李　澄，陸玉軍，王　寧，葛永高(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

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智能變電站便攜式綜合測試儀的研制

李澄，陸玉軍，王寧，葛永高
(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

摘要：結(jié)合智能變電站的技術(shù)特點和運行維護(hù)測試需求，文中提出了一種多功能便攜式綜合測試儀設(shè)計方案，介紹了測試儀的硬件、接口及功能設(shè)計。該測試儀適用于智能變電站中二次設(shè)備、對時同步裝置、變電站網(wǎng)絡(luò)等多種測試應(yīng)用，有效增強(qiáng)了智能變電站的運維便利性，提高了運行維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：智能變電站；便攜式測試儀；二次設(shè)備測試；同步系統(tǒng)測試；網(wǎng)絡(luò)測試

2014年國家電網(wǎng)總部管理指南項目

作為堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站變革了傳統(tǒng)變電站的一、二次設(shè)備，變電站中光纖數(shù)字式采樣值SV及開關(guān)量GOOSE的方式取代了傳統(tǒng)的電纜方式[1]，信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化大大簡化了傳統(tǒng)的二次接線，設(shè)備高度集成化、智能化的變電站將簡化運行人員操作，縮短設(shè)備停電維護(hù)時間，促進(jìn)電網(wǎng)調(diào)控集中化，設(shè)備維護(hù)向集約化發(fā)展。

目前，國內(nèi)開展智能變電站的試點工程的網(wǎng)省公司，對智能站運行維護(hù)方面的研究基本都處于探索階段，運行維護(hù)項目和流程也沿用傳統(tǒng)變電站運行管理要求，尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的檢修維護(hù)流程；運行維護(hù)人員還未完全適應(yīng)和熟悉智能變電站設(shè)備技術(shù)和運行特點，仍沿用傳統(tǒng)的運維思路；從運行維護(hù)工具上來看，傳統(tǒng)運行維護(hù)工具已經(jīng)無法滿足智能變電站的運行維護(hù)需求，而新的測試工具往往只是針對某一測試功能設(shè)計，變電站運行維護(hù)調(diào)試需要使用多個工具配合才可完成，增加了運行維護(hù)難度，也對運行維護(hù)人員的技術(shù)水平提出了更高的要求[2-4]，因此有必要研制開發(fā)一種適用于智能變電站設(shè)備特點的綜合性便攜式運行維護(hù)調(diào)試工具，從而簡化運行維護(hù)操作，提高智能變電站維護(hù)的便利性。

1　智能變電站測試需求

作為智能電網(wǎng)的一個重要節(jié)點，智能變電站以站內(nèi)一、二次設(shè)備為數(shù)字化對象，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺為基礎(chǔ)，通過對數(shù)字信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)站內(nèi)外信息共享和互操作，實現(xiàn)測量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息管理、智能狀態(tài)監(jiān)測等功能。而對于站內(nèi)關(guān)鍵的二次系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行檢修測試是保證智能變電站穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。

（1）二次智能設(shè)備功能性測試。主要的測試內(nèi)容有：對關(guān)鍵的二次設(shè)備，如合并單元、智能終端、保護(hù)測控設(shè)備等，進(jìn)行裝置的輸入輸出功能性測試、通訊報文數(shù)據(jù)的正確性檢查、設(shè)備數(shù)據(jù)處理時延的測試、保護(hù)邏輯功能的驗證及聯(lián)動測試[3，4]。

（2）同步系統(tǒng)測試。精確統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，對電量信息精確采集，電力系統(tǒng)事故分析，保證電力系統(tǒng)安全運行有著重要意義。因此智能變電站的一項重要測試項為同步系統(tǒng)的測試，主要包含：同步系統(tǒng)對時精度測試、守時精度測試、對時數(shù)據(jù)幀正確性檢驗[5，6]。

（3）通訊網(wǎng)絡(luò)檢查。通信網(wǎng)絡(luò)作為智能變電站信息交換的樞紐,其正常運行是智能變電站安全、可靠運行的基礎(chǔ)。變電站網(wǎng)絡(luò)測試功能有：網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)衰耗以及發(fā)送光功率檢查、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作狀態(tài)檢查、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文的捕獲及分析、網(wǎng)絡(luò)性能測試[7]。

目前，為了完成以上的測試，需要多種測試設(shè)備，甚至有的測試需要多個測試設(shè)備進(jìn)行配合。這需要測試人員具備較高的技術(shù)水平，無形中增加了測試復(fù)雜度和難度，測試的靈活性和便攜性更無從說起。研究一種具備多種測試功能的便攜式測試工具，將能有效地提高變電站運行維護(hù)效率。

2　測試儀設(shè)計

2.1總體設(shè)計

基于以上分析，本文提出了一種能滿足智能變電站關(guān)鍵設(shè)備測試需求的便攜式測試儀，測試示意圖如圖1所示。

圖1　測試示意圖

測試儀集成10寸液晶觸摸屏界面，無需PC客戶端軟件協(xié)同，即可獨立完成測試任務(wù)。測試儀內(nèi)部具有大容量鋰電池組，能夠在現(xiàn)場供電不便的情況下，支持測試儀連續(xù)工作4 h。整臺裝置采用了緊湊式設(shè)計，體積小，重量輕，并提供了便攜式提手，大大提高了測試的便利性。測試儀接口豐富，具有強(qiáng)大的實時數(shù)據(jù)處理能力，其硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2　測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）CPU。采用ARM+DSP物理架構(gòu)，具有10寸觸摸液晶屏、USB接口、SD接口、串口、512 MB RAM以及512 MB ROM。

（2）現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。通過通用內(nèi)存控制器（GPMC）高速總線與CPU連接，擴(kuò)展了多個接口功能，包括光纖以太網(wǎng)口3個（用于收發(fā)IEC 61850-9-1/2和GOOSE數(shù)據(jù)），光纖串口5個（3發(fā)2收，主要用于收發(fā)IEC 60044-7/8或其他電子互感器報文），開關(guān)量接口（2路開出，2路開入），光纖同步口（2路輸出和2路輸入）。

（3）GPS模塊。通過GPS接口外接天線可接收以獲取GPS時間，分別輸出秒脈沖（PPS）和串口時間信息給FPGA中的同步模塊和CPU，同步模塊將延時補(bǔ)償后的PPS輸出給CPU。

（4）百兆網(wǎng)卡芯片通過GPMC高速總線與CPU 和FPGA連接。

2.2功能設(shè)計

（1）數(shù)字采樣信號收發(fā)。測試儀具備光纖以太網(wǎng)端口，可以接收或輸出多路IEC 61850-9-1/2采樣值報文，可以模擬現(xiàn)場多合并單元，用于保護(hù)設(shè)備的測試；測試儀還具備光纖串口，可以接收和發(fā)送IEC 60044-7/8（FT3）采樣數(shù)據(jù)，可以模擬電子式互感器采樣數(shù)據(jù)發(fā)送，用于合并單元的測試。并且可以對接收的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行文波形、有效值、相量、序量、功率、諧波等分析。

（2）GOOSE收發(fā)。測試儀通過光纖以太網(wǎng)口，可以接收和發(fā)送多路GOOSE報文數(shù)據(jù)，通過接入光纖交換機(jī)或與被測設(shè)備直連，實現(xiàn)與被測設(shè)備（保護(hù)測控裝置、智能單元等）間開關(guān)量信息的交互。

（3）MMS客戶端。測試儀內(nèi)部實現(xiàn)了MMS客戶端，可模擬站控層客戶端與站內(nèi)智能二次設(shè)備進(jìn)行通訊，主要功能有：讀取或操作智能二次設(shè)備數(shù)據(jù)模型及配置、召喚遙信遙測值、讀取和修改定值、遙控操作等。

（4）時間同步功能。測試儀具有時間同步測試功能，通過裝置內(nèi)GPS模塊外接GPS天線獲取高精度的時鐘信息，產(chǎn)生秒脈沖或IRIG-B碼輸出，對二次設(shè)備進(jìn)行同步；還可接入被測設(shè)備的對時同步信號或采樣同步脈沖信號，檢驗被測設(shè)備的對時數(shù)據(jù)及精度。

（5）其他測試功能。測試儀具有網(wǎng)絡(luò)報文捕獲和分析功能，并可對網(wǎng)絡(luò)光纖通訊介質(zhì)進(jìn)行衰耗和光功率檢查；實現(xiàn)了SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)客戶端，可用于查看交換機(jī)設(shè)備相關(guān)配置和運行狀態(tài)信息；可模擬大容量數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測試。

3　測試應(yīng)用

3.1合并單元測試

合并單元的測試主要內(nèi)容采樣數(shù)據(jù)的輸入輸出測試、采樣數(shù)據(jù)的精度測試、GOOSE開出量驗證、時間準(zhǔn)確度驗證。圖3給出了除時間準(zhǔn)確度測試外的功能性測試接線圖。

圖3　合并單元功能性測試

測試儀向合并單元發(fā)送同步信號（PPS或IRIG-B）和電子式互感器報文（FT3），合并單元輸出合并后的采樣數(shù)據(jù)（IEC 61850-9-1/2格式）和可能的GOOSE開出量。測試儀通過解析合并單元發(fā)送來的采樣數(shù)據(jù)，可驗證采樣通道配置是否與配置文件一致，驗證采樣報文是否丟包、重復(fù)、錯序等；測試儀計算并顯示收到的合并單元采樣數(shù)據(jù)的幅值、相角、頻率、功率、功率因數(shù)等，并與標(biāo)準(zhǔn)采樣信號進(jìn)行精度偏差分析；測試儀通過記錄采樣數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時間，計算報文響應(yīng)時間，驗證合并單元的額定延時，并進(jìn)行報文發(fā)送間隔均勻性及連續(xù)性分析；合并單元通過GOOSE開出輸出自身狀態(tài)和告警信息，測試儀通過模擬串口鏈路異常、采樣故障、保護(hù)電流無效、裝置檢修等，來驗證合并單元的GOOSE開出的正確性。

時間精確度測試包含同步精度測試和守時精度測試。同步精度決定合并單元在時間同步系統(tǒng)的作用下能夠保持的時間精確度，而守時精度決定了失去同步信號后合并單元能夠保持穩(wěn)定時間精度的時間特性。圖4給出了時間精確度測試接線圖，方法1適用于具有同步測試接口的合并單元，同步精度測試，在測試儀保持同步信號輸出的情況下，比較合并單元輸出的秒脈沖與測試儀基準(zhǔn)脈沖的偏差即可得到同步精度；守時精度測試，斷開同步信號，記錄合并單元守時狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化。方法2可用于不具備同步測試接口的合并單元，通過測試儀在同步信號上增加固定延時，測試合并單元采樣數(shù)據(jù)的時延變化，從而間接的證明合并單元的時間精確度。

圖4　合并單元時間準(zhǔn)確度測試

3.2智能單元測試

智能單元本質(zhì)為傳統(tǒng)操作箱加上GOOSE開入開出通訊功能，其測試包含：閉環(huán)開入測試和閉環(huán)開出測試，如圖5所示。閉環(huán)開入測試，測試儀的GOOSE開出口與智能單元的GOOSE開入口相連，智能單元的開出接點接入測試儀開入接點，測試儀模擬保護(hù)測控設(shè)備發(fā)送跳閘出口、重合閘出口、斷路器和閘刀遙控分合閘等GOOSE開出信號給智能單元，驗證智能單元是否正確開出，并測量其動作響應(yīng)時間。閉環(huán)開出測試，接線與閉環(huán)開入測試相反，測試儀模擬一次設(shè)備開關(guān)位置觸點位置信息開出給智能單元，智能單元將其轉(zhuǎn)換為GOOOSE開出給測試儀，同樣驗證智能單元的信息的正確性及響應(yīng)時間。

圖5　智能單元測試

3.3保護(hù)測控設(shè)備及聯(lián)動測試

保護(hù)測控設(shè)備的測試主要內(nèi)容采樣值檢查、GOOSE開入開出檢查、保護(hù)邏輯功能和定值校驗、測控功能驗證。測試接線如圖6所示，測試儀的采樣值輸出口、GOOSE輸出口、GOOSE輸入口分別與保護(hù)測控設(shè)備的采樣值輸入口、GOOSE輸入口、GOOSE輸出口連接，測試儀的MMS通訊口與保護(hù)測控裝置MMS通訊口相連。測試儀模擬保護(hù)測控裝置的采樣值輸入，利用測試儀的GOOSE發(fā)送功能模擬保護(hù)測控裝置保護(hù)邏輯相關(guān)的GOOSE開入，測試儀接收保護(hù)測控裝置的GOOSE開出。檢查保護(hù)測控裝置收到的采樣值是否與測試儀一致，是否滿足精度要求；檢查保護(hù)測控裝置的GOOSE相關(guān)開入狀態(tài)是否正確顯示；檢查保護(hù)測控裝置在數(shù)據(jù)斷鏈情況下的動作行為；使用測試儀改變采樣值的電量信息和相關(guān)GOOSE開入狀態(tài)模擬各類故障，測試保護(hù)裝置的動作行為、動作時間和動作定值，驗證保護(hù)測控裝置保護(hù)邏輯的正確性；測控功能測試，測試儀通過MMS端口接收保護(hù)測控裝置上送的電量信息和設(shè)備發(fā)出的狀態(tài)信息，驗證電量信息的正確性以及MMS狀態(tài)信息與保護(hù)動作行為的一致性，通過MMS通訊還可檢查被測設(shè)備的數(shù)據(jù)模型及配置信息。

圖6　保護(hù)測控設(shè)備測試

保護(hù)聯(lián)動測試是驗證保護(hù)測控設(shè)備與智能單元等其他設(shè)備連接的分系統(tǒng)在保護(hù)動作時的聯(lián)動反應(yīng)。圖7顯示了保護(hù)聯(lián)動測試接線圖，測試儀模擬故障的采樣數(shù)據(jù)及相關(guān)GOOSE開入狀態(tài)送給保護(hù)測控裝置，保護(hù)測控裝置產(chǎn)生保護(hù)動作GOOSE開出控制智能單元相應(yīng)節(jié)點開出，測試儀模擬一次設(shè)備，接收智能單元的開關(guān)動作，并返回開關(guān)觸點位置信息，智能單元通過GOOSE上送開關(guān)狀態(tài)給保護(hù)測控設(shè)備。保護(hù)測控裝置將保護(hù)動作信息及開關(guān)狀態(tài)信息通過MMS上送測試儀（模擬變電站后臺）。測試儀還可通過MMS發(fā)送遙控分合閘命令，從而驗證保護(hù)測控裝置、智能單元執(zhí)行的正確性及時效性。

圖7　聯(lián)動測試

3.4時間同步裝置測試

對時間同步裝置的測試主要內(nèi)容：對時數(shù)據(jù)及報文的正確性檢驗，對時精度測試，同步和守時精度測試。測試儀可接入時間同步設(shè)備輸出的秒脈沖、IRIG-B、SNTP、IEEE 1588等進(jìn)行分析和時間信息的驗證。對時精度測試，如圖8左邊所示，測試儀和時間同步裝置都接入同一GPS時間源，將時間同步裝置輸出的PPS+串口或IRIG-B接入測試儀，測試儀計算出與本機(jī)時間的偏差以獲得時間同步裝置的對時精度。同步及守時精度測試，如圖8右邊所示，與合并單元的時間精確度測試類似，在測試儀和時間同步裝置保持同步信號和斷開同步信號2種情況下，分別測試同步精度和守時精度變化。

圖8　對時精度（左）和同步及守時精度測試（右）

3.5過程層網(wǎng)絡(luò)性能測試

過程層網(wǎng)絡(luò)連接過程層和間隔層，傳輸采樣值和GOOSE數(shù)據(jù)，要求高實時性和高可靠性，過程層網(wǎng)絡(luò)的性能將直接影響變電站的穩(wěn)定運行[8，9]。如圖9所示，將測試儀的光纖以太網(wǎng)口接入過程層交換機(jī)，模擬SMV和GOOSE數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，測試在不同的數(shù)據(jù)流量下交換機(jī)的吞吐量、丟包率，并選取一條或多條鏈路作為監(jiān)測鏈路計算其傳輸時延，從而對過程層網(wǎng)絡(luò)性能狀況進(jìn)行評估。

圖9　過程層網(wǎng)絡(luò)性能測試

4　結(jié)束語

本文針對智能變電站運行維護(hù)特點及現(xiàn)場測試需求，以簡化運行維護(hù)操作、提高運行維護(hù)便利性為出發(fā)點，研制出了一種具備多種測試功能的便攜式綜合測試儀。該測試儀能夠滿足變電站內(nèi)主要二次設(shè)備（智能單元、合并單元、保護(hù)測控設(shè)備等）、時間同步設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)測試等測試需求，實際測試應(yīng)用效果良好，能夠有效地提高工程測試及日常運行維護(hù)工作效率，具有較高的推廣價值。

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李澄（1970），男，江蘇無錫人，研究員級高級工程師，從事繼電保護(hù)、變電綜合自動化系統(tǒng)、時間同步等領(lǐng)域研究與項目開發(fā)工作；

陸玉軍（1972），男，江蘇句容人，高級工程師，從事變電站綜合自動化系統(tǒng)的開發(fā)及工程應(yīng)用工作；

王寧（1981），男，河北保定人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)相關(guān)研究與技術(shù)開發(fā)工作；

葛永高（1978），男，江蘇興化人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)相關(guān)研究與技術(shù)開發(fā)工作。

Development of Portable Integrated Tester for the Smart Substation

LI Cheng, LU Yujun, WANG Ning, GE Yonggao
(Jiangsu Frontier Electrical Power Technology Co.Ltd., Nanjing 211102, China)

Abstract：With the technical features of smart substation and the requirements of its operation and maintenance, the paper proposes a design scheme for a multi-functional portable integrated tester, and introduces its hardware design, interface design, function design. The tester is suitable for a variety of test applications in smart substation, for example, secondary equipment test, time synchronization device test, substation network test, etc. It has a certain reference value to enhances the convenience and improve the efficiency of operation and maintenance of smart substation.

Key words：smart substation; portable integrated tester; secondary equipment test; synchronization system test; network test

作者簡介：

收稿日期：2015-11-05；修回日期：2015-12-27

中圖分類號：TM71；TM932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0019-04