基于IEC 61850标准TEST机制的智能变电站非侵入式测试技术研究

自2009年国家电网公司组织推进智能电网战略以来，基于IEC 61850标准的智能变电站自动化技术获得了快速发展，我国已成为智能变电站投运数量最多的国家。智能变电站二次系统基于SCD展开，采用“三层两网”架构，增加了合并单元、智能终端、交换机等，且在应用模式中体现了过程层就地化的模式，带来了运行维护测试的复杂性，由此，智能变电站保护系统的测试成为一个迫切需要解决的问题。

2013年国际大电网会议CIGRE成立了B5工作组，开始制定《IEC 61850-10-1 Methodologies for Commissioning Testing of Functions in IEC 61850 Based Systems》草案。计划用三年时间提出基于IEC 61850全数字化保护系统的测试方案（Test Strategy for Protection， Automation and Control （PAC） functions in a full digital substation based on IEC 61850 applications）。

本文针对IEC 61850标准体系的特点，通过对于智能变电站测试技术特征的研究，提出“非侵入式”测试的技术思路：即现场不变更接线，不改变保护整定值设置，完成继电保护系统运维测试。这样，可极大地提升智能变电站运维测试的便利性和效率，并可实现保护系统测试的全生命周期管理。

智能变电站技术特征

网络化信息共享

基于IEC 61850架构体系的智能变电站二次系统呈现为网络化信息共享的特征，信号之间的传递媒介由光缆代替了电缆，以往常规综自系统IED装置基于端子二次联接关系，演变为基于GOOSE数据包的虚端子/虚回路对应关系，见下图。

变电站自动化系统发展趋势

过程层就地化

随着智能化一次设备的推进进程，以合并单元、智能终端为特征的过程层IED装置就地化成为一种必然趋势，变电站自动化系统过程层演变趋势见下图。

过程层演变过程

二次系统围绕SCD展开

智能变电站工程实施基于SCD展开，通过工程配置工具（System Configurator）及IED配置工具（IED Configurator），完成变电站二次系统信号关联的配置，SCD信息流见下图。

SCD信息示意图

测试模式分析

测试分类

尽管智能变电站二次系统的形态与常规综自系统产生了重大差异，但从二次系统测试视角分析，依旧可以分为工程测试和运维测试两种类型，见下图。

智能变电站保护系统测试类型

现场测试

现场（SAT）测试需要验证所有设备功能、回路的正确性。智能变电站二次系统投产试验与常规综自系统类似，需要进行完整的保护整定值校验、联动试验等。因此，必须从交流电源的输入端施加激励量，验证一、二次联接正确性，确定保护整定值，并最终进行断路器跳合闸试验。智能变电站现场测试所采用的测试方法与常规综自无异，需要在就地柜施加测试激励。

运维测试

运维试验与投产试验目标具有很大的差异性，主要是验证二次系统是否维持原来的正确性。智能变电站保护系统所采用的保护装置从其实现机理上分析，只要软件版本不变，保护动作特征不会改变，运维测试主要是验证联接环节的健康状况及保护系统的可用率。因此，需要研究在不改变现场接线、不更改现场通信配置的情况下，完成运维测试的可行性。如在工程设计阶段预先考虑好运维测试接口，在SCD文件和IED模型中预留测试模型，在现场网络设计中预留测试通道，运维过程中实现测试和运行状态的切换以及确保运维测试的安全性等。

IEC61850标准TEST模式

TEST所涉及的信息模型

IEC 61850标准具有TEST模式，对智能变电站中的IED进行检修、测试，将涉及到如下模型信息：①LLN0的Mod/Beh。其中，Mod用于切换装置的Test（Test-Blocked）/ON状态;Beh用于读取装置的Test/ON状态。由于Mod/Beh属于LLN0，所以从机制上允许在LD级别而非IED级别进行运行模式控制。②Report、GOOSE和SMV数据的q属性。q中的test位（以下检查q.test）用于定义IED（更准确的说法是LD）是否处于测试状态。③Control服务的Test参数。

对于IED的基本要求

对于TEST模式的应用，保护装置、合并单元、智能终端必须支持TEST模式，具体包括Mod=ON、Mod=Test-Blocked等模式;各模式下装置的行为符合IEC 61850标准的要求。

功能的规范化描述

测试是针对“功能”，首先必须对“功能”有规范化的定义。对“功能”的抽象、归纳、规范化描述是IEC 61850的基础。IEC 61850标准定义了变电站自动化“系统”由若干“功能”（如保护、测量、控制等）构成，“功能”可以进一步划分为若干子功能，直至“逻辑节点”，“逻辑节点”代表可以交换数据的最小功能单元，见下图。

IEC 61850对功能的抽象

系统→功能→逻辑节点，逻辑节点本身并不实现功能，但它可以让与功能实现相关的输入、输出、定值、参数等在通信上是可见性的，即逻辑节点使得：“功能”的所有输入和定值都是可控、可设置的;“功能”的所有输出都是可测量的，见下图。

逻辑节点的输入与输出

功能的输入与输出

非侵入式测试模式探索

非侵入式测试基本特征

非侵入式测试具有如下基本特征：①现场不改变接线;②不改变保护定值。通过变电站GOOSE网络发送测试激励，完成闭环测试过程。因此，作为测试用例的施加对象，合并单元需要增加测试GOOSE报文的接收功能，规定特殊的MAC及APPID。可接收测试装置发出的GOOSE报文，根据接收的状态控制信息，设定每一路SV通道的幅值、相角和品质信息，并根据合并单元的检修状态发送是否带检修标志的SV报文，要求处理时间不大于5 ms。

合并单元的同步处理机制

非侵入式测试方案对于母线保护、变压器保护等多间隔的合并单元测试信号的施加则需要考虑同步机制。

非侵入式测试流程

在实施“非侵入式”测试方案时需要设计继电保护设备、合并单元和智能终端中用于自动检测虚端子连接关系的检测配合功能，以期建立标准的合并单元测试模拟量输出虚端子模型和智能终端虚端子信号输出机制，作为继电保护设备的数据源端。同时，需要评估不改变回路接线情况下跨间隔设备之间连锁信息的安全性。测试示意图见下图。

测试装置示意图

结论

通过对基于IEC 61850标准TEST机制的测试方案研究结果表明，“非侵入式测试”方案可支持在线远方测试机制，在不改变现场接线（如插拔光缆等），不改变保护装置整定值前提下，完成对于智能变电站保护系统通信联接方式的测试。

本文提出的基于解析SCD的测试方案，能适应“直采直跳”、“直采网跳”、“网采网跳”接线方式，为满足基于IEC 61850标准TEST机制的非侵入式测试，合并单元、保护装置、智能终端必须支持TEST模式，并需要在现有实现技术基础上做一定的改进。

研究结果表明，针对智能变电站的运维测试具备了实现探索“非侵入”式测试的可能性，为解决现阶段运维测试的不便利性提供一种可借鉴的技术路径。这种模式可以大大提高智能变电站运维测试的效率，为智能变电站二次系统基于可靠性分析的状态检修机制提供技术验证手段。