智能變電站二次系統(tǒng)試驗(yàn)方法綜述

王 彪，甄 威，張 華，黃 琦，井 實(shí)，胡鳳凱，吳 杰

(1.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072;2.電子科技大學(xué)，四川成都 610054)

0 引言

2011年國(guó)家電網(wǎng)公司提出“十二五”期間將建設(shè)數(shù)千座智能變電站，推動(dòng)了智能變電站及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)《智能變電站導(dǎo)則》，定義智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站。

與數(shù)字化變電站相比，數(shù)字變電站是智能變電站的技術(shù)基礎(chǔ)，而智能變電站更加強(qiáng)調(diào)體現(xiàn)智能化和適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展的高端應(yīng)用技術(shù)，例如:設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、基于多信息融合技術(shù)的綜合故障診斷和智能操作票系統(tǒng)等。

下面首先描述了智能變電站試驗(yàn)方法現(xiàn)狀，最后介紹了一種全新的智能變電站試驗(yàn)方法，即智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)方法，并介紹了該試驗(yàn)方法的概念、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工程應(yīng)用。

1 智能變電站試驗(yàn)方法現(xiàn)狀

智能變電站是由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備組成，這些新型設(shè)備的使用使得智能變電站的試驗(yàn)方法區(qū)別于傳統(tǒng)變電站試驗(yàn)方法。

在智能變電站中，電子式互感器首先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字化方式表達(dá)的模擬量信號(hào)，經(jīng)光纖傳送至合并單元，合并單元接收多臺(tái)采集器信號(hào)并根據(jù)不同裝置(繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置和計(jì)量裝置等)需要對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行組織、分配，并經(jīng)不同光纖將不同信號(hào)送至各二次設(shè)備。智能變電站中的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)保護(hù)間狀態(tài)信號(hào)和命令信號(hào)傳遞任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)保護(hù)間復(fù)雜配合關(guān)系的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。因此，智能變電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的檢驗(yàn)范圍應(yīng)包含合并單元和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以檢查其完成信息組織、分配和傳遞功能的正確性。

而進(jìn)行傳統(tǒng)變電站的繼電保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，只需要經(jīng)電纜向繼電保護(hù)裝置信號(hào)輸入端注入試驗(yàn)信號(hào)，即可檢驗(yàn)保護(hù)裝置技術(shù)性能。

目前保護(hù)設(shè)備檢驗(yàn)方法有3種。方法1是向被試保護(hù)設(shè)備提供試驗(yàn)信號(hào)，檢驗(yàn)范圍沒(méi)有包括實(shí)際完成信號(hào)組織、分配任務(wù)的合并器和交換機(jī)，試驗(yàn)連接關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)1

方法2的試驗(yàn)范圍包含了“保護(hù)設(shè)備和智能終端”，但檢驗(yàn)范圍也沒(méi)有包括實(shí)際完成信號(hào)組織、分配任務(wù)的合并器和交換機(jī)，試驗(yàn)連接關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)2

方法3的試驗(yàn)范圍包含了“合并器、保護(hù)設(shè)備和智能終端”，但不能實(shí)現(xiàn)跨間隔保護(hù)信息(包括SV信息和GOOSE信息)組織正確性的檢驗(yàn)，也不能完成復(fù)雜保護(hù)配置正確性檢驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能的檢驗(yàn)，試驗(yàn)連接關(guān)系圖如圖3所示。

若智能變電站仍采用上述傳統(tǒng)變電站保護(hù)裝置試驗(yàn)方法，都不能完整地檢驗(yàn)整個(gè)智能變電站二次系統(tǒng)的功能，這樣給智能變電站運(yùn)行帶來(lái)重大隱患。

圖3 繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)3

為了全面地進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)各項(xiàng)試驗(yàn)，目前在國(guó)內(nèi)主要采用動(dòng)模試驗(yàn)方法［1－3］。文獻(xiàn)［1］介紹了浙江500 kV蘭溪、海寧數(shù)字化變電站開(kāi)展的系統(tǒng)級(jí)動(dòng)模試驗(yàn)，以驗(yàn)證工程中應(yīng)用的基于 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程層、間隔層及站控層3層設(shè)備的適用性，考核各設(shè)備在故障期間的動(dòng)作行為、整體配合性能。并詳細(xì)分析了整體動(dòng)模試驗(yàn)難點(diǎn)，提出試驗(yàn)方案，內(nèi)容包括:建立變電站級(jí)物理動(dòng)態(tài)模擬一次系統(tǒng)，構(gòu)建與試驗(yàn)規(guī)模相適應(yīng)的過(guò)程層、站控層2層網(wǎng)絡(luò)，智能終端、保護(hù)裝置、數(shù)字式錄波器、保護(hù)信息主子站等3層設(shè)備在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的接入方式，試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則，模擬故障試驗(yàn)項(xiàng)目和網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試項(xiàng)目和裝置測(cè)試性能要求。

文獻(xiàn)［2］是在傳統(tǒng)動(dòng)模一次系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)改造，即在保留原動(dòng)模系統(tǒng)常規(guī)電流、電壓互感器的基礎(chǔ)上，串聯(lián)接入電子式電流互感器，并聯(lián)接入電子式電壓互感器，同時(shí)配置合并單元，將電氣量信息轉(zhuǎn)換成符合IEC 61850－9－1標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式。這樣改造后的動(dòng)模系統(tǒng)可以在保留原功能不變的前提下，提供符合數(shù)字化保護(hù)要求的數(shù)字量輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站試驗(yàn)需求。但是動(dòng)模試驗(yàn)不具備靈活性，試驗(yàn)工作量大。

部分文獻(xiàn)也對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行了探討［4－5］，但是沒(méi)有提到一個(gè)能夠全面地完整地檢驗(yàn)二次系統(tǒng)性能的試驗(yàn)方法。文獻(xiàn)［4］詳細(xì)闡述了智能變電站二次系統(tǒng)的試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)內(nèi)容，但是沒(méi)有介紹一種能夠完成現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。文獻(xiàn)［5］闡述了數(shù)字化變電站的技術(shù)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，比較了數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)檢驗(yàn)與常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站在檢驗(yàn)范圍、檢驗(yàn)方法方面的差異，并指出了研究一種新的檢驗(yàn)方法，研究思路主要是研制一種數(shù)字化變電站通用的測(cè)試接口裝置，這樣一方面是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字式保護(hù)可以接收的數(shù)字信號(hào)，另一方面是把數(shù)字式保護(hù)發(fā)送的GOOSE報(bào)文轉(zhuǎn)換成空接點(diǎn)信號(hào)，這樣測(cè)試接口裝置就成為連接傳統(tǒng)測(cè)試儀器和數(shù)字化變電站之間的橋梁，可是該方法仍不能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能站二次系統(tǒng)完整全面的試驗(yàn)。

文獻(xiàn)［6］介紹了一種基于IEC 61850通信規(guī)約，由PC機(jī)和嵌入式測(cè)試儀兩部分構(gòu)成的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)虛擬接線，可方便、靈活地設(shè)置檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)基于檢測(cè)方案的輸入信號(hào)自動(dòng)模擬、輸出信息自動(dòng)驗(yàn)證、測(cè)試過(guò)程自動(dòng)記錄等功能。該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能變電站間隔層二次設(shè)備的檢測(cè)。

文獻(xiàn)［7］介紹了一種智能變電站仿真測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)首先利用電磁暫態(tài)仿真得到電壓、電流采集信號(hào)，并按照IEC 68150協(xié)議打包送至通信卡;基于PCI總線的通信卡提供光纖以太網(wǎng)端口與保護(hù)裝置及控制設(shè)備相連;保護(hù)裝置產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)變位等信息通過(guò)GOOSE網(wǎng)、并經(jīng)通信卡返回測(cè)試主機(jī)，由測(cè)試主機(jī)模擬智能斷路器的動(dòng)作情況;通過(guò)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)不同運(yùn)行方式的仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)各項(xiàng)性能、指標(biāo)的測(cè)試。該仿真測(cè)試系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)的各項(xiàng)功能檢驗(yàn)，但是只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，不同于之后提到的智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)方法，后者基于電網(wǎng)仿真、無(wú)線同步與傳輸、分散注入，而且將實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)芰У诫娏ΜF(xiàn)場(chǎng)。

2 智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)方法

從上面關(guān)于智能變電站試驗(yàn)方法的描述可知，目前還沒(méi)有出現(xiàn)對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)功能進(jìn)行完整性檢驗(yàn)的試驗(yàn)方法，下面介紹一種實(shí)現(xiàn)智能變電站二次系統(tǒng)完整性測(cè)試的試驗(yàn)方法。

2.1 智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)方法

智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)方法是指將智能變電站二次系統(tǒng)視為一個(gè)整體，將合并單元和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)納入檢驗(yàn)范圍，性能檢驗(yàn)時(shí)保持智能變電站二次系統(tǒng)接線完整性和輸入信息完整性，從而達(dá)到檢驗(yàn)智能變電站整體性能的目的。

圖4給出了變電站一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的接線示意圖。全場(chǎng)景試驗(yàn)方法是利用采集器模擬器代替電子式互感器，開(kāi)關(guān)模擬器代替斷路器，首先通過(guò)電網(wǎng)數(shù)字仿真智能變電站一次系統(tǒng)，將時(shí)域仿真結(jié)果以無(wú)線形式發(fā)送至采集器模擬器，在保持二次系統(tǒng)接線完整性的條件下，采集器模擬器將仿真結(jié)果經(jīng)光纖傳送給合并單元，合并單元同步地將數(shù)據(jù)進(jìn)行分配、組織后傳送給繼保裝置、測(cè)控裝置、計(jì)量裝置和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等，繼保裝置將保護(hù)的動(dòng)作命令傳送至智能操作箱，通過(guò)開(kāi)關(guān)模擬器檢測(cè)智能操作箱發(fā)出的開(kāi)關(guān)動(dòng)作命令，以檢測(cè)二次系統(tǒng)功能的正確性。

圖4 智能變電站一次系統(tǒng)、二次系統(tǒng)關(guān)系示意圖

可見(jiàn)，該試驗(yàn)是基于電網(wǎng)仿真、無(wú)線同步與傳輸和分散注入的全場(chǎng)景試驗(yàn)方法。

2.2 智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)系統(tǒng)

智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)系統(tǒng)由變電站仿真系統(tǒng)、無(wú)線主控主機(jī)、采集器模擬器和開(kāi)關(guān)模擬器組成。圖5是利用本試驗(yàn)方法檢驗(yàn)智能變電站二次系統(tǒng)性能的示意圖。利用圖5所示試驗(yàn)系統(tǒng)可以完成智能變電站二次系統(tǒng)整體性能的測(cè)試和繼電保護(hù)行為的檢驗(yàn)，可以完成智能變電站繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、安控裝置、故障錄波器等設(shè)備的單體調(diào)試和二次系統(tǒng)整體性能測(cè)試，也可為調(diào)度端聯(lián)調(diào)提供測(cè)試條件。

圖5 智能變電站二次系統(tǒng)全場(chǎng)景試驗(yàn)示意圖

下面介紹全場(chǎng)景試驗(yàn)系統(tǒng)的各部分職能。

1)智能變電站仿真平臺(tái)

由圖形化建模軟件、電力系統(tǒng)仿真軟件、模擬量波形顯示軟件和試驗(yàn)控制軟件及筆記本電腦組成，完成智能變電站仿真平臺(tái)建模、時(shí)域仿真、以仿真結(jié)果的波形顯示以及試驗(yàn)過(guò)程控制，顯示由“開(kāi)關(guān)模擬器”檢測(cè)的“智能操作箱”分、合閘命令發(fā)生時(shí)刻。

2)無(wú)線控制主機(jī)

完成試驗(yàn)系統(tǒng)與GPS的對(duì)時(shí)，完成與“采集器模擬器”和“開(kāi)關(guān)模擬器”的時(shí)間校正。接收“智能變電站仿真平臺(tái)”的時(shí)域仿真結(jié)果并以無(wú)線傳輸方式將時(shí)域仿真結(jié)果下裝到“采集器模擬器”。完成試驗(yàn)的同步控制。

無(wú)線控制主機(jī)由GPS對(duì)時(shí)模塊、高穩(wěn)定主時(shí)鐘模塊、基于無(wú)線方式的IEEE 1588授時(shí)模塊、無(wú)線收發(fā)控制模塊組成。

3)采集器模擬器

接收“無(wú)線控制主機(jī)”發(fā)送的仿真數(shù)據(jù)。在“無(wú)線控制主機(jī)”控制下，多臺(tái)“采集器模擬器”信號(hào)同步輸出到合并單元。采集器模擬器包括無(wú)線收發(fā)模塊、高穩(wěn)定從時(shí)鐘模塊、輸出控制模塊、曼徹斯特編碼轉(zhuǎn)換模塊。

4)開(kāi)關(guān)模擬器

開(kāi)關(guān)模擬器實(shí)現(xiàn)下述功能。

(1)檢測(cè)變電站智能操作箱發(fā)出的開(kāi)關(guān)操作命令，將開(kāi)關(guān)操作命令打上時(shí)間標(biāo)記，并將“帶時(shí)標(biāo)的開(kāi)關(guān)操作命令”以無(wú)線方式發(fā)送到“無(wú)線控制主機(jī)”。

(2)接收“無(wú)線控制主機(jī)”轉(zhuǎn)發(fā)的“智能變電站仿真系統(tǒng)”開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成“開(kāi)關(guān)位置”信號(hào)，并將開(kāi)關(guān)位置信號(hào)送至變電站的“智能操作箱”實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站開(kāi)關(guān)狀態(tài)的模擬。

2.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

全場(chǎng)景試驗(yàn)的技術(shù)路線如下。

(1)將智能變電站二次系統(tǒng)(包含繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、計(jì)量裝置、安控裝置、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備)視為檢驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)時(shí)，被試二次系統(tǒng)保持聯(lián)接完整性。

(2)以變電站一次主接線及與之直接相聯(lián)的線路、電源為對(duì)象，建立“變電站仿真系統(tǒng)”。“變電站仿真系統(tǒng)”可以仿真被試二次系統(tǒng)工作所需要的全部工頻信號(hào)。

(3)根據(jù)變電站電子式電流、電壓互感器配置及試驗(yàn)需求，確定“采集器模擬器”數(shù)量。

(4)根據(jù)二次系統(tǒng)整體性能試驗(yàn)需求，確定“開(kāi)關(guān)模擬器”數(shù)量。

(5)根據(jù)對(duì)智能變電站繼電保護(hù)裝置及二次系統(tǒng)整體性能檢驗(yàn)需要，確定仿真條件，建立仿真對(duì)象的動(dòng)態(tài)微分方程組，利用數(shù)值仿真方法，得到對(duì)象系統(tǒng)的時(shí)域仿真結(jié)果。

(6)利用無(wú)線傳輸技術(shù)，將變電站時(shí)域仿真結(jié)果分別送到各個(gè)“合并單元”。在統(tǒng)一時(shí)鐘控制下，各合并單元同步輸出“變電站仿真系統(tǒng)”的時(shí)域仿真結(jié)果。試驗(yàn)人員檢查二次系統(tǒng)信息組織、分配、傳輸正確性，檢查二次設(shè)備(繼電保護(hù)、測(cè)量控制裝置、安控裝置、計(jì)量裝置、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)等)行為正確性。

由于電網(wǎng)仿真只需要一臺(tái)筆記本，無(wú)線控制主機(jī)、采集器模擬器和開(kāi)關(guān)模擬器也便于攜帶，利用這套全場(chǎng)景試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在變電站對(duì)二次系統(tǒng)(包括繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、安控裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀、故障錄波器、監(jiān)控系統(tǒng)等)功能和技術(shù)性能進(jìn)行完整檢測(cè)，提高了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)質(zhì)量，為智能變電站建設(shè)提供了新的技術(shù)手段。

2.4 工程應(yīng)用

基于該試驗(yàn)方法的全場(chǎng)景試驗(yàn)裝置已于2011年年底成功地應(yīng)用于四川220 kV綿陽(yáng)東和泰興智能變電站，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能站二次系統(tǒng)功能的檢驗(yàn)測(cè)試，使用效果良好。

3 總結(jié)

由于智能變電站中全新技術(shù)和設(shè)備的使用，使得智能變電站的試驗(yàn)方法也區(qū)別于傳統(tǒng)變電站。首先描述了國(guó)內(nèi)智能變電站常用的試驗(yàn)方法及存在的問(wèn)題，最后介紹了智能變電站全場(chǎng)景試驗(yàn)方法。該方法將智能變電站二次系統(tǒng)視為一個(gè)整體，將合并單元和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)納入檢驗(yàn)范圍，性能檢驗(yàn)時(shí)保持智能變電站二次系統(tǒng)接線完整性和輸入信息完整性，從而達(dá)到檢驗(yàn)智能變電站整體性能的目的。

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