智能變電站繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

葛海濤，紀(jì)思彤

（國網(wǎng)河北省電力有限公司石家莊供電分公司，河北 石家莊 050051）

智能電網(wǎng)的發(fā)展，有助于提高我國電力能源的安全性，有利于我國低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排等方面的目標(biāo)。智能電網(wǎng)與智能變電站有著相互推動(dòng)的關(guān)系。智能變電站的研究有助于促進(jìn)電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以更大程度滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，是電力發(fā)展的重要方向。智能變電站與智能電網(wǎng)之間的關(guān)系非常密切，智能變電站智能電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)6個(gè)部分中不可或缺的一部分。傳統(tǒng)變電站逐步向智能變電站的方向發(fā)展，有助于促進(jìn)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

隨著智能變電站建設(shè)的逐步推進(jìn)，新技術(shù)、新設(shè)備在智能變電站建設(shè)過程中的重要性逐漸凸顯。與此同時(shí)，新技術(shù)新設(shè)備的引入也帶來了一些問題，例如新技術(shù)、新設(shè)備和傳統(tǒng)設(shè)備傳統(tǒng)回路之間的兼容性可能會(huì)因在調(diào)試驗(yàn)收過程中出現(xiàn)問題導(dǎo)致在運(yùn)行過程中設(shè)備損壞，甚至造成變電站停電等重大事故。

智能變電站一體化測試平臺(tái)為繼電保護(hù)測試帶來了便利性和安全性，數(shù)字化的測試儀滿足了測試的基本需求，而仿真數(shù)據(jù)對(duì)非電氣量的模擬提高了對(duì)電力設(shè)備故障狀態(tài)的的仿真精度，有利于自動(dòng)化仿真在實(shí)際中的應(yīng)用[1- 2]。

1 變電站一體化信息平臺(tái)

1.1 傳統(tǒng)變電站信息傳輸結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)變電站由于多種原因，導(dǎo)致變電站內(nèi)各類一次、二次設(shè)備的操作平臺(tái)較多、規(guī)約較多，同時(shí)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)復(fù)雜化的特點(diǎn)，最終會(huì)使得傳統(tǒng)變電站各類設(shè)備系統(tǒng)信息傳輸速度不高、容易出現(xiàn)延時(shí)等不良情況。傳統(tǒng)變電站信息傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 傳統(tǒng)變電站信息傳輸結(jié)構(gòu)

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)一體化信息平臺(tái)

對(duì)于通用規(guī)約IEC 61850，其所利用的建模方式是面向?qū)ο蟮?。通用?guī)約IEC 61850的建模方式可以使得變電站內(nèi)二次系統(tǒng)裝置具有集成化的特點(diǎn)。這種建模方式是利用對(duì)象的屬性直接建立的，呈現(xiàn)集成化特點(diǎn)的同時(shí)對(duì)外提供統(tǒng)一化接口，促進(jìn)變電站二次系統(tǒng)設(shè)備接口的統(tǒng)一化，保證了各類系統(tǒng)設(shè)備的可靠穩(wěn)定性[4]。

電力物聯(lián)網(wǎng)一體化信息平臺(tái)可以對(duì)變電站內(nèi)一次、二次設(shè)備的運(yùn)行信息進(jìn)行采集，也可以對(duì)變電站站外相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸處理。電力物聯(lián)網(wǎng)一體化信息平臺(tái)的信息流向如圖2所示。

圖2 電力物聯(lián)網(wǎng)一體化信息平臺(tái)的信息流向

電力物聯(lián)網(wǎng)一體化信息平臺(tái)由多個(gè)子單元及一個(gè)中心單元組成，同時(shí)其對(duì)站內(nèi)數(shù)據(jù)分層分布處理。子單元根據(jù)預(yù)先定制規(guī)則提取信息，具有數(shù)據(jù)辨識(shí)估計(jì)及采集記錄的功能。此外，站內(nèi)外使用者均可借助子單元獲得數(shù)據(jù)信息。按照間隔、功能、信息使用者等方法，可以對(duì)平臺(tái)子單元進(jìn)行配置。

包括電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、變電站高壓設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)在內(nèi)的許多數(shù)據(jù)均可由智能變電站采集而得。站內(nèi)高壓設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可通過狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)與站相鄰設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測也可以通過該數(shù)據(jù)反映[5]。

因?yàn)槎喾N數(shù)據(jù)信息的可靠性要求以及實(shí)時(shí)性不同，所以在平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)共享機(jī)制及采集進(jìn)行不同處理，從而確保數(shù)據(jù)的可用性及有效性。

2 繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 測試平臺(tái)

繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)由軟、硬件兩部分組成。硬件部分包括無線控制主機(jī)、采集模擬器、通用計(jì)算機(jī)；軟件部分包括智能變電站仿真平臺(tái)、建模及試驗(yàn)控制平臺(tái)。圖3為繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)信號(hào)傳輸示意。

圖3 繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)信號(hào)傳輸示意

（1）智能變電站仿真平臺(tái)。能夠完成對(duì)隔離設(shè)備的狀況及數(shù)據(jù)、時(shí)間進(jìn)行模擬，完成整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)域仿真。

（2）無線控制主機(jī)。能夠高質(zhì)量的接收仿真平臺(tái)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并且保證發(fā)送至各個(gè)系統(tǒng)時(shí)原有數(shù)據(jù)保持同步。

（3）采集模擬器。采集模擬器可以模擬并采集實(shí)際情況中設(shè)備的各種狀態(tài)，將接收到的信息發(fā)送至合并單元。此外，模擬采集器借助一定數(shù)量的擴(kuò)展器，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站的模擬采集。

2.2 測試方案

繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)試驗(yàn)步驟如下:

（1）依據(jù)需求制定方案；

（2）依據(jù)現(xiàn)有智能變電站的各類資料，搭建智能變電站模型；

（3）根據(jù)2.1所提出采集模擬器的各類數(shù)據(jù)參數(shù)，與其他系統(tǒng)設(shè)備的無線主機(jī)進(jìn)行匹配，保證傳輸?shù)耐瑫r(shí)性；

（4）設(shè)置各類模型系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)并仿真計(jì)算；

（5）依據(jù)采集模擬器的功能，進(jìn)行上行或下行發(fā)送；

（6）試驗(yàn)完成。

試驗(yàn)步驟如圖4所示。

圖4 繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)試驗(yàn)步驟

確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)等效性，采集模擬器參數(shù)應(yīng)設(shè)置完備，同時(shí)時(shí)間要同步對(duì)時(shí)。

考慮到站內(nèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和準(zhǔn)確性，電力物聯(lián)網(wǎng)全場景測試系統(tǒng)中的采集器均處于統(tǒng)一同步狀態(tài)。完成對(duì)時(shí)功能后，各類采集模擬器也可以作為時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，與其他設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步匹配，最終實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的實(shí)時(shí)等效。圖5為某智能變電站220 k V 設(shè)備區(qū)仿真接線示意。

圖5 某智能變電站220 k V 設(shè)備區(qū)仿真接線示意

若需驗(yàn)收某220 k V 變電站220 k V 1 A 號(hào)母線故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作邏輯，根據(jù)此需求確定實(shí)驗(yàn)方案:在251間隔母差回路通入故障電流使母差保護(hù)動(dòng)作，確認(rèn)采集模擬器關(guān)聯(lián)正確后將參數(shù)輸入進(jìn)仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬，自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后觀察220 k V 1 A 號(hào)母差保護(hù)報(bào)文以及1 A 號(hào)母線上的開關(guān)確已跳開，若母差報(bào)文與動(dòng)作邏輯與預(yù)期一致，則該母線保護(hù)邏輯正確。

2.3 測試平臺(tái)優(yōu)越性

傳統(tǒng)智能變電站測試方法較為簡單，功能單一，針對(duì)于多間隔保護(hù)如主變壓器保護(hù)、母線保護(hù)等，需要測試該類保護(hù)的采樣同步功能，若采用常規(guī)試驗(yàn)儀在多間隔處加入模擬量，工作較為繁瑣，各間隔處均需要人員和試驗(yàn)儀，大大增加了人力和物力。自動(dòng)測試平臺(tái)擁有建模功能，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況下的模型搭建?？梢灾庇^勘測到整個(gè)變電站模型，并可模擬智能變電站任一處故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況以及錄波波形，對(duì)繼電保護(hù)驗(yàn)收調(diào)試以及故障分析提供了一種簡單適用的方案，顯著提高了繼電保護(hù)測試工作的效率。

3 應(yīng)用展望

繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)的建成及應(yīng)用，有力提升了測試水平，但隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以及自主可控安全可靠新一代變電站二次系統(tǒng)的進(jìn)程，對(duì)繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)也提出了新的要求。

3.1 二次系統(tǒng)新特點(diǎn)

自主可控安全可靠新一代變電站二次系統(tǒng)是指:CPU、FPGA、ADC、存儲(chǔ)、通信等全部芯片均采用自主可控芯片；操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件全部采用國內(nèi)自主研發(fā)的軟件；采用國產(chǎn)通信協(xié)議代替MMS通信協(xié)議。

數(shù)據(jù)采集方式由采集執(zhí)行單元完成不同類型互感器采樣接口和斷路器執(zhí)行接口，采集執(zhí)行單元與二次設(shè)備采用數(shù)字化接口方式，SV、GOOSE報(bào)文共口傳輸，如圖6所示。

圖6 繼電保護(hù)數(shù)據(jù)采集方式

此外采集執(zhí)行單元與間隔層設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連通信，取消過程層網(wǎng)絡(luò)利用站控層組網(wǎng)優(yōu)勢，保護(hù)、測控少量聯(lián)閉鎖GOOSE 信息通過站控層網(wǎng)絡(luò)交互等，這些變化對(duì)測試工作提出了新的要求。

3.2 繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)提升

圖7為自主可控安全可靠新一代變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)。

圖7 變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)示意

同現(xiàn)有系統(tǒng)相比減少了設(shè)備物理端口，交換機(jī)總體數(shù)量大幅減少，過程層與間隔層設(shè)備采用光纖直連，直采直跳，提升傳輸可靠性；按信息和業(yè)務(wù)分類傳送，確保網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，保證網(wǎng)絡(luò)性能；繼電保護(hù)采用直采直跳方式，回路中間環(huán)節(jié)少，實(shí)時(shí)性、可靠性高、采樣數(shù)據(jù)自然同步，采用直采直跳方式保證繼電保護(hù)“四性”等，基于上述情況，測試平臺(tái)架構(gòu)考慮進(jìn)行如下調(diào)整，如圖8 所示。自主可控相關(guān)二次設(shè)備將在試點(diǎn)工程中采用，相關(guān)規(guī)程規(guī)范也會(huì)陸續(xù)發(fā)布，部分學(xué)者已著手開始研究工作，現(xiàn)有方案有待于更深入的探索分析，因此，開展基于自主可控安全可靠新一代變電站繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)提升具有重要意義。

圖8 測試平臺(tái)架構(gòu)示意

4 結(jié)束語

智能變電站中的一體化信息平臺(tái)以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)站內(nèi)外信息的共享交互，形成了一致唯一性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。本文介紹了電力物聯(lián)網(wǎng)一體化信息平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，研究了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站一體化信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則，并基于此原則提出了智能變電站繼電保護(hù)自動(dòng)測試平臺(tái)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用進(jìn)行了闡述研究。該測試平臺(tái)可以完成智能變電站二次設(shè)備閉環(huán)性能測試，同時(shí)為智能變電站的相關(guān)技術(shù)研究提供了一種新的試驗(yàn)手段。