一種組合分散式新型直流測試裝置的研制及應用

張延冬，李興建，劉鵬，張建鋒，篤峻，于哲

(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211100)

0 引言

特高壓直流輸電技術能夠實現大范圍內能源優化配置，適合巨型能源基地實現電力超大容量、超遠距離外送，實現電力系統的非同步聯網[1-7]，因此近年來越來越多的直流輸電工程投運，在全國能源聯網、西電東送戰略目標中發揮著重要作用[8-9]。而特高壓直流保護系統是特高壓直流輸電工程的安全衛士，其性能很大程度上決定了特高壓直流輸電工程的運行性能和安全可靠程度[10-16]。

在交流繼電保護領域，不管是常規變電站還是數字化變電站，保護裝置的模擬量接口都是標準的，如常規變電站保護裝置采用交流電流、電壓互感器將一次系統的交流量轉換成二次采樣值接入保護裝置，而數字化變電站保護裝置采用標準的IEC 61850-9-2的數字化協議傳輸交流采樣實時值，測試儀廠家如博電、昂立等，緊跟保護廠家的技術進步，研制了不同種類的繼電保護測試儀，可以對繼電保護裝置進行單裝置調試、分系統調試等，調試手段比較豐富，運行人員對這種調試方法也比較熟悉，給檢修運維工作帶來了極大的便利。

但是直流保護不同于交流保護，直流保護系統按區域劃分，通常分為換流變壓器保護區、換流器保護區、極保護區、雙極保護區、直流濾波器保護區和直流線路保護區。為了提高運行的可靠性，直流保護采用多重化的冗余配置，通常配置三重化的保護裝置，并按照“三取二”的邏輯動作出口，即三套冗余系統中至少同一保護的兩套同時都有信號出口，動作信號才會被發出。系統的復雜性，導致各個控制裝置和保護裝置之間需要復雜的邏輯配合才能進行相關功能的調試，而不同保護的采樣信號、開關信號、控制信號、邏輯信號等，來源于系統不同間隔的不同裝置，且其接口種類多。以極保護為例，其接口類型包含光纖FT3接口，光纖以太網接口，光纖CAN接口等，這些接口既有輸入又有輸出，且目前各種協議并沒有統一標準，保護動作出口有時還需要控制裝置的信號配合，無法解耦。目前市面上缺乏接口豐富的測試裝置，在特高壓直流輸電工程的現場調試過程中，一般只能通過在直流控保軟件中進行參數設置或修改定值來模擬保護動作，檢驗出口回路的正確性，不僅無法開展功能、性能的現場檢驗，而且隨意修改程序還會給安全運行埋下隱患。因此，急需開發一種接口類型齊全，能滿足直流保護功能和性能試驗的新型測試裝置。

除單裝置功能和性能測試外，直流系統由于其本身的復雜性，各種保護裝置根據直流系統架構在物理上分散配置，各子系統之間大多通過光纖互聯，在現場驗收時，往往需要對整個系統進行校驗。極1保護部分的典型配置如圖1所示，極2部分和該示意圖相同，由圖可知高壓側閥保護和低壓側閥保護物理上分開，有的工程甚至不在一層樓，測量IO接口屏也單獨布置。系統測試模式下，需要從測量IO接口屏加量，常規交流采樣信號、常規開關量信號、光纖FT3信號、光纖以太網信號在距離較遠的不同位置施加，單臺測試裝置即使能輸出直流控保裝置需要的各種類型數據，也無法做到同時給各個不同位置的裝置施加信號，因此需要多臺測試裝置進行配合完成。

圖1 極保護典型系統結構示意圖

由上述分析可知，要滿足整個直流系統的多種直流控制、保護裝置功能和性能測試需求，所設計的測試裝置要涵蓋各種數據接口，涵蓋大功率功放模塊、常規開關量模塊、光纖FT3模塊、光纖以太網模塊、光纖CAN模塊等各種模塊，文獻[17]提到的實景替代式直流保護測試方案即是這類設計，按照這種方式設計的測試裝置往往比較龐大笨重，而現場直流系統測試，需要多臺測試裝置分布式配合進行，多臺體積龐大的測試裝置不便于攜帶。多臺之間的配合導致需要搭建復雜的測試環境，在這種測試模式下，各測試裝置只用到部分接口及功能，因此需要采用一種全新的思路設計測試裝置，同時滿足便攜性和功能完整性的需求[18-20]。

1 直流保護測試方案

運維人員希望能對直流保護裝置進行單裝置的功能和性能試驗，由引言中的分析可知直流保護系統由于本身的復雜性，包含眾多外部接口，通信介質和協議也各不相同，而且每個工程涉及的接口還有所區別。綜合運維人員在工程調試和后期運維檢修時的需求以及實驗室環境中的測試需求，接口統計如表1和表2所示。

表1 保護主機接口

表2 三取二主機接口

上述表格中僅僅統計了物理接口，表格中IEC 60044-8協議(采樣接口)中也可能是10 k、50 k或者100 k，雖然控制主機的通信接口和三取二主機通信接口都是光纖以太網，但協議不一樣?？紤]到分布式系統測試時，還需要從IO接口柜的測試裝置端加量，所以還要具備交流功放輸出和直流輸出的功能。同時要具備保護單裝置功能測試，需要考慮對三取二裝置出口報文以及上送報文的監控，用以保護功能動作結果的邏輯判斷，以便于實現自動測試。

因此，需要開發一款具備各種輸入輸出接口的新型測試裝置，和保護裝置的各種輸入輸出接口形成閉環，同時能夠設置各種輸出信息狀態，模擬故障狀態的功能。單裝置直流保護的測試方案如圖2所示。

圖2 直流保護單裝置功能/性能測試方案

上述單裝置閉環功能測試的方案比較適合實驗室或者投運前的測試，因為要進行試驗需要將保護裝置的外部接口和測試裝置一一對應連接，在后期的運維檢修中，插拔數量眾多的通信接口，容易造成光纖的污損，恢復時也可能出現誤插的情況，目前尚無運維標準對這種插拔通信接口的方式做明確的規定。

目前工程驗收往往針對整個系統進行試驗，直流系統是一個復雜的系統，包含了各個組成部分，從采樣源頭的測量接口屏到直流保護屏、直流控制屏等分散式布置，甚至跨越站內不同的樓層，各個設備間通過光纖互連，系統整體測試不僅僅測試系統的功能也驗證了系統間的通信互連通道，是一種更完整的測試方式，但是系統的分散性和復雜性導致一臺裝置無法兼顧不同地方的被測裝置，如在測量接口屏施加模擬量，則無法同時將信號施加到保護主機，無法將保護主機的動作出口接入測試裝置，更無法同步接入控制主機的動作信號。采用分散式測試方式很好地解決了上述問題，分散分布式系統測試方案如圖3所示。

圖3 分散分布式系統測試方案

由圖3可知，所示功放模塊獨立供電，就近布置在測量接口屏附近，給常規采樣的合并單元施加模擬量，光纖FT3模塊則給電子式/光學互感器形式的合并單元施加數字模擬量，常規開關量模塊則可以為測量I/O裝置施加開關量；而在直流保護屏，保護主機通過光纖接收測量接口屏傳來的信號，同時根據需要接收光纖FT3模塊施加的本地光纖數字模擬量，接收光纖以太網模塊模擬控制裝置發出的光纖數字開入量，并通過光纖以太網模塊獲取保護主機的保護動作等信號。同步地，三取二主機接收來自保護主機的信號，其保護出口信號則由普通開入模塊進行收集。管理模塊通過外部光纖接口下發測試數據、控制整個測試流程、獲取來自保護主機、三取二主機、控制主機的出口信號以及事件報文，組成閉環測試系統，完成系統測試流程[21-22]。

2 直流測試裝置的研制

為了滿足對直流系統的上述兩種測試方案，需要研制一款能對直流系統各區域保護裝置提供豐富測試接口、功能齊全的測試裝置，可以組合在一個單獨的機箱內部，便于攜帶、存放，作為一個整體完成單體直流裝置的功能測試；同時在現場的系統測試場合，構成測試裝置的各個模塊可以分散式自由組合，通過現場預留的光纖組成分散分布式測試系統，測試整個直流系統[23]。

為解決上述技術問題，本文研制了一種可分散可組合的新型直流測試裝置，包括：管理模塊、功放模塊、開入開出模塊、光纖以太網模塊、光纖FT3模塊、電源模塊、內部總線模塊等，除電源模塊和內部總線模塊外其他模塊都是智能模塊,均包含對內總線接口、對外光纖控制接口、通用電源接口,通過對內總線接口和通用電源接口,上述各個模塊可組成整體組合式直流測試裝置，其架構如圖4所示。通過對外光纖控制接口和通用電源接口外接獨立電源，可以組成分散式直流測試裝置，其架構如圖5所示。

圖4 組合式測試裝置架構圖

圖5 分散式測試裝置架構圖

新型直流測試裝置各模塊功能如下。

1)管理模塊，包含多路RJ45網絡接口、對內總線控制接口，以及多路光纖以太網接口。其中一個RJ45網絡接口用于連接PC，用于后臺測試控制，另外一個RJ45網口可直接連接被測裝置的監控網絡接口，方便和被測裝置組成閉環測試系統，用于保護事件的獲??；對內總線控制接口用于組合式測試時連接和控制其他各個模塊；多路光纖以太網輸出接口，用于分散式測試時連接和控制其他各個模塊。

2)功放模塊，采用通用接口設計，可連接裝置總線背板模塊，也可外接獨立的大功率電源。

3)開入開出模塊，包含多路空接點式對外開入開出接口，用于測試時給直流保護裝置施加開關量信號和獲取直流保護裝置的動作出口。

4)光纖FT3模塊，包含多路光纖FT3收發接口，通過該接口可以模擬電子式互感器的10 k、50 k、100 k等標準或者非標準的IEC 60044-8協議，給直流保護裝置施加交直流數字模擬量。

5)光纖以太網模塊，包含多路光纖以太網收發接口，可模擬直流控制主機發出控制協議，也可接收保護主機發往三取二主機的跳閘命令協議信息，在直流保護測試時，解耦保護主機、控制主機以及三取二主機，直接針對直流保護裝置進行單裝置功能測試。

新型直流測試裝置的管理模塊、功放模塊、開入開出模塊、光纖FT3模塊，光纖以太網模塊均為智能模塊，帶有CPU，包含對內總線控制接口和對外光纖輸入接口。對內總線控制接口用于組合式測試場景時和管理模塊連接并接受管理模塊控制。對外光纖輸入接口用于分散式測試場景和管理模塊連接并接受管理模塊控制。各模塊均采用通用電源輸入接口，該接口采用目前流行的Type-C USB接口供電，可通過內部總線背板連接取電，也可采用Type-C USB接口的獨立電源取電,各模塊采用獨立特殊外殼的一體兩用設計，既方便插入整體機箱組合為整體測試裝置，又方便獨立分散使用,Type-C USB通用取電的接口形式配合一體兩用的外殼,方便分散和組合兩種使用方式。

新型直流測試裝置與市場現有測試裝置的主要接口及性能對比如表3所示。

表3 接口及性能對比

3 關鍵技術分析

3.1 測試裝置模塊同步技術

不管是單裝置功能測試還是分布式系統測試，構成測試裝置的各種模塊輸出的故障數據同步性非常重要，各個模塊能否做到精準同步，是影響特高壓直流保護測試的關鍵技術之一。

在組合式測試裝置的方式下，管理模塊通過內部總線管理其他智能模塊，內部總線包含高速數據總線和對時總線，管理模塊的測試故障數據通過高速數據總線，快速分發給各個智能模塊，管理模塊采用高性能的多核CPU，一個CPU核運行嵌入式實時操作系統，用來和后臺控制軟件通信以及接收被測保護裝置的事件信息，另外一個CPU核無操作系統，充分保證實時性，用于控制FPGA實現內部高速數據總線的數據交換，此外該裸核CPU控制FPGA產生對時脈沖，通過對時總線同步各個智能模塊的時標。各智能模塊實時跟蹤對時脈沖，根據各自的任務精確調整自己的任務周期，統一計時系統。同時，各智能模塊都采用了高精度恒溫晶振，進一步提高時標精度，測試時通過對時總線同步觸發故障輸出，經過對時總線以及算法調整后，各個不同模塊輸出故障的時刻能精確到1 μs之內。

在分散式測試裝置的方式下，各種模塊實際是獨立的裝置，管理模塊通過光纖以太網控制其他模塊，光纖以太網發送測試故障數據，同時采用IEEE 1588對時技術，管理模塊作為主時鐘源，同步向每個光纖以太網口發送對時報文，其他智能模塊作為從時鐘點對點接收主時鐘的對時信息，保證和主時鐘模塊的時鐘同步,按照變電站時間同步裝置的標準，IEEE 1588對時的精度可達亞微秒級別[24-26]，本方案實測各個模塊的時標精度達到了1 μs，采用該技術完全可以滿足直流測試中各個故障模塊輸出信號的同步性。

3.2 測試裝置的軟件配置協議技術

對比直流保護測試裝置的模塊數量,直流保護需要的硬件接口種類比實際需要的通信協議要少的多。例如，光纖FT3模塊要模擬常規直流和柔性直流的協議，但實際采用的硬件是一樣的；光纖以太網模塊要模擬控制主機協議和模擬GOOSE IO協議，但管理模塊在分散式測試時用于控制其他各個模塊的硬件也是一樣的。因此，通過軟件靈活配置的方式實現不同協議的輸出,數據采用分層管理的方式，協議報文的各個字段都可以通過軟件定義和控制，但在具體試驗中不需要變化的部分放在配置層，包括協議類型、協議幀頭定義、協議數據的類型、發送頻率、波特率等參數，協議中需要和模擬量等同步變化的數據，放在應用層管理。各個模塊基本都是采用CPU+FPGA雙核控制的方式，中斷的實時控制、應用層的編碼均由CPU的應用軟件通過配置生成，而物理層的收發則由FPGA實施，這樣可以進一步提高硬件的處理能力，保證任務的實時性。

3.3 后臺控制軟件技術

為保證直流測試裝置的各個模塊的能夠共同配合模擬特高壓直流的各種故障工況，檢驗特高壓直流保護裝置的邏輯功能，需要后臺控制軟件能夠對各個故障模塊提供可視化的界面進行參數設置和管理，這些參數包括控制主機和保護主機之間的光纖以太網的通信協議、直流電子式互感器IEC 60044-8的協議配置、功放模塊的配置、開關量的映射管理以及監控相關的IEC 103/IEC 61850模型信息等，因為測試裝置的各種模塊接口實際上只規定了硬件接口，現階段的直流工程即使同樣的硬件接口，其協議也可能有所區別，通過可視化的配置和上節提到的軟件配置協議技術，可以支持更多的直流保護裝置和直流工程的調試，其中通過對直流保護裝置出口協議和IEC 103/IEC 61850模型的配置，完成閉環測試的事件信息監測。參數配置如圖6所示。

圖6 各模塊參數配置圖

同時，后臺能夠提供多種狀態序列的設置功能，各狀態的交直流電壓/電流幅值、電子式互感器協議的幅值、持續時間、開出量狀態，控制主機輸出協議的具體內容均可獨立配置，各種信息的狀態序列的組合完成直流故障的模擬，同時這些狀態序列的組合以模板方式存儲，以功能命名的形式生成各種專項功能測試項，可用于后續的回歸測試和檢修測試，故障試驗界面如圖7所示。

圖7 測試用例故障試驗圖

4 工程實際應用

測試裝置開發完成后，即在直流工程調試和研發邏輯功能測試中進行了應用，下面以烏東德直流工程中的閥組保護裝置(CPR)為例，闡明測試的具體過程：針對閥組保護裝置中的各種保護功能，配置了不同的測試用例，涵蓋交流連接母線差動保護、交流連接母線過流保護、交流低電壓及過電壓保護、啟動電阻熱過載保護、啟動電阻過流保護、交流網側零序過壓保護、柔直變飽和保護、交流頻率保護、閥側高頻諧波保護、橋臂差動保護、橋臂過流保護、橋臂電抗器差動保護、直流低電壓及過電壓保護、旁路開關保護等各種保護邏輯。其中，閥側高頻諧波保護最為復雜，其設計的目的是為了避免高次諧波對直流設備及系統造成損害，重點保護柔直變壓器和柔直閥組等設備，其邏輯中重點包含了柳州高閥諧波電流禁止調分接頭邏輯、柳州高閥諧波電流切換的邏輯、柳州高閥諧波電流Ⅷ段動作以及柳州高閥諧波電壓告警的動作，為了準確的驗證上述幾個閥側高頻諧波保護的邏輯功能，測試條件如下：

1)投入保護功能控制字和軟壓板，整定電流諧波定值和電壓諧波定值等(管理模塊)；

2)輸出開關量到CPR(常規開關量模塊)；

3)模擬CCP相關控制數據輸出到CPR(光纖以太網模塊)；

4)模擬GOOSE IO數據輸出到CPR(光纖以太網模塊)；

5)模擬相應的諧波故障數據輸出到CPR(光纖FT3模塊)。

其中，條件1在測試系統中通過IEC 61850通信協議自動設置，條件2通過直流測試裝置常規開關量模塊直接輸出，條件3和條件4通過直流測試裝置的光纖以太網模塊模擬(如表4所示)，條件5由多個光纖FT3模塊通過IEC 60044-8協議模擬烏東德工程中多個10 k、50 k電壓和電流數字模擬量故障數據(如表5所示)。除條件1在實驗開始施加以外，其他各個條件都是多狀態的組合。

表4 控制狀態數據和GOOSE IO狀態數據

表5 IEC 60044-8模擬量數據

每個控制狀態數據由16位報文幀結構進行傳送，CCP控制通道中各狀態數據含義如下。

1)CCP控制通道1 0x1:閥組控制主機處于值班狀態；

2)CCP控制通道2 0x0: 閥組處于初始狀態；

3)CCP控制通道2 0x12: 閥組處于解鎖運行狀態；

4)CCP控制通道3 0x1: 三取二主機允許切換到服務狀態；

5)CCP控制通道4 0x1: 三取二主機允許當前保護主機退出；

GOOSE IO狀態數據由32位報文幀結構進行傳送，GOOSE IO通道狀態數據含義為閥組旁路開關和旁路刀閘處于分位，且啟動電阻旁路刀閘處于合位。

綜合閥控主機值班狀態、閥組解鎖運行狀態、三取二主機服務狀態、三取二主機退出狀態、閥組旁路開關分位和啟動電阻旁路開關合位。閥側高頻諧波保護電流動作判據為：

(1)

式中：ITHD_Set為諧波電流動作門檻；IVC_Hm為諧波電流；IHm1為基波電流；IVC_Hmi為第i次諧波電流，對應不同的定值和動作時限，閥組保護裝置給出相應的動作出口。

閥側高頻諧波保護電壓動作判據為：

式中：UTHD_Set為諧波電壓動作門檻，UVC_Hm為諧波電壓；UHm1為基波電壓；UVC_Hmi為第i次諧波電壓，對應不同的定值和動作時限，閥組保護裝置給出相應的動作出口。

其中，柳州高閥諧波電流Ⅷ段動作門檻整定為0.18 p.u.,動作延時整定為3 200 ms，動作波形如圖8所示，動作過程符合保護邏輯。

圖8 柳州高閥諧波電流Ⅷ段動作波形圖

各模塊通過模擬直流系統的不同設備，包括測量接口屏的合并單元、IO設備、CCP主機等，解耦了整個直流系統，完成單臺測試裝置對各種保護功能的邏輯驗證。工程實際應用中，反復拆裝主要涉及光纖接口的插拔，只要按照操作規程對光纖進行插拔和保養，不會影響直流測試裝置的精度。直流測試裝置的精度主要包括IEC 60044-8協議傳輸的交流模擬量和外部功放設備的精度，IEC 60044-8協議傳輸的交流模擬量是純數字接口，只要接口正常使用，插拔并不會影響精度。同時，數字接口通過測試裝置內置的自校驗功能，可以定期檢測接口的功能和性能，功放設備則通過定期進行第三方機構的校準確保其輸出精度。

如文中所述，組合式測試裝置和分散式測試裝置的區別如表6所示，主要在于數據總線和控制總線前者集成在背板總線上，而后者通過外部光纖實現，測試用例的執行單元都是同一功能模塊。測試裝置通過對時總線提供的同步脈沖確保各功能模塊之間的協調工作，分散式測試裝置的對時通過光纖傳輸的IEEE 1588協議保證，而組合式測試裝置通過板間的對時脈沖保證，IEEE 1588的對時精度可達到1微秒。因此，兩種測試模式并不會對各功能模塊產生影響，在工程測試時的對比結果和裝置性能的實際測試過程中都得到了驗證。

表6 組合和分散測試模式對比

截至目前，新型直流測試裝置已應用在靈紹、昌吉、古泉、雅安以及烏東德等工程的驗收和檢修調試中，充分驗證了本方案的可實施性，豐富了直流工程的測試手段，對直流工程測試水平的提升有一定的促進作用。由于直流測試的相關標準還在制定中，直流測試裝置的使用量和頻次目前還不能同交流測試裝置相比較，但隨著相關標準和測試規范的完善，以及直流工程數量的不斷增加，直流測試裝置會有比較廣闊的應用前景。

5 結語

本文針對目前直流工程現場調試、運維檢修缺乏調試手段的現狀，基于對直流保護裝置各種協議、接口的深入理解,研發了一種直流測試裝置，可以模擬各種直流保護接口，通過一一對應的方式和直流保護裝置組成閉環方式,對單裝置的性能、功能以及接口進行測試,但這一測試方式目前在業界并未達成共識，需要進一步驗證。因此，針對現場的分布式測試場景，在現場備用光纖充足的情況，將整個測試裝置化整為零，對各智能模塊采用點對點光纖控制方式，就近分散布置，方便組網，便于攜帶。在測試時組成分散分布式測試系統，進行針對整個直流系統的測試，更加貼近現場測試的使用需求?，F場使用結果表明，該方法具備一定的實用性，能夠解決目前直流測試的一些痛點，隨著裝置在現場的推廣使用，將針對不足和需求持續改進，以促進直流測試技術的發展。