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(yùn)前通常需要在額定運(yùn)行電壓下進(jìn)行帶電試驗(yàn)，考核設(shè)備整體絕緣性能。斷路器現(xiàn)場試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(bào)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(yàn)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(yàn)成為困擾現(xiàn)場的一個(gè)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(shí)現(xiàn)對斷路器遠(yuǎn)程操作的方法，并分析了現(xiàn)場實(shí)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[1]：1 kV以上架空電力線路的試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)包括沖擊合閘試驗(yàn)；在額定電壓下對架空線路的沖擊合閘試驗(yàn)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(yàn)主要是考核新建線路和設(shè)備的絕緣。

分合分試驗(yàn)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(gè)時(shí)間間隔典型值分別為0.3 s和0.06 s。該試驗(yàn)用于測試線路永久性故障時(shí)，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(shí)施斷路器控制時(shí)均需進(jìn)行數(shù)據(jù)返校，即一個(gè)命令的執(zhí)行必須在上一個(gè)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(shí)間通常需要數(shù)秒，所以無法在很短時(shí)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(shí)，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(shí)際情況精確調(diào)整分合閘命令間隔時(shí)間，試驗(yàn)接線示意如圖1所示。該方法在常規(guī)變電站室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)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(bào)文，用于實(shí)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(bào)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(gè)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(diǎn)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(bào)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(yàn)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(yàn)電纜上感應(yīng)出較高的電壓，干擾試驗(yàn)儀器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)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(bào)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(gè)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(gè)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(shí)的問題。而且，由于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的離散性及裝置的緩存時(shí)間，整個(gè)控制序列的時(shí)間精度無法得到保證。

2.3 GOOSE通信方式

設(shè)計(jì)GOOSE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，為了降低報(bào)文處理過程中的延時(shí)，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)目煽啃裕趹?yīng)用層采取了相應(yīng)的措施，包括報(bào)文重發(fā)機(jī)制、設(shè)定報(bào)文存活時(shí)間和數(shù)據(jù)品質(zhì)參數(shù)等[7-10]。GOOSE報(bào)文的協(xié)議堆棧如圖3所示。

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

和MMS報(bào)文不同，GOOSE報(bào)文屬于快速報(bào)文，執(zhí)行效率高。智能設(shè)備在處理接收到的GOOSE報(bào)文時(shí)基本不存在延時(shí)，技術(shù)規(guī)程規(guī)定從報(bào)文接收到節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)間小于7 ms。因此，GOOSE通信方式可滿足遠(yuǎn)程控制方法實(shí)時(shí)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(bào)文正常通信時(shí)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(shí)報(bào)文中的stNum不變，sqNum遞增，而在空閑時(shí)間沒有任何報(bào)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(shí)間內(nèi)，模擬測控裝置發(fā)送開關(guān)遙控變位報(bào)文，并且報(bào)文中的狀態(tài)序號在實(shí)際報(bào)文的基礎(chǔ)上遞增，不影響原有設(shè)備的正常運(yùn)行。控制系統(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(bào)文嗅探模塊、GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊、記錄存儲模塊、對時(shí)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(bào)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(bào)文，由系統(tǒng)自動添加至GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊。

b.GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊用于配置待發(fā)送報(bào)文的參數(shù)，分為兩部分內(nèi)容：基礎(chǔ)參數(shù)，即報(bào)文MAC、SVID、VLAN、stNum、sqNum，以及各通道數(shù)值等；變量參數(shù)，如報(bào)文發(fā)送方式（單幀、雙幀）及返回時(shí)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(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上所有的GOOSE報(bào)文，并直接展示各狀態(tài)量的變位過程。

d.對時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)裝置的對時(shí)功能，并保證其他各模塊維持同步狀態(tài)，確保報(bào)文解析和發(fā)送控制的精確性。采用FPGA打時(shí)標(biāo)，對時(shí)模塊支持IRIG-B碼和IEEE1588格式報(bào)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(bào)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(bào)文添加至GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊，在GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊中設(shè)定好待發(fā)送報(bào)文對應(yīng)通道的值，選擇報(bào)文發(fā)送方式和持續(xù)時(shí)間。設(shè)置完畢后進(jìn)入測試準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，此時(shí)GOOSE報(bào)文嗅探模塊自動將網(wǎng)絡(luò)上該報(bào)文最新的狀態(tài)參數(shù)stNum和sqNum賦給GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊，GOOSE報(bào)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(gè)斷路器遠(yuǎn)程試驗(yàn)過程如圖6所示。圖中，遠(yuǎn)程試驗(yàn)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(bào)文發(fā)送參數(shù)自動完成投切試驗(yàn)。

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(yàn)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(bào)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(bào)文嗅探模塊解析網(wǎng)絡(luò)上該報(bào)文最新的狀態(tài)參數(shù)stNum和sqNum，GOOSE報(bào)文發(fā)送控制模塊實(shí)時(shí)更新待發(fā)送GOOSE報(bào)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(bào)文發(fā)送控制模塊將在收到下一幀測控裝置的GOOSE報(bào)文后，于測控裝置的GOOSE報(bào)文發(fā)送間隔T0內(nèi)發(fā)送控制報(bào)文，實(shí)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(bào)文序列如圖7所示，其中，t1、t2、t3為測控裝置 GOOSE 報(bào)文的到達(dá)時(shí)刻。

圖7 斷路器遠(yuǎn)程試驗(yàn)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(bào)文的時(shí)刻；t″1為測試開始時(shí)刻，該時(shí)刻由用戶指定；測試開始后t2時(shí)刻接收到下一幀報(bào)文，自動更新控制系統(tǒng)中待發(fā)送報(bào)文的通信參數(shù)，stNum增加，在T0時(shí)段內(nèi)的t″2時(shí)刻發(fā)送測試報(bào)文。t″2的設(shè)置適當(dāng)考慮智能終端處理上一幀GOOSE報(bào)文的時(shí)間，并保證控制裝置需要發(fā)送的其他報(bào)文在t3時(shí)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(bào)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(shí)刻 t″2和 t″4，以及“合閘”觸發(fā)時(shí)刻 t″3，這 3 個(gè)時(shí)刻值應(yīng)根據(jù)斷路器分合閘間隔要求設(shè)定。GOOSE報(bào)文嗅探模塊解析網(wǎng)絡(luò)上該報(bào)文最新的stNum和sqNum，發(fā)送控制模塊實(shí)時(shí)更新下一幀待發(fā)送GOOSE報(bào)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(bào)文發(fā)送控制模塊將在收到下一幀測控裝置的GOOSE報(bào)文后，于t″2、t″3、t″4時(shí)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(bào)文完成后均復(fù)位。測試報(bào)文序列如圖8所示。通過對測控裝置模擬報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔精確設(shè)定，可保證其在原GOOSE鏈路通信空閑時(shí)間內(nèi)完成發(fā)送。

圖8 斷路器遠(yuǎn)程試驗(yàn)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(yàn)環(huán)節(jié)中引起關(guān)注的問題進(jìn)行分析。

a.GOOSE測試報(bào)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(bào)文可正常通過該端口。

b.MAC地址沖突。

正常運(yùn)行時(shí)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(bào)文時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中將同時(shí)存在2種數(shù)據(jù)集相同而源MAC不同的報(bào)文，由于GOOSE報(bào)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(bào)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(shí)際的測控裝置的報(bào)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(yàn)結(jié)束后測控裝置發(fā)送報(bào)文的stNum并不會改變。智能終端接收到該報(bào)文后，判斷與前一幀報(bào)文不連續(xù)，根據(jù)不同廠家的處理機(jī)制，可能會報(bào)接收測控裝置數(shù)據(jù)集斷鏈。該現(xiàn)象在下一幀報(bào)文到來時(shí)立即復(fù)歸，對現(xiàn)場運(yùn)行操作無影響，并且不影響其他裝置運(yùn)行。

d.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)延時(shí)影響。

正常運(yùn)行時(shí)交換機(jī)的GOOSE報(bào)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(shí)為微秒級，在該試驗(yàn)中，其對GOOSE報(bào)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(shí)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(bào)文，并且在該報(bào)文空閑時(shí)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(yùn)行，已在多個(gè)智能變電站工程調(diào)試中成功應(yīng)用。