數(shù)字化變電站二次側(cè)調(diào)試技術(shù)分析

張世強,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，有必要對此進行分析和總結(jié)，為以后的工程實施積累經(jīng)驗。

1 數(shù)字化變電站的特點

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/服務(wù)器(Client/Server)的方式進行模型化處理。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、遠動以及后續(xù)其他配置的統(tǒng)一數(shù)據(jù)來源。

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)，控制信號通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)字化傳輸。在工程調(diào)試中，網(wǎng)絡(luò)測試成為一項重要內(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，采樣測量值)網(wǎng)。

MMS主要用于監(jiān)控系統(tǒng)、遠動自動化裝置、信息子站等自動化設(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，此類交換機提供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。在工程實施中多采用2層網(wǎng)絡(luò)路由器來組網(wǎng)，現(xiàn)階段應(yīng)用比較多的是RUGGEDCOM(羅杰康)電力專用2層式交換機。此交換機提供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串行口點對點聯(lián)網(wǎng),另一種是基于IEC 61850-9-1/2規(guī)約的光纖以太網(wǎng)點對點聯(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量技術(shù)和光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)電流、電壓測量的新型互感器，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試原理的電流、電壓互感器。

1.4 繼電保護的數(shù)字化

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

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

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)文件通過系統(tǒng)配置工具(System Configuration Tool)生成SCD文件，再由SCD文件通過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)都需要通過此流程生成新的CID文件，而不能手動改動CID文件中的相應(yīng)設(shè)置。在以往的工程實踐中，曾發(fā)生由于手動更改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、遠動以及保護信息出現(xiàn)錯誤。實踐表明，此種錯誤的排查要花去大量的時間和精力，所以需要在源頭加以控制，嚴格按照上述流程建立模型文件。

2.2 全站的組網(wǎng)及測試

數(shù)字化變電站是基于模型化、模塊化思路設(shè)計的。每一個IED設(shè)備都需要與其他多個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IED設(shè)備與MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)以及點對點采樣網(wǎng)絡(luò)的連接。

在組網(wǎng)過程中，光纖以太網(wǎng)需要使用光功率計測試網(wǎng)絡(luò)光纖收發(fā)的衰耗，并做好數(shù)據(jù)記錄，這對于后續(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))來區(qū)分不同電壓等級及不同單元類型的網(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)定運行的關(guān)鍵。

對于VLAN的檢查，一方面可以通過登陸路由器檢查各個端口的設(shè)置，按照既定的VLAN方案進行劃分；另一方面通過第三方抓包工具(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為例，說明VLAN的劃分。

現(xiàn)假定劃分為VLAN1、VLAN2、VLAN3 3個VLAN。Port1和Port2作為交換機與交換機之間的上聯(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，即開啟路由器的VLAN功能，見圖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)置對應(yīng)的VID(VLAN ID)，VLAN Name(VLAN名稱)和對應(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。配置對應(yīng)端口的Type(類型)、PVID(端口VLAN ID)及PVID格式，見表2。

Trunk類型的端口傳輸所有VLAN的報文，一般指交換機之間相聯(lián)的端口或者需要收到多個或全部 VLAN報文的端口。802.1Q標準允許Trunk端口工作于多個VLAN。

Edge 類型的端口一般連接到某一個設(shè)備(比如計算機或IED)，其報文帶有本身預(yù)設(shè)的VLAN 標志或端口VLAN 標志；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)置交換機之間VLAN的動態(tài)學(xué)習(xí)功能是否開啟。

表2 端口VLAN參數(shù)配置

同時通過第三方工具，可以監(jiān)測實際報文中對應(yīng)IED設(shè)備的VLAN劃分情況及優(yōu)先級信息，從而有效的驗證VLAN是否按照既定的工程設(shè)計規(guī)范進行劃分。

2.3 電子式互感器的校驗

電流互感器校驗示意見圖3。標準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和標準TA，由ETA經(jīng)光纖引至合并單元，并由合并單元把數(shù)字量電流信號接入電子式電流互感器校驗儀，同樣，標準TA的輸出電流變換為一個模擬電壓弱信號接入電子式電流互感器校驗儀。

圖3 電流互感器校驗示意

利用大電流發(fā)生器模擬一次電流，通過校驗儀，可以實時檢測ETA輸出的數(shù)字量信號與標準TA輸出的模擬信號的變比、極性是否一致，波形是否同步，從而完成電流互感器的校驗工作。

電壓互感器校驗接線方式見圖4。

圖4 電壓互感器校驗示意

標準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和標準TV，數(shù)字量電壓信號由ETV經(jīng)光纖引至合并單元，并由合并單元把數(shù)字量電壓信號接入電子式互感器校驗儀，同樣，標準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儀。

利用高壓發(fā)生器模擬一次電壓，通過校驗儀，可以實時檢測ETA輸出的數(shù)字量信號與標準TV輸出的模擬信號的變比、極性是否一致，波形是否同步，從而完成電壓互感器的校驗工作。

2.4 保護裝置的調(diào)試

目前，國內(nèi)數(shù)字化保護裝置的數(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；國電南京自動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)字化保護裝置采樣規(guī)約及接口的多樣性，國外OMICRON公司CMC356型，國內(nèi)北京博電新力電力系統(tǒng)儀器有限公司的PWF II型數(shù)字化保護裝置試驗儀，并不能完全適應(yīng)所有數(shù)字化保護裝置的采樣系統(tǒng)，尤其是兩者都不能做到對于IEC 60044-8規(guī)約的支持。但數(shù)字化保護裝置試驗儀均可以接收保護裝置的GOOSE反饋信息，發(fā)送GOOSE報文給保護裝置。

針對不同的保護裝置以及不同的試驗儀，調(diào)試方案主要分為以下2種：

方案1，常規(guī)微機保護試驗儀連接模數(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)字采樣信號到合并器，通過合并器接入數(shù)字化繼電保護裝置；同時通過PC連接保護裝置GOOSE網(wǎng)絡(luò)接口，由抓包分析工具抓取保護裝置GOOSE反饋信息進行監(jiān)測。

方案2，數(shù)字化保護試驗儀數(shù)字采樣信號直接輸出到所連接的數(shù)字化保護裝置，同時保護裝置GOOSE信息直接反饋到所接入的數(shù)字化保護試驗儀，通過數(shù)字化保護試驗儀完成整個測試工作。

在方案1中，由于經(jīng)過模數(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)換打包過程需要消耗一定的時間才能完成，因此在實際測試中存在一定的誤差。經(jīng)過實際測試，一般情況下存在幾個毫秒的誤差，所以在選用方案1時需要考慮此誤差，才能確保測試結(jié)果的準確。而對于方案2，由于不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，整個試驗過程是由數(shù)字化保護試驗儀和保護裝置閉環(huán)完成，其測試結(jié)果的準確度更高。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種方案抓取的報文示例,見圖5。

圖5主要關(guān)注GOOSE報文中以下內(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，對應(yīng)優(yōu)先級為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標識是否正確。IED設(shè)備在接收到報文后要檢測這三部分與裝置中GOOSE連線配置是否一致，不一致則不作任何反應(yīng)。

c. 測試位(Test)是否為1。IED設(shè)備需要檢測報文中Test位與本裝置Test位是否一致，只有一致才做出動作反應(yīng)。

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

3 結(jié)束語

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，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)試中實踐應(yīng)用，取得良好效果。對今后智能電網(wǎng)建設(shè)中變電站的工程調(diào)試具有一定的借鑒意義。

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