张婷娟，王　涛，黄　鹰

(1.国网黑龙江省电力公司 伊春供电公司运维检修部，黑龙江 伊春 153000；2.济南置真电气有限公司，山东 济南 250013；3.伊春市工程质量监督管理站，黑龙江 伊春 153000)



智能变电站小电流接地选线装置测试仪的研究与设计

张婷娟1，王涛2，黄鹰3

(1.国网黑龙江省电力公司 伊春供电公司运维检修部，黑龙江 伊春 153000；2.济南置真电气有限公司，山东 济南 250013；3.伊春市工程质量监督管理站，黑龙江 伊春 153000)

摘要：随着智能变电站应用，基于IEC61850标准的继电保护装置将成为变电站自动化技术的发展趋势。介绍了基于IEC61850标准的小电流接地选线装置的特点以及总结了目前人工测试现状，提出了以智能自动化测试仪为主要平台的自动测试系统的设计方案。实际应用效果表明，系统对提高智能变电站小电流接地选线装置的测试效率、规范选线装置测试过程具有较高的使用价值。

关键词：IEC-61850；小电流接地；继电保护测试；选线装置

0引言

目前基于IEC-61850 标准的智能变电站技术已经逐渐成熟并有迅速替代传统变电站自动化技术的趋势，并且已经从500 kV、220 kV逐渐向110 kV、35 kV推进。单相接地故障是配电网中出现概率最高的故障类型，快速准确地选出故障线路对提高智能变电站的供电可靠性具有重要意义。对于电压等级110 kV及以下等级的智能变电站，小电流接地选线装置是智能变电站二次设备的重要组成部分。

常规变电站的小电流接地故障选线实现方案是所有线路的零序电流和母线的零序电压通过二次电缆接入选线装置，选线装置进行数据采集，然后主CPU进行数据存贮及分析计算，选线结果上报综自后台或者调度中心。在智能变电站中二次系统的结构是IEC-61850体系下的“三层两网”结构，智能变电站大量采用光缆代替电缆。IEC61850-9-2标准实现了数字信号网络化通信方式，各个间隔的合并单元得到电子式互感器采集到的电压电流信号，转换成数字信号后，通过光纤传送到交换机上，二次设备通过交换机获取数据并进行处理。对于小电流接地选线装置来说，选线装置只需具备一个光纤接口或者网口就可以获取数据，并将分析处理后的选线结果通过另外一个光纤接口或者网口连接站控层网，并上报至综自[1-2]。

传统变电站对于小电流接地选线装置的现场测试一般采用继电保护测试仪[3]进行测试的方式。小电流接地选线装置接入继电保护测试仪输入的多路电压电流信号进行数据采集分析判断输出结果。通过对结果比对，验证小电流接地选线装置的功能。但是对于智能变电站，传统的继电保护测试仪无法输出符合IEC61850标准的数字信息，因此无法完成测试功能。

目前市场上己经有数字化测试仪产品，其设计思想遵循传统继电保护测试仪模拟故障的仿真算法，输出上采用了光纤数据输出取代了电气量仿真，保护动作时间由GOOSE跳闸信号计算得出，其功能满足基于IEC-61850标准的普通继电保护装置测试的需要[4-7 ]。

但与传统继电保护装置测试相比，数字化测试仪对继电保护装置的测试方法没有发生大的变化，对于智能变电站小电流接地选线装置的功能测试仍然无法满足，需要进一步改进提高。

本文提出了一种智能变电站小电流接地选线装置测试仪，该仪器能够实现对基于IEC-61850-2标准的小电流接地选线装置的功能性测试。

1小电流接地选线装置测试的基本要求

目前，国内继电保护装置检测主要依据IEC60255系列标准和GB/T14047国家标准进行。一般的继电保护装置从研发到使用一般要经四个阶段：研发测试、入网测试、生产检测和现场校验四个过程[8]。

在研发测试阶段，基于电力系统继电保护安全性考虑和嵌入式系统的特殊性，继电保护产品测试极为严格，一般通过组建实时仿真系统，对装置进行自动、实时的系统测试。在生产和现场检测中，测试任务主要是检测装置的硬件、动作性能、保护功能以及其他一般性检测项目。入网测试主要根据国家标准和行业标准进行功能和电磁兼容性能测试。

小电流接地选线装置可以作为一般的继电保护装置进行测试。但是与其他保护装置相比较，小电流接地选线装置所需要的电气量来自多个间隔。而且电气量的设置与普通的保护相比除了单独间隔的电气量幅值相角的参数外，还存在电气量相互之间的关系。这使得使用传统的继电保护测试仪进行测试时，无法真正对选线原理多样的小电流接地选线装置进行功能性测试。目前国内应用的数字式继电保护测试仪功能主要是针对线路保护、主变保护等基础类继电保护装置，存在的问题同传统的继电保护测试仪一样，无法专门针对小电流接地选线装置进行功能性测试。

一般保护装置的单体调试的项目包括遥信测试、模拟量测试、定值测试、压板投退测试、保护录波文件、保护告警、保护事件、网络切换、网络中断、动作逻辑测试和对时测试等[9]。但对于小电流接地选线装置来讲主要是模拟量测试和选线结果上报两项。

对于基于EC61850-9-2标准实现的智能变电站小电流接地选线装置来讲，已实现了模拟量信号网络化传输。选线装置通过光纤接口或者网口就可以获取数据，并将分析处理后的选线结果通过站控层网上报至综自。因此对于选线装置测试的基本要求是自动检测其是否能够正确的获取报文并解析所需的电气量信息，正确选线并将结果上传至站控层网。

图1　系统闭环测试系统图

为了有效解决人工测试时因人工因素干扰带来测试可靠性和测试效率低下，小电流接地选线装置测试仪必须满足以下基本要求:

(1)测试标准化。所有测试项目和测试要求均由测试开发人员制定并且必须符合规程标准的规定，测试执行人员只能执行测试流程不能修改测试流程。

(2)闭环性自动测试。测试执行人员只需要导入配置信息，系统就能够自动选定测试方案，自动设定测试项目、故障参数；测试结果判断必须以装置反馈信息和其他仪器返回信息作为判断依据，形成闭环性测试。

(3)报告标准化。系统在测试完成后能够自动生成标准格式的试验报告，根据要求生成相关格式电了文档。

(4)测试软件智能化。可设置多种故障类型、接地时间等参数。对于生成的故障信息可以录波重现，可与被检测选线装置的波形进行比对。可接入站控层网获取报文形成闭合自动检测。

2系统架构

智能变电站小电流接地选线装置的测试仪采用对象化设计思想，按照模块化设计模式，系统组成图如图2所示。测试仪主要包括配电网单相接地故障模拟模块、数据采集模块、嵌入式系统主板处理模块、人机交互模块和通讯端口模块；配电网单相接地故障模拟模块一端与数据采集模块连接，另一端与嵌入式系统主板处理模块连接；数据采集模块一端与配电网单相接地故障模拟模块连接，另一端与嵌入式系统主板处理模块连接；嵌入式系统主板处理模块分别与配电网单相接地故障模拟模块、数据采集模块连接、人机交互模块和通讯端口模块连接。所述通讯端口模块有2组网络接口，一组通过网线与过程层网的交换机连接，另外一组通过网线与站控层网的交换机连接。

图2　测试仪系统组成图

配电网单相接地故障模拟模块，由模拟零序网络电路和模拟零序电源控制回路组成，其中模拟零序网络电路由多路“Π”型等值线路模型首端连接组成，线路通过电流互感器二次侧输出接入数据采集模块；模拟零序电源控制回路与嵌入式主板处理模块连接。

嵌入式系统主板处理模块硬件架构由MCU模块、DSP模块和FPGA模块组成。其中MCU模块为核心控制单元，控制人机交互模块、配电网单相接地模拟模块和通讯端口模块；DSP模块为数据处理单元，接收处理数据采集模块的信号；FPGA模块进行报文处理。

人机交互模块，可以设置故障线路、故障时间间隔、故障类型。MCU模块将人机交互模块的指令文件与获取的选线结果比较，显示检测结果。

该系统是集控制、采集、处理、存储、分析、显示、打印为一体的小电流接地选线装置专用测试平台，其主要特点为:

测试仪设计原理先进，输出的电压电流信号严格符合配电网单相接地故障稳态和暂态电容电流分布特征及零序电压变化特征。可以模拟中性点不接地、中性点经消弧线圈接地方式；

可以模拟瞬时接地、永久接地、同条线路的间歇性接地、不同线路的相继接地等故障类型。多台测试仪器级联可以测试不同段母线同时接地、变电站开闭所分层级联、双母线等多种运行方式下的故障类型；

电压电流信号输出包括1段母线共4路电压信号及12路馈线模拟零序电流信号。接入小电流接地选线装置，方便地进行单相接地测试试验。开关量接点有16对空接点输出，8对空接点输入；

装置外接笔记本电脑或台式机进行操作，方便快捷，性能稳定。采用了大量先进技术和精密元器件材料，并进行了专业化的结构设计，因而装置体积小、重量轻、功能全、携带方便，开机即可工作，流动试验非常方便。软件功能强大，可完成手动设定自动执行工作，能方便地设定各种类型故障，进行故障录波，实时存储测试数据，打印报告等；

接口完整。装置带有USB通讯口和网络接口，可与计算机及其它外部设备通信。完善的自我保护功能，散热结构设计合理，硬件保护措施可靠完善。

3关键技术的实现

3.1暂态电气量的产生

目前，大部分被动式选线原理的接地选线装置是利用接地故障产生的暂稳态电气量信号进行选线。如图3所示，中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时的等效网络[10-11]。

图3　消弧线圈接地电网单相接地故障零序等效网络

图4　基本编码规则

测试仪硬件架构中的配电网单相接地故障模拟模块就是根据零序等效网络的进行设计的。通过控制接地点零序电压源可以进行瞬时接地、永久接地及间歇性接地等故障的发生。每条线路流过的等效零序电流和等效母线零序电压被采集模块采集，按照IEC-61850的标准接入过程层，供被检测选线装置使用。

3.2基于IEC61850的信息接入

作为小电流接地选线装置的通用化和智能化的自动测试系统，其系统本身必须具有良好的可扩展性，必须适应不同类型被测装置。本系统中通讯端口模块，具备61850规约接入和解析功能[12]，以满足智能变电站选线装置测试的需要。

IEC61850通讯协议第9部分定义2种采样值传输技术:单向多路点对点串行通信链路上的采样值(简称IEC61850-9-1)和映射到ISO /IEC 8802一3的采样值(简称IEC61850-9-2)。本测试仪只针对基于IEC61850-9-2标准的小电流接地选线装置。

IEC61850-9-2LE为IEC61850-9-2简化版本，即互感器数字接口IEC61850-9-2应用导则，主要目的是制定一个能快速将IEC61850-9-2应用于工程的IEC61850-9-2标准子集。这个子集大大降低实现的难度。

IEC61850-9-2LE模型[13]只定义了4路电流量和4路电压量共8路模拟量，实际工程中，一个间隔可能需要12路以上模拟量(IEC 60044-8定义，3路保护电流、3路测量电流、1路3I0，3路线路电压、1路母线电压)。这时需要扩充模拟量通道数。9-2 LE明确的配置参数有IED名称、MAC地址、额定频率，实际工程还需要配置smvID，APPID，VID、优先级等。对于小电流接地选线装置来讲，只需要1路零序电流量、1路母线零序电压量即可。

IEC61850-9-2采样值报文帧格式采用了基本编码规则(BER)相关的ASN.1语法对通过ISO/IEC 8802-3传输的采样值信息进行编码和译码。基本编码规则的主要编码原理:基本编码规则的转换语法具有T-L-V(类型一长度-值)或者Tag-Length-Value(标记一长度一值)三个一组的格式。基本编码规则如图4所示。IEC61850-9-2采样值报文APDU结构见表1。

4结论

本文提出的智能变电站小电流接地选线装置测试仪研制开发，解决了目前国内尚无对智能变小电流接地选线装置进行检测的问题，对规范智能变电站小电流接地选线装置的基本功能，提升其整体性能提供了更好的方式与手段，为智能变电站的安全稳定运行提供了保证。

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Intelligent Substation of Small Current Grounding Line Selection Device Test Instrument Research and Design

ZHANG Ting-juan1，WANG Tao2，HUANG Ying3

(1.Yichun Power Supply Company，Heilongjiang Yichun 153000；2.Ji’nan’s Electric Co.Ltd.，Shandong Jinan 250013；3.Yichun Engineering Quality Supervision Management Station，Heilongjiangg Yichun 153000)

Abstract：With intelligent substation applications，based on IEC61850 standard will become the development trend of relay protection device.This paper introduces the characteristics of small current grounding line selection device based on IEC61850 standard，and summarizes the present status of the manual test，put forward the intelligent automation test instrument as the main platform for the design of automatic test system.Practical application effect shows that the system is to improve the intelligent substation test efficiency，small current grounding line selection device specification line selection device testing process has higher use value.

Key words：IEC-61850；The small current grounding；Relay protection testing；Line selection device

中图分类号：TM74

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0013-05

作者简介：张婷娟(1981-)，女，吉林省长春市人，国网黑龙江省电力有限公司伊春供电公司 工程师，主要研究方向：电力系统自动化.

收稿日期：2015-12-10