数字化变电站应用试验平台与测试方案新.doc

数字化变电站应用试验平台与测试方案新

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2020年4月19日
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数字化变电站应用试验平台与测试方案

数字化变电站系统是在现有综合自动化变电站的基础上将一次设备数字化，即数字化的互感器、智能化开关。将这些数字化了的一次设备经过IEC 61850协议纳入到整个数字化变电站体系中。数字化变电站系统是由站控层、间隔层、过程层三层设备所组成。站控层设备由传统意义上的后台监控系统、工程师站、远动服务器等构成。间隔层设备由按间隔对象配置的测控装置、保护装置、计量装置以及与接入其它智能设备的规约转换设备。单间隔设备有线路保护、测控装置、计量装置，跨间隔设备包括母线保护、故障录波、变压器保护等。过程层设备主要包括电子式电流电压互感器、智能一次设备等，现阶段智能化开关由传统开关+智能终端方式来实现开关设备智能化，电子式电流电压互感器采用罗氏线圈+激光供能的光电电流电压互感器来实现互感器设备的数字化。过程层设备具有自我检测、自我描述功能，支持IEC 61850过程层协议。传输介质采用光纤传输。

数字化变电站中合并单元作为底层基本处理单元，使变电站自动化系统出现了一种全新的数字通信装置，简化了二次设备装置的结构，现代变电站内的自动化装置大多是数字装置，传统的电磁互感器的模拟输出信号到这些数字装置需要经过采样保持、多路转换、A/D变换。电子式互感器送出的是全数字信号，可直接为数字装置所用，从而省去了这些装置的数字信号变换电路，简化了自动化装置的硬件结构，消除了测量数据传输中的系统误差。同时，由于GOOSE的使用，使传统保护装置中的出口继电器板被取消。

数字化变电站中广泛采用电子式互感器，与之配套使用的合并单元作为一个全新的装置出现在运行检修试验人员的面前。数字化变电站中的各种保护也与传统保护有了很大差别，主要是没有了传统的AD采样回路，取代它的是光纤接口板，变电站中采样值传输主要经过IEC61850-9-1/2,IEC60044-8协议进行数字量传输。跳合闸信息，开关量信息的传输则经过GOOSE网络进行。原有的测试手段已经不适合数字化变电站中数字化设备的测试。比如，数字化变电站中采样值传输是经过光纤，传统的万用表、钳表已经无法直接测量电流电压。同时，也无法直接测量保护输出的跳闸信号，开关量变位信号。数字化的电表也与传统电表有了巨大的差异，传统校验电流电压互感器的方法已经无法校验电子式电流电压互感器。因此，研究一种能对数字化变电站中的设备进行有效的测试、校验的办法非常有必要。

现阶段数字化变电站的发展已由理论研究走向工程实践的过程，为满足现今数字化变电站的现阶段的发展需求，数字化变电站的实施方案兼顾了技术的前瞻性与技术的实现性。数字化变电站的实施方案包括了从站控层到间隔层再到过程层的一系列满足数字化变电站特点的设备以及网架结构。根据数字化变电站的特点，现在的数字化变电站的实施主要分为三方面，一、站控层与间隔设备间的通信，二、采样数据的传输，三、开关智能终端与间隔层设备间的连接。在站控层与间隔设备间的通信主要体现在协议层，现在有IEC 61850协议和IEC 61870-5-103协议。后台系统应能同时支持这两种协议的的间隔层设备接入并能将一些不能走IEC 61850协议的设备经过规约转换器转换后接入后台监控系统。采样数据的传输采用IEC 61850-9-1点对点传输协议，跨间隔间采用IEC 60044-8传输协议中规定的高速串行FT3传输协议。开关智能终端与间隔层设备间的连接按照GOOSE报文进行传输，跨间隔间的传输采用GOOSE单独组网模式即所有开关量信息、跳闸信息以及跨间隔跳闸信息经过交换机相连分别送至各间隔设备和开关智能设备。

下面以一简单系统搭建数字化变电站平台，并对测试办法进行叙述。系统接线图如下：

其中设备主要功能如下：
OEMU702 为间隔合并器，完成对相应间隔电流采样，并接收来自PT合并器的FT3数据，处理后以IEC61850-9-1/2、IEC60044-8协议发送数据。
OEMU702-PT 为PT合并器，完成对母线PT电压的采样，并向间隔合并器发送FT3数据，FT3数据中包含电压采样信息，并同时以IEC61850-9-1/2、IEC60044-8协议发送数据。
XA701-W为室外开关智能终端，与GOOSE网络相连并完成开关的跳合闸，开关量信息的上送。
XA703-W为室外主变智能终端，与GOOSE网络相连，完成主变档位调节，开关量信息上送。
ECT为电子式电流互感器，EPT为电子式电压互感器。

对系统的保护测量进行如下配置，配置主后一体主变保护X7210，三侧测控装置XR700，2条进线分别配置光纤差动保护X7110,110KV母线保护X7700，进线、主变配置DTSD/DSSD1056数字式电度表。独配置XM701主变数据集中器装置，XM701母差数据集中器装置。

整个测试平台的联系图如下：

系统主要由三部分组成，由电子式互感器与合并单元组成的采样值传输系统，由合并单元与保护、测量、计量装置组成的采样系统，由保护装置，智能操作箱、交换机组成的GOOSE网络系统。下面分别对这三种系统的测试方法进行说明。

一． 电子式互感器与合并单元组成的采样值传输系统。
电子式互感器与合并单元输出的均为数字量，传统的互感器校验手段已经无法完成对其精度与极性的测试，因此我们需要一套全新的校验设备来满足光电互感器的校验需求。
XT761光电互感器校验仪是一种新型的光电校验仪，根据光电互感器的特点，采用了由美国National Instruments虚拟仪器公司的系列可编程6位半数字式万用表，配合NI公司的全新虚拟仪器界面设计软件Labview7.1，基于WINDOWS操作系统，经过不同的插件配合，它还能够兼容传统互感器的校验工作。其系统示意图如下：
电子式互感器测量系统框图

合并器
光电互感器
采集器
保护和测量线圈
传统互感器
标准源
经过LAN传输的数字信号
标准模拟信号
模拟量
采集通道
NI4070
计算比较
软件
数字量
采集通道
（网卡）
测试用计算机及板卡
同步信号脉冲

如图所示，模拟量采集方面采用了美国NI公司的NI4070六位半高精度万用表插件，搭配NI专用PXI总线的测量用PC，也可方便的应用于工业用PC机，数字量采集方面使用网卡接收合并器的数据报文，经过专用程序解析得到测量结果。使用NI公司的Labview软件的强大计算处理功能将两个通道的测试结果进行计算和比较，而且方便的在界面上显示。同时经过Labview界面还能够方便的集成测试报告生成、测试参数设置等等功能，测试前输入标准源的变比等参数，直接将测试结果以报告形式输出，从而避免了计算实验结果的麻烦过程，具有极高的自动化程度。
根据不同的需要还能够灵活配置两个采集通道，可将其设置为两个数字量通道比较（必须有相应的数字式标准源），或者两个模拟量通道比较（用于校验传统互感器），正因为如此，此套校验系统具有了极高的可配置性和使用方便等诸多优点。下面将详细介绍系统的各组成部分

1. NI4070 6½位数字式万用表：
该数字式万用表采用高精度时钟和高精度运放、AD转换对电压、电流等信号进行采样，最高采样率为1.8 MS/s 完全能够满足互感器校验需求。NI4070的最大测量电压为300V,测量以及同步信号输入端口采用镀金接口，保证了长期使用的可靠性。
同时NI4070还具有非常强大的自检测功能，能够根据不同的环境温度自动对AD转换进行补偿，从而避免了温漂对测量系统的影响，它还具有自稳零，ADC自校正等等保证测量精度的功能。经过编程能够实现最大140S的长时间数据记录。
2. 同步信号脉冲：
该同步脉冲的作用是将合并器的计数位清零，并同时触发NI4070开始采集，在采集系统中，同步脉冲上升沿时刻记为零时刻，而查找合并器被同步后发送过来的带有时标数据，计数器为零的数据能够看作零时刻的数据，用计算机将数据提取出来进行计算，同时将NI4070采集的数据进行相同的计算，这样就能够精确求得光电式互感器所产生的相差和比差等所需实验数据。
3. 采集器、合并器：
采集器在固定采样率（10kHz）下进行数据采集，同时不加延时的发送给合并器，合并器可同时接受12路采集器数据，并将这些数据每500uS压成一包，经过光纤或以太网输出，当合并器检测到同步脉冲时，自动将数据包中的计数位清零，而我们就能够根据计数位寻找同步脉冲发生的时刻的数据以供使用。
4. 数字量采集通道：
数字量采集通道为光纤或RJ45接口的以太网卡，如合并器输出为光纤输出，则将其信号转换为RJ45接口即可，方便接入校验仪使用。
5. Labview图形化编程软件：
该系统采用最新版Labview7.1图形化编程软件进行编程，该软件是美国国家仪器公司的创新产品─基于G语言的开发环境，配合NI公司的众多的采集测试板卡统称为“虚拟仪器”。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面均具有明显的技术优势。开发人员能够根据客户要求定制软件界面、功能。
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench─实验室虚拟仪器工程平台）是当前国际上首推应用最广的虚拟仪器开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于Windows 3.1/ 95/98、 Windows NT、Macintosh、UNIX等多种不同的操作系统平台。与传统程序语言不同，LabVIEW采用强大的图形化语言（G语言）编程，面向测试工程师而非专业程序员，编程非常方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点。

使用LabVIEW开发环境，用户能够创立32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试、测量等任务提供了更快的运行速度。LabVIEW是真正的编译器，用户能够创立独立的可执行文件，能够脱离开发环境而单独运行。
总之，该系统解决了现有的互感器校验设备不能校验新型数字式光电电流电压互感器的现状，而且兼容传统互感器测量功能，大大简化测试过程，全数字化处理，保证了测量的高精度和高可靠性。
其使用界面如下：

该系统还可将校验结果以文本方式保存，测试报告以“.lvm”的后缀名存储，用
Windows写字板即可打开。报告格式见下图：

二．过程层设备采样值数据与间隔层智能设备之间互操作性测试（基于61850标准）

（一） .由合并器与光电电度表组成的计量系统的校验
光电式电能表接收经过光纤以太网传送的数字化电流电压瞬时值，可保证计算出的各项电量值完全没有误差。由光电式电能表和数字式光电电流电压互感器构成的测量系统，电能测量的精度由提供输入的光电式互感器决定。

光电式电能表为全数字处理系统，获取的是已经数字化的电流电压瞬时值，电能表在电量计算的过程中理论上不产生误差，因此光电式电能表不再规定精度等级。测量系统的误差由数字式光电电流电压互感器决定。
1.1传统电能表/电磁式互感器构成的测量系统

图A1
图A1 传统电能表构成的测量系统
传统测量系统由电磁式模拟互感器、电能表经过电缆连接构成。假设电流、电压互感器、电能表均为0.2级，加上线缆传输误差，最终测量系统准确度为0.7。
1.2 光电式电能表/电子式电流电压互感器构成的测量系统

图A2 光电式电能表构成的测量系统
光电式电能表获取已数字化的电流电压瞬时值后，计算得到所需的电量值。由于数字计算过程理论上不会产生任何误差（实际可能产生的误差为浮点数运算时有效位误差，为计算机系统固有误差，与电能表型号无关，这种误差小于万分之一），因此不规定精度等级。

数字信号经光纤以太网传输，不受电磁波干扰，经过校验的数据无附加误差。

如图A2所示，整个测量系统的准确度由电子式互感器决定。假设数字式光电电流、电压互感器均为0.2级，最终测量系统的准确度为0.4，优于传统的测量系统。

由光电电度表的原理可知，光电电表的误差只与电子式互感器的精度以及本身对数据的处理有关。基于以上原理，我们使用一种新的校验方法，可解决对数字化光电电度表校验的问题。

“XT765 电能表校验仪”为全数字式电能表检验装置，具备光纤以太网接口，输出符合IEC61850-9-1标准格式的电流、电压数据，可用于具备IEC61850-9-1光纤以太网接口的全数字电能表的检定；输出电流电压数据根据配置决定，硬件上没有三相或单相的区别。

作为全数字电能表的校验装置，“XT765电能表校验仪”工作本质是校验数据传输误码率以及电能表电量计算的准确性。

“XT765电能表校验仪”的工作原理是按照IEC61850-9-1协议要求，XT765电能表校验仪输出电流电压给数字电能表，在接收到数字电能表输出的脉冲后并与自己计算出的电量进行比较，算出电表误差。下为校验仪的整体示意图：

校验仪接线图如下：

使用时，先对校验仪进行配置，然后开始校验。下图为配置界面：

测试界面如下：

与各厂家配合中广泛使用IEC61850-9-1协议，IEC61850-9-2协议也有配合。单间隔保护测控使用IEC61850-9-1点对点通讯方式，跨间隔保护比如母差、主变等使用数即集中器输出IEC61850-9-1报文。

(二)单间隔保护、测控等装置

线路保护的实现
使用协议：IEC61850-9-1 IEC61850-9-2 IEC60044-8

(三)跨间隔保护、测控等装置
主要包括主变保护、母差保护、备自投等装置。当与这些保护配合时大都使用数据集中器，由数据集中器向这些二次设备提供IEC61850-9-1数据。合并单元到数据集中器之间传输采用IEC60044-8协议，IEC60044-8协议具有延时时间固定，不依赖于同步信号工作的特点，适合跨间隔的保护等装置使用。也是经过合并器直接向保护装置传输IEC60044-8标准数字量，由保护装置自带的数据集中器实现数据处理。
跨间隔保护的实现方式1
此方式：数据集中器前端采用IEC60044-8协议传输，集中器输出IEC61850-9-1协议。主要是一些跨间隔设备，比如主变保护、母差保护、备自投、故障录波等。
跨间隔保护的实现方式2
此方式：间隔合并单元、PT合并单元等直接向保护装置输送IEC60044-8数据，由保护装置集中处理。设备包括主变保护、母差保护、故障录波等。

三． 过程层设备控制回路与间隔层智能设备之间G00SE联系的互操作性测试（基于61850标准）
3．1智能单元与间隔层保护及测控之间的GOOSE的互操作性测试
3．2智能单元与跨间隔设备如母差，故障录波器配合进行GOOSE的互操作性测试

间隔保护
交换机
智
能
终
端
间隔合并器

GOOSE
GOOSE
跨间隔保护
开
关
GOOSE

四． 间隔层设备与站控层设备之间的互操作测试（基于61850标准）
4．1 基于61850标准的模型测试
4．2 设备与后台之间的通讯互操作性测试

IED建模规范
逻辑设备划分原则
逻辑设备的划分宜依据功能进行，按以下几种类型进行划分：
l 公用LD，inst名为“LD0”
l 测量LD，inst名为“MEAS”
l 保护LD，inst名为“PROT”
l 控制及开入LD，inst名为“CTRL”
l 录波LD，inst名为“RCD”
在不影响正常功能的条件下，不宜划分过多LD。为使定值切换等操作简化，保护功能宜使用一个LD来表示。
也可采用单一LD的办法来构建逻辑设备，即逻辑设备对应物理设备。
LNodeType命名规则
a) 各厂家逻辑节点模版在IEC61850-7-4规定的逻辑节点类的基础上进行扩展。
b) 自定义LNodeType的 id名称格式为：[厂家名称]_[前缀]_[LN类名]。前缀不要超过两级，前缀之间也采用“_”分隔；前缀建议采用4位汉语拼音字母表示功能缩写，尽量不要出现装置型号。如：XNGD_FYFX_PTOC（新宁光电_复压方向_过流保护）。
c) 如GGIO之类的公用LN类，自定义LNodeType的id名称可采用如下格式：[厂家名称]_[前缀]_[LN类名+数字] XNGD_TYGJ_GGIO(新宁光电_通用告警_GGIO)
LN实例命名规则
a) 建议LN添加汉语拼音缩写描述的功能作为前缀，保护功能分段使用实例号表示，如不分段则为1，实例号从1开始编号。如：XJJLPDIS2(相间距离_PDIS_2段)
b) 建议LN实例由其类型结合前缀、实例号进行区分。
数据类型定义
由公用数据类型派生的特殊数据类型命名规定：[厂家名称]_[前缀]_[公用数据类型名]，例如：XNGD_Mod_INC
数据集
测控装置预定义下列数据集，前面为数据集描述，括号中为数据集名：
a) dsAin：遥测
b) dsDin：遥信
c) dsAlarm：故障信号
d) dsWarning：告警信号
e) dsCtrl：遥控输出
f) dsLockOut：联锁输出
g) dsLockIn：联锁数据
h) dsCommState：通信工况
i) dsParam：装置参数
j) dsGseComms：GOOSE通讯状态
保护装置预定义下列数据集，前面为数据集描述，后面为数据集名：
a) dsTrip：保护动作
b) dsRelayDin：保护遥信
c) dsRelayEna：保护压板
d) dsRelayRcd：保护录波
e) dsRelayAin：保护遥测
f) dsAlarm：故障信号
g) dsWarning：告警信号
h) dsCommState：通信工况
i) dsParam：装置参数
j) dsSetting：保护定值
k) dsGseComms：GOOSE通讯状态
l) dsGOOSERx0：GOOSE接收信号，如果需要多个GOOSE数据集时，数据集名依次为dsGOOSERx0、dsGOOSERx1、dsGOOSERx2……
m) dsGOOSETx0：GOOSE发送信号，如果需要多个GOOSE数据集时，数据集名依次为dsGOOSETx0、dsGOOSETx1、dsGOOSETx2……（Tx去掉，改为：dsGOOSE0，GOOSE接收不论）
系统组态软件应支持对各个装置的数据集包含的数据进行增减。
报告控制块命名
a) RCBName采用将数据集名的ds替换为报告类型，如发送dsDin的缓存报告命名为brcbDin，非缓存报告命名为urcbDin。
b) 在IED中建议RptId唯一标识，具体方法能够为LD/LLN0.RCBName，如LD为PROT的brcbDin报告，其RptId为PROT/LLN0. brcbDin。
GOOSE控制块命名
将数据集名的ds替换为gs，如发送dsCtrl的GOOSE命名为gsCtrl。
控制模式
a) 信号复归采用直接控制方式。
b) 软压板、断路器、隔离开关、变压器分接头采用增强型SBO遥控，即SelectWithValue,Cancel,Operate。
GOOSE通讯状态监视
GOOSE通信中断须送出告警信号，设置网络断链告警，装置设置GOOSE报警虚遥信。在接收报文的允许生存时间（Time Allow to live）的1.1倍时间内没有收到下一帧GOOSE报文时判断为中断。双网通信时须分别设置双网的网络断链告警。
GOOSE分集发送
a) 智能终端发送的GOOSE数据集分为两个GOOSE数据集，其中一个包含开关位置、刀闸位置等保护用GOOSE信号；第二个数据集包含各种位置和报警信息，供测控使用。
b) 保护启动信号、跳闸信号两个Goose报文分别发送。如保护测控装置一体化设计则GOOSE数据集分为启动信号、跳闸信号、控制信号三个GOOSE报文发送。

五．整个变电站系统测试。
结合过程层设备 间隔层设备 以及站控层设备 整体联系进行模拟故障实验，检验前3项测试的正确性。如下图所示：

以下是参与测试的保护装置型号：
X7220系列数字式变压器保护装置（南京新宁）
PCS-978变压器保护装置（南瑞继保）
NS3691差动 NS3695后备保护（南瑞科技）

X7110系列数字式线路保护装置（南京新宁）
PCS-941输电线路成套保护装置（南瑞继保）
CSC-103B线路保护装置（四方）

X7700数字式母线保护装置（南京新宁）
BP-2C母差保护装置（深圳南瑞）
PCS-915M母线保护装置（南瑞继保）

XR700系列数字式综合测控装置（南京新宁）
PCS-9705测控装置（南瑞继保）
NS3500（南瑞科技）

后台 X7000监控系统（南京新宁）

总结：
经过以上方法，可对数字化变电站过程层、间隔层、站控层中的所有设备进行详细测试，保证变电站能安全可靠的运行。

重庆实验台设备清单
间隔合并器
1台
PT合并器
1台
主变保护
1台
线路保护
1台
母差保护
1台
电表
1
智能单元
1
测控装置
1
后台
1
光交换机
1台
光电保护测试仪
1台
互感器测试仪
1台
电表测试仪
1台
电流电压互感器
各1只