智能变电站继电保护自动测试平台的设计

葛海涛，纪思彤

（国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司，河北 石家庄 050051）

智能电网的发展，有助于提高我国电力能源的安全性，有利于我国低碳经济、节能减排等方面的目标。智能电网与智能变电站有着相互推动的关系。智能变电站的研究有助于促进电源结构的优化，可以更大程度满足经济社会发展需求，是电力发展的重要方向。智能变电站与智能电网之间的关系非常密切，智能变电站智能电网发、输、变、配、用、调6个部分中不可或缺的一部分。传统变电站逐步向智能变电站的方向发展，有助于促进电网安全、稳定、高效、经济发展。

随着智能变电站建设的逐步推进，新技术、新设备在智能变电站建设过程中的重要性逐渐凸显。与此同时，新技术新设备的引入也带来了一些问题，例如新技术、新设备和传统设备传统回路之间的兼容性可能会因在调试验收过程中出现问题导致在运行过程中设备损坏，甚至造成变电站停电等重大事故。

智能变电站一体化测试平台为继电保护测试带来了便利性和安全性，数字化的测试仪满足了测试的基本需求，而仿真数据对非电气量的模拟提高了对电力设备故障状态的的仿真精度，有利于自动化仿真在实际中的应用[1- 2]。

1 变电站一体化信息平台

1.1 传统变电站信息传输结构

传统变电站由于多种原因，导致变电站内各类一次、二次设备的操作平台较多、规约较多，同时整体网络结构呈现复杂化的特点，最终会使得传统变电站各类设备系统信息传输速度不高、容易出现延时等不良情况。传统变电站信息传输结构如图1所示[3]。

图1 传统变电站信息传输结构

1.2 电力物联网一体化信息平台

对于通用规约IEC 61850，其所利用的建模方式是面向对象的。通用规约IEC 61850的建模方式可以使得变电站内二次系统装置具有集成化的特点。这种建模方式是利用对象的属性直接建立的，呈现集成化特点的同时对外提供统一化接口，促进变电站二次系统设备接口的统一化，保证了各类系统设备的可靠稳定性[4]。

电力物联网一体化信息平台可以对变电站内一次、二次设备的运行信息进行采集，也可以对变电站站外相关设备数据进行采集传输处理。电力物联网一体化信息平台的信息流向如图2所示。

图2 电力物联网一体化信息平台的信息流向

电力物联网一体化信息平台由多个子单元及一个中心单元组成，同时其对站内数据分层分布处理。子单元根据预先定制规则提取信息，具有数据辨识估计及采集记录的功能。此外，站内外使用者均可借助子单元获得数据信息。按照间隔、功能、信息使用者等方法，可以对平台子单元进行配置。

包括电网运行数据、变电站高压设备状态数据在内的许多数据均可由智能变电站采集而得。站内高压设备的运行状态可通过状态数据显示，同时与站相邻设备状态监测也可以通过该数据反映[5]。

因为多种数据信息的可靠性要求以及实时性不同，所以在平台的设计过程中，需要对共享机制及采集进行不同处理，从而确保数据的可用性及有效性。

2 继电保护自动测试平台的设计

2.1 测试平台

继电保护自动测试平台由软、硬件两部分组成。硬件部分包括无线控制主机、采集模拟器、通用计算机；软件部分包括智能变电站仿真平台、建模及试验控制平台。图3为继电保护自动测试平台信号传输示意。

图3 继电保护自动测试平台信号传输示意

（1）智能变电站仿真平台。能够完成对隔离设备的状况及数据、时间进行模拟，完成整个系统的时域仿真。

（2）无线控制主机。能够高质量的接收仿真平台发来的数据，并且保证发送至各个系统时原有数据保持同步。

（3）采集模拟器。采集模拟器可以模拟并采集实际情况中设备的各种状态，将接收到的信息发送至合并单元。此外，模拟采集器借助一定数量的扩展器，可以实现整个变电站的模拟采集。

2.2 测试方案

继电保护自动测试平台试验步骤如下:

（1）依据需求制定方案；

（2）依据现有智能变电站的各类资料，搭建智能变电站模型；

（3）根据2.1所提出采集模拟器的各类数据参数，与其他系统设备的无线主机进行匹配，保证传输的同时性；

（4）设置各类模型系统试验参数并仿真计算；

（5）依据采集模拟器的功能，进行上行或下行发送；

（6）试验完成。

试验步骤如图4所示。

图4 继电保护自动测试平台试验步骤

确保数据的实时等效性，采集模拟器参数应设置完备，同时时间要同步对时。

考虑到站内系统数据传输的时效性和准确性，电力物联网全场景测试系统中的采集器均处于统一同步状态。完成对时功能后，各类采集模拟器也可以作为时间的标准，与其他设备进行进一步匹配，最终实现各类设备的实时等效。图5为某智能变电站220 k V 设备区仿真接线示意。

图5 某智能变电站220 k V 设备区仿真接线示意

若需验收某220 k V 变电站220 k V 1 A 号母线故障时的保护动作逻辑，根据此需求确定实验方案:在251间隔母差回路通入故障电流使母差保护动作，确认采集模拟器关联正确后将参数输入进仿真平台进行模拟，自行进行实验，试验结束后观察220 k V 1 A 号母差保护报文以及1 A 号母线上的开关确已跳开，若母差报文与动作逻辑与预期一致，则该母线保护逻辑正确。

2.3 测试平台优越性

传统智能变电站测试方法较为简单，功能单一，针对于多间隔保护如主变压器保护、母线保护等，需要测试该类保护的采样同步功能，若采用常规试验仪在多间隔处加入模拟量，工作较为繁琐，各间隔处均需要人员和试验仪，大大增加了人力和物力。自动测试平台拥有建模功能，可以实现复杂情况下的模型搭建。可以直观勘测到整个变电站模型，并可模拟智能变电站任一处故障时保护动作情况以及录波波形，对继电保护验收调试以及故障分析提供了一种简单适用的方案，显著提高了继电保护测试工作的效率。

3 应用展望

继电保护自动测试平台的建成及应用，有力提升了测试水平，但随着电网结构的发展，以及自主可控安全可靠新一代变电站二次系统的进程，对继电保护自动测试平台也提出了新的要求。

3.1 二次系统新特点

自主可控安全可靠新一代变电站二次系统是指:CPU、FPGA、ADC、存储、通信等全部芯片均采用自主可控芯片；操作系统、数据库等基础软件和应用软件全部采用国内自主研发的软件；采用国产通信协议代替MMS通信协议。

数据采集方式由采集执行单元完成不同类型互感器采样接口和断路器执行接口，采集执行单元与二次设备采用数字化接口方式，SV、GOOSE报文共口传输，如图6所示。

图6 继电保护数据采集方式

此外采集执行单元与间隔层设备采用点对点直连通信，取消过程层网络利用站控层组网优势，保护、测控少量联闭锁GOOSE 信息通过站控层网络交互等，这些变化对测试工作提出了新的要求。

3.2 继电保护自动测试平台提升

图7为自主可控安全可靠新一代变电站二次系统架构。

图7 变电站二次系统架构示意

同现有系统相比减少了设备物理端口，交换机总体数量大幅减少，过程层与间隔层设备采用光纤直连，直采直跳，提升传输可靠性；按信息和业务分类传送，确保网络通信质量，保证网络性能；继电保护采用直采直跳方式，回路中间环节少，实时性、可靠性高、采样数据自然同步，采用直采直跳方式保证继电保护“四性”等，基于上述情况，测试平台架构考虑进行如下调整，如图8 所示。自主可控相关二次设备将在试点工程中采用，相关规程规范也会陆续发布，部分学者已着手开始研究工作，现有方案有待于更深入的探索分析，因此，开展基于自主可控安全可靠新一代变电站继电保护自动测试平台提升具有重要意义。

图8 测试平台架构示意

4 结束语

智能变电站中的一体化信息平台以统一的标准方法实现站内外信息的共享交互，形成了一致唯一性的基础数据信息。本文介绍了电力物联网一体化信息平台的结构，研究了基于电力物联网的智能变电站一体化信息平台的设计原则，并基于此原则提出了智能变电站继电保护自动测试平台，并对其结构以及应用进行了阐述研究。该测试平台可以完成智能变电站二次设备闭环性能测试，同时为智能变电站的相关技术研究提供了一种新的试验手段。