智能变电站继电保护在线测试方案研究

陈水耀，刘宏君，陈川

（1. 浙江省电力公司，浙江 杭州 310007；2. 长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057）

发展智能电网是国家的发展战略。其中，智能变电站建设又是智能电网的重要组成部分。智能变电站建设充分体现了一次设备智能化和二次设备的数字化、网络化的设计理念。继电保护作为最重要的二次设备，其实现方式与传统变电站的继电保护相比发生了根本性的改变。传统变电站继电保护装置为一体化设备，装置的电流电压量采集，开入量采集、继电器逻辑、跳闸出口均由一台设备完成。智能变电站继电保护构成如图1所示。保护功能的实现由3部分完成，包括合并单元（MU）、保护装置和智能终端（STD）。继电保护的电压电流交流量采集由MU实现，MU将数字化的电气量数据通过以太网采用IEC61850-9-2的采样值规约传输给保护装置。继电保护的开关量的采集、保护跳合闸由智能终端完成，通过GOOSE报文传输给保护装置。继电保护的保护逻辑判断由保护装置完成，保护装置综合电流电压信息，开入量信息，完成传统的逻辑计算，将保护的动作结果通过GOOSE传输给智能终端，由智能终端完成开关的跳合闸操作。

图1 继电保护的架构图Fig. 1 The relay protection architecture

传统变电站继电保护装置检验的安全措施是短接电流回路，断开交流电压回路，断开出口回路压板。采用专用继电保护测试仪器对装置进行模拟加量测试，重点测试保护软件的动作逻辑和跳合闸回路出口的正确性。测试过程由人工完成，包括接线、设置测试内容、确认测试结果。智能变电站继电保护由3部分组成，保护的测试也包括这3个部分，分别测试MU，保护装置和智能终端。MU与智能终端的测试采用测试仪加报文分析组成。保护装置的测试设备由传统的模拟量输出测试仪变为了数字量输出仪。为提高测试效率，设备制造厂家研究不同类型的测试工具[1-5]。

相对传统变电站测试，智能变电站测试出现了一些新的问题，体现在以下几个方面：

1）测试设备对人员的素质要求高。数字式测试设备有许多与运行相关的参数需要设置，需要测试人员人工干预。这就需要测试人员对规约应了解透彻才能正确设置。

2）保护逻辑测试的工作量大。保护装置不同的逻辑测试一般均需要重新设置，保护逻辑多时，测试的工作量大。而且由于某种原因，存在部分逻辑漏测的问题。

3）在不带智能终端测试的情况下，需要人工判断GOOSE跳闸报文的正确性。

4）经常插拔光纤导致光口的损坏，降低光纤通信的可靠性。

针对目前智能变电站继电保护装置测试存在的问题。本文提出一种智能变电站继电保护在线测试方案。该方案考虑智能站继电保护数字采集与数字传输的特点，保护装置测试通过智能站本身的继电保护设备实现，测试由测试主机、MU和智能终端构成的闭环系统完成，真正实现在线测试。

1 在线测试方案

国家电网公司《Q/GDW441-2010智能变电站继电保护技术规范》规定了MU与保护装置之间采用点对点连接，保护装置与智能终端之间支持点对点连接和组网连接。除点对点连接口外，MU、保护装置和智能终端均存在组网接口。在线测试通过装置的组网接口实现。在如图2所示的在线测试架构中，MU、保护装置和智能终端通过组网口与交换机连接。在线测试方案中增加的测试主机，通过网口与三者联接。

测试主机由5个模块组成，分别是基本功能模块、仿真分析模块、录波回放模块、测试评价模块和系统配置模块。其中基本功能、仿真分析和录波回放为3个独立的测试功能模块。系统配置为测试功能的服务模块。测试评价模块实现对测试结果的分析，对保护装置的动作行为作正确与否的评价。

图2 在线测试的架构图Fig. 2 The online test architecture

基本功能测试涵盖传统变电站继电保护测试仪的功能，包括电流电压幅值相位测试、电压频率测试、电压电流保护定值测试、距离保护阻抗测试和差动测试等继电保护的基本功能。模块按间隔生成录波数据，包括间隔电压、间隔电流、测量电流等。差动保护需要多间隔数据时，按间隔生成多个录波数据。录波数据按照标准的comtrade格式存贮。

仿真分析模块以电力系统实时仿真软件PSCAD为基础，支持电力系统建模，设置一次系统故障。模拟一次系统发生故障时，生成特定间隔的电流量数据，并按间隔生成标准comtrade格式的录波文件。

录波回放功能用于测试特定的故障数据对继电保护的影响，故障数据的来源为运行系统事故的数据或动模测试数据。输入的数据为comtrade格式录波文件，人工按间隔生成分间隔的录波数据。

系统配置模块为测试功能的服务模块。配置模块的输入参数包括测试功能模块传递的间隔录波文件数据、全站的系统配置文件（SCD）以及用户界面（HMI）的输入配置信息。录波文件转换为符合IEC61850-9-2的采样值数据；SCD提供网口设置、GOOSE的配置、GOOSE虚端子配置等；用户界面信息包括间隔选择，数据报文时间长度等。模块生成测试所需的文件test.dat与test.cfg，下发给MU与智能终端。当测试主机触发测试时，MU与智能终端从整秒开始传输test.dat中的数据。

测试评价模块分析评价保护动作逻辑的正确性。测试开始后，测试评价模块从网络获取保护装置的数字报文，确认测试结果。

在线测试流程如图3所示。

图3 在线测试流程Fig. 3 The online test process

图3中，每步执行的流程如下：

第一步：测试开始，测试模块根据用户的需求，按测试项目配置仿真模块；图中的过程1。

第二步：仿真模块按间隔生成5 s～30 s的录波数据，按commtrade格式存储；图中的过程2。

第三步：系统配置模块读取commtrade格式的录波，全站的SCD文件和HMI输出的参数，生成test.dat与test.cfg文件。并通过网络下装到MU和智能终端。图中的过程3和4。

第四步：测试模块对MU和智能终端发送启动命令。MU和智能终端收到启动命令后，同步的在数据总线上回放测试文件的数据。图3中的过程5。

第五步：保护装置处理MU和智能终端的实时数据，进行逻辑判断，并将保护的跳合闸令发送至智能终端。图3中的过程6和7。

第六步：测试模块的测试评价功能对保护装置的动作行为进行评价。图3中的过程8。

2 安全性措施

测试包括投运前的检测，保护装置运行了一段时间后的周期性的检修；或者继电保护装置运行过程异常，需要消缺时的测试。进行在线测试时，测试过程中的安全性必须重点考虑。安全性措施包括：

1）MU、智能终端和保护装置设置“检修状态”硬压板。当装置需要检修或消缺时，投入该硬压板，标识装置进入检修状态。

2）保护装置设置“MU接收”软压板。当MU检修时，若一次间隔不停运，则与该MU相关的保护均应投入“检修状态”硬压板；若间隔停运，与该MU相关的保护只需退出“MU接收”软压板。

3）MU装置按物理端口设置“MU输出“软压板。“MU输出“软压板退出时，方可进行在线测试的模拟量输出。

4）智能终端按订阅设置“GOOSE接收”软压板。若保护装置检修，只需设置与该保护订阅GOOSE链路接收软压板退出。智能终端则不处理与该保护相关的GOOSE链路。“GOOSE接收”软压板退出时，方可进行在线测试的开关量的输入输出。

5）继电保护按订阅设置“GOOSE接收”软压板。若智能终端检修，只需设置与该智能终端相关的GOOSE链路接收软压板退出。继电保护则不处理与该智能终端相关的GOOSE链路。

安全性措施的实施，对检修测试人员设置有一定的难度。安全性措施的设置可通过智能化的手段来完成。这属于智能化检修决策系统的一部分，本文限于篇幅，不在此展开讨论此问题。

3 在线测试方案的实施

继电保护在线测试方案重点研究脱离保护测试仪的在线测试。构成继电保护的3个部分包括MU、智能终端和保护装置。因MU是电气量输出源，智能终端是开入的输入源可跳闸的输出，当MU和智能终端二者其一发生故障时，该套继电保护功能退出。处理原则可将三者均置为检修。保护装置属于中间设备，当其发生故障时，只需将其退出，其他设备仍可正常运行。例如，线路保护装置故障，母线保护仍可以正常运行。

本节以线路间隔为例，阐述线路保护装置消缺时，在线测试的执行过程。当线路保护装置异常时，包括硬件故障和软件故障。处理过程如下：

1）将装置“检修状态”硬压板投入。

2）更换装置软硬件，下装配置文件。

3）间隔智能终端订阅线路的GOOSE链路软压板退出。

4）MU装置输出给线路保护的物理端口“MU输出“软压板退出。

5）在测试主机中选择相应的测试模块，可采用基本功能的电压电流、距离等测试元件。系统配置模块完成测试数据，下装至MU和智能终端。

6）测试主机触发测试。

7）MU和智能终端输出设定数据。

8）测试评价模块检测保护装置和智能终端的动作行为，判定保护动作逻辑的正确性。

上述过程为一次测试的流程。对于需要搜索边界测试的逻辑，则启动一系列的上述过程，完成边界条件的搜索。

4 结语

智能变电站继电保护在线测试，取代了智能站检修或装置消缺时，需要拔插光纤，通过插接测试设备完成测试的方式。在线测试过程不依赖外部信号源，通过变电站自身的设备完成。现阶段由于在线测试无统一的标准，对MU、智能终端的要求也无统一的要求，只是单一保护厂家进行的一种尝试，证明在线测试具备方案的可行性，可作为继电保护智能化发展的研究方向。

变电站智能化是一个长期的过程。本文对继电保护在线测试的方案研究只是从一个方面研究保护装置测试的智能化，实现由传统的测试仪离线测试向智能化在线测试过渡。在线测试方案的研究只是保护检修策略研究的一个方面，希望能对继电保护工程师们研究检修有所启发。

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