数字化变电站继电保护系统关键检验技术分析

常风然，萧 彦，孙利强，齐少娟

(河北省电力公司，石家庄 050021)

数字化变电站的继电保护系统明显有别于常规变电站。国内外研究重点多集中在技术标准、技术方案、设备研发、信息共享、互操作等方面，缺乏针对数字化变电站检验技术方面的研究，也没有相应的检验技术支撑，数字化变电站效能无法得到可靠保证。对使用电子互感器、GOOSE等技术的数字化变电站而言，继电保护检验的重点除设备外，还应更注重继电保护系统性能检验与继电保护系统出厂验收、新安装验收及运行中的检验，而且各阶段的检验策略、检验周期、检验项目、检验方法、检验标准等都需要不断探索和实践。

1 过程层网络检验

数字化变电站对网络通信的可靠性、实时性、稳定性、安全性等方面都有严格要求。即便使用点对点的报文跳合闸方式，设备间的启动、闭锁等信息需要利用网络传送。常规变电站中站控层网络的各项要求适用于数字化变电站，过程层网络测试及检测技术则是数字化变电站特有的。在常规变电站调试时，可以利用查线、传动等方法来检查二次回路的正确性。在数字化变电站中，由光纤、交换机构成的过程层网络承担了二次回路的功能。在过程层网络检验中，交换机是重点设备，网络性能是重点项目，整组试验是保证项目。

1.1 交换机的检验

在实际工程中，应根据过程层网络的组网方式，如采样值网络是否与GOOSE网合一、网络结构是星形还是环形等，来分析确认交换机的实际应用功能和性能要求，进而在出厂验收检验阶段对过程层交换机进行相应的检验，不能简单照搬工业交换机的检验标准。对于数字化变电站要考虑以下检验项目：

a. 在100%网络负载情况下，测试不同帧长度数据包的吞吐量。

b. 不同帧长度无丢包传输速率下的传输时延(包括单装置传输延时、交换机级联延时)。

c. 不同帧长、不同网络负载下的丢包率。

d. VLAN划分功能、地址缓存能力、报文优先级QOS功能、组播过滤功能、快速生成树功能等的测试。

e. 对保护装置等智能电子设备的GOOSE数据处理能力、自恢复能力、报文设置等进行测试，VLAN的GOOSE报文验证尤为重要。如在某工程首次组网联调时，其中1套线路保护的GOOSE报文无法通过交换机传输，检查发现其GOOSE报文默认设置的VLAN是2，而交换机端口设置的VLAN是1，所以GOOSE报文无法通过交换机。

1.2 网络光纤检验与网络性能测试

在新安装阶段，除对交换机进行必要的检验检查外，还要重点对网络光纤和实际网络性能进行检查测试，这些都是出厂验收中无法检测的内容。光纤检验应包括光纤接头可靠性检查、尾纤弯曲度检查、光纤标示检查、发光功率及光纤衰耗测试等。网络性能测试至少应包括：

a. 正常状态下GOOSE网络流量，根据变电站的实际情况，同时产生多个跳闸命令、同时多个遥信发生变化网络重载状态下GOOSE网络流量。

b. GOOSE网跨度最大2台交换机的端口在正常GOOSE网络负载和GOOSE网络重载下的传输延时和帧丢失率。

c. 按照全站网络参数表，对所有交换机进行VLAN报文的再检测，每台交换机只能出现规定VLAN内的GOOSE报文。

这些测试结果应与出厂验收时的测试结果进行比对分析。在变电站投运前进行整组试验时，应在网络测试和所有IED单体检验完成后进行。将所有的交换机、IED都投入正常运行后，再进行试验，以确保检测到在网络上相互影响的结果。

1.3 运行中的监测与维护

在正常运行中，应重点关注各交换机端口的状态信息。一些数字化变电站未集中采集交换机告警信息，交换机异常时多依赖厂家，现场维护人员不能对交换机报警进行准确地判断。维护人员可以充分综合利用网络报文记录分析系统的信息、录波信息、保护信息，实现对全站网络通信状态的在线监视、状态评估网络故障信息综合分析及异常诊断功能，并有针对性地进行维护和检测。在常规的停电检修期间，网络测试必须有可靠的安全隔离措施，只有在采取安全隔离措施后，才能检验待维护的网络设备，一般只需要进行光纤端口光功率检查、交换机日志分析等。

2 智能电子设备检验

继电保护系统包括保护装置、智能终端、合并单元等智能电子设备，它们功能测试和性能测试的主要难点在于：与电子互感器配合的检验，即交流采样系统的检验；与其它智能电子设备配合的检验，尤其是使用网络方式和GOOSE报文配合时的检验；智能电子设备动作、告警等信息网络化传输共享后的性能测试，如光纤断链对继电保护装置、监控系统和运行操作的影响等。因此，智能电子设备检验仪器、检验方法、检验时机、检验中的配合都需要根据数字化变电站的具体设备、网络结构、作业性质、作业条件等合理安排。

2.1 设备采样系统

进行交流采样系统检验时，可采用模数转换装置与常规保护试验仪配合，也可使用支持数字量传输规约的数字试验仪。使用常规试验仪时，应配合使用电子式互感器厂家提供的模数转换装置，虽然缺少第三方验证，但可以检验包括合并单元在内的采样系统；使用数字试验仪时，试验仪应能导入模型配置文件，自动产生测试所需的信息文件，自动检测输出信息流，此时可能需要将采样值直接加到IED上，除非试验仪支持电子式互感器至合并单元的私有数据帧格式。

数字化变电站继电保护装置采样系统中的数字采样是前移的，因此继电保护装置无需对零点漂移、精度等进行常规检验，但合并单元的采样检验是必不可少的检验项目，也是检验重点，其实质与常规保护的检验类似。与电子式互感器配合检验时，应在数字化变电站安装调试时予以特别注意，可与高压专业配合试验，现场加入一次电流和一次电压来检验采样回路的正确性，检查电子式互感器的极性，检查所有IED的采样情况。将标准电流互感器和升流器串联，经过转换器和合并单元，传输到电子式互感器校验仪进行比对，保护、测量用电流互感器的电流误差及相位误差、延时等应满足要求；将标准电压互感器和升压器并联，经过感应分压器和合并单元，传输到互感器校验仪进行比对，保护、测量用电压互感器的电压误差及相位误差、延时等需满足要求。

2.2 设备间配合

各智能电子设备间的配合检验包括间隔内的配合检验和跨间隔的配合检验，并需要进行GOOSE报文检验和整组试验测试。GOOSE报文检验包括文件检查、传输机制检查等，都应在出厂验收阶段重点检验。在新安装阶段，则应通过配置文件、软件版本等的比对检查验证，通过开关量输入、开关量输出传动来检查文件的正确性。以各智能电子设备为节点，按照图纸、GOOSE联系表等，依次加入激励量，观测相关接收方的开关量变化是否与实际相符。全变电站的整组试验必不可缺，试验应在网络测试完成后进行，主要包括单间隔试验传动、跨间隔试验传动。整组试验时应从GOOSE网络记录仪、录波器处查看设备的源地址和目的地址是否正确，GOOSE心跳报文和GOOSE变位报文是否正确传输、变位是否正常等，必要时使用抓包工具进行详细分析。

数字式保护整组动作时间的测试不同于传统测试方法，无需硬接点反馈，只需要订阅相应GOOSE报文，利用GOOSE报文反馈进行整组测试。动作时间测试时应订阅保护动作报文，如订阅了开关变位报文，需注意其中包括了断路器辅助接点的动作时间。有条件时，利用数字录波器就可以对GOOSE报文进行监测，试验也不需要额外接线，值得推广应用。

2.3 设备与网络配合

智能电子设备动作、告警等信息网络化传输后，还需注意验证网络各种异常状态下智能电子设备的性能，如网络光纤中断、单链中断、端口中断、断电、交换机配置错误、GOOSE配置错误等。通过各种模拟手段，如拔出光纤、模拟错误文件传输等，检查确定装置是否正确动作、是否闭锁保护、是否告警等。这些检查测试应在出厂验收和新安装时有重点地进行，以便确定各类典型故障的特征状态量，为以后运行维护阶段形成异常处理规范、进行故障诊断、采取安全措施提供基础数据。唯有如此，才能使得在网络设备发生故障或异常后，通过综合分析，辨明其原因、部位和性质，并提出相应处理措施，缩短异常处理时间，保证继电保护系统的可靠运行。

3 配置文件检验

数字化变电站使用网络通信替代了传统的二次电缆，而各装置的配置文件定义了网络通信的具体内容，如全站SCD文件、各智能电子设备的CID和ICD文件、交换机配置文件等，配置文件的正确与否决定了各功能正常与否。配置文件检验应成为数字化变电站继电保护系统检验的重点内容，需要在出厂验收、新安装检验和运行维护各阶段予以特别注意。出厂验收时重点检验模型规范、配置工具、配置文件等，新安装时进行文件比对、文件备份，运行维护中加强文件变更管理，各阶段都应对配置文件进行备份和一致性检查。

3.1 模型规范检查

模型文件不规范会给互连互通增加很多障碍，必须检验模型是否符合IEC 61850规范，是否符合标准模型。工程实践中发现的一些问题包括：ICD文件中过多使用GGIO扩展，如断路器控制和隔离开关控制应采用逻辑节点CSWI建模，GOOSE跳闸逻辑节点应该使用PTRC逻辑节点等；同一厂商各类型装置ICD文件的数据模板不一致；私自扩充标准中已经明确定义的内容等。

3.2 GOOSE报文方式检查

采用点对点GOOSE或网络GOOSE报文方式时，其报文配置和报文传输机制也是出厂验收时的重点测试内容，需要对每台智能电子设备的GOOSE报文判据、检修压板功能、报文重发机制及通电后GOOSE报文的发送机制等进行测试，对错误配置GOOSE发送机制的后果进行试验。如工程实践发现的个别智能电子设备只对GOOSE报文的MAC地址进行判断，对其它参数不做判别，增加了误动风险，也不符合规范要求。GOOSE报文中应包含GOOSE订阅与发送的信息，GOOSE报文的出处、特征及版本号。GOOSE报文中有状态改变时，StNumr加1，SqNum自动清零；GOOSE数据集变位信息应与SCD文件严格对应。

3.3 配置工具检查

配置工具分为各IED厂商的单装置配置工具和系统集成商的系统配置工具。装置配置工具负责生成和维护装置ICD文件和CID文件，要检查其能否导入全站SCD文件并提取需要的实例配置信息；能否正确自动生成该装置的CID文件；能否自动生成配置文件的版本号和修订版本号；能否对导出的ICD或CID文件进行合法性检查。系统配置工具负责生成和维护全站SCD配置文件，检查其能否正确导入SSD文件，能否正确导入各厂商的ICD文件，导入后能否保留ICD文件的私有项；能否进行系统实例化配置，如一次系统和IED的关联关系、全站IED的通信参数设置以及IED间的GOOSE联结等信息配置；能否正确导出全站SCD配置文件，能否正确导出CID文件；能否对导出的SCD文件进行合法性检查；检查系统配置工具能否自动生成SCD文件的版本号和修订版本号。

4 结束语

数字化变电站的建设和发展要求检测、调试手段随之变化，因此需要研究新的试验方式、试验手段及试验标准等，也要求打破原有的专业工作界线，以适应新技术的发展。值得注意的是，继电保护系统新的检验技术必须有可靠的安全措施、标准化作业等作为支撑，各阶段的检验内容必须相互协调配合，紧密联结。