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智能变电站的继电保护装置测试方法研究

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：刘喜前

[导读] 摘要：随着信息技术发展，变电站内继电保护装置也在融入新的技术，变得越来越复杂。

        （上海思源弘瑞自动化有限公司上海 200000）
        摘要：随着信息技术发展，变电站内继电保护装置也在融入新的技术，变得越来越复杂。在智能变电站中，光纤代替了传统电缆，继电保护装置对于数据的采集和处理也相应的发生了较大变化。智能变电站作为电力输送的关键环节，继电保护则是其安全稳定运行的守护神，若在此过程中，继电保护装置出现故障问题，必然会影响到整个电力系统的正常运行。基于此，本文分析了智能变电站继电保护装置的工作原理以及其所涉及的内容，针对其关键技术进行了解析，并设计了有效的测试方法，确保继电保护装置的可靠运行。
        关键词：智能变电站；继电保护装置；测试方法
        1.智能变电站继电保护装置的工作原理
        在分析智能变电站的继电保护装置的测试方法之前，必须先清楚装置的工作原理，以便着眼于实际的测试工作。常规变电站的继电保护装置一般分为采集测量单元、逻辑单元及执行单元三个工作部分，采集测量单元获取一次设备的运行电压、电流等参数并变换为数字信号；逻辑单元对电压电流数字信号进行分析处理，判断一次设备是否发生故障，并下发执行指令；执行单元则按照逻辑单元的指令，去分合断路器，完成故障隔离。
        相较于常规变电站继电保护装置，智能变电站继电保护装置则只保留了作为大脑的逻辑单元，而把作为手和脚的采集测量单元和执行单元下放到了一次设备就地汇控柜的过程层装置上，继电保护装置与过程层装置直接通过SV报文和Goose报文进行交互，获取电压电流数字信号、开关位置信号等一次设备状态，下发分合闸信号等执行命令。通过就地采集、网络共享的方式，可以实现一处采集、多处使用，有效减少电缆数量，但同时也带来了网络可靠性、数据处理正确性等问题。
        2.智能变电站继电保护装置所涉及的测试内容
        常规变电站的继电保护装置，针对采集测量单元、逻辑单元及执行单元，需要开展模拟量采集精度、各保护判据、出口矩阵等方面的测试。对于智能变电站继电保护装置，各保护判据的逻辑测试，与常规变电站相同，可以参照原有测试方法开展。关键的测试内容在于继电保护装置通过SV报文和Goose报文与过程层设备进行交互时，数据采集和交换的正确性，尤其是对于模拟量的采集，采样再同步过程非常关键，是必须着重进行测试的内容。
        在常规变电站继电保护装置里，用于保护逻辑判别的电压电流量均通过装置自身的采集测量单元进行获取，采样回路固定延时一致，故可以保证把同一时刻的电压电流用于计算。而在智能变电站，电压电流通过过程层的合并单元进行采集，再通过SV报文传递给继电保护装置，在这个过程中，存在保护装置同一时刻接受的采样数据，实际并不同步的问题。原因在于，一是合并单元生产厂家不一致或应用场景不一致，导致合并单元的采样绝对延时可能不一致，也就是合并单元发送数据的滞后时延不一致。二是SV报文通过网络发送给继电保护装置时，报文在网络中传输存在时延，且这个时延可能并不稳定。因此，智能变电站的继电保护装置，在接受到SV报文中的采样数据时，必须进行采样再同步过程，才能保证保护逻辑所使用的基础数据的正确性。智能变电站继电保护装置的采样再同步，一般有两种方法，当合并单元与保护装置通过点对点光纤连接时，不存在网络延时，可采取绝对延时方法，接受到采样报文数据时，按照报文中解析得到的绝对延时，后推相应延时后存入采样区，来对齐各SV报文的采样数据；当合并单元与保护装置通过网络连接时，存在不可预知的网络延时，可采取采样序号对齐方法，接受到采样报文数据时，按照报文中解析得到的采样序号，存入相应采样区。但第二种方法，要求各合并单元必须为同一个主时钟同步对时状态。
        另外，对异常报文数据的处理正确性、各边界条件下的数据解析正确性、存在网络压力情况下数据的处理正确性，都是智能变电站的测试重点。
        3.智能变电站继电保护装置测试方法研究

图1

                      图2
        智能变电站继电保护装置的测试，对技术性有着较高要求，不仅要应用到电力系统继电保护原理知识，也要应用通讯知识、网络知识，并结合测试技术，才能较好的开展测试工作。上节已提到，对于保护逻辑的测试，可以使用与常规站继电保护装置同样的测试方法，关键在于SV、Goose数据处理的测试。
        智能变电站继电保护装置的SV采样同步性测试，可以在两种测试环境下应用不同测试方法开展。测试环境一，使用合并单元智能终端与继电保护装置相连，模拟变电站真实的使用环境，如图1；测试环境二，可使用数字式的继电保护测试仪，来模拟过程层设备发送SV、Goose报文，如图2。
        针对上节提到的采用绝对时延法进行采样再同步时，需要设置各SV报文的额定延时为不同值，检查保护装置采样精度及电压电流的相位来验证同步精度。额定延时设置时，需要应用测试方法的边界值法，覆盖到额定延时的最小值、最大值，并进行组合测试，数据组合可参考表1。对于使用采样序号对齐方法来进行采样再同步时，有两种方法进行测试验证，一是在过程层网络交换机上叠加大流量的报文，模拟网络延时，来验证同步精度，但这个方法不能精确控制网络延时，二是可以将SV报文先发送到网络测试仪，叠加一个预设的固定延时后，再发送给保护装置，来验证同步精度。在测试时，需要参考测试方法的等价类法，来预设不同的网络延时，考察装置处理正确性。另外，也需要修改SV报文中的同步标志，来检查装置对于异常报文的处理。
                                                                                                    表1

        智能变电站的Goose数据处理，关键在于如何可靠的判断数据是否已发生变位，在发生变位时及时地更新数据。测试环境也可以使用过程层设备来搭建真实使用环境，或使用数字式继电保护测试仪来发送Goose报文。测试模拟时，要应用边界值法，覆盖到StNum和SqNum在最大值翻转、状态变化翻转时的数据处理正确性；也要应用等价类法，模拟StNum和SqNum在小值、中值、大值情况下发生变化时的处理正确性。
        针对异常报文数据处理正确性、网络风暴下数据处理正确性，可以使用网络测试仪编辑相应特征值的报文，发送给装置，来验证可靠性和正确性。
        4.智能变电站继电保护装置测试方法展望
        随着智能变电站的发展，继电保护也在升级换代，就地化保护、站域保护等新型的保护装置开始推广应用。这些保护装置同样应用了通信技术进行信息采集和发送，我们在上节介绍的通过数字式继电保护测试仪模拟发送报文、通过网络测试仪模拟网络延时的方法都可以继续使用，但同时也要看到这些装置新的技术要求，比如自愈式光纤环网、大容量数据处理等，也就要求继续研究新的测试方法，来覆盖各种异常数据处理、各种边界数据处理、大流量报文处理等场景下数据采集的正确性、可靠性。
        结束语
        本文通过对比分析常规变电站和智能变电站的继电保护装置原理和区别，分析智能变电站的关键技术和容易发生故障的部分，并针对性进行测试方法设计。尤其是智能变电站的采样再同步技术，关系到保护逻辑判别所使用的电压电流数据是否为同步数据，影响到最终的故障判别。为此，本文设计了两种测试环境下的不同测试方法，来覆盖各种组网方式下的数据采集正确性，可以有效的测试智能变电站的功能性能。这些测试方法已在实际的项目中进行多次应用，并发现了多个数据处理错误的缺陷，在继电保护装置推广应用之前就将问题消除在萌芽状态，保障了智能变电站一次设备的运行安全。对于后续研制的新型继电保护装置，也需要继续开展测试方法研究，确保继电保护装置的速动性、选择性、灵敏性、可靠性，为整个电力系统的安全稳定运行保驾护航。
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