第三代智能变电站一次设备就地模块自动测试技术研究

谢军，余斌，宁春海

(1.国网湖南省电力有限公司邵阳供电分公司，湖南 邵阳 422000；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

0 引言

智能变电站由于高度的系统集成化、合理的结构布局，在经济节能环保等方面取得了一定的成效。然而，在实际的运用中，也暴露了不少问题，智能变电站对保护装置、合并单元、智能终端等设备的运维检修一直采用人工手动检测方式，繁重的检修工作量和高额的检修成本极大的制约着智能变电站的发展[1－3]。为了实现电网供电可靠性和变电站运检高效的目标，国家电网有限公司在2018年启动第三代智能变电站试点建设工作[4－5]。

第三代智能变电站以“一键操作、自动巡检、主动预警、智能决策”等功能为主要特征，是对传统变电站、第一代智能站及新一代智能站从设计、制造、建设、运检等各方面进行的全面总结与提升[5－6]。第三代智能变电站取消了合并单元与智能终端设备，采用结构标准化、信息标准化的就地子模块设备实现数据采集功能，如何对就地子模块设备进行高效的运维检测是第三代智能变电站安全稳定运行亟待解决的问题[7－9]。

随着智能装置不断向标准化、信息规范化方向迈进，智能变电站中智能装置的自动测试技术应用也越来越广泛。自动化测试技术必将替代手工测试技术，解决智能变电站调试周期长、工作效率低的问题，为变电站一次设备就地模块的高效运维检修提供有力技术支撑[10－14]。

为了提高设备检测效率，提出就地模块测试方法，研制具有可模拟发送及接收通信报文、自动生成检测报告等功能的便携一次设备就地模块测试装置，实现对开关量一次设备就地模块、模拟量一次设备就地模块的一键式测试，避免失效一次设备就地模块带病投运及有效防止因一次设备就地模块故障导致的电网事故。

1 第三代智能变电站一次设备就地模块

如图1所示，第三代智能变电站采用全站集成测控装置加就地化保护模式实现，测控采用“两层一网”系统构架，由间隔层、站控层及站控层网络构成，通过数字化就地模块与一次设备相连接。保护采用就地化保护方案，由就地化保护、保护专网和智能管理单元构成，通过光缆和数字化就地模块与一次设备相连接。

图1 第三代智能变电站二次系统架构

全站集成测控装置采用模块插件，针对不同间隔的遥信、遥测等信号的采集使用不同的采集插件，利用光纤接口由61850报文将对应的开关量模块和模拟量模块的开关信号、模拟量电压电流信号传递给全站集成测控主机。不同间隔采样插件采集到全站所有间隔的测控信息后，统一由全站集成测控主机的CPU插件进行相关的采样计算和逻辑处理，实现全站模拟量模块和开关设备的测量与控制功能。

就地模块是全站集成测控装置与刀闸、开关、互感器等一次设备的连接纽带，其将一次刀闸设备的位置、互感器的量值通过61850报文上送到全站集成测控装置，同时也将全站集成测控装置下发的跳闸指令由61850报文转发给一次刀闸开关，实现集成测控装置对全站一次设备信息的采集、传输和控制。就地模块主要由模拟量就地模块、开关量就地模块、变压器就地模块和操作模块等4部分构成。模拟量就地子模块与智能变电站合并单元装置相似，开关量就地子模块与智能变电站智能终端设备相似。

就地模块可实现电压、电流、油温、油位等模拟量及断路器状态、分接头档位、非电量信号灯开关量的就地数字化，使用按键设置地址，无需软件配置，体积小(体积合并单元/智能终端的1/7)，可不停电更换。

2 一次设备就地模块测试方法

2.1 模拟量就地子模块测试方法

模拟量就地模块测试系统如图2所示。在使用状态下，模拟量电流模块和被测模拟量就地模块的电流采集口相连，用于发送模拟电磁互感器二次侧电流额定值；模拟量电压和被测模拟量就地模块的电压采集口相连，用于发送模拟电磁互感器二次侧电压额定值；61850报文收发端口互连，用于传输模拟量电压、电流信号或转发其他模拟量就地模块的61850报文。

图2 模拟量测试系统图

1)测试模拟量就地模块转发61850协议报文的正确性。通过测试系统61850插件模拟其他就地测试模块发送的61850协议报文给被测模拟量就地模块，同时回采该模拟量就地模块发送的61850协议报文，利用软件系统对比发送的61850协议报文和采集的61850协议报文的一致性。

2)测试模拟量就地模块将模拟量电压、电流信号转换为61850协议报文的正确性。通过测试系统发送额定二次值的电压、电流信号给模拟量就地模块，并通过61850采集插件采集其转换输出的对应数字61850协议报文，从而实现模拟量就地模块离散度、采样精度和采样响应时间等功能和性能测试。

3)模拟量就地模块采样精度及离散度自动测试。通过测试系统自动测试软件控制发送二次额定值的电压电流信号给模拟量就地模块，并通过61850采集插件采集其转换输出的对应数字61850协议报文，对比模拟量电压、电流通道发送数值和61850协议报文电压、电流通道采集数值，计算出模拟量就地模块采样精度；统计分析测试系统采集到的61850协议报文，计算出模拟量就地模块离散度和抖动性。

4)模拟量就地模块采样响应时间测试。通过测试系统自动测试软件控制发送二次额定值的电压电流信号给模拟量就地模块，并通过61850采集插件采集其转换输出的对应数字61850协议报文，对比模拟量电压、电流通道发送时刻和61850协议报文电压、电流通道采集时刻，计算就地模拟量采样响应时间；

5)模拟量就地模块检修机制测试。利用自动测试系统软件系统对模拟量就地模块检修机制时间进行测试，对于测控装置下发的开关量控制命令，当模拟量就地模块的检修状态与测控装置检修状态一致时，模拟量模块应能正确执行测控装置下发的相关开关量控制命令；当模拟量就地模块检修状态与测控装置检修状态不一致时，模拟量装置应能不执行测控装置下发的相关开关量控制命令。对于模拟量就地模块转发其他就地模块61850协议报文时，无论其是否为检修状态，均不应该影响转发其他模块61850协议报文的检修状态。对于模拟量就地模块本身，当其投入检修压板时，对外发送的61850协议电压、电流报文检修标志位应该置1，当其退出检修压板时，对外发送61850协议电压、电流报文检修标志位应该置0。

2.2 开关量就地子模块测试方法

开关量测试系统如图3所示。开关量就地模块测试系统在使用状态下，硬接点输入口和被测试开关量就地模块的硬接点输出口相连，用于接收被测试开关量就地模块转发的刀闸、断路器控制命令；硬接点输出口和被测试开关量就地模块的硬接点输入口相连，用于向被测试开关量就地模块的发送断路器、刀闸实际硬接点分合位置。61850报文收发端口互连，用于传输刀闸、断路器控制命令以及刀闸、断路器转换为分合位置的61850报文。

图3 开关量测试系统图

1)通用开关量就地模块测试系统测试方法

①测试通用开关量就地模块转发61850协议报文的正确性。通过测试系统61850插件模拟其他就地测试模块发送的61850协议报文给被测通用开关量就地模块，同时回采该通用开关量就地模块发送的61850协议报文，利用软件系统对比发送的61850协议报文和采集的61850协议报文的一致性。

②测试通用开关量就地模块将刀闸、断路器位置等硬接点信号转换为61850协议报文的正确性。通过测试系统开出量模块对被测通用开关量就地模块模拟刀闸、断路器硬接点分合位置，同时回采该通用开关量就地模块发送的61850协议报文位置信号，利用软件系统获取通用开关量就地模块通道位置关联的正确性和转换时间。

③测试测控装置下发的刀闸、断路器位置等61850协议报文遥控命令转换为硬接点开出量的正确性。通过测试系统模拟测控装置的61850协议报文，同时回采该通用开关量就地模块转换的对应开出量硬接点信号，利用软件系统获取通用开关量就地模块通道位置关联的正确性和转换时间。

2)通用开关量就地模块自动测试及报告生产流程

利用自动测试软件系统对通用开关量就地模块所有节点进行功能和性能测试，对61850协议报文转为开出量硬节点和开入量硬节点转换为61850协议报文进行全面测试。每个节点信号均对其分合位置映射关联的正确性和转换时间进行测试和记录，测试结束后，将所有节点的测试结果和记录以测试报告文档的形式生产。

3)通用开关量就地模块检修机制测试

利用自动测试系统软件系统对通用开关量就地模块检修机制时间进行测试，对于测控装置下发的遥控等命令，当通用开关量就地模块检修状态与测控装置检修状态一致时，通用开关量模块应能正确执行测控装置相关控制命令；当通用开关量就地模块检修状态与测控装置检修状态不一致时，通用开关量装置应能不执行测控装置相关控制命令。对于通用开关量就地模块转发其他就地模块61850协议报文时，无论其是否为检修状态，均不应该影响转发其他模块61850协议报文的检修状态。对于通用开关量就地模块本身，当其投入检修压板时，对外发送61850协议报文检修标志位应该置1，当其退出检修压板时，对外发送61850协议报文检修标志位应该置0。

3 自动测试设备研制及应用

通过以上对模拟量就地模块与开关量就地模块的测试方法，对第三代智能变电站现场模拟量就地模块与开关量就地模块测试设备进行研制，以满足第三代智能变电站现场模拟量就地模块与开关量就地模块检修测试要求，提供第三代智能变电站现场测试工具和测试手段。

第三代智能站二次设备自动测试设备是需要对多个不同类型二次设备进行自动化测试，因此要求测试设备硬件具备可扩展性。采用模块化设计思路，将测试设备进行模块化分解，并通过主板对多个模块进行管理控制。

3.1 硬件结构设计

为了使硬件系统具备模拟量电压电流信号、开关量信号及数字61850报文信号的输出特点，硬件平台采用插件结构组成，如图4所示。

图4 硬件平台插件式结构原理图

整机结构采用插件式结构，所有的装置内部的电信号连接都通过插件背板通信，电源插件通过背板为控制插件、数字量插件、电压插件、电流插件供电，控制插件通过背板与数字插件、电压插件、电流插件交互数据。背板插件通过转接板将电压电流输出线引到端子板，并在前面板端口输出。控制插件和数字量插件对外接口从后面板引出，包含控制插件的GPS对时接口、光B码对时接口、1588对时接口，数字板的FT3输出光口和FT3输入光口。

当外部有统一的时间基准如GPS时间信号或IEEE1588时间同步信号时，装置通过GPS接收机或者IEEE1588同步信号接收装置得到外部同步时间的秒脉冲。然后利用晶振装置对GPS的秒脉冲进行计数，并进行累计记录。得到的一系列累计晶振计数值作为Kalman滤波器的观测值，利用Kalman滤波器对晶振的系统状态进行预测与估计。将相邻两次得到的累计晶振计数值相减得到晶振分频器的控制量。

装置工作在同步授时状态时，将Kalman滤波器得到的晶振频率的估计值作为历史数据保存下来。当历史数据量达到训练需求的最小数据量时，对BP神经网络进行训练。满足误差精度或者迭代次数后结束训练。等待下一次历史数据的更新。

当失去外部的时间基准时，装置无法接收到外部同步时间秒脉冲，装置变为守时状态。Kalman滤波器不再工作，装置只依靠训练好的BP神经网络模型，对未来晶振的频率变化做出预测。由于晶振频率变化短时间内很微小，因此在同步守时状态时，将得到的频率预测值进行累加，即得到预测累计晶振计数值，再将相邻两次的结果相减，产生晶振频率分频器的控制值。

3.2 工作流程

控制插件是整个测试系统硬件结构的控制核心，其不仅要实现模拟量电压电流、数字报文和开关量的输入输出控制，还要实现闭环测试参数的逻辑计算与处理。控制插件上主要由上位机通讯模块、逻辑计算模块、模拟量电压电流控制模块、数字报文控制模块、开关量控制模块和监控模块等构成。

上位机通讯模块有以太网通信端口和WiFi端口两部分组成，两部分独立运行，互不干扰。以太网通信端口和WiFi端口采用无线路由器工作原理，任何一个均能实现上位机PC与测试系统的有效连接，及时下发上位机的控制输出命令及上送硬件系统的回采数据和工作状态等内容。以太网通信端口采用百兆通讯模块，实现10M与100M以太网自适应连接，能够以有线电缆的方式实现上位机PC与主板插件的可靠连接。WiFi端口采用主板插件内置WiFi发送模块，由外部PC等无线通信设备实现与主板插件的可靠连接。

逻辑计算模块主要由ARM(Advanced RISC Machines)＋FPGA (Field Programmable Gate Array)组成。ARM芯片负责上位机命令的接收、处理，FGPA程序负责命令的准时下发、通讯报文的等间隔下发。以合并单元数字报文发送为例，上位机将实验命令下发到ARM芯片，ARM芯片会将相应的试验设置、试验计算传输给底层驱动，完成相应的逻辑计算及数字报文组包，并由FPGA通过准确的按间隔下发给数字插件，保证每秒等间隔发送数字报文，每帧报文均按规定协议格式发送规则进行下发。

模拟量电压电流控制模块即AD转换模块，其主要控制电压、电流功率放大器输出特定的电压、电流信号。当ARM芯片接收到上位机下发的控制输出命令后，其将控制命令处理后通过AD转换模块转换为0～6 V的电压信号，电压功率放大器和电流功率放大器插件接收到模拟量弱信号时，会将其转换为0～120 V的电压信号和0～20 A的电流信号输出。

数字报文控制模块主要控制数字报文插件输出、输入61850报文。当ARM芯片接收到上位机下发的控制命令后，由FPGA将其传输给数字报文插件从而完成相应的功能。

开关量控制模块主要用于控制开入量和开出量的及时控制。当上位机下发开入量探测等控制命令后，光耦结构的开入量实时进行硬接点探测，当探收到硬接点闭合状态时在100μs以内将其传输到ARM控制系统，使其能及时参与相应的逻辑计算处理。当上位机下发开出量闭合等控制命令后，光耦结构的开出量在100μs内立即闭合，开出量接点能够及时、准确输出。

监控模块主要用于测试系统的自检功能。当电压、电流功率放大器和其他插件正常运行输出时，监测模块实时监视测试系统的硬件输出状态。当电流输出开路时、功率放大器过热过载时，告警电路会及时触发并将相应的信号传输给监控模块和ARM控制芯片，并在第一时间内切断硬件系统的电压、电流等信号的输出。

3.3 自动测试技术应用

基于以上测试方法、需求和设计方案，研制出就地模块自动测试设备，如图5所示。就地模块自动测试设备模拟量电压电流输出与模拟量就地子模块连接，并同时接收模拟量就地子模块返回的61850－9－2数字报文，测试设备开关量节点输出与开关量就地子模块开入量连接，测试设备开关量节点输入与开关量就地子模块开出节点连接，并通过光口连接开关量就地子模块的GOOSE光口收发口。测试设备与模拟量就地子模块、开关量就地子模块同时连接到1588时钟源上，保证三个设备处在同一个时钟下，再通过软件界面选择测试项目，点击一键自动测试，测试完成后便可生成报告。

图5 就地模块自动测试框图

4 结语

第三代智能变电站是变电站智能化提升的重要发展阶段，作为第三代智能变电站的核心设备，就地模块的正常运行对变电站安全稳定至关重要。本文提出模拟量就地模块实现采样精度及离散度测试、采样响应时间测试、检修机制功能测试等测试方法，提出开关量就地模块实现自动测试及报告生产流程、防抖时间测试以及检修机制测试等，实现就地模块的61850协议分析模拟，研制出自动测试设备，能够完成就地模块功能和性能的批量自动检测，为就地模块的功能和性能批量自动测试检修提供一种新方式，提升智能变电站的检修维护效率，保障电网的安全高效运行。