数字化变电站二次侧调试技术分析

张世强,李士林

(1.华北电力大学，河北 保定 071000；2.河北省送变电公司，石家庄 050051；3.河北省电力公司，石家庄 050021)

数字化变电站是由电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备分层构建，建立在IEC 61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站已成为变电站自动化技术发展的主流和方向，但目前数字化变电站二次侧调试技术仍不够成熟，有必要对此进行分析和总结，为以后的工程实施积累经验。

1 数字化变电站的特点

1.1 IED设备模型化处理

数字化变电站是由基于IEC 61850通信规范的智能化电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)构建的，其IED设备采用客户机/服务器(Client/Server)的方式进行模型化处理。数字化变电站工程调试中很重要的一部分工作是变电站模型的建立。目前，工程实施中变电站模型的建立主要体现在变电站配置描述(Substation Configuration Description，SCD)文件的生成。SCD文件是后台、远动以及后续其他配置的统一数据来源。

1.2 IED设备的网络化

数字化变电站IED设备基于以太网技术，控制信号通过网络进行数字化传输。在工程调试中，网络测试成为一项重要内容。数字化变电站网络架构主要由以下三方面组成：MMS(Manufacturing Message Specification，制造报文规范)网、GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events，通用面向对象的变电站事件)网及SMV(Sampled Measured Value，采样测量值)网。

MMS主要用于监控系统、远动自动化装置、信息子站等自动化设备的信息采集，它基于TCP/IP协议多层网络结构，现阶段多采用光纤(或电路)路由器，此类交换机提供100 Mbit/s速率的以太网接口。GOOSE主要用于快速事件传送，基于2层(物理层和链路层)的网络结构，采用ISO 8802.2 LLC1 / ISO 8802.3 CSMA/CD协议。在工程实施中多采用2层网络路由器来组网，现阶段应用比较多的是RUGGEDCOM(罗杰康)电力专用2层式交换机。此交换机提供1 Gbit/s速率光纤以太网接口。SMV主要用于各IED的数字采样，针对不同厂商的IED装置，现阶段主要有2种组网方式：一种是基于IEC 60044-8规约的FT 3串行口点对点联网,另一种是基于IEC 61850-9-1/2规约的光纤以太网点对点联网。

1.3 互感器采样数字化

数字化变电站的TA、TV均采用电子式互感器。电子式互感器是利用电子测量技术和光纤传感技术实现电力系统电流、电压测量的新型互感器，它包括基于光学传感原理的互感器，也包括其它利用电子测试原理的电流、电压互感器。

1.4 继电保护的数字化

与常规变电站相比，数字化变电站保护装置有重大改进，其交流采样由模拟采样改为数字采样，跳闸方式由原来的二次电缆物理连接电信号驱动变为GOOSE网连接，网络数据包报文驱动。

2 数字化变电站二次侧调试技术要点分析

2.1 变电站模型的建立

数字化变电站模型文件的建立，应按照规范的流程，首先由SSD(一次系统配置描述)文件和ICD(智能电子设备的配置描述)文件通过系统配置工具(System Configuration Tool)生成SCD文件，再由SCD文件通过IED配置工具(IED Configuration Tool)生成CID文件，如图1所示。

图1 数字化变电站模型建立过程示意

需要特别注意，任何IED设备模型的更改(即ICD文件的变动)都需要通过此流程生成新的CID文件，而不能手动改动CID文件中的相应设置。在以往的工程实践中，曾发生由于手动更改CID文件，导致相应的IED设备模型与SCD文件不一致，从而使得相应的监控、远动以及保护信息出现错误。实践表明，此种错误的排查要花去大量的时间和精力，所以需要在源头加以控制，严格按照上述流程建立模型文件。

2.2 全站的组网及测试

数字化变电站是基于模型化、模块化思路设计的。每一个IED设备都需要与其他多个IED设备通信才可以正常工作，因此需要按照既定的网络架构，完成每一台IED设备与MMS网、GOOSE网以及点对点采样网络的连接。

在组网过程中，光纤以太网需要使用光功率计测试网络光纤收发的衰耗，并做好数据记录，这对于后续调试中网络故障的排查有着重要的参考意义。

数字化变电站网络划分中多采用VLAN(虚拟局域网)来区分不同电压等级及不同单元类型的网络，所以要注意网络中VLAN的划分。VLAN划分正确与否是保证网络能否高效、稳定运行的关键。

对于VLAN的检查，一方面可以通过登陆路由器检查各个端口的设置，按照既定的VLAN方案进行划分；另一方面通过第三方抓包工具(即非IED制造厂商及集成商的工具，其具有一定的验证性，如GSE Tools和MMS Ethereal)，抓取各IED设备的数据包，查看其所属VLAN是否正确。下面以罗杰康交换机为例，说明VLAN的划分。

现假定划分为VLAN1、VLAN2、VLAN3 3个VLAN。Port1和Port2作为交换机与交换机之间的上联口；Port3要求接收VLAN2和VLAN3的数据，但禁止接收VLAN1的数据；Port4要求接收VLAN1和VLAN2的数据，但禁止接收VLAN3的数据。

第一步，设置Global VLAN Prameters(全局VLAN参数)。将VLAN-aware设置为Yes，即开启路由器的VLAN功能，见图2。

图2 全局VLAN参数设置

第二步，设置各组参数。按表1插入VLAN组，设置对应的VID(VLAN ID)，VLAN Name(VLAN名称)和对应的Forbidden Ports(禁用端口)。

表1 各组VLAN的参数设置

第三步，端口VLAN配置。配置对应端口的Type(类型)、PVID(端口VLAN ID)及PVID格式，见表2。

Trunk类型的端口传输所有VLAN的报文，一般指交换机之间相联的端口或者需要收到多个或全部 VLAN报文的端口。802.1Q标准允许Trunk端口工作于多个VLAN。

Edge 类型的端口一般连接到某一个设备(比如计算机或IED)，其报文带有本身预设的VLAN 标志或端口VLAN 标志；Tagged和Untagged用于设置端口VLAN ID是否影响原始数据帧VLAN ID；GVRP 用于设置交换机之间VLAN的动态学习功能是否开启。

表2 端口VLAN参数配置

同时通过第三方工具，可以监测实际报文中对应IED设备的VLAN划分情况及优先级信息，从而有效的验证VLAN是否按照既定的工程设计规范进行划分。

2.3 电子式互感器的校验

电流互感器校验示意见图3。标准TA选用与ETA(电子式电流互感器)同样变比，由大电流发生器分别串接ETA和标准TA，由ETA经光纤引至合并单元，并由合并单元把数字量电流信号接入电子式电流互感器校验仪，同样，标准TA的输出电流变换为一个模拟电压弱信号接入电子式电流互感器校验仪。

图3 电流互感器校验示意

利用大电流发生器模拟一次电流，通过校验仪，可以实时检测ETA输出的数字量信号与标准TA输出的模拟信号的变比、极性是否一致，波形是否同步，从而完成电流互感器的校验工作。

电压互感器校验接线方式见图4。

图4 电压互感器校验示意

标准TV选用与ETV(电子式电压互感器)同样变比，由高压发生器分别连接ETV和标准TV，数字量电压信号由ETV经光纤引至合并单元，并由合并单元把数字量电压信号接入电子式互感器校验仪，同样，标准TV的输出电压经感应式分压器接入电子式电压互感器校验仪。

利用高压发生器模拟一次电压，通过校验仪，可以实时检测ETA输出的数字量信号与标准TV输出的模拟信号的变比、极性是否一致，波形是否同步，从而完成电压互感器的校验工作。

2.4 保护装置的调试

目前，国内数字化保护装置的数字采样规约和接口较多，比较有代表性的有：北京四方继保自动化股份有限公司的装置采用IEC 61850-9-1规约，光纤以太网采集；国电南京自动化股份有限公司的装置除部分采用IEC 61850-9-1规约，另一部分采用IEC 61850-9-1规约的变种；南京南瑞继保电器有限公司的装置采用IEC 60044-8规约，FT3光纤串行采集。

由于数字化保护装置采样规约及接口的多样性，国外OMICRON公司CMC356型，国内北京博电新力电力系统仪器有限公司的PWF II型数字化保护装置试验仪，并不能完全适应所有数字化保护装置的采样系统，尤其是两者都不能做到对于IEC 60044-8规约的支持。但数字化保护装置试验仪均可以接收保护装置的GOOSE反馈信息，发送GOOSE报文给保护装置。

针对不同的保护装置以及不同的试验仪，调试方案主要分为以下2种：

方案1，常规微机保护试验仪连接模数转换装置(如南京南瑞继保电器有限公司的HELP2000A和南京新宁光电自动化有限公司的光电X700)，经模数转换装置输出数字采样信号到合并器，通过合并器接入数字化继电保护装置；同时通过PC连接保护装置GOOSE网络接口，由抓包分析工具抓取保护装置GOOSE反馈信息进行监测。

方案2，数字化保护试验仪数字采样信号直接输出到所连接的数字化保护装置，同时保护装置GOOSE信息直接反馈到所接入的数字化保护试验仪，通过数字化保护试验仪完成整个测试工作。

在方案1中，由于经过模数转换装置和合并器，模数转换和合并器的积分转换打包过程需要消耗一定的时间才能完成，因此在实际测试中存在一定的误差。经过实际测试，一般情况下存在几个毫秒的误差，所以在选用方案1时需要考虑此误差，才能确保测试结果的准确。而对于方案2，由于不需要模数转换装置，整个试验过程是由数字化保护试验仪和保护装置闭环完成，其测试结果的准确度更高。上述2种方案中，在条件允许的情况下，推荐使用第2种方案。第1种方案抓取的报文示例,见图5。

图5主要关注GOOSE报文中以下内容：

a. Enthernet II层面的源地址为00∶A0∶1E∶A8∶00∶64，目的地址为01∶0C∶CD∶01∶01∶15，VLAN ID为4，对应优先级为6，它正确与否决定了其它IED设备是否接收它。

图5 GOOSE数据包结构

b. 控制块引用(Control Block Reference)、数据集引用(Data Set Reference)及GOOSE ID标识是否正确。IED设备在接收到报文后要检测这三部分与装置中GOOSE连线配置是否一致，不一致则不作任何反应。

c. 测试位(Test)是否为1。IED设备需要检测报文中Test位与本装置Test位是否一致，只有一致才做出动作反应。

d. 传送的数据(Data)的对应位是否为1。IED设备需要检测数据中对应位是否为1，对应位为1表示接收到对方的输出信号，本设备应作出对应反应。

3 结束语

数字化变电站与常规变电站在工程调试方面有许多不同的地方，以上针对其不同之处，分析了数字化变电站二次侧调试的技术要点，更好的满足了数字化变电站工程建设中的调试需求，并在河北省南部电网第一座220 kV数字化变电站名府变电站调试中实践应用，取得良好效果。对今后智能电网建设中变电站的工程调试具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 高 翔. 数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社, 2008.

[2] 吴俊兴，胡敏强，吴在军，等.基于IEC61850标准的智能电子设备及变电站自动化系统的测试[J].电网技术,2007，31(2):70-74.

[3] 王 松, 陆承宇.数字化变电站继电保护的 GOOSE网络方案[J]. 电力系统自动化，2009，33(3): 51-54,103.