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變電站之間的差異，以及智能變電站發展趨勢、運維內容和功能需求；其次，針對智能變電站的這些特點，從功能、硬件、軟件實現幾個方面介紹了一種便攜手持式智能變電站運維調試設備的研制，該手持運維調試設備集成了SV、GOOSE發送及接收監測等多種實用功能。經智能變電站的現場調試，該設備支持跨間隔移動檢修，現場適應能力強，符合當前智能變電站運維調試設備輕型化、多功能化的需求。
關鍵詞： 智能變電站；自動化系統；運維調試；手持式調試設備
0 引言
近年來，智能變電站[1-7]迎來了快速的發展。新建變電站大多按智能化變電站設計建設，同時常規變電站也逐步進行智能化改造。智能變電站數據從源頭進行數字化，真正實現了信息集成、網絡通信及數據共享，實現了一次設備智能化，二次設備網絡化[1，4，5]，使得全站數據、信息、狀態的傳輸更完整、更可靠，實時性大幅提高，智能變電站可分層實現更多、更復雜的自動化功能。同時，借助于變電站與變電站之間、變電站與調度中心之間交互信息的統一與功能層次化的劃分，可以在全網范圍內擴展高級應用，提高電網的整體運行水平。
變電站的安裝調試、日常運行維護，是變電站安全運行的重要基礎。傳統變電站經過了數十年的發展和積累，已經形成了一整套成熟的安全運行機制和運維測試技術和方法。但對于智能化變電站來說，由于一次設備信號變換、信號采集、控制方式，以及信號傳輸方式、全站通信網絡模型等方面均發生了較大變化，常規變電站運維測試技術與調試設備已不能滿足智能變電站的發展需求。
目前國內外有關智能變電站的運維調試設備技術及運維調試規范仍然處于摸索階段，智能變電站運維策略、二次設備的檢修、檢驗方法以及智能變電站集成化測試技術等都是重點研究方向。與此同時，對于便攜式數字化運行維護調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備網絡化的特點，以及光數字保護裝置、MU、智能終端等設備特點和規律，研究了智能變電站自動化系統的運行維護及調試技術，并研制出了一種高效的便攜手持式智能變電站運維調試、故障診斷分析設備。
1 智能變電站運維調試
1.1 智能變電站與常規變電站的比較
常規變電站以互感器為界，具有清晰的一次、二次系統概念。二次系統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、接點狀態等開關量，這些信號在不同的自動化裝置中實現數據采集，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據采集)，合并單元將合并后的信號通過光纖按IEC61850標準規約傳送至保護IED、測控IED及其他智能IED。此外，智能變電站采用GOOSE報文通過網絡傳輸開關量信號[8]，通過智能終端操作傳統斷路器，對斷路器進行跳合閘操作。智能變電站逐步建立了站內全景數據的統一信息共享平臺，相對于常規變電站而言，智能變電站信息交互體系克服了常規變電站諸多不足。
智能變電站與常規變電站相比具有諸多優勢，但對變電站的運行維護、安裝調試等方面也帶來了新的變革與挑戰。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數字或指針式萬用表讀取；斷路器分合、保護動作等遙測開關量無法再通過直觀的傳統表計通斷來獲得；常規變電站一一對應的二次接線在智能變電站中變成了工程和通信配置內容，且二次系統相互關聯，這些都給智能變電站安裝調試、運行維護、故障檢修等增加了新的內容。
1.2 智能變電站運維調試主要內容
Q/GDW383-2009《智能變電站技術導則》規定了智能變電站調試工具或系統的基本功能：滿足測試簡便、分析準確、結果清晰、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現場調試導則》中則規定了新建、改建和擴建智能變電站自動化系統的現場調試工作，并將智能變電站自動化系統分為若干個子系統[3]。這兩個導則對于智能變電站的運行維護調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、IED之間的通信配置與互聯關系、變電站一次系統結構，以及版本修改信息等內容，智能變電站運維調試應包含全站配置文件系統的更新及維護管理。
智能變電站運維調試工作主要針對各子系統及全站配置文件系統進行，需要明確各系統維護要求、檢驗指標、作業流程和方法，以及運維調試工具，并區分日常巡檢運維、定期運維、異常處理運維等三種情況。除全站配置文件系統、網絡系統和網絡狀態監測系統外，智能變電站其余子系統的運維調試可參考常規變電站相關系統的運維調試流程及方法，結合智能變電站相應的測試設備進行。采樣值系統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對網絡平臺依賴程度高，全站網絡系統和網絡狀態監測系統的運行維護是智能變電站運維的重點，運維內容主要包括網絡介質、網絡工況的檢查；網絡報文記錄系統或網絡記錄分析儀所捕捉的異常事項的分析處理；網絡運行狀態評估等。
2 手持式運維調試設備的研制
智能變電站運維調試設備目前主要借助于光數字繼電保護測試儀進行相關調試工作，且設備移動性差，國內外未見采用手持式結構的智能變電站測試設備的應用。手持式運維調試設備具有攜帶方便、測試簡便快捷的優點，可廣泛用于智能變電站運維調試、安裝調試、故障檢修等場合。本文結合智能變電站二次設備網絡化的特點，首次采用手持式結構設計智能變電站光數字運維調試設備，并根據智能變電站的特點，研制了一種適應智能變電站的手持式運維調試設備。
2.1 功能設計
智能變電站自動化系統運維調試設備需考慮各子系統運維調試功能需求，主要包括：全站配置文件解析和測試實例配置，網絡報文記錄及網絡狀態實時監測，數字示波及分析，繼電保護測試，網絡信號監測，報文測試，光纜衰耗、光功率測試，時間同步測試，采樣值系統測試。智能變電站實現了統一的通信共享平臺，采用IEC61850標準通信規約，運維調試設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，運維調試設備采用便攜手持式結構設計，針對以上運維調試需求，設計本手持式運維調試設備功能如下：
(1)數字示波及分析功能：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報文開關量狀態和變位信息；采樣值SV報文、GOOSE報文監測。
(2)SV報文發送功能：模擬合并單元MU發送IEC61850-9-1/2、IEC60044-8采樣值SV報文，測試保護、測控及其他IED設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報文模擬多個狀態測試上述IED設備是否工作正常。
(3)GOOSE報文發送功能：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報文監測功能：測試時間同步系統是否正常發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據，設計母線電壓核相或者變壓器各側電壓相位核對。
(6)雙AD及采樣值品質位異測試：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 設備實現
2.2.1 硬件設計
基于2.1節中的功能需求，本文設計研制的手持式運維調試設備硬件原理結構如圖1所示，采用高性能32位嵌入式CPU系統和大規模FPGA實現上述運維調試功能。對外設計3組光以太網口、2組光串口、1個SD卡接口和1個充電接口。光以太網口實現IEC61850-9-1/2采樣值SV報文、GOOSE報文的發送與接收，以及IEEE1588對時報文接收，本文設計3組光以太網口可兼顧變壓器多側核相，變壓器及母差保護快捷測試。光串口實現IEC60044-8采樣值SV報文的發送與接收，同時可復用接收光IRIG-B碼報文。SD卡接口實現全站配置文件的導入，完成測試工程實例配置，并可導入導出故障錄波文件。手持式運維調試設備采用鋰電池供電，方便現場實現移動測試。
本文所述手持設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電壓等級單間隔設備連接示意圖，本文手持式運維調試設備可接入過程層網絡或直接和IED設備連接實現現場測試，可適應智能變電站三網合一模式、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、保護系統、網絡通信系統、時間同步系統、監控系統的光纖鏈路、通信配置、功能測試、系統傳動等多種調試。
智能變電站中電壓、電流信號經互感器變換后在電子采集模塊或合并單元中完成數據采集并形成光數字報文，在組網模式下經光以太網交換機接入智能變電站保護IED、測控IED、計量及其他IED設備實現保護、測控等功能。在點對點模式下，合并單元數據直接接入保護IED、測控IED、計量及其他IED設備。斷路器跳、合閘命令、斷路器位置信號均采用GOOSE報文傳輸。具體信號轉換及傳輸情況如圖3所示。
2.2.2 軟件設計
本文所述手持式運維調試設備軟件結構如圖4所示，采用Linux嵌入式操作系統和多線程程序設計，主要由用戶界面線程、后臺工作線程、通信監聽線程、報文發送線程、報文接收線程等組成。用戶界面線程負責管理界面顯示、設置和用戶鍵盤人機操作；后臺工作線程負責各線程的協調管理；通信監聽線程自動偵聽對外接口通信消息；報文發送線程負責報文的發送，采用中斷機制實現報文等間隔發送；報文接收線程實現報文的連續接收；錄波與文件存儲線程負責錄波數據的記錄與存儲。
2.3 設備功能優勢
當前智能變電站運維調試設備少，主要借助于光數字繼電保護測試儀，且側重于光數字信號的發送，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試設備與傳統調試設備相比，具有諸多優勢，主要體現在以下幾個方面：
（1）自適應光串口解碼及編碼技術
國內光數字測試設備針對光IRIG-B碼與IEC60044-8(FT3)，采用單獨的光串口，經測量，每增加1個光串口，功耗增加約0.4 W，約占本文產品總功耗的10%，減少光串口數量對于延長產品正常工作時間、降低產品散熱等具有積極的影響。本文所研制手持設備采用自適應光串口解碼及編碼技術，支持復用接收IEC60044-8(FT3)采樣值報文和光IRIG-B碼對時報文，減少了運維調試設備接口數量和功耗。手持式產品的接口數量與功耗成正比，但與正常工作時間是矛盾的，采用自適應光串口解碼及編碼技術，能夠有效提高產品正常工作時間，增強產品現場適應能力。
（2）基于SCD文件的測試實例“即插即連”配置技術
目前，智能變電站光數字繼電保護測試儀仍需要從大量的待測設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，實現智能變電站設備調試快捷配置，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備自我描述和互聯通信參數，本文研究的手持設備基于各智能IED設備APPID唯一性的特點，通過與待測設備的連接，實現測試自動配置，大大簡化了測試配置過程，現場適應能力強。
（3）極性測試技術
傳統的互感器極性測量主要借助于互感器校驗儀實現。為了對現場電壓互感器和電流互感器進行技術性能的檢定，互感器校驗儀必須與相關設備構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設備之間存在著密切的技術關聯，因此操作繁瑣，缺乏靈活性。本文中極性測試技術基于直流法極性測試原理，可經合并單元直接測量電子式電流互感器、傳統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場接線和工作量。
（4）基于硬件時標的測試技術
SV采樣值報文和開關量GOOSE報文是智能變電站最重要的信號[8]，是所有智能設備正常工作的基礎，上述信號傳輸的正確性及發送機制是否正確，對智能變電站的安全運行具有舉足輕重的作用。國內光數字測試類產品可測試SV報文離散度，但對于GOOSE開關量未見同類測試，本文產品采用硬件時標的方式實現SV采樣值、GOOSE開關量發送間隔的測試[12]，并采用圖形化方式顯示SV、GOOSE發送機制和變化過程，使得測試結果一目了然，便于及時查找與排除報文類故障。
2.4 現場測試
基于本文研制思路的智能變電站手持式運維調試設備已用于多個智能變電站現場測試，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應城變等。該測試設備可完成智能IED設備工程配置檢查、通信檢查；通過SV/GOOSE報文發送、接收校驗IED設備功能以及報文收發的正確性；可檢測時間同步系統是否正常發送對時報文，需要對時的IED設備是否正常接收及正確對時；可實現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。現場測試表明，手持式運維調試設備具有攜帶方便、配置及測試簡便快捷等優點，非常適合智能變電站安裝調試和運行維護場合。
3 結束語
本文對比了智能變電站與常規變電站的區別，分析了智能變電站運維調試的基本內容、運維調試設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試設備的研制思路和實現方法。現場測試表明，手持式運維調試設備滿足攜帶方便、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試。該測試設備實現了對智能變電站的快捷高效調試、故障快速查找、定位等工作，提高了智能變電站建設、運維效率。本文研究、探索了智能變電站采樣值系統、時間同步系統、通信系統、智能IED設備的測試規范、測試內容以及測試技術，形成一整套智能變電站的測試流程及規范具有重要的現場參考價值。
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