1、 硕士学位论文 基于 IEC61850标准的继保测试仪 关键技术研究 RESEARCH ON KEY TECHNOLOGIES OF RELAY TEST DEVICE BASED ON IEC61850 莫文科 2010 年 6 月 国内图书分类号：TM733 学校代码：10213 国际图书分类号：621.31 -密级：公开 工学硕士学位论文 基于 IEC61850标准的继保测试仪 关键技术研究 硕士研究生 ：莫文科 导 师：郭志忠教授 申请学位 ：工学硕士 学科 ：电气工程 所 在 单 位：电气工程及自动化学院 答 辩 日 期：2010 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Class
2、ified Index: TM733 U.D.C: 621.31 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON KEY TECHNOLOGIES OF RELAY TEST DEVICE BASED ON IEC61850 Candidate： Mo Wenke Supervisor： Prof. Guo Zhizhong Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Electrical Engineering Affiliation：
3、 School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence： June, 2010 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 I 摘 要 数字化变电站是新一代变电站的技术发展趋势， 继电保护作为自动化系统的 重要部分，受电子式互感器、计算机网络通讯技术和 IEC61850 通讯标准的影响， 也上升为数字化保护。对继电保护的测试工作也要相应的跟上数字化的步伐。目 前国内外对数字式继电保护测试技术、测试仪的研究较少
4、，且缺乏全面性和深入 性。针对这一情况，论文根据数字化保护的特点、现有测试装置的状况，找出继 保测试仪研发的三大关键技术：过程层的 61850通讯技术、高精度的暂态计算、 全自动化的继保测试技术，然后分别研究、提出方案，并进行验证。 首先研究继保测试仪目前最急需解决， 也是最基础的问题与被测继保装 置的 61850通讯：先分析 SV、GOOSE通讯原理和实现细节，解决测试仪因缺乏信 息模型而产生的一系列问题。在编写程序验证实现方案正确性后，分析提出一种 数字式测试仪新的工作模式：PC 对发送的报文预处理，降低下位机工作量，简 化处理过程。 然后从系统故障和互感器两个计算模块着力提高测试仪暂态计
5、算的精度， 以 适应继电保护未来的发展需要。 论文改进现有测试仪模拟系统故障过程的不足之 处外，还重点研究目前4类典型电子式互感器的传感原理，推导传递函数，分析 各自暂态特性，为测试仪的高精度计算做好理论基础。 最后基于 IEC61850 通讯特点，提出全自动继保测试的想法。研究全自动化 测试所需信息和操作过程后，分析所涉及的通讯原理。然后在 IEC61850 通讯仿 真平台上对一台数字式保护装置的信息模型进行仿真操作， 证明全自动继保测试 的可行性。 关键词：数字化变电站；继电保护测试仪；IEC61850；暂态计算；自动化测试 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 II Abstract Dig
6、ital substation is a new generation substations technology trend. As an important part of substation automation system, the relay protection in digital substation is affected by electronic transformers, computer network communication technology and IEC61850 standards. Now digital protection is used
7、and promoted as a new feature of digital substation. It forces the relay testing become digital and based on IEC61850 communication system. Nevertheless there is lack of research on digital relay test technology or related device, and the few research results are not comprehensive and thorough. In v
8、iew of these situations, the key technologies of digital relay testing device based on IEC61850 are researched in this thesis. According to the new features of digital relay and the testing circumstance in engineering projection, key technologies of the new test equipment include the 61850 communica
9、tion function, transient calculation and automatic relay test. These points are proposed and researched respectively in different chapter. Also the implementation scheme and verification are given subsequently. The most important and fundamental part in digital relay testing device communicational f
10、unction is analyzed firstly in this thesis. The communicational theories of SV and GOOSE are defined well in 61850. But the actual fact that relay testing doesnt have model brings some communicational difficulties. After detailed analysis, the solution to these problems and the corrective verificati
11、on of communicational program are given subsequently. On the basis of analysis, a new working mode of relay test device is proposed: PC pre-processing the sent message reduces the workload of lower machine and simplifies the process. The digital protection test needs improving transient calculations
12、 accuracy to meet digital relays future needs. Two part of relay protection tests accurate calculation is analyzed respectively. A few flaws about power system fault simulation in traditional relay testing are indicated with their improvement, and the measuring theories, transfer functions，transient
13、 features of 4 kinds of common electronic transformers are well researched. All these work laid a theoretical foundation for test devices computing. At last the thinking of fully automatic relay testing is posed and researched. All 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 III information and operation needed in the fully a
14、utomatic relay testing process are summarized. Then 61850 communicational processes involved are introduced briefly. Finally the thinking of fully automatic relay testing is proved feasible by the result of test operated on 61850 communication simulation system. Keywords: digital substation, relay t
15、esting device, IEC6150, transient calculation, automatic relay test 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 III 目 录 摘要. I Abstract II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题来源及研究的目的和意义 .1 1.2 国内外的研究现状与分析 .2 1.2.1 数字化变电站发展现状 2 1.2.2 数字化继电保护的特点 3 1.2.3数字式继保测试仪的研究现状 .7 1.3 本文研究的主要内容 .10 第 2 章 继保测试仪基于 61850通讯的测试技术研究.12 2.1 IEC61850通讯原理研究.12 2.2 继
16、保测试仪 61850通讯的实现 .16 2.2.1 测试仪的信息模型16 2.2.2 测试仪的SV、GOOSE通信17 2. 3 基于 61850通讯的测试功能实现.20 2.4 通讯过程的正确性、完整性验证21 2.4.1 试验方案21 2.4.2 实验结果与分析23 2.5 本章小结.25 第 3 章 继保测试仪暂态计算的研究27 3.1考虑电子式互感器的暂态计算 27 3.1.1 系统故障的模拟过程 27 3.1.2 典型电子式互感器的暂态特性 28 3.2 数字式继保测试仪暂态计算的方案34 3.3 本章小结.36 第 4 章 继电保护全自动化测试技术的研究 37 4.1全自动化测试的
17、通讯要求和操作过程 37 4.1.1全自动化测试的通讯要求 .37 4.1.2 全自动化测试的过程 39 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 IV 4.2基于 61850信息模型的全自动化测试技术 40 4.2.1 继保装置的 61850信息模型 40 4.2.2 61850客户/服务器通讯.43 4.3仿真验证 .44 4.3.1 仿真平台与验证过程 44 4.3.2 结果分析47 4.4 本章小结.47 结论.48 参考文献 .49 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 54 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 55 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 55 致谢.56 哈尔滨你工业大学
18、工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 继电保护装置作为电网自动化系统的重要组成部分， 在电力系统安全稳定运 行的过程起关键作用：对故障进行判别，命令断路器等开关切除故障设备，保护 线路、设备免受损害，维护系统的稳定运行。如今电力系统的规模不断扩大，系 统中的继电保护设备也随之增多、复杂，更加强调继电保护的速动、选择、灵敏、 可靠四个要求，加上对电网的可靠运行、高效管理的要求逐渐提高，继电保护校 验工作越来越重要。 另一方面，随着电子式互感器的推广和应用、智能开关技术的发展、 IEC61850标准的实施以及网络通讯技术在电力系统中广泛应用 1-4 ，
19、数字化变电 站中的继保装置在以下几个方面发生了变化：数字化：继保的输入信号不再是 以传统二次电缆作为媒介的模拟信号，而是以光纤为传输介质的数字信号，其负 载能力、可靠性、电磁兼容能力都有较大改观；自我描述性：继保装置按照IEC 61850标准，采用面向对象的建模技术，定义设备信息模型，对内部数据进行自 描述，方便了继保的管理维护；互操作性 基于信息模型的基础之上，继保装 置通过IEC 61850所指明的通讯方式传输数据，交换信息并使用这些信息进行协 同完成工作，即互操作性。 作为继保测试工作的重要工具继保测试仪面临这样的难题： 在测试工作 性质重要，时间紧迫的情况下，传统测试仪既无法自己提供符
20、合61850标准的测 试数据，或提供断路器状态、远方动作信息，也无法对保护设备所发出的动作命 令进行解读、判断，这就使得继保装置的测试无法正常进行。为了满足继保装置 的功能测试和新特征的测试，需要研究开发出数字化继保测试仪。数字式继保测 试仪相对于传统继保测试仪的变化， 不应仅仅是数字接口的改变， 还包括对61850 通讯内涵、电子式互感器给保护带来的变革、智能电网的适应。 数字式继保测试仪的研究开发是在传统继保测试的软硬件基础上进行， 重点 考虑了数字化变电站技术给测试工作带来的改变和继保装置的61850通讯特点。 数字式继保测试仪的关键技术的研究工作， 结合工程现场的一些问题和企业的研 发
21、新进展，从技术的角度分析新测试仪研发的关键要点。这些工作吸收了数字化 变电站应用技术的一些新进展、新成果 5-9 ，可利用IEC61850标准解决变电站的 传统继电保护的一些问题 10-15 。这利于数字化继保测试仪的研发工作、实用化，哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 为继保测试技术增添新内容，也推进了数字化变电站的建设。 1.2 国内外的研究现状与分析 1.2.1 数字化变电站发展现状 数字化变电站的提出是基于光电技术、微电子技术、信息技术、网络通讯技 术的发展，在实际应用中以电子式互感器、IEC 61850标准、网络通信技术和智 能断路器作为技术支撑 16 ，直接表现在二次系统的信息应用的
22、“数字化” ：反映 电网运行的电气信息量是数字化输出；变电站的智能电子设备（Intelligent Electronic Device, IED）的运行信息按照61850标准进行统一建模，通过特定网络 通信进行信息交互；运行控制命令以通信报文的形式来传递。 过程层 间隔层 变电站层 高压动作设备 功能A 功能B 保护2 测控2 保护1 测控1 过程接口 传感器 执行机构 传感设备 站控 总线 过程 总线图 1-1 数字化变电站的网络信息流 下面结合图1-1，简要说明变电站三层分布结构、继保装置在其中的位置及 其接口类型说明。根据IEC 61850标准的描述，变电站的通信体系分为三层 17 ：
23、变电站层、间隔层、过程层。变电站层包括主机、操作员工作站、远动通信装置、 五防子系统等设备，主要功能是提供运行、管理、工程配置的界面，记录站内所 有相关信息。间隔层主要设备包括各种保护、自动化控制、计量等装置，实现： 各保护、自动控制和逻辑控制运算、判别和发出动作命令；站内联闭锁操作；过 程层实时数据、状态信息的汇总；传递变电站层与过程层之间的数据、命令 18 。 过程层设备包括电子式电压/电流互感器、智能开关等，实现电力系统的电气测 量数据量和一二次设备状态信息采集、一次设备的运行操作。层与层之间时通过 总线的方式进行连接、传输数据，即图1-1中的站控总线和过程总线。而继保装- 2 -哈尔滨
24、你工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 置就位于间隔层中。它通过站控总线与变电站层的设备相连，使用光纤网络连接 同一间隔内的过程层各个设备。 目前国内外数字化变电站的研究和建设均处于推广建设的阶段。2006年3月 27日， 云南省曲靖市的翠峰110KV数字化变电站正式投入运行标志着我国数字化 变电站从理论概念研究阶段进入到建设、实用化阶段 19 。随后不久我国分别在 山东、江苏、陕西等省进行电压等级110KV的数字化变电站的改造、建设并投入 运行,积累了大量的现场运行经验。如今220KV、500KV等级的数字化变电站已 经在全国各省市地区陆续建设和投入使用。 2009年5月2日， 500KV桂
25、林变电站的 数字化设备成功投入运行，成为我国第一个在过程层、间隔层、变电站层完全实 现数字化，符合“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”的3 个重要特征的500KV数字化变电站 20 。 但纵观这些投入运行的新型变电站，还有相当一部分并非彻底的数字化。以 浙江220KV外陈变电站为例，该站没有真正意义上的61850过程层设备，一次设 备的模拟量、开关量的采集、测控和保护命令的传输依旧通过传统电缆，这是由 于电子式互感器、间隔层IED产品多数处在试运行阶段，设备协调、工程建设等 方面还需不断积攒经验和改进 21 。 国外方面，美国、法国、德国的电力公司、设备生产商都对数字化
26、变电站都 投入了大量的资金、时间进行研究和实验。出于电网安全稳定、新技术投入需耗 费大量资源的考虑，比国内发展速度慢一些。在全球范围内，比较具有影响力的 是位于美国田纳西州的Bradley500KV变电站 22 ，该站的结构理念、实验运行都 在全球数字化变电站领域内处于领先。 1.2.2 数字化继电保护的特点 作为下一代变电站自动化系统， 数字化变电站的很多功能发生了很多改变， 继电保护就是其中的重要代表。随着电子式互感器、计算机网络通信技术在数 字化变电站越来越多的被使用以及 IEC61850 的不断推广，继电保护也上升为 数字化的保护。数字化保护取消了传统的以二次电缆为媒介的 100V/5
27、A模拟信 号，取而代之是以光纤为传输介质的数字信号。保护的现实依赖于通讯， IEC61850就是数字化变电站所选择的通讯标准。 而电子式互感器作为这次数字 化变革的根本性推动者，从技术层面上和保护原理上促进继电保护领域新的发 展。作者从这些数字化变电站技术所带来的变化、影响来总结出数字式继电保 护的特点。 (1) 以设备间数字式互联为基本特征 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 在传统变电站里， 对系统运行状态的信息采集是基于电磁式的电压/电流互 感器， 通过变压器的电磁效应把一次系统的电压/电流转变为幅值相对要低很多 的电信号，然后通过二次电缆传送到位于远方的保护设备。这显然存在诸多缺 陷：互
28、感器输出的 100V/5A电信号对人和设备而言还是一个高压大电流，存在 危险，而且一定距离传输必然会有衰减问题，会使接收端得到的信号并不准确， 电缆老化接地、信号间干扰、气候环境影响的问题都给二次系统的保护功能带 来影响，甚至会产生误动作，给电力系统带来巨大的破坏 23 。于是人们不断的 试图对这种保护信号传输方式进行改进、更新。数字式网络化的传输成为了目 前最好的选择。 考虑互感器采集到的模拟信号， 传输到保护内部还要 A/D转化， 于是设计者就将互感器二次侧采集到的信号直接转换成数字式的信号，再传送 给保护装置。随着光纤技术的成熟，变电站选用了光纤来传输数字式信号。 图1-2 继电保护装置
29、与互感器的连接方式 随着基于法拉第效应和普克尔效应的光电传感技术和基于罗科夫斯基线圈 原理的新电磁传感技术，在暂态测量精度、测量频率带宽等方面远胜于传统电磁 式测量 24 ，于是非电磁式的电子式互感器渐渐有取代传统互感器的趋势。在这 种情况下，三相电压电流的模拟信号均换成了通过光纤进行输送的数字式信号， 保护设备的输入信号接口也变成了光纤式的接口， 使得两者间的连接传输变得稳 定安全了。 对于继电保护而言，最重要的功能是在电网发生故障时断开有问题的元件， 从而维护系统的稳定。它的实现，要依赖于断路器执行动作命令。中低压数字化 变电站里的智能断路器是具有高度智能化的一次开关设备。它按电压波形、合
30、闸 角度精确控制跳合闸，减少了开合闸时间，降低了暂态过程的影响 25 。它的智 能化是以微电子技术为主要基础，基于更多信息进行精确化动作，支持了数字式 接口。而在高电压等级的数字化变电站则采用了智能终端+断路器/隔离开关的模 式构建起智能式开关，它与保护设备的接口也是了数字式。于是继电保护设备与 过程层的通讯实现了数字化，加上原先与变电站层系统的数字接口，如今的保护- 4 -哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 装置实现了全数字式连接。 图 1-3 传统短路器与智能开关的操作原理 (2) 保护依赖于 IEC61850网络通讯 完成了数字化连接后，也还是存在问题：设备间都需要互联，在变电站的二 次系
31、统现场， 设备间需要大量连接， 如果采用点对点的方式连接， 容易发生错误， 也花费大量资金。同时对设备而言，这么多连接也就意味着提供大量的接口，对 装置的数据处理、接口电路来说都是一个考验。于是网洛通讯技术被引入到了变 电站自动化系统中。 图 1-4 过程层与间隔层的点对点连接和总线连接 如图 1-4，间隔层与过程层的连接，用总线技术取代了点对点连接。总线 式连接，有效的减低了变电站的二次系统的连线复杂度，节省了建设成本，方 便了维护和管理。同时一个新设备的加入，并不需要其它设备进行大的变动，- 5 -哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 也能快速建立通讯连接。 总线式连接是为了更好的
32、通讯， 但传统电站的一些问题影响了变电站网络通 讯的发展。这集中于两点：通讯规约的差异和继保数据的管理。间隔层保护装置 之间的连接都是各厂家相互约定， 一旦另外厂家的新装备加入， 需修改通讯规则， 增加规约转换器。 而保护装置上送给变电站层的信息须事先与监控后台的数据库 进行约定, 一一对应后才能正确反映状态。该协议一旦确立以后，如需增加或删 除某些信息就必须停止运行来修改协议和规约转换器，耗费资金和时间 26 。加 上电网规模不断发展, 变电站的保护设备还会不断增多，上送的信息类型也会增 多，这种面向点对点传输的数据管理面临很大挑战。 IEC61850 的改善了这两个问题。它采用面向对象方法
33、，使传输数据带有说 明，具备自我描述性，发送方可不受预先约定的限制，各类信息均可传输，接收 方都能理解数据的意义，方便了对数据的管理和维护工作 26 。从这个意义上说， IEC61850扫清了数字化继电保护的最后一个障碍。 (3) 电子式互感器极大促进继电保护的发展 电子式互感器是指有别于传统电磁型电压/电流互感器的新一代互感器，按 传感原理的区别，分为电子式和光电式的。它和传统互感器的区别表现在：第一 点表现在外表特征上，电子式的体积小，重量轻，方便了运输安装；其次是信号 输出方面，非常规互感器的输出是以光纤传输的数字量，这就解决了传统二次电 缆的电磁干扰、绝缘老化问题，也避免了传统互感器二
34、次侧开路或短路所带的安 全性问题， 同时用光纤作为传输也大大提高了传输可靠性； 最后测量数据的质量， 电子式互感器远胜于电磁式互感器。这体现在：由于非常规互感器不含铁芯也就 不存在磁饱和问题，扩大了测量的范围，从稳态的额定电流到短路瞬间的几十倍 于稳态值的瞬时暂态电流，都在新型电流互感器的准确测量范围内；铁磁谐振的 影响消失后，使得新互感器的暂态响应效果优异，测量频带宽广，可以精确测量 高压电力线上的谐波、高频暂态分量。前两个不同给电力系统带来的是现场工程 的建设运行、数据传输方式的改变，解决了技术上的问题，提高了继电保护的可 靠性；而测量数据质量的提高，则是给电力系统继电保护原理带来了巨大影
35、响。 电子式互感器在变电站的运用，提供给继电保护设备更精确、信息量更丰富 的电力系统运行数据， 包括测量精度更高的工频量和电磁式互感器所不能正确测 量的非周期分量，继电保护迎来了一个新的广阔发展空间：首先对于现有的保护 原理来说，非常规互感器的使用，提高了基于工频量信息进行判断的差动保护、 距离保护、过流保护的速动性、灵敏性和选择性 27 ，同时继保人员在此基础上 对这些保护进行优化，提升性能；同时电子式互感器提供的高频信号，可以为基哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 于高频分量的暂态保护、行波保护予以施展空间，使之实用化，得到推广；加上 故障时的低频非周期分量长期以来并未受到重视， 是由于电磁
36、式互感器的铁磁效 应造成测量不准，现在新互感器可以完好提供该信息，这将必然重新获得更多关 注，研究出新的保护原理和保护装置。 1.2.3数字式继保测试仪的研究现状 继电保护迎来了数字化时代，对应的测试工作也应该朝着这个方向发展， 数字式继电保护测试应需而生。其目的在于解决现场测试仪的困难、问题，以 变电站继保通信环境为基础；分析数字化保护的特点、发生变革的原因去考虑。 1.2.3.1 数字化继电保护功能的测试 目前数字化变电站继保功能的实际状况： 继保功能的设备主要分布在变电站 的间隔层和过程层，而设备间的通讯依赖于过程总线，见图 1-5。 图1 -5 过程层和间隔层继电保护相关设备的连接 间
37、隔层与过程层的通讯是依靠合并单元中将几路互感器所测量的系统电气 数据送入过程总线。继保得到后进行分析判断，把动作出口状态，按特定机制发 送到总线。位于过程层的智能操作单元接收状态信息，予以分析，执行相应的动 作。在 61850标准里，定义这种系统电气数据为采样值（Sample Value, SV） ，而 设备状态值、动作值信息统称为面向对象的通用变电站事件（General Object Oriented Substation Event, GOOSE），对应的通讯数据帧、通讯网络称为 SV/GOOSE 报文、SV/GOOSE 网 28 。目前大多数数字化变电站的 SV、GOOSE 是分开组网通
38、讯 18 ，所以测试仪要有适合接口连入这两个网络或继保设备。 由于数字化变电站没有继保管理机，同一间隔内的设备，用统一的信息模型 和数据交换方式来实现信息共享和设备相互操作 29 ，例如联闭锁、后备保护等 功能，支持了继电保护的在线预警和在线状态检修 30 。 - 7 -哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 对数字化继保设备进行功能测试， 主要是根据保护类型， 例如纵联差动保护、 零序过流保护、 接地距离保护等， 依次配置， 然后在过程层施加相应的激励信号。 对于涉及到不同装置间配合的保护功能， 还需模拟其他保护装置的行为来检测被 测装置的保护行为是否正确。最后将试验的数据和测试结果进行比对，判断
39、装置 是否达到设备所声称的功能和变电站对它的要求。 对数字化保护装置的测试不可 能由一次系统发生真实的故障，由互感器测量到数据交给继保，让断路器发生动 作情况来做最后的测试判断。这样存在危险，是现有电力系统运行、校验规范所 不允许的,所以需要一台继电保护测试仪来完成测试工作。 但现有的继电保护测试仪是提供不了这样的服务，因为：它自身还不能产生 符合 61850标准所要求的代表系统故障的 SV报文，也不能读懂继保设备所发出 的关于动作的“命令”GOOSE 报文。就连接入过程层最基本的光纤以太网 接口，它都不具备。而现场的测试工程师又只能依赖于这样的仪器来给保护装置 提供试验用的激励信号。于是早期
40、变电站现场就用传统测试仪、合并单元、智能 终端组装出一套测试系统，勉强实现了继电保护功能测试，算是一种权宜之计。 图 1-6 数字化变电站现场继保测试的临时方案 如图 1-6，给基于电信号工作的传统测试仪外加一个数据采集转换器，把测 试仪输出的故障模拟信号按照标准规定的采样率转换为数字式信号， 送入合并单 元，经过采样同步、数据编码成帧的过程，转为符合 61850标准的采样值数据， 通过光纤传送到数字式继保装置。这解决了试验信息的发送问题。但还存在：继 保输出的是数字信号，要判断继保动作情况则需要把继保的命令输出到智能终 端，由后者来记录继保发出的 GOOSE报文，然后查看报文记录，进行解析，
41、获 取继保的动作信息。 - 8 -哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 这种工作方式的缺点十分明显：测试过程十分繁琐，接线复杂，测试效率 低，测试工作量大；涉及多个设备操作，其中一个设备的潜在故障都会导致测 试不成功、结果无效；故障数据、动作信息经过了多个设备处理，花费了一定 时间，而且跳闸时刻与数据输出时刻不由同一设备给出，这降低了时间特性测 试结果的可信度；测试属于开环过程，信息需要在测试仪和智能终端分开得到， 这十分不利于过程操作、结果记录、以及最终报告的整理。所以急需一种新的 继保测试仪来缓解这样的困境。 1.2.3.2 数字化继电保护对测试仪的要求 (1) 实现基于 IEC61850标准
42、的数字式通讯 要对数字化变电站中的设备进行测试，首先一点就是要与装置进行连接、 通讯。这种测试系统应该能够通过光纤接口连入网络或继保设备；模拟合并单 元发出试验用的 SV 报文；收取、解析被测装置发出的 GOOSE 报文。测试仪 还应能发送 GOOSE 报文，提供给设备例如一次设备的当前状态，并校验设备 联闭锁、后备保护等互操作功能，实现如图 1-7所示的数字化闭环测试的功能。 图 1-7 应用数字式测试仪的测试框架 从通讯的性能上，对报文传输有三个性能指标来评价：正确性、完整性、实 时性。正确性是指接收处所得到的数据帧，其内容和发送端的一致，而完整性是 指所发的报文不出现丢帧的现象。实时性在
43、 IEC61850标准里规定：报文之间的 时间间隔的误差不能超过 4us，而传输时延不超过 4ms 31 。 (2) 适应电子式互感器对继保的变革 电子式互感器多方面、深层次的影响了目前的继电保护原理，将会推进继电 保护的发展。而继保测试仪作为继电保护的测试工具，对保护设备的动作状况予 以评判，理应在输出的激励信号上追随非常规互感器给继保所带来的变革，改变 传统测试仪稳态工频的单一输出，注重非周期分量的模拟，提供更接近电力系统 实际的电气信息量，适应继电保护发展的需要。 - 9 -哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 以上这两个要求，前者是基础、前提，测试仪不能实现这一点，后者的提高
44、 暂态计算精度是没有意义的；后者是整个测试仪本质的提高，体现了数字化继电 保护的发展特点，是整个数字式继电保护测试仪的核心所在。 加上目前全球大力提倡建设“智能电网” ，对于数字化变电站而言也强调了 设备的智能化。目前现有的技术条件下，变电站内设备的智能化主要集中在设备 的自我表述、自动控制、协同工作等方面。而 61850 的通讯体系，强调了数字化 变电站运行数据的统一建模， 构建了设备的信息模型， 这实现了设备的自我表述。 而 61850 通讯原理定义了一整套体系， 其最终目的是实现变电站内部设备间的互 操作，即信息共享、协同工作。可以说 61850 标准的信息模型、统一通讯方式、 互操作能
45、力，恰恰提供了一个设备智能化平台。所以希望数字式的继保测试仪能 结合 61850这个平台，也变得智能化，提高测试的自动化水平。 1.2.3.3 数字式继保测试仪的产品现状 国外继电保护测试仪厂商OMICRON率先研发出能输出符合IEC61850标准 的SV数据帧和正确解析GOOSE报文的数字式测试仪，实现了和传统一样的闭环 测试。提高了测试速度和效率。此外，OMICRON提供了GOOSE配置工具 IEDScout。该软件可以对继保设备信息模型进行检查、校验、设定，是第一款在 测试仪上支持继保61850模型测试的工具软件。IEDScout还可导入用户配置的 GOOSE控制块向网络发送设定好的GO
46、OSE报文，扩展了测试仪的应用范围。此 后国内外的继电保护和测试仪厂商都以该产品作为参考， 根据自身产品的软硬件 特点，综合考虑与传统继保设备的兼容性问题，研发出类似产品。目前市场上常 见的产品主要有OMICRON的CMC 256、博电的PWF-、许继的DRT802等。但 这类产品还有一些不足：测试仪没有根据电子式互感器对继电保护的影响，提升 测试信号的精确度和真实性，也没有充分利用IEC61850通讯特点，改善测试自 动化的问题。 1.3 本文研究的主要内容 数字化变电站是未来变电站发展的必然趋势，继电保护作为自动化系统的 重要部分，受光电传感技术、电子信息技术、计算机网络通讯技术和 IEC
47、61850 通讯标准影响，也上升至数字化保护。相应的测试工作也要跟上数字化的步伐。 本文以 IEC 61850 标准中测试部分的研究为基础，以继保测试技术的角度，结 合测试仪研发厂商的新技术新进展，关注数字化变电站的测试工作中的一些问 题来开展研究。在分析数字化保护的特点和对测试现状后，根据数字化保护对哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 继电保护测试仪提出的要求，结合目前测试仪状况，寻找出了数字式测试仪的 研发需要研究关键技术，主要包括： (1) 研究测试仪与被测继保装置之间的 IEC61850通讯：发送 SV报文、发 送 GOOSE 报文、接收并解析被测设备所发出的 GOOSE
48、报文这三部分的通讯 原理和实现技术，并研究基于这些通讯进行继保测试的方法。 (2) 由于电子式互感器对继电保护的影响，着力提高测试仪暂态计算精度， 以适应继电保护未来的发展需要。分析现有测试仪模拟系统故障过程和电子式 电压电流互感器的传感原理、传递函数、暂态特性。 (3) 依据 IEC61850通讯的应用范围、新特点，尝试提高继保测试的自动化 测试水平。 哈尔滨你工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 继保测试仪基于 61850通讯的测试技术研究 数字化变电站的测试现状是，数字式的继电保护装置急需进行功能性测试， 而传统测试仪无法与它的数字式接口、61850通讯匹配。所以对数字式测试仪的 研究，
49、首先且重点要解决数字式通讯。要实现 1.2.3 中所述的测试仪三个主要通 讯功能：发送 SV、 GOOSE和接收继保的 GOOSE报文，需从 61850的通讯原理、 SV、 GOOSE通讯过程来分析， 然后再基于这些通讯展开继电保护测试功能工作。 2.1 IEC61850通讯原理研究 变电站运行过程中最珍贵的是正确有效的数据。 它是变电站自动化系统的根 本基础，是继电保护、运行调度、计量、远方监控等功能实现的前提。而数据的 传输也就成了变电站运行的关键任务。 尤其继保的实现需要一二次设备能够正确 及时的传输数据。 IEC61850标准作为国际电工委员会于 2003年颁布的关于变电站通信网络和 系统的标准，和以往的 IEC60870-5 通讯规约不一样，61850 突出强调了传输什 么样的数据，而不是如何传输。它的整套通讯原理体系可分为三部分 32 ，见图 2-1。 . . 传 输 . MMS通讯 特定的SV传输协议 . 设备信息模型 抽象通讯服务接口（ASCI） 特定通讯服务映射（SCSM） 数据1 数据2 . 数据1 数据2 . 替 代 控 制 报 告 .图 2-1 IEC61850通讯原理的三个部分 - 12 -
