丁建忠1，石  慧2，王志華3

　　(1.無錫供電公司，江蘇 無錫214000；2.揚州供電公司，江蘇 揚州225000；3.武漢凱默電氣有限公司，湖北 武漢430223)

摘  要： 本文首先分析了智能變電站與傳統(tǒng)變電站之間的差異，以及智能變電站發(fā)展趨勢、運維內(nèi)容和功能需求；其次，針對智能變電站的這些特點，從功能、硬件、軟件實現(xiàn)幾個方面介紹了一種便攜手持式智能變電站運維調(diào)試設(shè)備的研制，該手持運維調(diào)試設(shè)備集成了SV、GOOSE發(fā)送及接收監(jiān)測等多種實用功能。經(jīng)智能變電站的現(xiàn)場調(diào)試，該設(shè)備支持跨間隔移動檢修，現(xiàn)場適應(yīng)能力強，符合當(dāng)前智能變電站運維調(diào)試設(shè)備輕型化、多功能化的需求。

關(guān)鍵詞： 智能變電站；自動化系統(tǒng)；運維調(diào)試；手持式調(diào)試設(shè)備

0 引言

　　近年來，智能變電站[1-7]迎來了快速的發(fā)展。新建變電站大多按智能化變電站設(shè)計建設(shè)，同時常規(guī)變電站也逐步進行智能化改造。智能變電站數(shù)據(jù)從源頭進行數(shù)字化，真正實現(xiàn)了信息集成、網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)了一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化[1，4，5]，使得全站數(shù)據(jù)、信息、狀態(tài)的傳輸更完整、更可靠，實時性大幅提高，智能變電站可分層實現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動化功能。同時，借助于變電站與變電站之間、變電站與調(diào)度中心之間交互信息的統(tǒng)一與功能層次化的劃分，可以在全網(wǎng)范圍內(nèi)擴展高級應(yīng)用，提高電網(wǎng)的整體運行水平。

　　變電站的安裝調(diào)試、日常運行維護，是變電站安全運行的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)變電站經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展和積累，已經(jīng)形成了一整套成熟的安全運行機制和運維測試技術(shù)和方法。但對于智能化變電站來說，由于一次設(shè)備信號變換、信號采集、控制方式，以及信號傳輸方式、全站通信網(wǎng)絡(luò)模型等方面均發(fā)生了較大變化，常規(guī)變電站運維測試技術(shù)與調(diào)試設(shè)備已不能滿足智能變電站的發(fā)展需求。

　　目前國內(nèi)外有關(guān)智能變電站的運維調(diào)試設(shè)備技術(shù)及運維調(diào)試規(guī)范仍然處于摸索階段，智能變電站運維策略、二次設(shè)備的檢修、檢驗方法以及智能變電站集成化測試技術(shù)等都是重點研究方向。與此同時，對于便攜式數(shù)字化運行維護調(diào)試工具的需求也日漸迫切。本文研究正是在這一背景下展開，針對智能變電站二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的特點，以及光數(shù)字保護裝置、MU、智能終端等設(shè)備特點和規(guī)律，研究了智能變電站自動化系統(tǒng)的運行維護及調(diào)試技術(shù)，并研制出了一種高效的便攜手持式智能變電站運維調(diào)試、故障診斷分析設(shè)備。

1 智能變電站運維調(diào)試

　　1.1 智能變電站與常規(guī)變電站的比較

　　常規(guī)變電站以互感器為界，具有清晰的一次、二次系統(tǒng)概念。二次系統(tǒng)中的信號通過電纜連接，其中包括電壓/電流等電氣量，溫度、壓力等非電氣量，以及保護跳/合閘信號、接點狀態(tài)等開關(guān)量，這些信號在不同的自動化裝置中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，彼此相互獨立。而智能變電站中的電壓、電流在電子采集模塊中進行采樣，通過光纖將采集量傳送至合并單元(或者在合并單元中完成數(shù)據(jù)采集)，合并單元將合并后的信號通過光纖按IEC61850標準規(guī)約傳送至保護IED、測控IED及其他智能IED。此外，智能變電站采用GOOSE報文通過網(wǎng)絡(luò)傳輸開關(guān)量信號[8]，通過智能終端操作傳統(tǒng)斷路器，對斷路器進行跳合閘操作。智能變電站逐步建立了站內(nèi)全景數(shù)據(jù)的統(tǒng)一信息共享平臺，相對于常規(guī)變電站而言，智能變電站信息交互體系克服了常規(guī)變電站諸多不足。

　　智能變電站與常規(guī)變電站相比具有諸多優(yōu)勢，但對變電站的運行維護、安裝調(diào)試等方面也帶來了新的變革與挑戰(zhàn)。智能變電站中電壓、電流、頻率等遙信電氣量無法再通過傳統(tǒng)數(shù)字或指針式萬用表讀?。粩嗦菲鞣趾?、保護動作等遙測開關(guān)量無法再通過直觀的傳統(tǒng)表計通斷來獲得；常規(guī)變電站一一對應(yīng)的二次接線在智能變電站中變成了工程和通信配置內(nèi)容，且二次系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，這些都給智能變電站安裝調(diào)試、運行維護、故障檢修等增加了新的內(nèi)容。

　　1.2 智能變電站運維調(diào)試主要內(nèi)容

　　Q/GDW383-2009《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定了智能變電站調(diào)試工具或系統(tǒng)的基本功能：滿足測試簡便、分析準確、結(jié)果清晰、間隔檢修和移動檢修的要求[2]。在Q/GDW431-2010《智能變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試導(dǎo)則》中則規(guī)定了新建、改建和擴建智能變電站自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試工作，并將智能變電站自動化系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)[3]。這兩個導(dǎo)則對于智能變電站的運行維護調(diào)試具有重要參考意義。除此之外，智能變電站全站配置文件[2-3]包含了所有IED的實例配置和通信參數(shù)、IED之間的通信配置與互聯(lián)關(guān)系、變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及版本修改信息等內(nèi)容，智能變電站運維調(diào)試應(yīng)包含全站配置文件系統(tǒng)的更新及維護管理。

　　智能變電站運維調(diào)試工作主要針對各子系統(tǒng)及全站配置文件系統(tǒng)進行，需要明確各系統(tǒng)維護要求、檢驗指標、作業(yè)流程和方法，以及運維調(diào)試工具，并區(qū)分日常巡檢運維、定期運維、異常處理運維等三種情況。除全站配置文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)外，智能變電站其余子系統(tǒng)的運維調(diào)試可參考常規(guī)變電站相關(guān)系統(tǒng)的運維調(diào)試流程及方法，結(jié)合智能變電站相應(yīng)的測試設(shè)備進行。采樣值系統(tǒng)需要額外對合并單元進行運行維護，檢驗合并單元是否工作正常[6]。智能變電站自動化系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)平臺依賴程度高，全站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的運行維護是智能變電站運維的重點，運維內(nèi)容主要包括網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)工況的檢查；網(wǎng)絡(luò)報文記錄系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀所捕捉的異常事項的分析處理；網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)評估等。

2 手持式運維調(diào)試設(shè)備的研制

　　智能變電站運維調(diào)試設(shè)備目前主要借助于光數(shù)字繼電保護測試儀進行相關(guān)調(diào)試工作，且設(shè)備移動性差，國內(nèi)外未見采用手持式結(jié)構(gòu)的智能變電站測試設(shè)備的應(yīng)用。手持式運維調(diào)試設(shè)備具有攜帶方便、測試簡便快捷的優(yōu)點，可廣泛用于智能變電站運維調(diào)試、安裝調(diào)試、故障檢修等場合。本文結(jié)合智能變電站二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的特點，首次采用手持式結(jié)構(gòu)設(shè)計智能變電站光數(shù)字運維調(diào)試設(shè)備，并根據(jù)智能變電站的特點，研制了一種適應(yīng)智能變電站的手持式運維調(diào)試設(shè)備。

　　2.1 功能設(shè)計

　　智能變電站自動化系統(tǒng)運維調(diào)試設(shè)備需考慮各子系統(tǒng)運維調(diào)試功能需求，主要包括：全站配置文件解析和測試實例配置，網(wǎng)絡(luò)報文記錄及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實時監(jiān)測，數(shù)字示波及分析，繼電保護測試，網(wǎng)絡(luò)信號監(jiān)測，報文測試，光纜衰耗、光功率測試，時間同步測試，采樣值系統(tǒng)測試。智能變電站實現(xiàn)了統(tǒng)一的通信共享平臺，采用IEC61850標準通信規(guī)約，運維調(diào)試設(shè)備是上述多種功能需求的集合[8-11]。為滿足智能變電站移動檢修的需求，運維調(diào)試設(shè)備采用便攜手持式結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對以上運維調(diào)試需求，設(shè)計本手持式運維調(diào)試設(shè)備功能如下：

　　(1)數(shù)字示波及分析功能：實時偵聽接收并顯示采樣值SV報文波形、有效值、相量、序量、功率、諧波等信息，支持故障錄波；實時偵聽接收并顯示GOOSE報文開關(guān)量狀態(tài)和變位信息；采樣值SV報文、GOOSE報文監(jiān)測。

　　(2)SV報文發(fā)送功能：模擬合并單元MU發(fā)送IEC61850-9-1/2、IEC60044-8采樣值SV報文，測試保護、測控及其他IED設(shè)備是否正常接收以及是否工作正常；按一定序列輸出采樣值SV報文模擬多個狀態(tài)測試上述IED設(shè)備是否工作正常。

　　(3)GOOSE報文發(fā)送功能：測試智能終端是否正確接收GOOSE報文，是否動作正常。

　　(4)對時信號及IEEE1588報文監(jiān)測功能：測試時間同步系統(tǒng)是否正常發(fā)送對時信號與對時報文。

　　(5)極性及核相測試：通過合并單元輸出信號支持直流法進行互感器極性測試，通過接入不同合并單元數(shù)據(jù)，設(shè)計母線電壓核相或者變壓器各側(cè)電壓相位核對。

　　(6)雙AD及采樣值品質(zhì)位異測試：模擬合并單元雙AD不一致、置檢修、置運行、失步等異常工況進行測試。

　　2.2 設(shè)備實現(xiàn)

　　2.2.1 硬件設(shè)計

　　基于2.1節(jié)中的功能需求，本文設(shè)計研制的手持式運維調(diào)試設(shè)備硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用高性能32位嵌入式CPU系統(tǒng)和大規(guī)模FPGA實現(xiàn)上述運維調(diào)試功能。對外設(shè)計3組光以太網(wǎng)口、2組光串口、1個SD卡接口和1個充電接口。光以太網(wǎng)口實現(xiàn)IEC61850-9-1/2采樣值SV報文、GOOSE報文的發(fā)送與接收，以及IEEE1588對時報文接收，本文設(shè)計3組光以太網(wǎng)口可兼顧變壓器多側(cè)核相，變壓器及母差保護快捷測試。光串口實現(xiàn)IEC60044-8采樣值SV報文的發(fā)送與接收，同時可復(fù)用接收光IRIG-B碼報文。SD卡接口實現(xiàn)全站配置文件的導(dǎo)入，完成測試工程實例配置，并可導(dǎo)入導(dǎo)出故障錄波文件。手持式運維調(diào)試設(shè)備采用鋰電池供電，方便現(xiàn)場實現(xiàn)移動測試。

　　本文所述手持設(shè)備在智能變電站接入示意圖如圖2所示。圖2為直采直跳模式下220 kV電壓等級單間隔設(shè)備連接示意圖，本文手持式運維調(diào)試設(shè)備可接入過程層網(wǎng)絡(luò)或直接和IED設(shè)備連接實現(xiàn)現(xiàn)場測試，可適應(yīng)智能變電站三網(wǎng)合一模式、直采直跳模式以及集中式保護測控等多種智能變電站模式，完成采樣值系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的光纖鏈路、通信配置、功能測試、系統(tǒng)傳動等多種調(diào)試。

　　智能變電站中電壓、電流信號經(jīng)互感器變換后在電子采集模塊或合并單元中完成數(shù)據(jù)采集并形成光數(shù)字報文，在組網(wǎng)模式下經(jīng)光以太網(wǎng)交換機接入智能變電站保護IED、測控IED、計量及其他IED設(shè)備實現(xiàn)保護、測控等功能。在點對點模式下，合并單元數(shù)據(jù)直接接入保護IED、測控IED、計量及其他IED設(shè)備。斷路器跳、合閘命令、斷路器位置信號均采用GOOSE報文傳輸。具體信號轉(zhuǎn)換及傳輸情況如圖3所示。

　　2.2.2 軟件設(shè)計

　　本文所述手持式運維調(diào)試設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)和多線程程序設(shè)計，主要由用戶界面線程、后臺工作線程、通信監(jiān)聽線程、報文發(fā)送線程、報文接收線程等組成。用戶界面線程負責(zé)管理界面顯示、設(shè)置和用戶鍵盤人機操作；后臺工作線程負責(zé)各線程的協(xié)調(diào)管理；通信監(jiān)聽線程自動偵聽對外接口通信消息；報文發(fā)送線程負責(zé)報文的發(fā)送，采用中斷機制實現(xiàn)報文等間隔發(fā)送；報文接收線程實現(xiàn)報文的連續(xù)接收；錄波與文件存儲線程負責(zé)錄波數(shù)據(jù)的記錄與存儲。

　　2.3 設(shè)備功能優(yōu)勢

　　當(dāng)前智能變電站運維調(diào)試設(shè)備少，主要借助于光數(shù)字繼電保護測試儀，且側(cè)重于光數(shù)字信號的發(fā)送，外接電源供電，體積重量大。本文提出的手持式智能變電站運維調(diào)試設(shè)備與傳統(tǒng)調(diào)試設(shè)備相比，具有諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　（1）自適應(yīng)光串口解碼及編碼技術(shù)

　　國內(nèi)光數(shù)字測試設(shè)備針對光IRIG-B碼與IEC60044-8(FT3)，采用單獨的光串口，經(jīng)測量，每增加1個光串口，功耗增加約0.4 W，約占本文產(chǎn)品總功耗的10%，減少光串口數(shù)量對于延長產(chǎn)品正常工作時間、降低產(chǎn)品散熱等具有積極的影響。本文所研制手持設(shè)備采用自適應(yīng)光串口解碼及編碼技術(shù)，支持復(fù)用接收IEC60044-8(FT3)采樣值報文和光IRIG-B碼對時報文，減少了運維調(diào)試設(shè)備接口數(shù)量和功耗。手持式產(chǎn)品的接口數(shù)量與功耗成正比，但與正常工作時間是矛盾的，采用自適應(yīng)光串口解碼及編碼技術(shù)，能夠有效提高產(chǎn)品正常工作時間，增強產(chǎn)品現(xiàn)場適應(yīng)能力。

　?。?）基于SCD文件的測試實例“即插即連”配置技術(shù)

　　目前，智能變電站光數(shù)字繼電保護測試儀仍需要從大量的待測設(shè)備中選擇查找測試對象，測試便捷性較差。采用基于SCD文件的測試實例“即插即連”配置技術(shù)，實現(xiàn)智能變電站設(shè)備調(diào)試快捷配置，簡化測試配置過程，提高測試便捷性和智能化水平。智能變電站SCD文件包含了各二次設(shè)備自我描述和互聯(lián)通信參數(shù)，本文研究的手持設(shè)備基于各智能IED設(shè)備APPID唯一性的特點，通過與待測設(shè)備的連接，實現(xiàn)測試自動配置，大大簡化了測試配置過程，現(xiàn)場適應(yīng)能力強。

　?。?）極性測試技術(shù)

　　傳統(tǒng)的互感器極性測量主要借助于互感器校驗儀實現(xiàn)。為了對現(xiàn)場電壓互感器和電流互感器進行技術(shù)性能的檢定，互感器校驗儀必須與相關(guān)設(shè)備構(gòu)成一套完整的全自動互感器校驗裝置。由于互感器校驗儀的性能指標與相關(guān)設(shè)備之間存在著密切的技術(shù)關(guān)聯(lián)，因此操作繁瑣，缺乏靈活性。本文中極性測試技術(shù)基于直流法極性測試原理，可經(jīng)合并單元直接測量電子式電流互感器、傳統(tǒng)電磁式電流互感器保護與測量繞組極性，大大減少智能變電站電流互感器極性校核現(xiàn)場接線和工作量。

　　（4）基于硬件時標的測試技術(shù)

　　SV采樣值報文和開關(guān)量GOOSE報文是智能變電站最重要的信號[8]，是所有智能設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)，上述信號傳輸?shù)恼_性及發(fā)送機制是否正確，對智能變電站的安全運行具有舉足輕重的作用。國內(nèi)光數(shù)字測試類產(chǎn)品可測試SV報文離散度，但對于GOOSE開關(guān)量未見同類測試，本文產(chǎn)品采用硬件時標的方式實現(xiàn)SV采樣值、GOOSE開關(guān)量發(fā)送間隔的測試[12]，并采用圖形化方式顯示SV、GOOSE發(fā)送機制和變化過程，使得測試結(jié)果一目了然，便于及時查找與排除報文類故障。

　　2.4 現(xiàn)場測試

　　基于本文研制思路的智能變電站手持式運維調(diào)試設(shè)備已用于多個智能變電站現(xiàn)場測試，如江蘇首個110 kV何橋變、山東首個220 kV怡明示范站、湖北首個220 kV應(yīng)城變等。該測試設(shè)備可完成智能IED設(shè)備工程配置檢查、通信檢查；通過SV/GOOSE報文發(fā)送、接收校驗IED設(shè)備功能以及報文收發(fā)的正確性；可檢測時間同步系統(tǒng)是否正常發(fā)送對時報文，需要對時的IED設(shè)備是否正常接收及正確對時；可實現(xiàn)智能變電站光電式電流互感器、電磁式電流互感器保護繞組與測量繞組極性測試；可進行上電二次核相?，F(xiàn)場測試表明，手持式運維調(diào)試設(shè)備具有攜帶方便、配置及測試簡便快捷等優(yōu)點，非常適合智能變電站安裝調(diào)試和運行維護場合。

3 結(jié)束語

　　本文對比了智能變電站與常規(guī)變電站的區(qū)別，分析了智能變電站運維調(diào)試的基本內(nèi)容、運維調(diào)試設(shè)備的主要功能需求和研制思路，提出了一種智能變電站手持式運維調(diào)試設(shè)備的研制思路和實現(xiàn)方法。現(xiàn)場測試表明，手持式運維調(diào)試設(shè)備滿足攜帶方便、移動檢修的需求，配置及測試簡捷，非常適合智能變電站運行維護和安裝調(diào)試。該測試設(shè)備實現(xiàn)了對智能變電站的快捷高效調(diào)試、故障快速查找、定位等工作，提高了智能變電站建設(shè)、運維效率。本文研究、探索了智能變電站采樣值系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、智能IED設(shè)備的測試規(guī)范、測試內(nèi)容以及測試技術(shù)，形成一整套智能變電站的測試流程及規(guī)范具有重要的現(xiàn)場參考價值。

　　參考文獻

　　[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

　　[2] Q/GDW 383-2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].國家電網(wǎng)公司，2009.

　　[3] Q/GDW 431-2010 智能變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試導(dǎo) 則[S].國家電網(wǎng)公司，2010.

　　[4] 李孟超，王允平，李獻偉，等.智能變電站及技術(shù)特點分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(18)：59-62.

　　[5] 曹楠，李剛，王冬青.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方式的探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(5)：63-68.

　　[6] 王偉明，段雄英.基于FPGA的電子式互感器智能合并單元研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(2)：131-140.

　　[7] 段吉泉，段斌.變電站GOOSE報文在IED中的實時處理[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(11)：65-69.

　　[8] 宋喻，田麗平.IEC61850標準下合并單元的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(24)：146-149.

　　[9] 趙應(yīng)兵，周水斌，馬朝陽.基于IEC61850-9-2的電子式互感器合并單元的研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(6)：104-106.

　　[10] 張明珠，周欣潔.基于FPGA&ARM9合并單元的研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(9)：84-87.

　　[11] 周水斌，田志國，趙應(yīng)兵，等.滿足IEC61850要求的站用時鐘服務(wù)器[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(7)：56-58.

　　[12] 莊玉飛，黃琦，井實.基于GPS和IEEE-1588協(xié)議的時鐘同步裝置的研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(13)：111-115.