基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)TEST機(jī)制的智能變電站非侵入式測(cè)試技術(shù)研究

自2009年國(guó)家電網(wǎng)公司組織推進(jìn)智能電網(wǎng)戰(zhàn)略以來(lái)，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站自動(dòng)化技術(shù)獲得了快速發(fā)展，我國(guó)已成為智能變電站投運(yùn)數(shù)量最多的國(guó)家。智能變電站二次系統(tǒng)基于SCD展開(kāi)，采用“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)，增加了合并單元、智能終端、交換機(jī)等，且在應(yīng)用模式中體現(xiàn)了過(guò)程層就地化的模式，帶來(lái)了運(yùn)行維護(hù)測(cè)試的復(fù)雜性，由此，智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)試成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

2013年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE成立了B5工作組，開(kāi)始制定《IEC?61850-10-1 Methodologies for Commissioning TesTIng of FuncTIons in IEC 61850 Based Systems》草案。計(jì)劃用三年時(shí)間提出基于IEC?61850全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)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(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)于智能變電站測(cè)試技術(shù)特征的研究，提出“非侵入式”測(cè)試的技術(shù)思路：即現(xiàn)場(chǎng)不變更接線，不改變保護(hù)整定值設(shè)置，完成繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維測(cè)試。這樣，可極大地提升智能變電站運(yùn)維測(cè)試的便利性和效率，并可實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試的全生命周期管理。

智能變電站技術(shù)特征 網(wǎng)絡(luò)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(luò)化信息共享的特征，信號(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)下圖。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

過(guò)程層就地化

隨著智能化一次設(shè)備的推進(jìn)進(jìn)程，以合并單元、智能終端為特征的過(guò)程層IED裝置就地化成為一種必然趨勢(shì)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)過(guò)程層演變趨勢(shì)見(jiàn)下圖。

過(guò)程層演變過(guò)程

二次系統(tǒng)圍繞SCD展開(kāi)

智能變電站工程實(shí)施基于SCD展開(kāi)，通過(guò)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(hào)關(guān)聯(lián)的配置，SCD信息流見(jiàn)下圖。

SCD信息示意圖

測(cè)試模式分析 測(cè)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(cè)試視角分析，依舊可以分為工程測(cè)試和運(yùn)維測(cè)試兩種類型，見(jiàn)下圖。

智能變電站保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試類型

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)（SAT）測(cè)試需要驗(yàn)證所有設(shè)備功能、回路的正確性。智能變電站二次系統(tǒng)投產(chǎn)試驗(yàn)與常規(guī)綜自系統(tǒng)類似，需要進(jìn)行完整的保護(hù)整定值校驗(yàn)、聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)等。因此，必須從交流電源的輸入端施加激勵(lì)量，驗(yàn)證一、二次聯(lián)接正確性，確定保護(hù)整定值，并最終進(jìn)行斷路器跳合閘試驗(yàn)。智能變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所采用的測(cè)試方法與常規(guī)綜自無(wú)異，需要在就地柜施加測(cè)試激勵(lì)。

運(yùn)維測(cè)試

運(yùn)維試驗(yàn)與投產(chǎn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)具有很大的差異性，主要是驗(yàn)證二次系統(tǒng)是否維持原來(lái)的正確性。智能變電站保護(hù)系統(tǒng)所采用的保護(hù)裝置從其實(shí)現(xiàn)機(jī)理上分析，只要軟件版本不變，保護(hù)動(dòng)作特征不會(huì)改變，運(yùn)維測(cè)試主要是驗(yàn)證聯(lián)接環(huán)節(jié)的健康狀況及保護(hù)系統(tǒng)的可用率。因此，需要研究在不改變現(xiàn)場(chǎng)接線、不更改現(xiàn)場(chǎng)通信配置的情況下，完成運(yùn)維測(cè)試的可行性。如在工程設(shè)計(jì)階段預(yù)先考慮好運(yùn)維測(cè)試接口，在SCD文件和IED模型中預(yù)留測(cè)試模型，在現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中預(yù)留測(cè)試通道，運(yùn)維過(guò)程中實(shí)現(xiàn)測(cè)試和運(yùn)行狀態(tài)的切換以及確保運(yùn)維測(cè)試的安全性等。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)TEST模式 TEST所涉及的信息模型

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)具有TEST模式，對(duì)智能變電站中的IED進(jìn)行檢修、測(cè)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(jī)制上允許在LD級(jí)別而非IED級(jí)別進(jìn)行運(yùn)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(zhǔn)確的說(shuō)法是LD）是否處于測(cè)試狀態(tài)。③Control服務(wù)的Test參數(shù)。

對(duì)于IED的基本要求

對(duì)于TEST模式的應(yīng)用，保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的要求。

功能的規(guī)范化描述

測(cè)試是針對(duì)“功能”，首先必須對(duì)“功能”有規(guī)范化的定義。對(duì)“功能”的抽象、歸納、規(guī)范化描述是IEC 61850的基礎(chǔ)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義了變電站自動(dòng)化“系統(tǒng)”由若干“功能”（如保護(hù)、測(cè)量、控制等）構(gòu)成，“功能”可以進(jìn)一步劃分為若干子功能，直至“邏輯節(jié)點(diǎn)”，“邏輯節(jié)點(diǎn)”代表可以交換數(shù)據(jù)的最小功能單元，見(jiàn)下圖。

IEC 61850對(duì)功能的抽象

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

邏輯節(jié)點(diǎn)的輸入與輸出

功能的輸入與輸出

非侵入式測(cè)試模式探索 非侵入式測(cè)試基本特征

非侵入式測(cè)試具有如下基本特征：①現(xiàn)場(chǎng)不改變接線;②不改變保護(hù)定值。通過(guò)變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測(cè)試激勵(lì)，完成閉環(huán)測(cè)試過(guò)程。因此，作為測(cè)試用例的施加對(duì)象，合并單元需要增加測(cè)試GOOSE報(bào)文的接收功能，規(guī)定特殊的MAC及APPID。可接收測(cè)試裝置發(fā)出的GOOSE報(bào)文，根據(jù)接收的狀態(tài)控制信息，設(shè)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(biāo)志的SV報(bào)文，要求處理時(shí)間不大于5 ms。

合并單元的同步處理機(jī)制

非侵入式測(cè)試方案對(duì)于母線保護(hù)、變壓器保護(hù)等多間隔的合并單元測(cè)試信號(hào)的施加則需要考慮同步機(jī)制。

非侵入式測(cè)試流程

在實(shí)施“非侵入式”測(cè)試方案時(shí)需要設(shè)計(jì)繼電保護(hù)設(shè)備、合并單元和智能終端中用于自動(dòng)檢測(cè)虛端子連接關(guān)系的檢測(cè)配合功能，以期建立標(biāo)準(zhǔn)的合并單元測(cè)試模擬量輸出虛端子模型和智能終端虛端子信號(hào)輸出機(jī)制，作為繼電保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)源端。同時(shí)，需要評(píng)估不改變回路接線情況下跨間隔設(shè)備之間連鎖信息的安全性。測(cè)試示意圖見(jiàn)下圖。

測(cè)試裝置示意圖

結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)TEST機(jī)制的測(cè)試方案研究結(jié)果表明，“非侵入式測(cè)試”方案可支持在線遠(yuǎn)方測(cè)試機(jī)制，在不改變現(xiàn)場(chǎng)接線（如插拔光纜等），不改變保護(hù)裝置整定值前提下，完成對(duì)于智能變電站保護(hù)系統(tǒng)通信聯(lián)接方式的測(cè)試。

本文提出的基于解析SCD的測(cè)試方案，能適應(yīng)“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(biāo)準(zhǔn)TEST機(jī)制的非侵入式測(cè)試，合并單元、保護(hù)裝置、智能終端必須支持TEST模式，并需要在現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)技術(shù)基礎(chǔ)上做一定的改進(jìn)。

研究結(jié)果表明，針對(duì)智能變電站的運(yùn)維測(cè)試具備了實(shí)現(xiàn)探索“非侵入”式測(cè)試的可能性，為解決現(xiàn)階段運(yùn)維測(cè)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(yùn)維測(cè)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(jī)制提供技術(shù)驗(yàn)證手段。