件模擬其他就地測試模塊發(fā)送的61850協(xié)議報文給被測通用開關(guān)量就地模塊，同時回采該通用開關(guān)量就地模塊發(fā)送的61850協(xié)議報文，利用軟件系統(tǒng)對比發(fā)送的61850協(xié)議報文和采集的61850協(xié)議報文的一致性。

②測試通用開關(guān)量就地模塊將刀閘、斷路器位置等硬接點信號轉(zhuǎn)換為61850協(xié)議報文的正確性。通過測試系統(tǒng)開出量模塊對被測通用開關(guān)量就地模塊模擬刀閘、斷路器硬接點分合位置，同時回采該通用開關(guān)量就地模塊發(fā)送的61850協(xié)議報文位置信號，利用軟件系統(tǒng)獲取通用開關(guān)量就地模塊通道位置關(guān)聯(lián)的正確性和轉(zhuǎn)換時間。

③測試測控裝置下發(fā)的刀閘、斷路器位置等61850協(xié)議報文遙控命令轉(zhuǎn)換為硬接點開出量的正確性。通過測試系統(tǒng)模擬測控裝置的61850協(xié)議報文，同時回采該通用開關(guān)量就地模塊轉(zhuǎn)換的對應(yīng)開出量硬接點信號，利用軟件系統(tǒng)獲取通用開關(guān)量就地模塊通道位置關(guān)聯(lián)的正確性和轉(zhuǎn)換時間。

2)通用開關(guān)量就地模塊自動測試及報告生產(chǎn)流程

利用自動測試軟件系統(tǒng)對通用開關(guān)量就地模塊所有節(jié)點進行功能和性能測試，對61850協(xié)議報文轉(zhuǎn)為開出量硬節(jié)點和開入量硬節(jié)點轉(zhuǎn)換為61850協(xié)議報文進行全面測試。每個節(jié)點信號均對其分合位置映射關(guān)聯(lián)的正確性和轉(zhuǎn)換時間進行測試和記錄，測試結(jié)束后，將所有節(jié)點的測試結(jié)果和記錄以測試報告文檔的形式生產(chǎn)。

3)通用開關(guān)量就地模塊檢修機制測試

利用自動測試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)對通用開關(guān)量就地模塊檢修機制時間進行測試，對于測控裝置下發(fā)的遙控等命令，當通用開關(guān)量就地模塊檢修狀態(tài)與測控裝置檢修狀態(tài)一致時，通用開關(guān)量模塊應(yīng)能正確執(zhí)行測控裝置相關(guān)控制命令；當通用開關(guān)量就地模塊檢修狀態(tài)與測控裝置檢修狀態(tài)不一致時，通用開關(guān)量裝置應(yīng)能不執(zhí)行測控裝置相關(guān)控制命令。對于通用開關(guān)量就地模塊轉(zhuǎn)發(fā)其他就地模塊61850協(xié)議報文時，無論其是否為檢修狀態(tài)，均不應(yīng)該影響轉(zhuǎn)發(fā)其他模塊61850協(xié)議報文的檢修狀態(tài)。對于通用開關(guān)量就地模塊本身，當其投入檢修壓板時，對外發(fā)送61850協(xié)議報文檢修標志位應(yīng)該置1，當其退出檢修壓板時，對外發(fā)送61850協(xié)議報文檢修標志位應(yīng)該置0。

3 自動測試設(shè)備研制及應(yīng)用

通過以上對模擬量就地模塊與開關(guān)量就地模塊的測試方法，對第三代智能變電站現(xiàn)場模擬量就地模塊與開關(guān)量就地模塊測試設(shè)備進行研制，以滿足第三代智能變電站現(xiàn)場模擬量就地模塊與開關(guān)量就地模塊檢修測試要求，提供第三代智能變電站現(xiàn)場測試工具和測試手段。

第三代智能站二次設(shè)備自動測試設(shè)備是需要對多個不同類型二次設(shè)備進行自動化測試，因此要求測試設(shè)備硬件具備可擴展性。采用模塊化設(shè)計思路，將測試設(shè)備進行模塊化分解，并通過主板對多個模塊進行管理控制。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使硬件系統(tǒng)具備模擬量電壓電流信號、開關(guān)量信號及數(shù)字61850報文信號的輸出特點，硬件平臺采用插件結(jié)構(gòu)組成，如圖4所示。

圖4 硬件平臺插件式結(jié)構(gòu)原理圖

整機結(jié)構(gòu)采用插件式結(jié)構(gòu)，所有的裝置內(nèi)部的電信號連接都通過插件背板通信，電源插件通過背板為控制插件、數(shù)字量插件、電壓插件、電流插件供電，控制插件通過背板與數(shù)字插件、電壓插件、電流插件交互數(shù)據(jù)。背板插件通過轉(zhuǎn)接板將電壓電流輸出線引到端子板，并在前面板端口輸出。控制插件和數(shù)字量插件對外接口從后面板引出，包含控制插件的GPS對時接口、光B碼對時接口、1588對時接口，數(shù)字板的FT3輸出光口和FT3輸入光口。

當外部有統(tǒng)一的時間基準如GPS時間信號或IEEE1588時間同步信號時，裝置通過GPS接收機或者IEEE1588同步信號接收裝置得到外部同步時間的秒脈沖。然后利用晶振裝置對GPS的秒脈沖進行計數(shù)，并進行累計記錄。得到的一系列累計晶振計數(shù)值作為Kalman濾波器的觀測值，利用Kalman濾波器對晶振的系統(tǒng)狀態(tài)進行預(yù)測與估計。將相鄰兩次得到的累計晶振計數(shù)值相減得到晶振分頻器的控制量。

裝置工作在同步授時狀態(tài)時，將Kalman濾波器得到的晶振頻率的估計值作為歷史數(shù)據(jù)保存下來。當歷史數(shù)據(jù)量達到訓練需求的最小數(shù)據(jù)量時，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練。滿足誤差精度或者迭代次數(shù)后結(jié)束訓練。等待下一次歷史數(shù)據(jù)的更新。

當失去外部的時間基準時，裝置無法接收到外部同步時間秒脈沖，裝置變?yōu)槭貢r狀態(tài)。Kalman濾波器不再工作，裝置只依靠訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對未來晶振的頻率變化做出預(yù)測。由于晶振頻率變化短時間內(nèi)很微小，因此在同步守時狀態(tài)時，將得到的頻率預(yù)測值進行累加，即得到預(yù)測累計晶振計數(shù)值，再將相鄰兩次的結(jié)果相減，產(chǎn)生晶振頻率分頻器的控制值。

3.2 工作流程

控制插件是整個測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的控制核心，其不僅要實現(xiàn)模擬量電壓電流、數(shù)字報文和開關(guān)量的輸入輸出控制，還要實現(xiàn)閉環(huán)測試參數(shù)的邏輯計算與處理。控制插件上主要由上位機通訊模塊、邏輯計算模塊、模擬量電壓電流控制模塊、數(shù)字報文控制模塊、開關(guān)量控制模塊和監(jiān)控模塊等構(gòu)成。

上位機通訊模塊有以太網(wǎng)通信端口和WiFi端口兩部分組成，兩部分獨立運行，互不干擾。以太網(wǎng)通信端口和WiFi端口采用無線路由器工作原理，任何一個均能實現(xiàn)上位機PC與測試系統(tǒng)的有效連接，及時下發(fā)上位機的控制輸出命令及上送硬件系統(tǒng)的回采數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等內(nèi)容。以太網(wǎng)通信端口采用百兆通訊模塊，實現(xiàn)10M與100M以太網(wǎng)自適應(yīng)連接，能夠以有線電纜的方式實現(xiàn)上位機PC與主板插件的可靠連接。WiFi端口采用主板插件內(nèi)置WiFi發(fā)送模塊，由外部PC等無線通信設(shè)備實現(xiàn)與主板插件的可靠連接。

邏輯計算模塊主要由ARM(Advanced RISC Machines)＋FPGA (Field Programmable Gate Array)組成。ARM芯片負責上位機命令的接收、處理，F(xiàn)GPA程序負責命令的準時下發(fā)、通訊報文的等間隔下發(fā)。以合并單元數(shù)字報文發(fā)送為例，上位機將實驗命令下發(fā)到ARM芯片，ARM芯片會將相應(yīng)的試驗設(shè)置、試驗計算傳輸給底層驅(qū)動，完成相應(yīng)的邏輯計算及數(shù)字報文組包，并由FPGA通過準確的按間隔下發(fā)給數(shù)字插件，保證每秒等間隔發(fā)送數(shù)字報文，每幀報文均按規(guī)定協(xié)議格式發(fā)送規(guī)則進行下發(fā)。

模擬量電壓電流控制模塊即AD轉(zhuǎn)換模塊，其主要控制電壓、電流功率放大器輸出特定的電壓、電流信號。當ARM芯片接收到上位機下發(fā)的控制輸出命令后，其將控制命令處理后通過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為0～6 V的電壓信號，電壓功率放大器和電流功率放大器插件接收到模擬量弱信號時，會將其轉(zhuǎn)換為0～120 V的電壓信號和0～20 A的電流信號輸出。

數(shù)字報文控制模塊主要控制數(shù)字報文插件輸出、輸入61850報文。當ARM芯片接收到上位機下發(fā)的控制命令后，由FPGA將其傳輸給數(shù)字報文插件從而完成相應(yīng)的功能。

開關(guān)量控制模塊主要用于控制開入量和開出量的及時控制。當上位機下發(fā)開入量探測等控制命令后，光耦結(jié)構(gòu)的開入量實時進行硬接點探測，當探收到硬接點閉合狀態(tài)時在100μs以內(nèi)將其傳輸?shù)紸RM控制系統(tǒng)，使其能及時參與相應(yīng)的邏輯計算處理。當上位機下發(fā)開出量閉合等控制命令后，光耦結(jié)構(gòu)的開出量在100μs內(nèi)立即閉合，開出量接點能夠及時、準確輸出。

監(jiān)控模塊主要用于測試系統(tǒng)的自檢功能。當電壓、電流功率放大器和其他插件正常運行輸出時，監(jiān)測模塊實時監(jiān)視測試系統(tǒng)的硬件輸出狀態(tài)。當電流輸出開路時、功率放大器過熱過載時，告警電路會及時觸發(fā)并將相應(yīng)的信號傳輸給監(jiān)控模塊和ARM控制芯片，并在第一時間內(nèi)切斷硬件系統(tǒng)的電壓、電流等信號的輸出。

3.3 自動測試技術(shù)應(yīng)用

基于以上測試方法、需求和設(shè)計方案，研制出就地模塊自動測試設(shè)備，如圖5所示。就地模塊自動測試設(shè)備模擬量電壓電流輸出與模擬量就地子模塊連接，并同時接收模擬量就地子模塊返回的61850－9－2數(shù)字報文，測試設(shè)備開關(guān)量節(jié)點輸出與開關(guān)量就地子模塊開入量連接，測試設(shè)備開關(guān)量節(jié)點輸入與開關(guān)量就地子模塊開出節(jié)點連接，并通過光口連接開關(guān)量就地子模塊的GOOSE光口收發(fā)口。測試設(shè)備與模擬量就地子模塊、開關(guān)量就地子模塊同時連接到1588時鐘源上，保證三個設(shè)備處在同一個時鐘下，再通過軟件界面選擇測試項目，點擊一鍵自動測試，測試完成后便可生成報告。

圖5 就地模塊自動測試框圖

4 結(jié)語

第三代智能變電站是變電站智能化提升的重要發(fā)展階段，作為第三代智能變電站的核心設(shè)備，就地模塊的正常運行對變電站安全穩(wěn)定至關(guān)重要。本文提出模擬量就地模塊實現(xiàn)采樣精度及離散度測試、采樣響應(yīng)時間測試、檢修機制功能測試等測試方法，提出開關(guān)量就地模塊實現(xiàn)自動測試及報告生產(chǎn)流程、防抖時間測試以及檢修機制測試等，實現(xiàn)就地模塊的61850協(xié)議分析模擬，研制出自動測試設(shè)備，能夠完成就地模塊功能和性能的批量自動檢測，為就地模塊的功能和性能批量自動測試檢修提供一種新方式，提升智能變電站的檢修維護效率，保障電網(wǎng)的安全高效運行。