全数字化保护系统性能测试方案设计_二_性能参数与执行方案设计

第 38 卷 第 12 期 电力系统保护与控制 Vol.38 No.12 2010年6月16日 Power System Protection and Control Jun. 16, 2010 全数字化保护系统性能测试设计 (二)性能参数与执行方案设计 杨 丽 1,2，赵建国 1， Peter A. Crossley1, 2，陈大超 2 （1. 山东大学电气工程学院，山东 济南 250061； 2. School of E&EE, The University of Manchester, Manchester M60 1QD, U. K.） 摘要：针对由法国阿海珐公司 MiCOM 系列保护 IED 组建的网格型(Mesh)接线变电站保护系统，提出了独立参数和相对参数指 标，用于测试比较全数字化保护系统与常规硬接线保护系统的选择性、速动性、灵敏性和可靠性；设计了兼容性和互操作性 参数指标，用于测试采用不同厂家的合并单元、以太网交换机和保护 IED 时系统的兼容性和互操作性。提出线路电流差动保 护、距离保护的测试执行方案及兼容性和互操作性测试的组网方案，完成时钟源 P594GPS 时间同步单元测试，探讨了利用统 计学工具量化分析该新型英国国家电网保护系统性能参数的解决方案。 关键词: IEC 61850；数字化变电站；电力系统；继电保护；性能测试 Design of performance testing schemes for all-digital protection systems part two performance indices and implementation methodology design YANG Li1,2, ZHAO Jian-guo1, Peter A.Crossley 1,2, CHEN Da-chao2 (1.School of E&E, Shandong University, Jinan 250061, China； 2. School of E&E E, The University of Manchester, Manchester M60 1QD, U. K.) Abstract: Based on a Mesh topology substation protection system using Areva T&D MiCOM series relays, a set of absolute and relative indices are proposed to evaluate and compare the selectivity, operating speed, sensitivity and reliability of all-digital protection system with the conventional hardwired system. Compatibility and interoperability indices are defined for investigating the compatibility and interoperability of systems using merging units, Ethernet switches and protective IEDs from different manufacturers. Implementation methodology for performance testing of the feeder current differential protective IED and distance protective IED is presented. Testing schemes for compatibility and interoperability indices evaluation are proposed and testing results of P594 GPS time synchronizing units are presented. The solutions to quantitatively evaluate the performance indices of the novel protection schemes in National Grid, U.K. using statistical tools are discussed. Key words: IEC 61850；digital substation；power system；protective relay；performance testing 中图分类号： TM77 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)12-0097-05 0 引言 全数字化保护系统具有系统接线清晰化、数据 采集数字化、系统结构紧凑化、信息交互网络化、 信息应用集成化等一系列突出优点[1-4]。其各项性能 指标可否达到甚至超越常规硬接线保护系统，成为 推广该技术的关键所在。设计全数字化保护系统的 性能测试方案，建立各项性能的量化指标，是该技 术推广应用的基础。结合工程应用，针对英国电网 广泛采用的网格角（Mesh Corner）变电站，曼彻斯 特大学国家电网电力系统研究中心应用Areva公司 MiCOM系列保护IED,设计了一套保护系统。针对 常规保护系统性能参数的局限性，提出了一系列适 用于该保护系统性能测试的参数，综合考虑了保护 系统的可靠性、选择性、速动性、故障定位准确性 等独立参数，并定义了相对参数验证系统各元件兼 容性和互操作性等，极大地方便了对全数字化保护 系统的性能表现的量化统计分析，为系统最优化打 下基础。设计了输电线保护柜（距离保护和差动保 护）及网格角母线保护柜的测试执行方案，并完成 对时钟源P594 GPS时间同步单元的测试，可作为该 技术推广应用的重要参考。 1 常规保护系统性能参数的不足 国内、外对常规保护系统的性能、测试已做了 较多研究[5-9]，文献[7]定义了一些重要的参数如稳定 - 98 - 电力系统保护与控制 性（Security，无误动），可靠性（dependability，无 拒动）和可用性（availability，特定运行周期内的可 用比例），这些参数可以作为衡量保护系统性能的全 局性指标，却无法精确定位保护系统故障的元件。 文献[9]从时域和频域角度，提出了保护IED测试算 法（measuring algorithm）和决策算法（decision making algorithm）性能参数测试，并引入基于模糊 集理论（fuzzy set theory）的多目标优先级排序算法 （multi-objective formal ranking）处理所得参数，得 到最优的保护结构和设置。文献[10]则从正确动作 （correct operation），错误动作（incorrect operation） 和无结论（no conclusion）三个方面考察保护系统 的性能[11-13]。 上述参数对于常规保护系统性能的考察非常 有效，对于全数字化保护系统，稳定性、可靠性、 可用性、动作时间、故障类型判别能力、故障定位 准确性等参数仍是考察对象。对于遵循IEC 61850 9-2LE的全数字化保护，其输入信号为化的IEC 618509-2LE以太网信息帧，文献[9]中所提的对保护 测试算法的考察已没有必要，系统兼容性和互操作 性测试则必须考虑[14]。 2 全数字化保护系统性能参数设计 2.1 独立参数和相对参数 对输电线保护系统，以B柜的常规保护IED测得 的参数值作为基准值，定义两组性能参数——独立 参数和相对参数。独立参数通过分别测试A柜和B 柜的IED获得，相对参数则通过比较A柜全数字化保 护系统和B柜常规保护系统的测试结果获得。对母 线保护，则验证其稳定性、可靠性、可用性、动作 时间等参数。 图1为应用OMICRON测试仪和Emulator的线路 保护（Feeder Protection）测试方案。仿真数据库 （Scenario Database，SD）中的每组数据包 s（一 组三相电压电流信号）代表一次系统故障或扰动信 号（即事件Events），由OMICRON 256 Plus测试仪 或Emulator仿真产生， { }1 2 3, , , , nSD s s s s= " 。A 柜和B柜的保护 IED通过光纤通信，MiCOM S1 Studio软件用于保护参数设置。OE为以太网开关的 输出所对应的模拟信号，OB为OMICRON 256测试 仪的输出，作为基准参考量。DA和 DB分别是A柜 和B柜保护IED的跳闸信号。当输入任一仿真数据包 s 时 ， 保 护 IED 的 性 能 参 数 由 SRPI (Relay Performance Indices)表示。 SRPI 由两种方法来计算——跳闸信号判定和 保护动作时间。对跳闸信号判定方法有： S A BRPI D D= − （1） 其中： A B 1 , 0 D D ,⎧= ⎨ ,⎩ 跳闸 其它 （2） 对保护动作时间方法有： S A BRPI D D= − （3） 此时DA�DB分别表示A柜保护IED和B柜保护IED的 动作时间。保护IED的平均性能参数定义为： 图 1 线路保护性能参数测试方案 Fig.1 Protection performance test scheme for feeder bay 1 S S SD RPI RPI n ∈ = ∑ （4） 其中：n 为仿真数据库中的数据包数量。平均动作 时间 μ 定义为： 1 1 n i i D n μ = = ∑ （5） 在概率统计中最常使用标准差（ standard deviation）作为统计分布程度（statistical dispersion） 上的测量，保护IED动作时间的标准差 σ 为： 2 1 1 ( ) n i i D n σ μ = = −∑ （6） 对任意仿真数据包 s，以太网交换机（Ethernet Switch）的性能参数由式(7)计算： 2 B 2 1 1 ( ) / ( ) n n S E B i i i i i EPI O O O = = = −∑ ∑ （7） 稳定性(security)定义为保护IED不会误动的特 性，可靠性（dependability）定义为保护IED在系统 故障或异常情况下在其保护区域内正确动作的性 能，可由式（8）、（9）两式表达。 杨丽，等 全数字化保护系统性能测试方案设计(二)性能参数与执行方案设计 - 99 - 0 0t ns n = （8） 1 1t nd n = （9） 其中：n0t 为保护IED不应该发出跳闸命令的事件总 数；n0 为保护IED在此 n0t 事件中成功闭锁跳闸命 令的事件总数；n1t为保护IED应该正确动作的事件 总数；n1 为保护IED在此 n1t 事件中成功发出跳闸 指令的事件数。稳定性和可靠性可整合为一个参数， 即选择性（selectivity）： 1 0 n ns n += (10) 其中：n为仿真数据库中的事件总数。 故障定位偏差FLerr定义为保护计算值与实际故 障位置的百分比偏差，即： Lerr 100%F = × -实际值 实际值 保护计算值 （11） 2.2 兼容性和互操作性参数 应用IEC 61850标准的重要优势之一是实现 IED 的 兼 容 性 （ compatibility ） 和 互 操 作 性 （interoperability）。在全数字化保护系统中，兼容 性指当共用IEC 61850通信标准时，两个或多个保护 IED能正确执行其既定功能的性能；互操作性指不 同生产厂家的IED可进行双向数据交换，并能正确 使用信息协同操作的能力。为了保证IED的兼容性 和互操作性，需要对其进行一致性测试和性能测试。 一致性测试属于“证”测试，目的是测试IED是 否符合特定标准。IEC 61850-10中专门定义了一致 性测试方法。性能测试则属于应用测试，目的是测 试IED是否满足运行性能要求。一致性测试一般由 授权机构完成，而性能测试则由用户组织实施。 与常规保护系统相比，全数字化保护系统中的 一致性测试和应用测试的联系更为紧密。一致性测 试是应用测试的基础，产品只有通过一致性测试才 具备构成应用系统以执行应用测试的条件。由于 IEC 61850标准的复杂性、其性能在网络异常时的未 知性以及保护、监控系统对实时性的严格要求等原 因，很可能出现单独产品已通过一致性测试，将其 构成应用系统时却不能通过应用测试的情况。通过 一致性测试只是通过应用测试的充分而非必要条 件[2]。图2所示为上述两类测试的关系。 一致性测试 性能测试 兼容性和 互操作性测试 “证书”测试： IEC 61850-10测试 应用测试：应用系 统性能指标测试 基础 验证 依据 依据 图 2 一致性测试和性能测试的关系 Fig.2 Relationship between conformance testing and performance testing 本项目应用线路保护全数字化A柜（系统A）和 网格角全数字化母线保护柜（系统B），进行兼容性 和互操作性测试。图3所示为针对上述A、B系统的 兼容性和互操作性的测试方案。 图 3 兼容性和互操作性测试方案 Fig.3 Test scheme for compatibility and interoperability indices evaluation 合并单元互操作性参数测试通过分别在A、B 系统中应用Areva CVCOM合并单元和Locamation SASensor合并单元实现，以太网交换机则分别由 Netgear和RuggedCOM提供。在任一仿真数据包 s作 为输入信号时，MIIS, EIISA,B分别为合并单元和以太 网交换机的互操作性参数，RCISA,B为保护IED的兼 容性参数，EPI S，RPI S定义见2.1，MII S由式（12） 定义： 2 C 2 1 1 ( ) / ( ) n n S C L i i i i i MII O O O = = = −∑ ∑ （12） 其中： CiO 和 LiO 分别为Areva CVCOM合并单元和 - 100 - 电力系统保护与控制 Locamation SASensor合并单元的输出信号。 A,B A B S S SEII = EPI EPI- (13) 以太网交换机的平均互操作性参数由式（14） 计算： A,B A B S S S SD 1EII = EPI EPI n ∈ ∑ - (14) 其中，n为仿真数据包的总个数。同理，保护IED在 任一仿真数据包s下的兼容性参数为： A,B A B S S SRCI = RPI RPI- (15) 保护IED的平均兼容性参数为： A,B A B S S S SD 1RCI = RPI RPI n ∈ ∑ - （16） 由以上定义可知，MII S、EII S、RCI S的值越小， 测试对象的兼容性和互操作性越好。 3 测试执行方案 3.1 独立参数和相对参数测试执行方案 应 用 OMICRON 256 Plus 保 护 测 试 仪 和 Emulator可以仿真多种电力系统故障信号，对保护 系统进行测试。对线路第一套电流差动主保护而 言，要求其在区内故障时快速切除故障，对区外故 障则保持跳闸信号闭锁。重点考察四种故障类型: 单相接地短路（AG）、两相短路（BC）、两相接地 短路（BCG）和三相短路（ABC）；故障位置为-10% （反方向区外故障），20%， 50%，70%，90% 和 110%（正方向区外故障）；根据故障类型，采用不 同的故障电阻和故障初始角进行测试，表1列出了针 对P545电流差动保护的测试执行方案。 表1 P545电流差动保护测试执行方案 Tab.1 Test scheme for P545 current differential protection 故障 类型 故障位置 /% 故障电阻 /Ω 故障初始角 /（°） AG -10,20,50,70,90,110 0,5,10 0,30,60,90 BC -10,20,50,70,90,110 0,5,10 0,30,60,90 BCG -10,20,50,70,90,110 0,5,10 0,30,60,90 ABC -10,20,50,70,90,110 0 0,30,60,90 对线路第二套主保护距离保护，重点考察其保 护Ⅰ段（Sub-cycle trip）和Ⅱ段的动作情况。参考 第一套主保护，测试上述四种故障类型下，距离保 护对各种故障位置、故障电阻和故障初始角的动作 情况，表2列出了P545距离保护的测试执行方案。 表2 P545距离保护测试执行方案 Tab.2 Test scheme for P545 sub-cycle distance protection 故障 类型 故障位置/% 故障电阻/Ω 故障初始角/（°） AG 20,50,70,90 0,5,10,20,30 0,30,60,90 BC 20,50,70,90 0,5,10 0,30,60,90 BCG 20,50,70,90 0,5,10,20,30 0,30,60,90 ABC 20,50,70,90 0 0,30,60,90 为获得足够的统计样本空间，每组仿真数据包 重复输入系统10次。对P545电流差动保护共有240 个仿真数据包（2 400 次测试），对P545距离保护共 有224个仿真数据包（2 240 次测试）。 3.2 兼容性和互操作性参数测试执行方案 对兼容性和互操作性参数测试而言，合并单元 （M，Areva CVCOM和Locamation SASensor）、以 太网交换机（E，Netgear和RuggedCOM）、保护IED （R，P545和P746）各有至少两组设备来组建完整 的保护系统（P），表3列出了在此情况下所有可能 的保护系统组网方案。 表 3 兼容性和互操作性测试组网方案 Tab.3 Test cases for compatibility and interoperability indices evaluation M M1 M1 M1 M1 M2 M2 M2 M2 E E1 E1 E2 E2 E1 E1 E2 E2 R R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 P P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 表3中所有的组网测试方案可归纳为三种类 型： 1）若目的为考察两组合并单元与保护IED的兼 容性及合并单元的互操作性，则应比较以下四组保 护系统的各相应参数：P1和P5，P2和P6，P3和P7， P4和P8。 2）若目的为考察保护IED的兼容性，则应比较 以下四组保护系统的各相应参数：P1和P2，P3和P4， P5和P6，P7和P8。 3）若目的为考察以太网交换机的互操作性（或 保护系统在不同的过程总线数据流传输能力下的性 能），则应比较四组保护系统的各相应参数：P1和 P3，P2和P4，P5和P7，P6和P8。 根据定义，各保护组网方案的兼容性和互操作 性参数均为相对参数，它们本身即可作为保护系统 各元件兼容性和互操作性优劣的直观指标。 3.3 P594时间同步单元测试 由于大部分保护功能都依赖于采样信号中时间 杨丽，等 全数字化保护系统性能测试方案设计(二)性能参数与执行方案设计 - 101 - 标签的准确性，对P594时间同步单元的可靠性进行 了专门测试。五个GPS天线间的间距小于规定的 1 m，将任两组天线连接至P594单元并完成正确的 初始化设置后，两台P594单元在24 h之内检测到的 卫星数均不少于6个，信号强度均在99%以上，P594 与GPS同步后的秒脉冲光纤输出误差小于±100 ns， 5个天线间基本没有相互干扰，时间同步信号的可靠 性完全可以满足保护动作的要求。 4 结论 本文从国外先进工程应用出发，基于与国际知 名保护制造商 Areva 合作设计的保护系统，从统计 学角度，提出了一系列适用于该系统性能测试的独 立参数和相对参数指标，针对不同保护配置设计总 结测试执行方案，并通过测试确保时间同步信号的 可靠性。通过综合考虑保护系统整体性能和单个元 件性能测试，同时验证系统各元件兼容性和互操作 性，为量化统计分析全数字化保护系统的性能提供 了直观、高效和有力的工具。 参考文献 [1] IEC 61850 communication networks and systems in substation-part 9-2: specific communication service mapping (SCSM)-sampled analogue values over ISO 8802-3[S]． [2] 高翔, 张沛超. 数字化变电站主要技术特征和关键[J]. 电网技术, 2006, 30(23): 67-71. 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