基于IEC 61850標準TEST機制的智能變電站非侵入式測試技術(shù)研究

自2009年國家電網(wǎng)公司組織推進智能電網(wǎng)戰(zhàn)略以來，基于IEC 61850標準的智能變電站自動化技術(shù)獲得了快速發(fā)展，我國已成為智能變電站投運數(shù)量最多的國家。智能變電站二次系統(tǒng)基于SCD展開，采用“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)，增加了合并單元、智能終端、交換機等，且在應用模式中體現(xiàn)了過程層就地化的模式，帶來了運行維護測試的復雜性，由此，智能變電站保護系統(tǒng)的測試成為一個迫切需要解決的問題。

2013年國際大電網(wǎng)會議CIGRE成立了B5工作組，開始制定《IEC?61850-10-1 Methodologies for Commissioning TesTIng of FuncTIons in IEC 61850 Based Systems》草案。計劃用三年時間提出基于IEC?61850全數(shù)字化保護系統(tǒng)的測試方案（Test Strategy for ProtecTIon， AutomaTIon and Control （PAC） functions in a full digital substation based on IEC 61850 applications）。

本文針對IEC 61850標準體系的特點，通過對于智能變電站測試技術(shù)特征的研究，提出“非侵入式”測試的技術(shù)思路：即現(xiàn)場不變更接線，不改變保護整定值設置，完成繼電保護系統(tǒng)運維測試。這樣，可極大地提升智能變電站運維測試的便利性和效率，并可實現(xiàn)保護系統(tǒng)測試的全生命周期管理。

智能變電站技術(shù)特征 網(wǎng)絡化信息共享

基于IEC 61850架構(gòu)體系的智能變電站二次系統(tǒng)呈現(xiàn)為網(wǎng)絡化信息共享的特征，信號之間的傳遞媒介由光纜代替了電纜，以往常規(guī)綜自系統(tǒng)IED裝置基于端子二次聯(lián)接關(guān)系，演變?yōu)榛贕OOSE數(shù)據(jù)包的虛端子/虛回路對應關(guān)系，見下圖。

變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢

過程層就地化

隨著智能化一次設備的推進進程，以合并單元、智能終端為特征的過程層IED裝置就地化成為一種必然趨勢，變電站自動化系統(tǒng)過程層演變趨勢見下圖。

過程層演變過程

二次系統(tǒng)圍繞SCD展開

智能變電站工程實施基于SCD展開，通過工程配置工具（System Configurator）及IED配置工具（IED Configurator），完成變電站二次系統(tǒng)信號關(guān)聯(lián)的配置，SCD信息流見下圖。

SCD信息示意圖

測試模式分析 測試分類

盡管智能變電站二次系統(tǒng)的形態(tài)與常規(guī)綜自系統(tǒng)產(chǎn)生了重大差異，但從二次系統(tǒng)測試視角分析，依舊可以分為工程測試和運維測試兩種類型，見下圖。

智能變電站保護系統(tǒng)測試類型

現(xiàn)場測試

現(xiàn)場（SAT）測試需要驗證所有設備功能、回路的正確性。智能變電站二次系統(tǒng)投產(chǎn)試驗與常規(guī)綜自系統(tǒng)類似，需要進行完整的保護整定值校驗、聯(lián)動試驗等。因此，必須從交流電源的輸入端施加激勵量，驗證一、二次聯(lián)接正確性，確定保護整定值，并最終進行斷路器跳合閘試驗。智能變電站現(xiàn)場測試所采用的測試方法與常規(guī)綜自無異，需要在就地柜施加測試激勵。

運維測試

運維試驗與投產(chǎn)試驗目標具有很大的差異性，主要是驗證二次系統(tǒng)是否維持原來的正確性。智能變電站保護系統(tǒng)所采用的保護裝置從其實現(xiàn)機理上分析，只要軟件版本不變，保護動作特征不會改變，運維測試主要是驗證聯(lián)接環(huán)節(jié)的健康狀況及保護系統(tǒng)的可用率。因此，需要研究在不改變現(xiàn)場接線、不更改現(xiàn)場通信配置的情況下，完成運維測試的可行性。如在工程設計階段預先考慮好運維測試接口，在SCD文件和IED模型中預留測試模型，在現(xiàn)場網(wǎng)絡設計中預留測試通道，運維過程中實現(xiàn)測試和運行狀態(tài)的切換以及確保運維測試的安全性等。

IEC61850標準TEST模式 TEST所涉及的信息模型

IEC 61850標準具有TEST模式，對智能變電站中的IED進行檢修、測試，將涉及到如下模型信息：①LLN0的Mod/Beh。其中，Mod用于切換裝置的Test（Test-Blocked）/ON狀態(tài);Beh用于讀取裝置的Test/ON狀態(tài)。由于Mod/Beh屬于LLN0，所以從機制上允許在LD級別而非IED級別進行運行模式控制。②Report、GOOSE和SMV數(shù)據(jù)的q屬性。q中的test位（以下檢查q.test）用于定義IED（更準確的說法是LD）是否處于測試狀態(tài)。③Control服務的Test參數(shù)。

對于IED的基本要求

對于TEST模式的應用，保護裝置、合并單元、智能終端必須支持TEST模式，具體包括Mod=ON、Mod=Test-Blocked等模式;各模式下裝置的行為符合IEC 61850標準的要求。

功能的規(guī)范化描述

測試是針對“功能”，首先必須對“功能”有規(guī)范化的定義。對“功能”的抽象、歸納、規(guī)范化描述是IEC 61850的基礎。IEC 61850標準定義了變電站自動化“系統(tǒng)”由若干“功能”（如保護、測量、控制等）構(gòu)成，“功能”可以進一步劃分為若干子功能，直至“邏輯節(jié)點”，“邏輯節(jié)點”代表可以交換數(shù)據(jù)的最小功能單元，見下圖。

IEC 61850對功能的抽象

系統(tǒng)→功能→邏輯節(jié)點，邏輯節(jié)點本身并不實現(xiàn)功能，但它可以讓與功能實現(xiàn)相關(guān)的輸入、輸出、定值、參數(shù)等在通信上是可見性的，即邏輯節(jié)點使得：“功能”的所有輸入和定值都是可控、可設置的;“功能”的所有輸出都是可測量的，見下圖。

邏輯節(jié)點的輸入與輸出

功能的輸入與輸出

非侵入式測試模式探索 非侵入式測試基本特征

非侵入式測試具有如下基本特征：①現(xiàn)場不改變接線;②不改變保護定值。通過變電站GOOSE網(wǎng)絡發(fā)送測試激勵，完成閉環(huán)測試過程。因此，作為測試用例的施加對象，合并單元需要增加測試GOOSE報文的接收功能，規(guī)定特殊的MAC及APPID。可接收測試裝置發(fā)出的GOOSE報文，根據(jù)接收的狀態(tài)控制信息，設定每一路SV通道的幅值、相角和品質(zhì)信息，并根據(jù)合并單元的檢修狀態(tài)發(fā)送是否帶檢修標志的SV報文，要求處理時間不大于5 ms。

合并單元的同步處理機制

非侵入式測試方案對于母線保護、變壓器保護等多間隔的合并單元測試信號的施加則需要考慮同步機制。

非侵入式測試流程

在實施“非侵入式”測試方案時需要設計繼電保護設備、合并單元和智能終端中用于自動檢測虛端子連接關(guān)系的檢測配合功能，以期建立標準的合并單元測試模擬量輸出虛端子模型和智能終端虛端子信號輸出機制，作為繼電保護設備的數(shù)據(jù)源端。同時，需要評估不改變回路接線情況下跨間隔設備之間連鎖信息的安全性。測試示意圖見下圖。

測試裝置示意圖

結(jié)論

通過對基于IEC 61850標準TEST機制的測試方案研究結(jié)果表明，“非侵入式測試”方案可支持在線遠方測試機制，在不改變現(xiàn)場接線（如插拔光纜等），不改變保護裝置整定值前提下，完成對于智能變電站保護系統(tǒng)通信聯(lián)接方式的測試。

本文提出的基于解析SCD的測試方案，能適應“直采直跳”、“直采網(wǎng)跳”、“網(wǎng)采網(wǎng)跳”接線方式，為滿足基于IEC 61850標準TEST機制的非侵入式測試，合并單元、保護裝置、智能終端必須支持TEST模式，并需要在現(xiàn)有實現(xiàn)技術(shù)基礎上做一定的改進。

研究結(jié)果表明，針對智能變電站的運維測試具備了實現(xiàn)探索“非侵入”式測試的可能性，為解決現(xiàn)階段運維測試的不便利性提供一種可借鑒的技術(shù)路徑。這種模式可以大大提高智能變電站運維測試的效率，為智能變電站二次系統(tǒng)基于可靠性分析的狀態(tài)檢修機制提供技術(shù)驗證手段。