基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台研究

陈志光，李一泉，黄　勇，苏忠阳，陆　伟（.广东电网公司电力调度控制中心，广东广州　50665；.武汉中元华电科技股份有限公司，湖北武汉　430000）



基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台研究

陈志光1，李一泉1，黄勇2，苏忠阳2，陆伟2
（1.广东电网公司电力调度控制中心，广东广州510665；2.武汉中元华电科技股份有限公司，湖北武汉430000）

摘要：智能变电站继电保护系统采用通信网络作为媒介进行信息传输，大大提高了继电保护设备间的信息共享水平，但同时也带来了许多传统变电站继电保护系统所没有的新风险，因此，传统的继电保护系统测试方法存在相当的不适应性。以风险管控为目的，在分析智能变电站继电保护系统新特点的基础上，以RTDS实时仿真系统模拟实际一次系统，以智能变电站真实架构搭建二次系统，设计出智能变电站继电保护系统级测试平台。并根据继电保护系统各环节可能存在的风险点及其在系统中的影响特点，设计出相应的测试方案，最后给出了利用该测试平台上实现了系统级测试、改扩建以及定检测试等测试内容的方法。

关键词：智能变电站；测试平台；风险管控；系统级测试

0　引言

相较于传统变电站，智能变电站引入了合并单元、智能终端、交换机等新型设备，使得智能变电站继电保护系统具有数字化、网络化的特点。另外，智能变电站继电保护系统突破了传统保护系统的“采样、计算、出口”一体化的计算模式，采样在过程层完成，计算在间隔层完成，出口又在过程层完成，保护功能的实现既需要保护信息在过程层网络中传输，又需要不同设备之间相互配合[1-4]。智能变电站继电保护系统面临着由新特点带来的新风险，为此，以发现继电保护系统新风险为目的的智能变电站测试方法显得尤为必要。

在此之前，智能变电站继电保护系统的测试方法多偏重于局部性测试，如文献[5]只注重网络性能测试，忽视其他二次设备测试。而文献[6]仅测试了保护装置的性能，文献[7]仅测试了继电保护系统的同步性能。文献[8-9]对继电保护系统进行全面的测试，但是没有形成闭环测试，无法测试保护测控系统的重合闸、进失灵等功能的测试。文献[10]虽然进行了闭环测试，但是没有对通讯网络的测试，而通讯网络的延时率、丢包率、误码率等网络性能均是决定智能变电站保护系统功能的重要指标。因此，智能变电站继电保护系统的一些稳定性问题以及其应对特殊故障的能力问题可能会在运行中才会体现出来，降低继电保护系统运行的可靠性。

为此，本文从智能变电站继电保护系统的网络化，数字化以及继电保护采样、计算、出口突破一体化的新特点出发，分析梳理继电保护系统的风险点，并结合变电站二次系统测试的技术内容与要求，创建一体化的智能变电站继电保护系统测试平台，并在此平台上进行相关的闭环测试，验收该测试平台的效率以及效用，验收结果表明，该平台能够提高智能变电站现场调试工作的效率，有助于智能变电站安全运行水平的提升。

1　智能变电站继电保护系统测试的新需求

如图1所示，智能变电站继电保护系统采用三层两网结构，分别是过程层、间隔层和站控层，以及过程层网络和站控层网络。智能变电站继电保护系统功能的实现主要集中在过程层、间隔层以及过程层网络。智能变电站继电保护系统中保护电气量信息的上传以及保护命令的下达都是通过报文的形式，继电保护功能的实现依赖于网络。另外，智能变电站继电保护系统突破了传统保护系统的“采样、计算、出口”一体化的计算模式，采样在过程层完成，计算在间隔层完成，出口又在过程层完成，保护功能的实现既需要保护信息在过程层网络中传输，又需要不同设备之间相互配合。智能变电站继电保护系统面临着由新特点带来的新风险[11-12]。

图1　智能变电站继电保护系统的结构与组成

总的来说，智能变电站继电保护系统主要有以下几个层面的新风险点。

（1）网络层面的风险点：保护采样信息的上传以及保护控制命令的下达都是通过报文在网络中传送的方式，网络化的应用使得智能变电站相较传统变电站徒增了许多网络层面的风险点，如网络时延不确定，网络中信息传输易受网络中干扰流量的影响等。

（2）保护系统架构层面的风险点：智能变电站继电保护系统采样光纤与交换机构成的网络来传送保护数据，不同设备之间的连接不再是传统的点对点连接方式，而是通过划分VLAN的方式进行不同设备的虚端子之间的虚拟连接。虚拟连接的复杂性以及不透明性又为智能变电站继电保护系统增添了不少风险点。

（3）保护功能层面的风险：智能变电站继电保护系统突破传统的‘采样、计算、出口’三位一体的功能模式，采样工作在过程层完成，计算工作在间隔层完成，而出口工作又在过程层完成，整个保护功能涉及到两次的保护数据传输过程以及三个设备（MU、PR和IT）之间的配合。因此，智能变电站继电保护系统比传统继电保护系统增加了同步对时风险以及设备之间的配合风险。

（4）互操作层面的风险：由于智能变电站各IED的模型信息以及相互之间的连接关系都是由预先配置好的CID文件决定的，因此来自不同厂家的IED设备可能存在不能进行交互信息风险。

无论是单体设备还是整个继电保护系统，在实际投运行前都需要进行测试。继电保护系统的测试就是为了在实际投运前发现更多的风险点，并加以排除，以规避变电站运行风险。本文鉴于智能变电站继电保护系统的新特点及其带来的风险点，创建以寻找风险点为基础的智能变电站继电保护测试平台，以更全面地发现待投运智能变电站的风险点，从源头上提高智能变电站继电保护系统工作的可靠性。

2　智能变电站继电保护测试平台的研究

智能变电站继电保护系统按功能可划分为信息采集、信息传输、核心保护以及执行环节四个环节，如图2所示。

图2　智能变电站继电保护系统功能模块

每个环节都有可能存在风险源，由于风险的传递特性，即使各风险源所发生的位置不同，都可能引起整个继电保护系统拒动或误动。因此，从整个继电保护系统着眼，分析某些常见风险点及其在整个保护系统中的传递特点，研究出识别这些风险点的测试方案，通过系统级测试中保护系统整体的实际动作行为与预期动作行为进行比较，即可发现隐藏在保护系统某个环节中的风险点。那些在单体设备测试中发现不了的风险点，以其特有的“影响力”在保护系统中传递与发展，演变成系统级测试中突显的风险。因此，本着风险管控的目的，搭建了如下系统级测试平台。

本文测试平台如图3所示，采用RTDS实时仿真系统配合功率放大器代替实际的一次系统获得电气量信息，并将继电保护系统中智能终端开出的硬节点输出至RTDS实时仿真系统完成闭环测试，由此可实现复杂故障情况（如发展性故障、转移性故障）下的继电保护系统级测试以及重合闸、失灵保护等功能的测试。

2.1测试平台一次系统的构建

本测试平台采用RTDS实时仿真系统模拟实际电力一次系统。RTDS计算电压、电流值实时性强，其仿真步长与实际电力系统响应时间基本相符[13]。因此可将其计算得到的电压、电流量经功率放大器放大相应倍数后输出至继电保护系统，对二次系统的设备和系统进行测试。

另外，RTDS实时仿真系统可以通过数字量接口开入并响应IT发出的硬接点信号，完成对RTDS实时仿真系统中一次系统的模拟断路器的开断控制，从而实现保护系统和模拟一次系统之间的闭环测试，使模拟过程更具真实性和准确性。

本测试平台以5间隔（两个线路间隔、两个主变间隔以及一个母差间隔）220 kV小变电站为例验证了基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台的搭建方法以及可行性，其一次系统原理图如图4所示。

图3　智能变电站继电保护测试平台

图4　保护测试平台一次系统原理图

2.2测试平台二次系统的构建

为了提高测试结果的可信度，必须严格按照相应的即将投运的智能变电站二次系统的实际结构进行搭建，并在测试中保证其接线完整性和输入数据的完整性。同时，由于智能变电站继电保护系统采用分布式采样，采样、计算与出口不在同一装置，因此有必要对合并单元、保护装置以及智能终端通过GPS卫星定位进行同步对时（或者使用B-码对时）。本测试平台以兼具互操作测试功能的系统级测试为例对基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台进行介绍，功能网络架构如图5所示。

图5　智能变电站继电保护系统A/B双网分立运行网络架构

其中A网间隔交换机1与B网间隔交换机1及其所接的IED设备均为来自南瑞继保的合并单元、保护装置、智能终端等，而A网间隔交换机2 与B网间隔交换机2及其所接的IED设备则来自国电南自，A网中心交换机来自南方继保，B网中心交换机来自国电南自，以此二次系统进行的系统级测试可同时保证了来自不同厂家之间设备的互操作性。

至此，基于信息流的智能变电站继电保护测试平台的一、二次系统已搭建完毕。该测试平台是基于2014年发布的《OS2技术标准》搭建的，并结合最新智能站技术发展同步进行功能扩充和完善。目前该测试平台已具备变电站过程层SV/ GOOSE网络环境模拟、IEC61850规约一致性测试、单体设备及系统测试能力。

由于一、二次系统具有良好的可拓展性，系统未来可拓展为各种典型的变电站模型。由于预留了交换机接口及具备SCD配置工具，在互操作性能测试方面还可把四方、深瑞等其余设备厂家的设备拓展到仿真网络环境中。

2.3智能变电站继电保护测试流程

在智能变电站继电保护测试平台开展一体化测试的流程如图6所示。在测试试验开始前，需要做的工作包括：确定试验目的并确定试验方案，获得SCD文件，搭建一次系统与二次系统，检查二次系统接线的完整性等。其中，智能变电站二次系统一般按间隔配置，每个间隔有自己的间隔交换机、合并单元、智能终端以及保护、测控装置，间隔与间隔间还设置中心交换机。二次系统网络既可以按单网冗余配置，也可A/B双网分立配置。

图6　测试平台测试流程图

在做测试试验时，试验人员根据既定试验方案对RTDS模拟一次系统进行运行方式更改以及故障设置，然后观察智能终端分、合闸行为以分析二次系统行为的正确性，智能终端分、合闸行为实际上反映了风险点的分布特点。若智能终端的分、合闸行为与预期不一致，试验人员可通过网络报文分析仪抓包分析报文信息，包括标志位、计数位的信息的检查，并结合二次设备工作原理，检查在信息流传递过程层中的哪个阶段存在风险点导致传输中断或者传递信息畸变，然后消除故障点后重复进行测试，直至二次系统行为与预期一致时才开始下一项测试项目。

3　基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台的应用

智能变电站继电保护系统采用网络化、数字化的实现方式，且保护、计量、测控等间隔层装置剥离了数据采集、开关操作等功能，必须和关联的MU、智能终端相配合，组成系统，才能实现其完整功能。智能变电站是一个按照功能划分，通过网络组合成的整体，任何一个设备的单体测试都不可能反映整个系统的特性。因此，智能变电站继电保护系统更加考究整体性，所以在智能变电站测试过程中必须利用系统。

3.1智能变电站继电保护系统系统级测试

在进行系统级测试之前，首先应依次对各二次设备进行单体测试和设备联合测试[14]，在此之后保证二次系统接线完整性，进行系统级测试。在整个测试过程中，可能发现二次设备或者二次设备间配合的配置缺陷，促使不断完善二次系统的配置与结构。当所有测试项目检查完毕无误，或者经修改无误后，重新生成的SCD文件即可用于运行变电站的二次系统。经集中测试的智能变电站二次系统只需在实际投入运行前简单进行现场调试即可投入运行，大大提高了现场调试的效率。

图7　单体测试的接线图

图8　设备间联合测试的接线图

在做系统级测试时，我们测试的是在一次系统发生某种特定故障时，保护系统是否能够响应动作，系统跳闸延时是否能够控制在可接受的范围之内，即保护系统的动作行为是否满足保护四性，以此判断保护系统是否存在风险点，存在何种风险点。

本测试平台采用RTDS与ZH-5录波器测试系统，测试出来的系统级跳闸延时即在ZH-5中测量发生故障到对应开关跳开时间，包括RTDS输出转换时间、MU的延迟时间、MU到保护传输时间、保护判断时间、保护到智能终端传输时间、智能终端转换时间、接点动作时间以及录波器输入转换时间。系统级跳闸延时测试项目如表1所示。

表1　系统级跳闸延时测试项目

由于母差保护功能需要所有间隔的采样信息才能完成母差保护功能计算，保护装置分析得到的保护控制命令也需要下传至所有间隔的智能终端才能完成保护的动作行为。因此，母差保护功能能否实现保护四性，能够更全面地体现整个保护保护系统的健康状况，即风险点在保护系统各个环节的存在与否。为此，除了考究各种常见一、二次系统运行情况下继电保护系统的行为，本测试平台设定各种特殊一次或二次系统运行状态，以考究继电保护系统在各种特殊或极端情况下是否满足保护四性要求，以尽可能全面地暴露出保护系统中存在的风险点。本着暴露风险点为目的，本测试平台主要进行了以下的系统级测试：

（1）二次系统正常运行环境下，母差保护、主变保护差动速断、线路纵联差动时间测试；

（2）操作箱抖动环境下，母线区内故障，主变和线路区外故障，母差保护动作时间测试；

（3）广播风暴环境下，母线区内故障，主变和线路区外故障，母差保护动作时间测试；

（4）VLAN内SV/GOOSE风暴环境下，母线区内故障，主变和线路区外故障，母差保护动作时间测试；

（5）VLAN外SV/GOOSE风暴环境下，母线区内故障，主变和线路区外故障，母差保护动作时间测试；

（6）一次系统复合故障（如转换型故障、发展型故障）环境下，母差保护动作测试。

在进行各种系统级测试过程中，有时会出现保护系统拒动、误动或者跳闸延时过长等现象。出现异常动作现象时，厂家技术人员协同现场测试人员从IED工作原理以及现场运行经验出发，分析继电保护系统中是否存在风险点，直至再次试验时保护系统正常动作。

3.2智能变电站改扩建与运维测试

本继电保护测试平台本着“基本结构固定，兼具可拓展性”的理念，构建了具有高仿真度且易于设定运行状态的一次系统，以及真实的二次系统，兼顾拓展性与测试便利性，除了可以完成常规的系统级测试外，还可以进行改扩建与运维测试等系统级层面的测试。与系统级测试相比，改扩建与运维测试测试的测试手段也是通过分析保护四性，测试的目的也是基于风险管控，测试的过程也是先做单体设备测试与设备联合测试，再进行系统级层面的测试。不同的地方主要在于测试的方案以及侧重点上的不同。在本测试平台已完成的测试中，改扩建测试与定检测试流程分别如图9、10所示。

综上，在本测试平台上进行智能变电站改扩建工作以及定检测试工作，是有强有力的设备及技术支撑的，可以对不同的定检方案以及改扩建方案进行验证，方便试验研究所用，以制定出更低风险、更便捷性的技术方案，同时也为发现并消除智能变电站中已存在风险点，为智能变电站的可靠性运行打好坚实的基础。

图9　智能变电站不停电改扩建及测试流程

图10　母差保护装置不停电检修测试流程

4　结论

基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台利用智能变电站继电保护系统的新特点，以分析继电保护系统各环节的风险点为基础来创建反映继电保护功能实现情况的测试平台与测试方案。本测试平台以RTDS实时仿真测试平台模拟真实一次系统，输出实时性很高，模型更加精细，还可以完成一次系统与二次系统的闭环测试，具有更高的模拟精度。与其它二次系统测试方法相比较，基于风险管控的智能变电站继电保护测试平台兼具单体测试、设备间联合测试以及系统级测试等各层次的测试，除此外还具备二次系统改扩建、检修隔离等工作执行方案测试的能力。在此测试平台下，所测二次系统以及测试环境不需要做太大变动即可完成所有的测试项目，大大提高了测试效率。

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(编辑：向飞)

The Study of Test Platform Based on Risk Management for Relay Protection System in Smart Substation

CHEN Zhi-guang1，LI Yi-quan1，HUANG Yong2，SU Zhong-yang2，LU Wei2
（1. Electric Power Dispatch and Control Center of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou510665，China；2. Zhongyuan Huadian Science & Technology Co.，Ltd.，Wuhan430000，China）

Abstract:Smart substation relay protection system uses communication network as a medium for the transmission of information，and greatly improves the level of information sharing between devices，but it also brings many new risks which won’t exist in traditional substation relay protection system. Therefore，the test methods for traditional protection system has considerable inadaptability. For the purpose of risk management and control，after analyzing the new features of smart substation relay protection system，this paper uses RTDS real-time simulation system to simulate real primary system，and uses the real smart substation secondary system as secondary system，resulting in a test platform for relay protection system in smart substation. Also，in accordance with risks that may exist in relay protection system and their impact on the system，this paper designs appropriate test scheme. Finally，this paper conducts a system-level test，renovation and expansion test，and time-based maintenance test et al.

Key words:smart substation；test platform；risk management and control；system-level test

作者简介：第一陈志光，男，1965年生，广东梅州人，硕士，高级工程师。研究领域：继电保护。

收稿日期：2015－09－19

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 029

中图分类号：TM63

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 11－0108－06