智能變電站便攜式綜合測試儀的研制

李　澄，陸玉軍，王　寧，葛永高(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102)

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智能變電站便攜式綜合測試儀的研制

李澄，陸玉軍，王寧，葛永高
(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102)

摘要：結合智能變電站的技術特點和運行維護測試需求，文中提出了一種多功能便攜式綜合測試儀設計方案，介紹了測試儀的硬件、接口及功能設計。該測試儀適用于智能變電站中二次設備、對時同步裝置、變電站網絡等多種測試應用，有效增強了智能變電站的運維便利性，提高了運行維護效率。

關鍵詞：智能變電站；便攜式測試儀；二次設備測試；同步系統測試；網絡測試

2014年國家電網總部管理指南項目

作為堅強智能電網的重要組成部分，基于IEC 61850標準的智能變電站變革了傳統變電站的一、二次設備，變電站中光纖數字式采樣值SV及開關量GOOSE的方式取代了傳統的電纜方式[1]，信息的數字化、網絡化大大簡化了傳統的二次接線，設備高度集成化、智能化的變電站將簡化運行人員操作，縮短設備停電維護時間，促進電網調控集中化，設備維護向集約化發展。

目前，國內開展智能變電站的試點工程的網省公司，對智能站運行維護方面的研究基本都處于探索階段，運行維護項目和流程也沿用傳統變電站運行管理要求，尚缺乏標準化的檢修維護流程；運行維護人員還未完全適應和熟悉智能變電站設備技術和運行特點，仍沿用傳統的運維思路；從運行維護工具上來看，傳統運行維護工具已經無法滿足智能變電站的運行維護需求，而新的測試工具往往只是針對某一測試功能設計，變電站運行維護調試需要使用多個工具配合才可完成，增加了運行維護難度，也對運行維護人員的技術水平提出了更高的要求[2-4]，因此有必要研制開發一種適用于智能變電站設備特點的綜合性便攜式運行維護調試工具，從而簡化運行維護操作，提高智能變電站維護的便利性。

1　智能變電站測試需求

作為智能電網的一個重要節點，智能變電站以站內一、二次設備為數字化對象，以高速網絡通信平臺為基礎，通過對數字信息進行標準化，實現站內外信息共享和互操作，實現測量監視、控制保護、信息管理、智能狀態監測等功能。而對于站內關鍵的二次系統設備進行檢修測試是保證智能變電站穩定運行的基礎。

（1）二次智能設備功能性測試。主要的測試內容有：對關鍵的二次設備，如合并單元、智能終端、保護測控設備等，進行裝置的輸入輸出功能性測試、通訊報文數據的正確性檢查、設備數據處理時延的測試、保護邏輯功能的驗證及聯動測試[3，4]。

（2）同步系統測試。精確統一的時間基準，對電量信息精確采集，電力系統事故分析，保證電力系統安全運行有著重要意義。因此智能變電站的一項重要測試項為同步系統的測試，主要包含：同步系統對時精度測試、守時精度測試、對時數據幀正確性檢驗[5，6]。

（3）通訊網絡檢查。通信網絡作為智能變電站信息交換的樞紐,其正常運行是智能變電站安全、可靠運行的基礎。變電站網絡測試功能有：網絡通訊介質衰耗以及發送光功率檢查、交換機等網絡設備的工作狀態檢查、網絡數據報文的捕獲及分析、網絡性能測試[7]。

目前，為了完成以上的測試，需要多種測試設備，甚至有的測試需要多個測試設備進行配合。這需要測試人員具備較高的技術水平，無形中增加了測試復雜度和難度，測試的靈活性和便攜性更無從說起。研究一種具備多種測試功能的便攜式測試工具，將能有效地提高變電站運行維護效率。

2　測試儀設計

2.1總體設計

基于以上分析，本文提出了一種能滿足智能變電站關鍵設備測試需求的便攜式測試儀，測試示意圖如圖1所示。

圖1　測試示意圖

測試儀集成10寸液晶觸摸屏界面，無需PC客戶端軟件協同，即可獨立完成測試任務。測試儀內部具有大容量鋰電池組，能夠在現場供電不便的情況下，支持測試儀連續工作4 h。整臺裝置采用了緊湊式設計，體積小，重量輕，并提供了便攜式提手，大大提高了測試的便利性。測試儀接口豐富，具有強大的實時數據處理能力，其硬件設計如圖2所示。

圖2　測試儀硬件結構圖

（1）CPU。采用ARM+DSP物理架構，具有10寸觸摸液晶屏、USB接口、SD接口、串口、512 MB RAM以及512 MB ROM。

（2）現場可編程門陣列（FPGA）。通過通用內存控制器（GPMC）高速總線與CPU連接，擴展了多個接口功能，包括光纖以太網口3個（用于收發IEC 61850-9-1/2和GOOSE數據），光纖串口5個（3發2收，主要用于收發IEC 60044-7/8或其他電子互感器報文），開關量接口（2路開出，2路開入），光纖同步口（2路輸出和2路輸入）。

（3）GPS模塊。通過GPS接口外接天線可接收以獲取GPS時間，分別輸出秒脈沖（PPS）和串口時間信息給FPGA中的同步模塊和CPU，同步模塊將延時補償后的PPS輸出給CPU。

（4）百兆網卡芯片通過GPMC高速總線與CPU 和FPGA連接。

2.2功能設計

（1）數字采樣信號收發。測試儀具備光纖以太網端口，可以接收或輸出多路IEC 61850-9-1/2采樣值報文，可以模擬現場多合并單元，用于保護設備的測試；測試儀還具備光纖串口，可以接收和發送IEC 60044-7/8（FT3）采樣數據，可以模擬電子式互感器采樣數據發送，用于合并單元的測試。并且可以對接收的采樣數據進行文波形、有效值、相量、序量、功率、諧波等分析。

（2）GOOSE收發。測試儀通過光纖以太網口，可以接收和發送多路GOOSE報文數據，通過接入光纖交換機或與被測設備直連，實現與被測設備（保護測控裝置、智能單元等）間開關量信息的交互。

（3）MMS客戶端。測試儀內部實現了MMS客戶端，可模擬站控層客戶端與站內智能二次設備進行通訊，主要功能有：讀取或操作智能二次設備數據模型及配置、召喚遙信遙測值、讀取和修改定值、遙控操作等。

（4）時間同步功能。測試儀具有時間同步測試功能，通過裝置內GPS模塊外接GPS天線獲取高精度的時鐘信息，產生秒脈沖或IRIG-B碼輸出，對二次設備進行同步；還可接入被測設備的對時同步信號或采樣同步脈沖信號，檢驗被測設備的對時數據及精度。

（5）其他測試功能。測試儀具有網絡報文捕獲和分析功能，并可對網絡光纖通訊介質進行衰耗和光功率檢查；實現了SNMP(簡單網絡管理協議)客戶端，可用于查看交換機設備相關配置和運行狀態信息；可模擬大容量數據，對網絡性能進行測試。

3　測試應用

3.1合并單元測試

合并單元的測試主要內容采樣數據的輸入輸出測試、采樣數據的精度測試、GOOSE開出量驗證、時間準確度驗證。圖3給出了除時間準確度測試外的功能性測試接線圖。

圖3　合并單元功能性測試

測試儀向合并單元發送同步信號（PPS或IRIG-B）和電子式互感器報文（FT3），合并單元輸出合并后的采樣數據（IEC 61850-9-1/2格式）和可能的GOOSE開出量。測試儀通過解析合并單元發送來的采樣數據，可驗證采樣通道配置是否與配置文件一致，驗證采樣報文是否丟包、重復、錯序等；測試儀計算并顯示收到的合并單元采樣數據的幅值、相角、頻率、功率、功率因數等，并與標準采樣信號進行精度偏差分析；測試儀通過記錄采樣數據發送和接收時間，計算報文響應時間，驗證合并單元的額定延時，并進行報文發送間隔均勻性及連續性分析；合并單元通過GOOSE開出輸出自身狀態和告警信息，測試儀通過模擬串口鏈路異常、采樣故障、保護電流無效、裝置檢修等，來驗證合并單元的GOOSE開出的正確性。

時間精確度測試包含同步精度測試和守時精度測試。同步精度決定合并單元在時間同步系統的作用下能夠保持的時間精確度，而守時精度決定了失去同步信號后合并單元能夠保持穩定時間精度的時間特性。圖4給出了時間精確度測試接線圖，方法1適用于具有同步測試接口的合并單元，同步精度測試，在測試儀保持同步信號輸出的情況下，比較合并單元輸出的秒脈沖與測試儀基準脈沖的偏差即可得到同步精度；守時精度測試，斷開同步信號，記錄合并單元守時狀態下的數據變化。方法2可用于不具備同步測試接口的合并單元，通過測試儀在同步信號上增加固定延時，測試合并單元采樣數據的時延變化，從而間接的證明合并單元的時間精確度。

圖4　合并單元時間準確度測試

3.2智能單元測試

智能單元本質為傳統操作箱加上GOOSE開入開出通訊功能，其測試包含：閉環開入測試和閉環開出測試，如圖5所示。閉環開入測試，測試儀的GOOSE開出口與智能單元的GOOSE開入口相連，智能單元的開出接點接入測試儀開入接點，測試儀模擬保護測控設備發送跳閘出口、重合閘出口、斷路器和閘刀遙控分合閘等GOOSE開出信號給智能單元，驗證智能單元是否正確開出，并測量其動作響應時間。閉環開出測試，接線與閉環開入測試相反，測試儀模擬一次設備開關位置觸點位置信息開出給智能單元，智能單元將其轉換為GOOOSE開出給測試儀，同樣驗證智能單元的信息的正確性及響應時間。

圖5　智能單元測試

3.3保護測控設備及聯動測試

保護測控設備的測試主要內容采樣值檢查、GOOSE開入開出檢查、保護邏輯功能和定值校驗、測控功能驗證。測試接線如圖6所示，測試儀的采樣值輸出口、GOOSE輸出口、GOOSE輸入口分別與保護測控設備的采樣值輸入口、GOOSE輸入口、GOOSE輸出口連接，測試儀的MMS通訊口與保護測控裝置MMS通訊口相連。測試儀模擬保護測控裝置的采樣值輸入，利用測試儀的GOOSE發送功能模擬保護測控裝置保護邏輯相關的GOOSE開入，測試儀接收保護測控裝置的GOOSE開出。檢查保護測控裝置收到的采樣值是否與測試儀一致，是否滿足精度要求；檢查保護測控裝置的GOOSE相關開入狀態是否正確顯示；檢查保護測控裝置在數據斷鏈情況下的動作行為；使用測試儀改變采樣值的電量信息和相關GOOSE開入狀態模擬各類故障，測試保護裝置的動作行為、動作時間和動作定值，驗證保護測控裝置保護邏輯的正確性；測控功能測試，測試儀通過MMS端口接收保護測控裝置上送的電量信息和設備發出的狀態信息，驗證電量信息的正確性以及MMS狀態信息與保護動作行為的一致性，通過MMS通訊還可檢查被測設備的數據模型及配置信息。

圖6　保護測控設備測試

保護聯動測試是驗證保護測控設備與智能單元等其他設備連接的分系統在保護動作時的聯動反應。圖7顯示了保護聯動測試接線圖，測試儀模擬故障的采樣數據及相關GOOSE開入狀態送給保護測控裝置，保護測控裝置產生保護動作GOOSE開出控制智能單元相應節點開出，測試儀模擬一次設備，接收智能單元的開關動作，并返回開關觸點位置信息，智能單元通過GOOSE上送開關狀態給保護測控設備。保護測控裝置將保護動作信息及開關狀態信息通過MMS上送測試儀（模擬變電站后臺）。測試儀還可通過MMS發送遙控分合閘命令，從而驗證保護測控裝置、智能單元執行的正確性及時效性。

圖7　聯動測試

3.4時間同步裝置測試

對時間同步裝置的測試主要內容：對時數據及報文的正確性檢驗，對時精度測試，同步和守時精度測試。測試儀可接入時間同步設備輸出的秒脈沖、IRIG-B、SNTP、IEEE 1588等進行分析和時間信息的驗證。對時精度測試，如圖8左邊所示，測試儀和時間同步裝置都接入同一GPS時間源，將時間同步裝置輸出的PPS+串口或IRIG-B接入測試儀，測試儀計算出與本機時間的偏差以獲得時間同步裝置的對時精度。同步及守時精度測試，如圖8右邊所示，與合并單元的時間精確度測試類似，在測試儀和時間同步裝置保持同步信號和斷開同步信號2種情況下，分別測試同步精度和守時精度變化。

圖8　對時精度（左）和同步及守時精度測試（右）

3.5過程層網絡性能測試

過程層網絡連接過程層和間隔層，傳輸采樣值和GOOSE數據，要求高實時性和高可靠性，過程層網絡的性能將直接影響變電站的穩定運行[8，9]。如圖9所示，將測試儀的光纖以太網口接入過程層交換機，模擬SMV和GOOSE數據發送和接收，測試在不同的數據流量下交換機的吞吐量、丟包率，并選取一條或多條鏈路作為監測鏈路計算其傳輸時延，從而對過程層網絡性能狀況進行評估。

圖9　過程層網絡性能測試

4　結束語

本文針對智能變電站運行維護特點及現場測試需求，以簡化運行維護操作、提高運行維護便利性為出發點，研制出了一種具備多種測試功能的便攜式綜合測試儀。該測試儀能夠滿足變電站內主要二次設備（智能單元、合并單元、保護測控設備等）、時間同步設備、網絡測試等測試需求，實際測試應用效果良好，能夠有效地提高工程測試及日常運行維護工作效率，具有較高的推廣價值。

參考文獻：

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李澄（1970），男，江蘇無錫人，研究員級高級工程師，從事繼電保護、變電綜合自動化系統、時間同步等領域研究與項目開發工作；

陸玉軍（1972），男，江蘇句容人，高級工程師，從事變電站綜合自動化系統的開發及工程應用工作；

王寧（1981），男，河北保定人，工程師，從事變電站自動化系統相關研究與技術開發工作；

葛永高（1978），男，江蘇興化人，工程師，從事變電站自動化系統相關研究與技術開發工作。

Development of Portable Integrated Tester for the Smart Substation

LI Cheng, LU Yujun, WANG Ning, GE Yonggao
(Jiangsu Frontier Electrical Power Technology Co.Ltd., Nanjing 211102, China)

Abstract：With the technical features of smart substation and the requirements of its operation and maintenance, the paper proposes a design scheme for a multi-functional portable integrated tester, and introduces its hardware design, interface design, function design. The tester is suitable for a variety of test applications in smart substation, for example, secondary equipment test, time synchronization device test, substation network test, etc. It has a certain reference value to enhances the convenience and improve the efficiency of operation and maintenance of smart substation.

Key words：smart substation; portable integrated tester; secondary equipment test; synchronization system test; network test

作者簡介：

收稿日期：2015-11-05；修回日期：2015-12-27

中圖分類號：TM71；TM932

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0019-04