基于系統(tǒng)測試觀點的智能變電站與傳統(tǒng)變電站繼電保護比較研究

凌 光，儲祥國，張秀鋒，謝 駿

（國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

基于系統(tǒng)測試觀點的智能變電站與傳統(tǒng)變電站繼電保護比較研究

凌 光，儲祥國，張秀鋒，謝 駿

（國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

針對智能變電站與傳統(tǒng)變電站內繼電保護系統(tǒng)存在的差異，從系統(tǒng)測試的角度對兩者及其測試方法進行了比較研究。首先對傳統(tǒng)變電站和智能變電站內的保護系統(tǒng)進行建模，比較兩者在結構上的共同點和區(qū)別點，指出它們的內在聯(lián)系。然后把2種保護系統(tǒng)視為2個被測對象，從結構和功能上進行分解，分別得到各自最小的被測單元。遵循先單體后整體的原則，建立2種保護系統(tǒng)的測試體系。最后通過比較研究，揭示智能變電站和傳統(tǒng)變電站測試思路上的繼承性，同時舉例說明了智能變電站中特有的測試項目以及測試原理，便于測試人員理解和掌握。建立了傳統(tǒng)變電站和智能變電站繼電保護系統(tǒng)的橋梁，為全面推廣智能站保護測試方法提供了新的思路。

智能變電站；傳統(tǒng)變電站；繼電保護；系統(tǒng)測試；比較研究

0 引言

基于IEC 61850標準的智能變電站目前已廣泛普及，預示著傳統(tǒng)變電站和智能變電站在未來相當長的一段時間內將共同存在。智能變電站中網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)傳輸模式和便捷的數(shù)據(jù)共享，使得智能告警、分析決策、支撐經(jīng)濟運行與控制等高級應用成為可能[1]。智能變電站的測試方法，也與傳統(tǒng)變電站有很大區(qū)別[2]，對習慣于常規(guī)繼電保護測試的工作人員而言，也是不小的挑戰(zhàn)。針對智能變電站繼電保護的測試方法，現(xiàn)階段已有不少研究成果，主要研究方向是集成測試和自動化測試[3-4]，但出于安全性考慮，此類測試方法很難在現(xiàn)場獲得實際應用。文獻[5]提出了智能變電站繼電保護的一種新的架構形式，即保護裝置的就地化。但是上述變電站新的架構形式必然要求新的測試方法，對日后的運維工作又是一種挑戰(zhàn)。

無論繼電保護采用何種形式實現(xiàn)，其內在邏輯和外在功能是不變的。本文從系統(tǒng)測試的角度，通過對以保護裝置為核心的繼電保護系統(tǒng)進行建模，揭示傳統(tǒng)變電站和智能變電站中繼電保護的內在一致性，系統(tǒng)地比較傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護在系統(tǒng)測試上的異同，旨在幫助調試人員更好地理解智能變電站保護原理，并順利掌握當前乃至下一代智能變電站中繼電保護的系統(tǒng)測試方法。

1 繼電保護系統(tǒng)建模

繼電保護系統(tǒng)用于保護電網(wǎng)的安全，與一般的被測系統(tǒng)相同，保護系統(tǒng)也是由信號采集模塊（包括模擬量和數(shù)字量）、運算決策模塊和決策執(zhí)行模塊組成[6]。以圖1為例，傳統(tǒng)變電站的保護系統(tǒng)由互感器（模擬量采集）、保護裝置（運算決策以及電平信號采集）和斷路器（決策執(zhí)行）組成。

圖1 傳統(tǒng)變電站保護系統(tǒng)結構

傳統(tǒng)變電站內，電流/電壓互感器采集的模擬電量經(jīng)過電纜傳輸至保護及測控裝置的模擬量采集模塊；反映斷路器狀態(tài)的一些電平信號也通過電纜傳輸至保護測控裝置的開入模塊。保護裝置根據(jù)這些采集量進行邏輯運算，若滿足動作、告警或閉鎖條件，則輸出相應的信號至操作箱、測控裝置以及故障錄波器。操作箱根據(jù)接收到的保護裝置命令，實現(xiàn)跳閘、合閘或者閉鎖重合閘功能，從而實現(xiàn)故障隔離。

智能變電站內，保護系統(tǒng)同樣可以分為信號采集模塊、運算決策模塊和決策執(zhí)行模塊3部分，只是執(zhí)行該項功能的裝置以及裝置間傳遞信號的形式發(fā)生了變化（如圖2所示）。與傳統(tǒng)變電站不同，智能變電站模擬量采集功能由就地合并單元完成，而非保護裝置中的采樣模塊；傳統(tǒng)變電站的操作箱功能，在智能站中都下放到就地的智能終端執(zhí)行。此外，由于網(wǎng)絡傳輸替代了傳統(tǒng)的電信號傳輸，保護裝置至測控裝置、故障錄波器以及其他間隔的信號，都經(jīng)過交換機組網(wǎng)傳輸；為了監(jiān)視網(wǎng)絡健康狀況，智能變電站中還增加了網(wǎng)絡分析儀等。

圖2 智能變電站保護系統(tǒng)結構

忽略系統(tǒng)內部細節(jié)，單從保護系統(tǒng)外部特性和功能來看，智能變電站和傳統(tǒng)變電站并無區(qū)別，即兩者對電網(wǎng)的同一個異?，F(xiàn)象將產(chǎn)生相同的響應。另一方面，即便考慮系統(tǒng)內部結構，若只關注信息流內容而非信息形式和信息駐留地點，則智能變電站和傳統(tǒng)變電站的內涵是一致的。

2 系統(tǒng)測試原理應用于保護系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測試基本原理

系統(tǒng)測試是針對整個產(chǎn)品系統(tǒng)進行的，目的是驗證系統(tǒng)是否滿足了需求規(guī)格，找出與需求規(guī)格不符甚至是矛盾的地方，從而提出更加完善的方案。系統(tǒng)測試一般包含單體測試和整體測試2部分，主要內容包括功能性測試和健壯性測試。功能性測試，即測試系統(tǒng)的功能是否正確，其依據(jù)是功能定義。由于正確性是系統(tǒng)最重要的質量因素，所以功能測試必不可少。健壯性測試，即測試系統(tǒng)在異常情況下能否正常運行的能力。健壯性包括容錯能力和恢復能力2層含義。在特定情況下，系統(tǒng)需具備容錯能力。而恢復測試作為一種系統(tǒng)測試，主要關注導致系統(tǒng)運行失敗的各種條件，并驗證其恢復過程能否正確執(zhí)行。

系統(tǒng)中任意一項子功能或整體功能的測試流程如圖3所示。系統(tǒng)測試要測試到所能分解的最小子系統(tǒng)，再對各個子系統(tǒng)分別進行單獨測試，排除問題，直至所有子系統(tǒng)測試通過后，再進行整體測試（包含單體間的聯(lián)絡信號測試）；若整體功能符合預期定義，則說明測試成功，否則需要不斷排除測試中碰到的問題，直至系統(tǒng)功能達到預期要求。

圖3 任意系統(tǒng)的一般性測試流程

2.2 保護系統(tǒng)功能分解

對于傳統(tǒng)變電站而言，主要針對由互感器、保護裝置、操作箱和斷路器組成的系統(tǒng)進行測試；而對于智能變電站，主要針對由互感器、合并單元、保護裝置、智能終端和斷路器組成的系統(tǒng)進行測試。整體測試方面，由于智能變電站的信號采集源端是電信號，最后輸出至斷路器的跳合閘信號也是電信號，和傳統(tǒng)變電站一致，因此整組試驗兩者完全一致，區(qū)別僅在于單體間的聯(lián)絡信號測試。單體測試方面，關于互感器和斷路器的測試，傳統(tǒng)變電站和現(xiàn)階段的智能變電站也完全一致，因而測試方法可以直接移植，單體測試其余部分則存在較大區(qū)別。

保護裝置可以定義成4大功能模塊，即：采樣模塊、開入模塊、邏輯運算模塊、開出模塊。

操作箱可視作包含輸入、輸出和內部邏輯運算系統(tǒng)。開入模塊為跳閘和重合閘等命令，開出為開關位置和閉鎖重合閘等信號。邏輯運算模塊的功能就是建立開入與開出之間的對應規(guī)則。以220 kV線路分相操作箱為例，操作箱的開入開出模塊具體定義如圖4所示。

圖4 分相操作箱的功能定義

保護裝置和操作箱之間通過短電纜聯(lián)系。以線路保護為例，保護裝置把跳閘、重合閘以及閉鎖重合閘命令發(fā)送給操作箱，操作箱則把斷路器位置、低氣壓閉鎖重合閘和閉鎖重合閘信號傳至保護裝置。保護裝置與互感器、操作箱及斷路器之間亦通過電纜聯(lián)系，用以傳送電流、電壓以及相關的命令和狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)變電站的保護系統(tǒng)可以定義成如圖5所示的結構。

圖5 傳統(tǒng)變電站保護系統(tǒng)的功能結構

按照同樣的方法，對智能變電站保護系統(tǒng)的各個單體進行功能定義。相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站中的保護系統(tǒng)增加了合并單元和智能終端，取消了操作箱，原先保護裝置的采樣模塊以及電壓并列切換模塊轉移至就地合并單元內實現(xiàn)，原先操作箱功能以及開入量采集功能在智能終端內實現(xiàn)。事實上，如果不考慮接口以及信號形式的差異，傳統(tǒng)變電站和智能變電站的保護系統(tǒng)內信號流傳輸內容是一致的，智能變電站系統(tǒng)中僅僅增加了光電轉換模塊。綜上所述，智能站保護系統(tǒng)的功能定義如圖6所示。

3 測試方法比較

圖6 智能變電站保護系統(tǒng)的功能結構

根據(jù)前文所建模型，遵從先單體后整體的測試原則，可以對保護系統(tǒng)及所涉及的對象進行測試。無論是單體還是整體的測試，只需關注該系統(tǒng)的輸入、輸出以及兩者之間的聯(lián)系，所以一般的系統(tǒng)測試包含3部分：輸入有效性測試、系統(tǒng)規(guī)則驗證和輸出有效性測試。例如，對于一個保護裝置，輸入有效性測試包含采樣、開入量測試，系統(tǒng)規(guī)則驗證是指保護邏輯和定值校驗，輸出有效性測試則是指對應的輸出信號（接點或光信號）是否準確變位。

本文忽略具體的測試步驟，重點關注測試的對象以及項目，通過比較傳統(tǒng)變電站和智能變電站在測試方法上的異同，揭示2種測試體系的內在聯(lián)系。結合一般性的測試原理和保護系統(tǒng)的具體結構，傳統(tǒng)變電站的測試項目如圖7所示，智能變電站系統(tǒng)測試項目如圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)變電站保護系統(tǒng)測試項目

圖8 智能變電站保護系統(tǒng)測試項目

對比圖7和圖8可知，除了信號形式不同，傳統(tǒng)變電站和智能變電站各單體所包含的功能也有了顯著變化，因此各單體的測試存在較大差別。但就保護系統(tǒng)所有單體內的功能模塊而言，智能變電站相對于傳統(tǒng)變電站只增加了光電信號轉換環(huán)節(jié)，其他所有功能模塊依然保留。因此，傳統(tǒng)變電站中測試任一功能模塊的思路在智能變電站中同樣適用。例如采樣精度試驗，傳統(tǒng)變電站里這一功能測試在保護裝置上完成，而在智能變電站中則需在合并單元上完成。因此，把單體測試進一步分解成各功能模塊的測試，傳統(tǒng)變電站和智能變電站就體現(xiàn)出很大程度上的一致性。

表1列出了傳統(tǒng)變電站和智能變電站中的各個主要功能模塊測試內容，從表中可以清晰比較出兩者的異同。其中，有些項目是智能變電站保護系統(tǒng)特有的測試項目，這是由于網(wǎng)絡化的數(shù)據(jù)傳輸機制以及新的分布式設計帶來的。例如智能變電站需要測試其網(wǎng)絡性能，包括實時性、可靠性和安全性等指標，這是傳統(tǒng)變電站所不需要的。而對于傳統(tǒng)變電站和智能變電站共有的測試項目，只要掌握數(shù)字化測試工具的使用即可。

4 智能變電站測試項目舉例

為進一步說明智能變電站與傳統(tǒng)變電站的聯(lián)系和區(qū)別，以智能變電站的2個測試項目為例，一是SCD（變電站配置描述）文件的檢查，將SCD文件與傳統(tǒng)變電站的設計藍圖進行對比；另一個是電壓、電流的同步性檢查。這是智能站獨有的測試項目，其測試必要性由其數(shù)據(jù)傳輸方式?jīng)Q定的。

表1 傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護系統(tǒng)項目測試差異

SCD文件是描述所有IED（智能電子設備）的實例配置和通信參數(shù)、IED之間的通信配置以及變電站一次系統(tǒng)結構配置文件。SCD文件是智能變電站二次調試人員及運行維護人員最重要的資料，對保護系統(tǒng)而言，其作用相當于保護裝置原理圖和設計藍圖。以紹興220 kV江桃變SCD文件為例，選取其中一個線路間隔，兩者類比如圖9所示。圖中SCD連線為智能終端至保護的信號，類比于傳統(tǒng)變電站中操作箱至保護裝置的信號。由圖9可知，傳統(tǒng)設計圖中的端子演變成SCD文件中的“虛端子”，但端子所對應的信號以及信號間的聯(lián)絡關系是一致的。傳統(tǒng)變電站中二次回路的經(jīng)典設計方法在智能變電站中得到了很好的繼承，SCD文件正是這一繼承的載體，因此無論是在驗收還是例行校驗中，都要首先檢查SCD文件的正確性。

智能變電站另一個典型測試項目是電壓、電壓同步性測試。傳統(tǒng)變電站中的電壓、電流通過電纜直接傳至保護裝置，其延時可以忽略；而智能變電站中模擬量要經(jīng)過合并單元后才能傳至保護裝置，由于傳輸路徑并不一致，電壓往往比電流多經(jīng)過一個母線電壓合并單元，因此兩者傳輸至保護裝置的延時并不一致。傳輸延時的差異導致兩者間的相位關系失真，因此需要進行準確補償，否則容易引起保護不正確動作。考慮傳輸延時后的電壓、電流特性如圖10所示。假設原始電壓、電流波形相位差是零，那么經(jīng)過補償后盡管存在滯后，但相互之間的相位關系應和原始信號保持一致，這就是同步性概念。

圖9 SCD文件與傳統(tǒng)變電站設計藍圖類比

圖10 電壓、電流經(jīng)合并單元后的延時特性

由圖10可知，經(jīng)過合并單元傳輸后，若要保持電壓、電流間的相位差依然為零，需要準確補償傳輸環(huán)節(jié)中的延時，間隔層和站控層設備才能準確還原出電壓、電流的原始相位關系。此外同步性不僅僅是指電壓、電流間的同步，也指多間隔保護（如母差保護）中各間隔電量之間的同步。同步性的測試非常重要，直接關系到保護動作的正確性，測試中要引起足夠的重視。

5 結語

本文從系統(tǒng)測試的角度，首先比較了傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護的系統(tǒng)測試方法。通過對保護系統(tǒng)結構的分析和建模，揭示了傳統(tǒng)變電站和智能變電站的內在聯(lián)系：智能變電站保留了傳統(tǒng)變電站保護系統(tǒng)的所有功能模塊，但功能模塊的分布以及信號聯(lián)絡形式發(fā)生了改變。其次結合普遍性的測試原理，忽略具體的測試工具和步驟，指出傳統(tǒng)變電站和智能變電站保護系統(tǒng)在測試方法上的共通之處，使熟悉傳統(tǒng)變電站的技術人員能更好地理解智能變電站的測試原理，為技術人員盡快掌握智能變電站的測試方法提供了思路。

[1]何磊.IEC 61850應用入門[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]Q/GDW 441-2010智能變電站繼電保護技術規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2010.

[3]劉巍，趙勇，石光.智能變電站繼電保護裝置一鍵式測試方法及系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2013，33（2）:152-155.

[4]浮明軍，劉昊昱，董磊超.智能變電站繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)研究和應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（1）:40-44.

[5]劉宏君，裘愉濤，徐成斌，等.一種新的智能變電站繼電保護架構[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（3）:49-51.

[6]何廣軍，高育鵬，白云.現(xiàn)代測試技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

（本文編輯：趙曉明）

Comparative Study on Relay Protection in Intelligent Substation and Traditional Substation from the Perspective of System Testing

LING Guang，CHU Xiangguo，ZHANG Xiufeng，XIE Jun
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

For the distinction of relay protection system between intelligent substation and traditional substation，this paper conducts a comparative study on the difference and testing method in the view of system testing.The protection systems in the two kinds of substations are modeled respectively in the first step so that their structural similarities and differences as well as their inherent relations can be observed.Then，the two protection systems are taken as two testing objects for structural and functional decomposition to respectively get the smallest testing units of their own.The testing system for the two protection systems is established in line with the principle of unit first and entirety following.Finally，the inheritance of testing ideas between intelligent and traditional substation is revealed through comparative study，and some exclusive test items in intelligent substation are also illustrated by taking examples，which facilitates testers to understand.This paper builds a bridge between intelligent substation and traditional substation，and provides new insight for promoting test methods of protection system in intelligent substation.

intelligent substation；traditional substation；relay protection；system testing；comparative study

TM77

：B

：1007-1881（2016）07-0032-05

2016-03-03

凌 光（1986），男，工程師，從事繼電保護與智能變電站研究工作。