智能變電站繼電保護自動測試平臺的設計

葛海濤，紀思彤

（國網河北省電力有限公司石家莊供電分公司，河北 石家莊 050051）

智能電網的發展，有助于提高我國電力能源的安全性，有利于我國低碳經濟、節能減排等方面的目標。智能電網與智能變電站有著相互推動的關系。智能變電站的研究有助于促進電源結構的優化，可以更大程度滿足經濟社會發展需求，是電力發展的重要方向。智能變電站與智能電網之間的關系非常密切，智能變電站智能電網發、輸、變、配、用、調6個部分中不可或缺的一部分。傳統變電站逐步向智能變電站的方向發展，有助于促進電網安全、穩定、高效、經濟發展。

隨著智能變電站建設的逐步推進，新技術、新設備在智能變電站建設過程中的重要性逐漸凸顯。與此同時，新技術新設備的引入也帶來了一些問題，例如新技術、新設備和傳統設備傳統回路之間的兼容性可能會因在調試驗收過程中出現問題導致在運行過程中設備損壞，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為繼電保護測試帶來了便利性和安全性，數字化的測試儀滿足了測試的基本需求，而仿真數據對非電氣量的模擬提高了對電力設備故障狀態的的仿真精度，有利于自動化仿真在實際中的應用[1- 2]。

1 變電站一體化信息平臺

1.1 傳統變電站信息傳輸結構

傳統變電站由于多種原因，導致變電站內各類一次、二次設備的操作平臺較多、規約較多，同時整體網絡結構呈現復雜化的特點，最終會使得傳統變電站各類設備系統信息傳輸速度不高、容易出現延時等不良情況。傳統變電站信息傳輸結構如圖1所示[3]。

圖1 傳統變電站信息傳輸結構

1.2 電力物聯網一體化信息平臺

對于通用規約IEC 61850，其所利用的建模方式是面向對象的。通用規約IEC 61850的建模方式可以使得變電站內二次系統裝置具有集成化的特點。這種建模方式是利用對象的屬性直接建立的，呈現集成化特點的同時對外提供統一化接口，促進變電站二次系統設備接口的統一化，保證了各類系統設備的可靠穩定性[4]。

電力物聯網一體化信息平臺可以對變電站內一次、二次設備的運行信息進行采集，也可以對變電站站外相關設備數據進行采集傳輸處理。電力物聯網一體化信息平臺的信息流向如圖2所示。

圖2 電力物聯網一體化信息平臺的信息流向

電力物聯網一體化信息平臺由多個子單元及一個中心單元組成，同時其對站內數據分層分布處理。子單元根據預先定制規則提取信息，具有數據辨識估計及采集記錄的功能。此外，站內外使用者均可借助子單元獲得數據信息。按照間隔、功能、信息使用者等方法，可以對平臺子單元進行配置。

包括電網運行數據、變電站高壓設備狀態數據在內的許多數據均可由智能變電站采集而得。站內高壓設備的運行狀態可通過狀態數據顯示，同時與站相鄰設備狀態監測也可以通過該數據反映[5]。

因為多種數據信息的可靠性要求以及實時性不同，所以在平臺的設計過程中，需要對共享機制及采集進行不同處理，從而確保數據的可用性及有效性。

2 繼電保護自動測試平臺的設計

2.1 測試平臺

繼電保護自動測試平臺由軟、硬件兩部分組成。硬件部分包括無線控制主機、采集模擬器、通用計算機；軟件部分包括智能變電站仿真平臺、建模及試驗控制平臺。圖3為繼電保護自動測試平臺信號傳輸示意。

圖3 繼電保護自動測試平臺信號傳輸示意

（1）智能變電站仿真平臺。能夠完成對隔離設備的狀況及數據、時間進行模擬，完成整個系統的時域仿真。

（2）無線控制主機。能夠高質量的接收仿真平臺發來的數據，并且保證發送至各個系統時原有數據保持同步。

（3）采集模擬器。采集模擬器可以模擬并采集實際情況中設備的各種狀態，將接收到的信息發送至合并單元。此外，模擬采集器借助一定數量的擴展器，可以實現整個變電站的模擬采集。

2.2 測試方案

繼電保護自動測試平臺試驗步驟如下:

（1）依據需求制定方案；

（2）依據現有智能變電站的各類資料，搭建智能變電站模型；

（3）根據2.1所提出采集模擬器的各類數據參數，與其他系統設備的無線主機進行匹配，保證傳輸的同時性；

（4）設置各類模型系統試驗參數并仿真計算；

（5）依據采集模擬器的功能，進行上行或下行發送；

（6）試驗完成。

試驗步驟如圖4所示。

圖4 繼電保護自動測試平臺試驗步驟

確保數據的實時等效性，采集模擬器參數應設置完備，同時時間要同步對時。

考慮到站內系統數據傳輸的時效性和準確性，電力物聯網全場景測試系統中的采集器均處于統一同步狀態。完成對時功能后，各類采集模擬器也可以作為時間的標準，與其他設備進行進一步匹配，最終實現各類設備的實時等效。圖5為某智能變電站220 k V 設備區仿真接線示意。

圖5 某智能變電站220 k V 設備區仿真接線示意

若需驗收某220 k V 變電站220 k V 1 A 號母線故障時的保護動作邏輯，根據此需求確定實驗方案:在251間隔母差回路通入故障電流使母差保護動作，確認采集模擬器關聯正確后將參數輸入進仿真平臺進行模擬，自行進行實驗，試驗結束后觀察220 k V 1 A 號母差保護報文以及1 A 號母線上的開關確已跳開，若母差報文與動作邏輯與預期一致，則該母線保護邏輯正確。

2.3 測試平臺優越性

傳統智能變電站測試方法較為簡單，功能單一，針對于多間隔保護如主變壓器保護、母線保護等，需要測試該類保護的采樣同步功能，若采用常規試驗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儀，大大增加了人力和物力。自動測試平臺擁有建模功能，可以實現復雜情況下的模型搭建。可以直觀勘測到整個變電站模型，并可模擬智能變電站任一處故障時保護動作情況以及錄波波形，對繼電保護驗收調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測試工作的效率。

3 應用展望

繼電保護自動測試平臺的建成及應用，有力提升了測試水平，但隨著電網結構的發展，以及自主可控安全可靠新一代變電站二次系統的進程，對繼電保護自動測試平臺也提出了新的要求。

3.1 二次系統新特點

自主可控安全可靠新一代變電站二次系統是指:CPU、FPGA、ADC、存儲、通信等全部芯片均采用自主可控芯片；操作系統、數據庫等基礎軟件和應用軟件全部采用國內自主研發的軟件；采用國產通信協議代替MMS通信協議。

數據采集方式由采集執行單元完成不同類型互感器采樣接口和斷路器執行接口，采集執行單元與二次設備采用數字化接口方式，SV、GOOSE報文共口傳輸，如圖6所示。

圖6 繼電保護數據采集方式

此外采集執行單元與間隔層設備采用點對點直連通信，取消過程層網絡利用站控層組網優勢，保護、測控少量聯閉鎖GOOSE 信息通過站控層網絡交互等，這些變化對測試工作提出了新的要求。

3.2 繼電保護自動測試平臺提升

圖7為自主可控安全可靠新一代變電站二次系統架構。

圖7 變電站二次系統架構示意

同現有系統相比減少了設備物理端口，交換機總體數量大幅減少，過程層與間隔層設備采用光纖直連，直采直跳，提升傳輸可靠性；按信息和業務分類傳送，確保網絡通信質量，保證網絡性能；繼電保護采用直采直跳方式，回路中間環節少，實時性、可靠性高、采樣數據自然同步，采用直采直跳方式保證繼電保護“四性”等，基于上述情況，測試平臺架構考慮進行如下調整，如圖8 所示。自主可控相關二次設備將在試點工程中采用，相關規程規范也會陸續發布，部分學者已著手開始研究工作，現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自動測試平臺提升具有重要意義。

圖8 測試平臺架構示意

4 結束語

智能變電站中的一體化信息平臺以統一的標準方法實現站內外信息的共享交互，形成了一致唯一性的基礎數據信息。本文介紹了電力物聯網一體化信息平臺的結構，研究了基于電力物聯網的智能變電站一體化信息平臺的設計原則，并基于此原則提出了智能變電站繼電保護自動測試平臺，并對其結構以及應用進行了闡述研究。該測試平臺可以完成智能變電站二次設備閉環性能測試，同時為智能變電站的相關技術研究提供了一種新的試驗手段。