基于系统测试观点的智能变电站与传统变电站继电保护比较研究

凌 光，储祥国，张秀锋，谢 骏

（国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

基于系统测试观点的智能变电站与传统变电站继电保护比较研究

凌 光，储祥国，张秀锋，谢 骏

（国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

针对智能变电站与传统变电站内继电保护系统存在的差异，从系统测试的角度对两者及其测试方法进行了比较研究。首先对传统变电站和智能变电站内的保护系统进行建模，比较两者在结构上的共同点和区别点，指出它们的内在联系。然后把2种保护系统视为2个被测对象，从结构和功能上进行分解，分别得到各自最小的被测单元。遵循先单体后整体的原则，建立2种保护系统的测试体系。最后通过比较研究，揭示智能变电站和传统变电站测试思路上的继承性，同时举例说明了智能变电站中特有的测试项目以及测试原理，便于测试人员理解和掌握。建立了传统变电站和智能变电站继电保护系统的桥梁，为全面推广智能站保护测试方法提供了新的思路。

智能变电站；传统变电站；继电保护；系统测试；比较研究

0 引言

基于IEC 61850标准的智能变电站目前已广泛普及，预示着传统变电站和智能变电站在未来相当长的一段时间内将共同存在。智能变电站中网络化的数据传输模式和便捷的数据共享，使得智能告警、分析决策、支撑经济运行与控制等高级应用成为可能[1]。智能变电站的测试方法，也与传统变电站有很大区别[2]，对习惯于常规继电保护测试的工作人员而言，也是不小的挑战。针对智能变电站继电保护的测试方法，现阶段已有不少研究成果，主要研究方向是集成测试和自动化测试[3-4]，但出于安全性考虑，此类测试方法很难在现场获得实际应用。文献[5]提出了智能变电站继电保护的一种新的架构形式，即保护装置的就地化。但是上述变电站新的架构形式必然要求新的测试方法，对日后的运维工作又是一种挑战。

无论继电保护采用何种形式实现，其内在逻辑和外在功能是不变的。本文从系统测试的角度，通过对以保护装置为核心的继电保护系统进行建模，揭示传统变电站和智能变电站中继电保护的内在一致性，系统地比较传统变电站和智能变电站保护在系统测试上的异同，旨在帮助调试人员更好地理解智能变电站保护原理，并顺利掌握当前乃至下一代智能变电站中继电保护的系统测试方法。

1 继电保护系统建模

继电保护系统用于保护电网的安全，与一般的被测系统相同，保护系统也是由信号采集模块（包括模拟量和数字量）、运算决策模块和决策执行模块组成[6]。以图1为例，传统变电站的保护系统由互感器（模拟量采集）、保护装置（运算决策以及电平信号采集）和断路器（决策执行）组成。

图1 传统变电站保护系统结构

传统变电站内，电流/电压互感器采集的模拟电量经过电缆传输至保护及测控装置的模拟量采集模块；反映断路器状态的一些电平信号也通过电缆传输至保护测控装置的开入模块。保护装置根据这些采集量进行逻辑运算，若满足动作、告警或闭锁条件，则输出相应的信号至操作箱、测控装置以及故障录波器。操作箱根据接收到的保护装置命令，实现跳闸、合闸或者闭锁重合闸功能，从而实现故障隔离。

智能变电站内，保护系统同样可以分为信号采集模块、运算决策模块和决策执行模块3部分，只是执行该项功能的装置以及装置间传递信号的形式发生了变化（如图2所示）。与传统变电站不同，智能变电站模拟量采集功能由就地合并单元完成，而非保护装置中的采样模块；传统变电站的操作箱功能，在智能站中都下放到就地的智能终端执行。此外，由于网络传输替代了传统的电信号传输，保护装置至测控装置、故障录波器以及其他间隔的信号，都经过交换机组网传输；为了监视网络健康状况，智能变电站中还增加了网络分析仪等。

图2 智能变电站保护系统结构

忽略系统内部细节，单从保护系统外部特性和功能来看，智能变电站和传统变电站并无区别，即两者对电网的同一个异常现象将产生相同的响应。另一方面，即便考虑系统内部结构，若只关注信息流内容而非信息形式和信息驻留地点，则智能变电站和传统变电站的内涵是一致的。

2 系统测试原理应用于保护系统

2.1 系统测试基本原理

系统测试是针对整个产品系统进行的，目的是验证系统是否满足了需求规格，找出与需求规格不符甚至是矛盾的地方，从而提出更加完善的方案。系统测试一般包含单体测试和整体测试2部分，主要内容包括功能性测试和健壮性测试。功能性测试，即测试系统的功能是否正确，其依据是功能定义。由于正确性是系统最重要的质量因素，所以功能测试必不可少。健壮性测试，即测试系统在异常情况下能否正常运行的能力。健壮性包括容错能力和恢复能力2层含义。在特定情况下，系统需具备容错能力。而恢复测试作为一种系统测试，主要关注导致系统运行失败的各种条件，并验证其恢复过程能否正确执行。

系统中任意一项子功能或整体功能的测试流程如图3所示。系统测试要测试到所能分解的最小子系统，再对各个子系统分别进行单独测试，排除问题，直至所有子系统测试通过后，再进行整体测试（包含单体间的联络信号测试）；若整体功能符合预期定义，则说明测试成功，否则需要不断排除测试中碰到的问题，直至系统功能达到预期要求。

图3 任意系统的一般性测试流程

2.2 保护系统功能分解

对于传统变电站而言，主要针对由互感器、保护装置、操作箱和断路器组成的系统进行测试；而对于智能变电站，主要针对由互感器、合并单元、保护装置、智能终端和断路器组成的系统进行测试。整体测试方面，由于智能变电站的信号采集源端是电信号，最后输出至断路器的跳合闸信号也是电信号，和传统变电站一致，因此整组试验两者完全一致，区别仅在于单体间的联络信号测试。单体测试方面，关于互感器和断路器的测试，传统变电站和现阶段的智能变电站也完全一致，因而测试方法可以直接移植，单体测试其余部分则存在较大区别。

保护装置可以定义成4大功能模块，即：采样模块、开入模块、逻辑运算模块、开出模块。

操作箱可视作包含输入、输出和内部逻辑运算系统。开入模块为跳闸和重合闸等命令，开出为开关位置和闭锁重合闸等信号。逻辑运算模块的功能就是建立开入与开出之间的对应规则。以220 kV线路分相操作箱为例，操作箱的开入开出模块具体定义如图4所示。

图4 分相操作箱的功能定义

保护装置和操作箱之间通过短电缆联系。以线路保护为例，保护装置把跳闸、重合闸以及闭锁重合闸命令发送给操作箱，操作箱则把断路器位置、低气压闭锁重合闸和闭锁重合闸信号传至保护装置。保护装置与互感器、操作箱及断路器之间亦通过电缆联系，用以传送电流、电压以及相关的命令和状态。因此，传统变电站的保护系统可以定义成如图5所示的结构。

图5 传统变电站保护系统的功能结构

按照同样的方法，对智能变电站保护系统的各个单体进行功能定义。相比于传统变电站，智能变电站中的保护系统增加了合并单元和智能终端，取消了操作箱，原先保护装置的采样模块以及电压并列切换模块转移至就地合并单元内实现，原先操作箱功能以及开入量采集功能在智能终端内实现。事实上，如果不考虑接口以及信号形式的差异，传统变电站和智能变电站的保护系统内信号流传输内容是一致的，智能变电站系统中仅仅增加了光电转换模块。综上所述，智能站保护系统的功能定义如图6所示。

3 测试方法比较

图6 智能变电站保护系统的功能结构

根据前文所建模型，遵从先单体后整体的测试原则，可以对保护系统及所涉及的对象进行测试。无论是单体还是整体的测试，只需关注该系统的输入、输出以及两者之间的联系，所以一般的系统测试包含3部分：输入有效性测试、系统规则验证和输出有效性测试。例如，对于一个保护装置，输入有效性测试包含采样、开入量测试，系统规则验证是指保护逻辑和定值校验，输出有效性测试则是指对应的输出信号（接点或光信号）是否准确变位。

本文忽略具体的测试步骤，重点关注测试的对象以及项目，通过比较传统变电站和智能变电站在测试方法上的异同，揭示2种测试体系的内在联系。结合一般性的测试原理和保护系统的具体结构，传统变电站的测试项目如图7所示，智能变电站系统测试项目如图8所示。

图7 传统变电站保护系统测试项目

图8 智能变电站保护系统测试项目

对比图7和图8可知，除了信号形式不同，传统变电站和智能变电站各单体所包含的功能也有了显著变化，因此各单体的测试存在较大差别。但就保护系统所有单体内的功能模块而言，智能变电站相对于传统变电站只增加了光电信号转换环节，其他所有功能模块依然保留。因此，传统变电站中测试任一功能模块的思路在智能变电站中同样适用。例如采样精度试验，传统变电站里这一功能测试在保护装置上完成，而在智能变电站中则需在合并单元上完成。因此，把单体测试进一步分解成各功能模块的测试，传统变电站和智能变电站就体现出很大程度上的一致性。

表1列出了传统变电站和智能变电站中的各个主要功能模块测试内容，从表中可以清晰比较出两者的异同。其中，有些项目是智能变电站保护系统特有的测试项目，这是由于网络化的数据传输机制以及新的分布式设计带来的。例如智能变电站需要测试其网络性能，包括实时性、可靠性和安全性等指标，这是传统变电站所不需要的。而对于传统变电站和智能变电站共有的测试项目，只要掌握数字化测试工具的使用即可。

4 智能变电站测试项目举例

为进一步说明智能变电站与传统变电站的联系和区别，以智能变电站的2个测试项目为例，一是SCD（变电站配置描述）文件的检查，将SCD文件与传统变电站的设计蓝图进行对比；另一个是电压、电流的同步性检查。这是智能站独有的测试项目，其测试必要性由其数据传输方式决定的。

表1 传统变电站和智能变电站保护系统项目测试差异

SCD文件是描述所有IED（智能电子设备）的实例配置和通信参数、IED之间的通信配置以及变电站一次系统结构配置文件。SCD文件是智能变电站二次调试人员及运行维护人员最重要的资料，对保护系统而言，其作用相当于保护装置原理图和设计蓝图。以绍兴220 kV江桃变SCD文件为例，选取其中一个线路间隔，两者类比如图9所示。图中SCD连线为智能终端至保护的信号，类比于传统变电站中操作箱至保护装置的信号。由图9可知，传统设计图中的端子演变成SCD文件中的“虚端子”，但端子所对应的信号以及信号间的联络关系是一致的。传统变电站中二次回路的经典设计方法在智能变电站中得到了很好的继承，SCD文件正是这一继承的载体，因此无论是在验收还是例行校验中，都要首先检查SCD文件的正确性。

智能变电站另一个典型测试项目是电压、电压同步性测试。传统变电站中的电压、电流通过电缆直接传至保护装置，其延时可以忽略；而智能变电站中模拟量要经过合并单元后才能传至保护装置，由于传输路径并不一致，电压往往比电流多经过一个母线电压合并单元，因此两者传输至保护装置的延时并不一致。传输延时的差异导致两者间的相位关系失真，因此需要进行准确补偿，否则容易引起保护不正确动作。考虑传输延时后的电压、电流特性如图10所示。假设原始电压、电流波形相位差是零，那么经过补偿后尽管存在滞后，但相互之间的相位关系应和原始信号保持一致，这就是同步性概念。

图9 SCD文件与传统变电站设计蓝图类比

图10 电压、电流经合并单元后的延时特性

由图10可知，经过合并单元传输后，若要保持电压、电流间的相位差依然为零，需要准确补偿传输环节中的延时，间隔层和站控层设备才能准确还原出电压、电流的原始相位关系。此外同步性不仅仅是指电压、电流间的同步，也指多间隔保护（如母差保护）中各间隔电量之间的同步。同步性的测试非常重要，直接关系到保护动作的正确性，测试中要引起足够的重视。

5 结语

本文从系统测试的角度，首先比较了传统变电站和智能变电站保护的系统测试方法。通过对保护系统结构的分析和建模，揭示了传统变电站和智能变电站的内在联系：智能变电站保留了传统变电站保护系统的所有功能模块，但功能模块的分布以及信号联络形式发生了改变。其次结合普遍性的测试原理，忽略具体的测试工具和步骤，指出传统变电站和智能变电站保护系统在测试方法上的共通之处，使熟悉传统变电站的技术人员能更好地理解智能变电站的测试原理，为技术人员尽快掌握智能变电站的测试方法提供了思路。

[1]何磊.IEC 61850应用入门[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2]Q/GDW 441-2010智能变电站继电保护技术规范[S].北京：中国电力出版社，2010.

[3]刘巍，赵勇，石光.智能变电站继电保护装置一键式测试方法及系统[J].电力自动化设备，2013，33（2）:152-155.

[4]浮明军，刘昊昱，董磊超.智能变电站继电保护装置自动测试系统研究和应用[J].电力系统保护与控制，2015，43（1）:40-44.

[5]刘宏君，裘愉涛，徐成斌，等.一种新的智能变电站继电保护架构[J].电网与清洁能源，2015，31（3）:49-51.

[6]何广军，高育鹏，白云.现代测试技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

（本文编辑：赵晓明）

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，工程师，从事继电保护与智能变电站研究工作。