第三代智能變電站一次設備就地模塊自動測試技術研究

謝軍，余斌，寧春海

(1.國網湖南省電力有限公司邵陽供電分公司，湖南 邵陽 422000；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

0 引言

智能變電站由于高度的系統集成化、合理的結構布局，在經濟節能環保等方面取得了一定的成效。然而，在實際的運用中，也暴露了不少問題，智能變電站對保護裝置、合并單元、智能終端等設備的運維檢修一直采用人工手動檢測方式，繁重的檢修工作量和高額的檢修成本極大的制約著智能變電站的發展[1－3]。為了實現電網供電可靠性和變電站運檢高效的目標，國家電網有限公司在2018年啟動第三代智能變電站試點建設工作[4－5]。

第三代智能變電站以“一鍵操作、自動巡檢、主動預警、智能決策”等功能為主要特征，是對傳統變電站、第一代智能站及新一代智能站從設計、制造、建設、運檢等各方面進行的全面總結與提升[5－6]。第三代智能變電站取消了合并單元與智能終端設備，采用結構標準化、信息標準化的就地子模塊設備實現數據采集功能，如何對就地子模塊設備進行高效的運維檢測是第三代智能變電站安全穩定運行亟待解決的問題[7－9]。

隨著智能裝置不斷向標準化、信息規范化方向邁進，智能變電站中智能裝置的自動測試技術應用也越來越廣泛。自動化測試技術必將替代手工測試技術，解決智能變電站調試周期長、工作效率低的問題，為變電站一次設備就地模塊的高效運維檢修提供有力技術支撐[10－14]。

為了提高設備檢測效率，提出就地模塊測試方法，研制具有可模擬發送及接收通信報文、自動生成檢測報告等功能的便攜一次設備就地模塊測試裝置，實現對開關量一次設備就地模塊、模擬量一次設備就地模塊的一鍵式測試，避免失效一次設備就地模塊帶病投運及有效防止因一次設備就地模塊故障導致的電網事故。

1 第三代智能變電站一次設備就地模塊

如圖1所示，第三代智能變電站采用全站集成測控裝置加就地化保護模式實現，測控采用“兩層一網”系統構架，由間隔層、站控層及站控層網絡構成，通過數字化就地模塊與一次設備相連接。保護采用就地化保護方案，由就地化保護、保護專網和智能管理單元構成，通過光纜和數字化就地模塊與一次設備相連接。

圖1 第三代智能變電站二次系統架構

全站集成測控裝置采用模塊插件，針對不同間隔的遙信、遙測等信號的采集使用不同的采集插件，利用光纖接口由61850報文將對應的開關量模塊和模擬量模塊的開關信號、模擬量電壓電流信號傳遞給全站集成測控主機。不同間隔采樣插件采集到全站所有間隔的測控信息后，統一由全站集成測控主機的CPU插件進行相關的采樣計算和邏輯處理，實現全站模擬量模塊和開關設備的測量與控制功能。

就地模塊是全站集成測控裝置與刀閘、開關、互感器等一次設備的連接紐帶，其將一次刀閘設備的位置、互感器的量值通過61850報文上送到全站集成測控裝置，同時也將全站集成測控裝置下發的跳閘指令由61850報文轉發給一次刀閘開關，實現集成測控裝置對全站一次設備信息的采集、傳輸和控制。就地模塊主要由模擬量就地模塊、開關量就地模塊、變壓器就地模塊和操作模塊等4部分構成。模擬量就地子模塊與智能變電站合并單元裝置相似，開關量就地子模塊與智能變電站智能終端設備相似。

就地模塊可實現電壓、電流、油溫、油位等模擬量及斷路器狀態、分接頭檔位、非電量信號燈開關量的就地數字化，使用按鍵設置地址，無需軟件配置，體積小(體積合并單元/智能終端的1/7)，可不停電更換。

2 一次設備就地模塊測試方法

2.1 模擬量就地子模塊測試方法

模擬量就地模塊測試系統如圖2所示。在使用狀態下，模擬量電流模塊和被測模擬量就地模塊的電流采集口相連，用于發送模擬電磁互感器二次側電流額定值；模擬量電壓和被測模擬量就地模塊的電壓采集口相連，用于發送模擬電磁互感器二次側電壓額定值；61850報文收發端口互連，用于傳輸模擬量電壓、電流信號或轉發其他模擬量就地模塊的61850報文。

圖2 模擬量測試系統圖

1)測試模擬量就地模塊轉發61850協議報文的正確性。通過測試系統61850插件模擬其他就地測試模塊發送的61850協議報文給被測模擬量就地模塊，同時回采該模擬量就地模塊發送的61850協議報文，利用軟件系統對比發送的61850協議報文和采集的61850協議報文的一致性。

2)測試模擬量就地模塊將模擬量電壓、電流信號轉換為61850協議報文的正確性。通過測試系統發送額定二次值的電壓、電流信號給模擬量就地模塊，并通過61850采集插件采集其轉換輸出的對應數字61850協議報文，從而實現模擬量就地模塊離散度、采樣精度和采樣響應時間等功能和性能測試。

3)模擬量就地模塊采樣精度及離散度自動測試。通過測試系統自動測試軟件控制發送二次額定值的電壓電流信號給模擬量就地模塊，并通過61850采集插件采集其轉換輸出的對應數字61850協議報文，對比模擬量電壓、電流通道發送數值和61850協議報文電壓、電流通道采集數值，計算出模擬量就地模塊采樣精度；統計分析測試系統采集到的61850協議報文，計算出模擬量就地模塊離散度和抖動性。

4)模擬量就地模塊采樣響應時間測試。通過測試系統自動測試軟件控制發送二次額定值的電壓電流信號給模擬量就地模塊，并通過61850采集插件采集其轉換輸出的對應數字61850協議報文，對比模擬量電壓、電流通道發送時刻和61850協議報文電壓、電流通道采集時刻，計算就地模擬量采樣響應時間；

5)模擬量就地模塊檢修機制測試。利用自動測試系統軟件系統對模擬量就地模塊檢修機制時間進行測試，對于測控裝置下發的開關量控制命令，當模擬量就地模塊的檢修狀態與測控裝置檢修狀態一致時，模擬量模塊應能正確執行測控裝置下發的相關開關量控制命令；當模擬量就地模塊檢修狀態與測控裝置檢修狀態不一致時，模擬量裝置應能不執行測控裝置下發的相關開關量控制命令。對于模擬量就地模塊轉發其他就地模塊61850協議報文時，無論其是否為檢修狀態，均不應該影響轉發其他模塊61850協議報文的檢修狀態。對于模擬量就地模塊本身，當其投入檢修壓板時，對外發送的61850協議電壓、電流報文檢修標志位應該置1，當其退出檢修壓板時，對外發送61850協議電壓、電流報文檢修標志位應該置0。

2.2 開關量就地子模塊測試方法

開關量測試系統如圖3所示。開關量就地模塊測試系統在使用狀態下，硬接點輸入口和被測試開關量就地模塊的硬接點輸出口相連，用于接收被測試開關量就地模塊轉發的刀閘、斷路器控制命令；硬接點輸出口和被測試開關量就地模塊的硬接點輸入口相連，用于向被測試開關量就地模塊的發送斷路器、刀閘實際硬接點分合位置。61850報文收發端口互連，用于傳輸刀閘、斷路器控制命令以及刀閘、斷路器轉換為分合位置的61850報文。

圖3 開關量測試系統圖

1)通用開關量就地模塊測試系統測試方法

①測試通用開關量就地模塊轉發61850協議報文的正確性。通過測試系統61850插件模擬其他就地測試模塊發送的61850協議報文給被測通用開關量就地模塊，同時回采該通用開關量就地模塊發送的61850協議報文，利用軟件系統對比發送的61850協議報文和采集的61850協議報文的一致性。

②測試通用開關量就地模塊將刀閘、斷路器位置等硬接點信號轉換為61850協議報文的正確性。通過測試系統開出量模塊對被測通用開關量就地模塊模擬刀閘、斷路器硬接點分合位置，同時回采該通用開關量就地模塊發送的61850協議報文位置信號，利用軟件系統獲取通用開關量就地模塊通道位置關聯的正確性和轉換時間。

③測試測控裝置下發的刀閘、斷路器位置等61850協議報文遙控命令轉換為硬接點開出量的正確性。通過測試系統模擬測控裝置的61850協議報文，同時回采該通用開關量就地模塊轉換的對應開出量硬接點信號，利用軟件系統獲取通用開關量就地模塊通道位置關聯的正確性和轉換時間。

2)通用開關量就地模塊自動測試及報告生產流程

利用自動測試軟件系統對通用開關量就地模塊所有節點進行功能和性能測試，對61850協議報文轉為開出量硬節點和開入量硬節點轉換為61850協議報文進行全面測試。每個節點信號均對其分合位置映射關聯的正確性和轉換時間進行測試和記錄，測試結束后，將所有節點的測試結果和記錄以測試報告文檔的形式生產。

3)通用開關量就地模塊檢修機制測試

利用自動測試系統軟件系統對通用開關量就地模塊檢修機制時間進行測試，對于測控裝置下發的遙控等命令，當通用開關量就地模塊檢修狀態與測控裝置檢修狀態一致時，通用開關量模塊應能正確執行測控裝置相關控制命令；當通用開關量就地模塊檢修狀態與測控裝置檢修狀態不一致時，通用開關量裝置應能不執行測控裝置相關控制命令。對于通用開關量就地模塊轉發其他就地模塊61850協議報文時，無論其是否為檢修狀態，均不應該影響轉發其他模塊61850協議報文的檢修狀態。對于通用開關量就地模塊本身，當其投入檢修壓板時，對外發送61850協議報文檢修標志位應該置1，當其退出檢修壓板時，對外發送61850協議報文檢修標志位應該置0。

3 自動測試設備研制及應用

通過以上對模擬量就地模塊與開關量就地模塊的測試方法，對第三代智能變電站現場模擬量就地模塊與開關量就地模塊測試設備進行研制，以滿足第三代智能變電站現場模擬量就地模塊與開關量就地模塊檢修測試要求，提供第三代智能變電站現場測試工具和測試手段。

第三代智能站二次設備自動測試設備是需要對多個不同類型二次設備進行自動化測試，因此要求測試設備硬件具備可擴展性。采用模塊化設計思路，將測試設備進行模塊化分解，并通過主板對多個模塊進行管理控制。

3.1 硬件結構設計

為了使硬件系統具備模擬量電壓電流信號、開關量信號及數字61850報文信號的輸出特點，硬件平臺采用插件結構組成，如圖4所示。

圖4 硬件平臺插件式結構原理圖

整機結構采用插件式結構，所有的裝置內部的電信號連接都通過插件背板通信，電源插件通過背板為控制插件、數字量插件、電壓插件、電流插件供電，控制插件通過背板與數字插件、電壓插件、電流插件交互數據。背板插件通過轉接板將電壓電流輸出線引到端子板，并在前面板端口輸出。控制插件和數字量插件對外接口從后面板引出，包含控制插件的GPS對時接口、光B碼對時接口、1588對時接口，數字板的FT3輸出光口和FT3輸入光口。

當外部有統一的時間基準如GPS時間信號或IEEE1588時間同步信號時，裝置通過GPS接收機或者IEEE1588同步信號接收裝置得到外部同步時間的秒脈沖。然后利用晶振裝置對GPS的秒脈沖進行計數，并進行累計記錄。得到的一系列累計晶振計數值作為Kalman濾波器的觀測值，利用Kalman濾波器對晶振的系統狀態進行預測與估計。將相鄰兩次得到的累計晶振計數值相減得到晶振分頻器的控制量。

裝置工作在同步授時狀態時，將Kalman濾波器得到的晶振頻率的估計值作為歷史數據保存下來。當歷史數據量達到訓練需求的最小數據量時，對BP神經網絡進行訓練。滿足誤差精度或者迭代次數后結束訓練。等待下一次歷史數據的更新。

當失去外部的時間基準時，裝置無法接收到外部同步時間秒脈沖，裝置變為守時狀態。Kalman濾波器不再工作，裝置只依靠訓練好的BP神經網絡模型，對未來晶振的頻率變化做出預測。由于晶振頻率變化短時間內很微小，因此在同步守時狀態時，將得到的頻率預測值進行累加，即得到預測累計晶振計數值，再將相鄰兩次的結果相減，產生晶振頻率分頻器的控制值。

3.2 工作流程

控制插件是整個測試系統硬件結構的控制核心，其不僅要實現模擬量電壓電流、數字報文和開關量的輸入輸出控制，還要實現閉環測試參數的邏輯計算與處理。控制插件上主要由上位機通訊模塊、邏輯計算模塊、模擬量電壓電流控制模塊、數字報文控制模塊、開關量控制模塊和監控模塊等構成。

上位機通訊模塊有以太網通信端口和WiFi端口兩部分組成，兩部分獨立運行，互不干擾。以太網通信端口和WiFi端口采用無線路由器工作原理，任何一個均能實現上位機PC與測試系統的有效連接，及時下發上位機的控制輸出命令及上送硬件系統的回采數據和工作狀態等內容。以太網通信端口采用百兆通訊模塊，實現10M與100M以太網自適應連接，能夠以有線電纜的方式實現上位機PC與主板插件的可靠連接。WiFi端口采用主板插件內置WiFi發送模塊，由外部PC等無線通信設備實現與主板插件的可靠連接。

邏輯計算模塊主要由ARM(Advanced RISC Machines)＋FPGA (Field Programmable Gate Array)組成。ARM芯片負責上位機命令的接收、處理，FGPA程序負責命令的準時下發、通訊報文的等間隔下發。以合并單元數字報文發送為例，上位機將實驗命令下發到ARM芯片，ARM芯片會將相應的試驗設置、試驗計算傳輸給底層驅動，完成相應的邏輯計算及數字報文組包，并由FPGA通過準確的按間隔下發給數字插件，保證每秒等間隔發送數字報文，每幀報文均按規定協議格式發送規則進行下發。

模擬量電壓電流控制模塊即AD轉換模塊，其主要控制電壓、電流功率放大器輸出特定的電壓、電流信號。當ARM芯片接收到上位機下發的控制輸出命令后，其將控制命令處理后通過AD轉換模塊轉換為0～6 V的電壓信號，電壓功率放大器和電流功率放大器插件接收到模擬量弱信號時，會將其轉換為0～120 V的電壓信號和0～20 A的電流信號輸出。

數字報文控制模塊主要控制數字報文插件輸出、輸入61850報文。當ARM芯片接收到上位機下發的控制命令后，由FPGA將其傳輸給數字報文插件從而完成相應的功能。

開關量控制模塊主要用于控制開入量和開出量的及時控制。當上位機下發開入量探測等控制命令后，光耦結構的開入量實時進行硬接點探測，當探收到硬接點閉合狀態時在100μs以內將其傳輸到ARM控制系統，使其能及時參與相應的邏輯計算處理。當上位機下發開出量閉合等控制命令后，光耦結構的開出量在100μs內立即閉合，開出量接點能夠及時、準確輸出。

監控模塊主要用于測試系統的自檢功能。當電壓、電流功率放大器和其他插件正常運行輸出時，監測模塊實時監視測試系統的硬件輸出狀態。當電流輸出開路時、功率放大器過熱過載時，告警電路會及時觸發并將相應的信號傳輸給監控模塊和ARM控制芯片，并在第一時間內切斷硬件系統的電壓、電流等信號的輸出。

3.3 自動測試技術應用

基于以上測試方法、需求和設計方案，研制出就地模塊自動測試設備，如圖5所示。就地模塊自動測試設備模擬量電壓電流輸出與模擬量就地子模塊連接，并同時接收模擬量就地子模塊返回的61850－9－2數字報文，測試設備開關量節點輸出與開關量就地子模塊開入量連接，測試設備開關量節點輸入與開關量就地子模塊開出節點連接，并通過光口連接開關量就地子模塊的GOOSE光口收發口。測試設備與模擬量就地子模塊、開關量就地子模塊同時連接到1588時鐘源上，保證三個設備處在同一個時鐘下，再通過軟件界面選擇測試項目，點擊一鍵自動測試，測試完成后便可生成報告。

圖5 就地模塊自動測試框圖

4 結語

第三代智能變電站是變電站智能化提升的重要發展階段，作為第三代智能變電站的核心設備，就地模塊的正常運行對變電站安全穩定至關重要。本文提出模擬量就地模塊實現采樣精度及離散度測試、采樣響應時間測試、檢修機制功能測試等測試方法，提出開關量就地模塊實現自動測試及報告生產流程、防抖時間測試以及檢修機制測試等，實現就地模塊的61850協議分析模擬，研制出自動測試設備，能夠完成就地模塊功能和性能的批量自動檢測，為就地模塊的功能和性能批量自動測試檢修提供一種新方式，提升智能變電站的檢修維護效率，保障電網的安全高效運行。