基于嗅探空閑狀態(tài)的智能變電站斷路器遠(yuǎn)程試驗方法

宋亮亮，袁宇波，高 磊

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100）

0 引言

變電站中斷路器性能與電網(wǎng)方式調(diào)整操作及故障快速隔離密切相關(guān)，一次新設(shè)備正式投運前通常需要在額定運行電壓下進(jìn)行帶電試驗，考核設(shè)備整體絕緣性能。斷路器現(xiàn)場試驗通常涉及單分單合操作，對具有重合閘功能要求的線路需進(jìn)行分合分操作，以模擬線路重合于故障后斷路器快速切除故障的能力。

常規(guī)變電站中斷路器試驗通常采用程控箱完成，分合閘命令直接接在斷路器操作箱出口回路上完成其投切操作。隨著智能變電站的建設(shè)推廣，智能終端作為斷路器操作命令的執(zhí)行裝置，被布置于就地一次設(shè)備開關(guān)場，與保護(hù)小室的距離往往有數(shù)十米甚至上百米。同時測控裝置至智能終端的遙控命令采用面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文通信替代原先的電位信號，傳輸介質(zhì)由電纜變?yōu)楣饫w，因此常規(guī)的斷路器試驗方法將不再適用。近年來，隨著智能變電站數(shù)量的快速增加，如何開展站內(nèi)斷路器投切試驗成為困擾現(xiàn)場的一個重要難題。

本文在分析智能變電站通信原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模擬測控裝置實現(xiàn)對斷路器遠(yuǎn)程操作的方法，并分析了現(xiàn)場實際應(yīng)用情況。

1 斷路器遠(yuǎn)程控制方法概述

GB50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[1]：1 kV以上架空電力線路的試驗項目應(yīng)包括沖擊合閘試驗；在額定電壓下對架空線路的沖擊合閘試驗應(yīng)進(jìn)行3次，合閘過程中線路絕緣不應(yīng)有損壞?？蛰d線路的投切試驗主要是考核新建線路和設(shè)備的絕緣。

分合分試驗是指按斷路器的額定操作循環(huán)投切空載線路，即分閘-合閘-分閘，其中開關(guān)無流和有流的2個時間間隔典型值分別為0.3 s和0.06 s。該試驗用于測試線路永久性故障時，重合閘動作后斷路器再次可靠快速分閘的性能[2]。

對于采用綜合自動化系統(tǒng)的變電站，監(jiān)控系統(tǒng)通過測控裝置下發(fā)遠(yuǎn)程控制命令，完成斷路器或隔離開關(guān)的分閘／合閘操作。測控裝置與后臺之間的通信方式采用IEC60870-5-103規(guī)約或IEC61850規(guī)約，這2種通信方式在實施斷路器控制時均需進(jìn)行數(shù)據(jù)返校，即一個命令的執(zhí)行必須在上一個操作命令執(zhí)行完成并返回后才能繼續(xù)。由于從遙控命令下發(fā)至開關(guān)位置返回的時間通常需要數(shù)秒，所以無法在很短時間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的分合閘操作。針對該問題，常規(guī)變電站在進(jìn)行斷路器投切時，采用將程控箱的分合閘命令信號并接至測控裝置的手合／手分出口回路，并可根據(jù)實際情況精確調(diào)整分合閘命令間隔時間，試驗接線示意如圖1所示。該方法在常規(guī)變電站室內(nèi)試驗接線較短的情況下較為常見。

圖1 常規(guī)變電站斷路器試驗接線示意圖Fig.1 Wiring of breaker experiment for traditional substation

2 智能變電站斷路器遠(yuǎn)程控制方案

國際電工委員會（IEC）制定的變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)識體系IEC61850，已廣泛應(yīng)用于智能變電站保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的通信和設(shè)備建模環(huán)節(jié)，解決了規(guī)約統(tǒng)一性和設(shè)備互操作問題。IEC61850定義了不同服務(wù)類型的報文，用于實現(xiàn)設(shè)備間及設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息交互[3]。

目前智能變電站采用智能終端采集就地一次設(shè)備本體信號及輔助監(jiān)測信息，將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為IEC61850數(shù)字報文，并執(zhí)行由保護(hù)測控裝置發(fā)送的操作命令。智能終端與一次設(shè)備之間采用電纜連接，與保護(hù)測控裝置采用光纖連接[4-5]。

對于一個完整的智能變電站系統(tǒng)，采用斷路器遠(yuǎn)程命令控制方式有3種途徑：

a.采用常規(guī)的電纜連接方式，由遠(yuǎn)程控制裝置輸出硬節(jié)點信號至智能終端的出口，直接控制斷路器的分合閘；

b.遠(yuǎn)程控制裝置從站控層以制造報文規(guī)約（MMS）方式模擬客戶端下發(fā)命令給測控裝置，由測控裝置以GOOSE信號形式發(fā)送至智能終端；

c.遠(yuǎn)程控制裝置直接在過程層模擬測控裝置的GOOSE分合閘命令。

采用不同通信規(guī)約的斷路器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能變電站斷路器試驗接線示意圖Fig.2 Wiring of breaker test for smart substation

2.1 常規(guī)電纜控制方式

對于智能變電站，測控裝置與智能終端之間采用光纖回路連接，且智能終端布置于就地柜內(nèi)，遠(yuǎn)離保護(hù)小室。若采用常規(guī)程控箱的方案，則需要將控制電纜從保護(hù)室并接至就地智能終端的分合閘出口回路上，由于這段距離通常大于100 m，復(fù)雜的電磁場分布會在試驗電纜上感應(yīng)出較高的電壓，干擾試驗儀器的正常工作，嚴(yán)重時可能影響智能終端直流控制電源的穩(wěn)定性。

2.2 MMS通信方式

IEC61850的MMS通信[6]位于開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型的應(yīng)用層，定義了虛擬制造設(shè)備（VMD）及其內(nèi)部的各種抽象對象，詳細(xì)規(guī)定了每一種對象應(yīng)具有的各種屬性和相關(guān)的服務(wù)執(zhí)行過程。MMS通信采用基于網(wǎng)絡(luò)IP報文的方式，即需要服務(wù)端與客戶端之間建立通信連接后才能進(jìn)行信息交互，一個命令的完成包括使能、初始化、請求、響應(yīng)、執(zhí)行、反饋等多個環(huán)節(jié)。

若采用站控層測試儀來模擬監(jiān)控系統(tǒng)，則存在測控裝置客戶端最大連接數(shù)受限和通信延時的問題。而且，由于網(wǎng)絡(luò)報文的離散性及裝置的緩存時間，整個控制序列的時間精度無法得到保證。

2.3 GOOSE通信方式

設(shè)計GOOSE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時，為了降低報文處理過程中的延時，對原有TCP／IP協(xié)議堆棧進(jìn)行了裁剪，去掉了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，使得鏈路層直接向上映射到會話層。為保證信息傳輸?shù)目煽啃?，在?yīng)用層采取了相應(yīng)的措施，包括報文重發(fā)機(jī)制、設(shè)定報文存活時間和數(shù)據(jù)品質(zhì)參數(shù)等[7-10]。GOOSE報文的協(xié)議堆棧如圖3所示。

圖3 GOOSE報文傳輸?shù)膮f(xié)議堆棧Fig.3 Protocol stacks of GOOSE message transmission

和MMS報文不同，GOOSE報文屬于快速報文，執(zhí)行效率高。智能設(shè)備在處理接收到的GOOSE報文時基本不存在延時，技術(shù)規(guī)程規(guī)定從報文接收到節(jié)點閉合時間小于7 ms。因此，GOOSE通信方式可滿足遠(yuǎn)程控制方法實時性的指標(biāo)要求。

3 智能變電站斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)建立

GOOSE報文正常通信時按T0的間隔進(jìn)行發(fā)送，以維持鏈路正常生存狀態(tài)。此時報文中的stNum不變，sqNum遞增，而在空閑時間沒有任何報文交互。本文提出一種基于嗅探空閑狀態(tài)的斷路器遠(yuǎn)程控制方法[11-16]，即在空閑時間內(nèi)，模擬測控裝置發(fā)送開關(guān)遙控變位報文，并且報文中的狀態(tài)序號在實際報文的基礎(chǔ)上遞增，不影響原有設(shè)備的正常運行?？刂葡到y(tǒng)的連接示意圖如圖4所示。

圖4 斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接示意圖Fig.4 Connection diagram of remote breaker control system

斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接在GOOSE交換機(jī)的冗余端口，可維持與被測智能終端之間的正常通信，接線簡單并且不會改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括GOOSE報文嗅探模塊、GOOSE報文發(fā)送控制模塊、記錄存儲模塊、對時模塊等，如圖5所示。

圖5 斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of remote breaker control system

各模塊功能如下。

a.遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過連接過程層GOOSE交換機(jī)，掃描并解析網(wǎng)絡(luò)上所有GOOSE報文。用戶從掃描列表中選擇待測斷路器對應(yīng)測控裝置的遙控報文，由系統(tǒng)自動添加至GOOSE報文發(fā)送控制模塊。

b.GOOSE報文發(fā)送控制模塊用于配置待發(fā)送報文的參數(shù)，分為兩部分內(nèi)容：基礎(chǔ)參數(shù)，即報文MAC、SVID、VLAN、stNum、sqNum，以及各通道數(shù)值等；變量參數(shù)，如報文發(fā)送方式（單幀、雙幀）及返回時間等。

c.記錄存儲模塊用于記錄并存儲測試起始至結(jié)束時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上所有的GOOSE報文，并直接展示各狀態(tài)量的變位過程。

d.對時模塊實現(xiàn)裝置的對時功能，并保證其他各模塊維持同步狀態(tài)，確保報文解析和發(fā)送控制的精確性。采用FPGA打時標(biāo)，對時模塊支持IRIG-B碼和IEEE1588格式報文。

3.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作模式

遠(yuǎn)程控制裝置連接在智能變電站對應(yīng)間隔的GOOSE交換機(jī)上，通過其嗅探模塊獲取網(wǎng)絡(luò)上所有GOOSE報文并完成解析。用戶從解析列表中選擇待測斷路器對應(yīng)的測控裝置進(jìn)行遙控操作，將報文添加至GOOSE報文發(fā)送控制模塊，在GOOSE報文發(fā)送控制模塊中設(shè)定好待發(fā)送報文對應(yīng)通道的值，選擇報文發(fā)送方式和持續(xù)時間。設(shè)置完畢后進(jìn)入測試準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，此時GOOSE報文嗅探模塊自動將網(wǎng)絡(luò)上該報文最新的狀態(tài)參數(shù)stNum和sqNum賦給GOOSE報文發(fā)送控制模塊，GOOSE報文發(fā)送控制模塊根據(jù)下一狀態(tài)自動對其進(jìn)行更新。整個斷路器遠(yuǎn)程試驗過程如圖6所示。圖中，遠(yuǎn)程試驗系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的斷路器控制類型（如單分單合或分合分測試）和給定的報文發(fā)送參數(shù)自動完成投切試驗。

圖6 斷路器遠(yuǎn)程控制裝置測試流程圖Fig.6 Test flowchart of remote breaker control system

3.3 斷路器遠(yuǎn)程試驗案例

3.3.1 斷路器分閘／合閘控制

用戶選擇斷路器遠(yuǎn)方遙控裝置中對應(yīng)測控裝置的遙控GOOSE報文，發(fā)送控制模塊中將“遙控分閘（或合閘）”數(shù)據(jù)置為1，進(jìn)入測試準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。GOOSE報文嗅探模塊解析網(wǎng)絡(luò)上該報文最新的狀態(tài)參數(shù)stNum和sqNum，GOOSE報文發(fā)送控制模塊實時更新待發(fā)送GOOSE報文的狀態(tài)參數(shù)，即stNum（N）=stNum（N-1）+1，sqNum（N）=0。 “測試開始”觸發(fā)后，GOOSE報文發(fā)送控制模塊將在收到下一幀測控裝置的GOOSE報文后，于測控裝置的GOOSE報文發(fā)送間隔T0內(nèi)發(fā)送控制報文，實現(xiàn)斷路器遙控分閘（或合閘），觸發(fā)完成后自動返回。其測試報文序列如圖7所示，其中，t1、t2、t3為測控裝置 GOOSE 報文的到達(dá)時刻。

圖7 斷路器遠(yuǎn)程試驗系統(tǒng)單次分閘／合閘序列Fig.7 Sequence of single open／close test of remote breaker test system

圖7中，t1為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接收到測控裝置的報文的時刻；t″1為測試開始時刻，該時刻由用戶指定；測試開始后t2時刻接收到下一幀報文，自動更新控制系統(tǒng)中待發(fā)送報文的通信參數(shù)，stNum增加，在T0時段內(nèi)的t″2時刻發(fā)送測試報文。t″2的設(shè)置適當(dāng)考慮智能終端處理上一幀GOOSE報文的時間，并保證控制裝置需要發(fā)送的其他報文在t3時刻之前完成。

3.3.2 斷路器分合分控制

用戶選擇斷路器遠(yuǎn)方遙控裝置中對應(yīng)測控裝置的遙控GOOSE報文，在發(fā)送控制模塊中將“遙控分閘”和“遙控合閘”數(shù)據(jù)置為1，并對應(yīng)設(shè)置“分閘”觸發(fā)時刻 t″2和 t″4，以及“合閘”觸發(fā)時刻 t″3，這 3 個時刻值應(yīng)根據(jù)斷路器分合閘間隔要求設(shè)定。GOOSE報文嗅探模塊解析網(wǎng)絡(luò)上該報文最新的stNum和sqNum，發(fā)送控制模塊實時更新下一幀待發(fā)送GOOSE報文的狀態(tài)參數(shù)，即 stNum（N）=stNum（N-1）+1，sqNum（N）=0。測試開始后，GOOSE報文發(fā)送控制模塊將在收到下一幀測控裝置的GOOSE報文后，于t″2、t″3、t″4時刻發(fā)送斷路器遙控分合閘命令序列，其中每組分閘或合閘命令報文完成后均復(fù)位。測試報文序列如圖8所示。通過對測控裝置模擬報文發(fā)送時間間隔精確設(shè)定，可保證其在原GOOSE鏈路通信空閑時間內(nèi)完成發(fā)送。

圖8 斷路器遠(yuǎn)程試驗系統(tǒng)分合分序列Fig.8 Sequence of open-close-open test of remote breaker test system

4 問題分析

目前基于嗅探空閑狀態(tài)的斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)已在工程中得到應(yīng)用，測試技術(shù)指標(biāo)滿足要求。下面對試驗環(huán)節(jié)中引起關(guān)注的問題進(jìn)行分析。

a.GOOSE測試報文與交換機(jī)（VLAN）。

斷路器遠(yuǎn)程控制裝置接在過程層GOOSE交換機(jī)的冗余端口上，工程中該端口作為測試端口通常不分配交換機(jī)，測控裝置和智能終端之間的報文可正常通過該端口。

b.MAC地址沖突。

正常運行時所有保護(hù)測控裝置按調(diào)度方式要求投入（含裝置自身及相應(yīng)的二次回路），當(dāng)遠(yuǎn)程控制裝置經(jīng)GOOSE交換機(jī)發(fā)送遙控報文時，網(wǎng)絡(luò)中將同時存在2種數(shù)據(jù)集相同而源MAC不同的報文，由于GOOSE報文處理機(jī)制依據(jù)目標(biāo)MAC、APPID、GOID等進(jìn)行，這種情況并不會影響智能終端的邏輯判斷。

c.測控裝置報文stNum序號突變。

雖然斷路器遠(yuǎn)程控制裝置的發(fā)送參數(shù)可依據(jù)實際的測控裝置的報文進(jìn)行自動修正，但由于測控裝置自身并沒有數(shù)據(jù)集變位，因此試驗結(jié)束后測控裝置發(fā)送報文的stNum并不會改變。智能終端接收到該報文后，判斷與前一幀報文不連續(xù)，根據(jù)不同廠家的處理機(jī)制，可能會報接收測控裝置數(shù)據(jù)集斷鏈。該現(xiàn)象在下一幀報文到來時立即復(fù)歸，對現(xiàn)場運行操作無影響，并且不影響其他裝置運行。

d.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)延時影響。

正常運行時交換機(jī)的GOOSE報文流量很小，遠(yuǎn)沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30%交換機(jī)額定容量。交換機(jī)的延時為微秒級，在該試驗中，其對GOOSE報文傳輸?shù)挠绊懣珊雎浴?/p>

5 結(jié)語

本文結(jié)合智能變電站啟動調(diào)試時斷路器控制方法的局限，提出了一種基于嗅探空閑狀態(tài)的斷路器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和方法，適用于智能變電站啟動調(diào)試過程中對斷路器的分閘、合閘、分合分操作。

通過并接在過程層GOOSE交換機(jī)上的方式，嗅探系統(tǒng)內(nèi)的測控裝置與智能終端之間交互報文，并且在該報文空閑時刻模擬測控裝置下一事件，精確控制智能終端的分合閘命令序列。該方法不改變變電站現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不影響交換機(jī)上其他智能電子設(shè)備的運行，已在多個智能變電站工程調(diào)試中成功應(yīng)用。