智能繼電保護裝置的自動測試方法

胡再超，姚 亮，張 堯

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

隨著電力系統發展及通信技術進步，數字化變電站越來越受到專業人員的重視。經過前期智能變電站試點工程的探索，在電力系統內部，相關智能變電站的設計、生產、建設標準已經初步完善。2012年以來智能變電站的建設速度大大加快，其建設規模越來越大。在繼電保護設備從生產到運行的各個環節，自動化程度越來越高，測試作為研發生產、變電站投運前的重要環節，由于自動化程度還不高，導致繼電保護進行全面測試需要占用很多的資源，工作效率較低，即便如此也不能保證對保護設備測試的充分性。尤其是智能變電站區別于傳統變電站的交流接入、開關量輸入和輸出，取消了傳統電纜連接，采用光纖通信技術，模擬量和開關量都不再是電信號，而以報文方式傳輸，因此亟需對目前測試方法進行改進。通過自動化測試，分析動作報文和監視智能終端動作接點，測試每一個環節，提高研發效率和工程質量。

1 傳統繼電保護測試的現狀

目前繼電保護測試通常是基于保護原理的單一功能測試，在裝置層面的系統測試需要測試人員全程參與，而且測試項目有限[1，2]。以距離保護為例，其測試流程通常如下：（1）將測試儀相應的電壓、電流輸出端子接到保護的電壓、電流輸入端子上；保護裝置的跳、合閘輸出接點連接到測試儀的開關量輸入端。（2）根據不同測試項目在保護裝置上修改定值參數及壓板。（3）選擇測試應用軟件中距離保護功能測試組件，設置試驗參數：故障類型、故障阻抗、故障電流及故障時間和方向等，確認上述測試項目，聯機測試。（4）評估當前項目結果是否正確，測試人員記錄測試數據。然后進入下一個測試項目，再重復第（2）～（4）步的過程。

由此可見整個測試過程每個測試環節都需要人工參與，工作效率不高，而且對測試人員的水平有較高要求，在整理報告中的大量試驗數據時也往往容易出現人為錯誤[3]。

2 智能繼電保護的特點

智能變電站是由智能化一次設備和網絡化二次設備分層(過程層、間隔層、站控層)構建，建立在IEC 61850通信標準基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。智能變電站是應用IEC 61850進行建模和通信的變電站，體現在過程層設備數字化、整個站內信息網絡化和開關設備智能化。智能繼電保護相對傳統繼電保護裝置，其模擬量輸入采用采樣值（SV）報文傳輸和開關量信號通過面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文傳輸，不再采用電纜接線的方式將跳閘信號、電壓電流跟測試儀連接，因此傳統的繼電保護測試儀不能滿足智能繼電保護測試的需求。對于采用SV和GOOSE的繼電保護裝置來說，需要開發全新的測試系統，解讀不是很直觀的報文，將抽象的信息實例化。由于智能繼電保護基于IEC 61850標準開發，采用統一的面向對象模型和自我描述，滿足應用互操作和信息共享的要求，因此自動測試軟件只要解析裝置中智能電子設備的能力描述（ICD）文件就能適應于不同設備制造廠家生產的不同保護裝置。

3 基于IEC 61850智能變電站繼電保護自動測試

傳統繼電保護自動測試由通信控制程序和測試平臺程序組成。通信控制程序與保護裝置通信實現修改保護定值、投退功能壓板、上傳保護動作信息功能。測試平臺程序除了實現自動測試項目，在完成測試后自動生成文本格式的報告，還提供與通信控制程序的通信接口和規約。通過通信控制程序和測試平臺程序相配合，實現繼電保護的自動測試。該自動測試系統的工作流程如圖1所示，可分為以下5部分。

圖1 傳統自動測試系統結構

（1）自動測試控制中心平臺連接保護裝置和測試儀；（2）測試平臺程序作為測試項目執行單元輸出模擬量和開出量，按照測試方案配置測試項目；（3）由控制中心平臺發起自動測試功能，通信控制程序實現保護裝置的控制和接受信息反饋；（4）控制中心平臺根據測試項目和裝置反饋信息智能評估保護動作行為是否正確，并自動進入下一步的測試項目，直至完成保護裝置全部測試項目；（5）控制中心平臺完成保護裝置測試后，自動生成測試報告。

傳統測試方法的關鍵是測試模板的設計，測試模板主要包括2個部分：一是與保護裝置相關的定值、壓板等功能設置；二是與測試儀相關的輸入輸出配置。對于每一個繼電保護功能都需要設計對應測試模板，再以距離保護為例，其需要測試其阻抗繼電器測量精度及邊界范圍、時間繼電器精度及阻抗定值、時間定值整定范圍邊界。因此需要在保護測試前建立測試模板庫，并驗證模板文件的正確性和完整性。模板庫形成后，作為該裝置的測試用例，但在后續軟件版本的測試中，仍需要根據軟件的變動情況做相應調整[4]。

4 智能變電站繼電保護自動測試方法

智能變電站的繼電保護裝置應用SV和GOOSE報文傳輸，因此通信控制程序要實現解析ICD文件對SV、GOOSE信息實現自動配置，測試儀需既可以支持IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2幀格式發送SV、收發GOOSE信息，也能輸出符合IEC 60044-7/8規范的FT3格式的SV，訂閱/發布多個不同制造報文規范（MMS）和GOOSE控制塊信息，實現對保護裝置及智能操作箱的測試[5-8]，如圖2所示。

圖2 智能化自動測試系統結構

在對指定裝置測試過程中，傳統測試方法已基本實現了自動化測試，但仍需人工維護測試模板。該模板對指定的裝置可以重復利用，但是不同軟件版本或保護裝置，由于保護功能和定值差異，測試模板需要重新編寫或修改，當測試模板庫較多時，測試模板維護工作量就很大?；贗EC 61850通信標準，各個廠家的保護裝置具有信息共享，可實現互操。因此可以通過讀取保護的ICD文件，根據文件中保護邏輯節點（LN）及LN對應的數據對象（DO）實現自動生成測試模板，能適用于不同功能的保護裝置。該方法提高了自動測試的適應性，簡化了模板文件的設計工作，提高了工作效率。

4.1 通信控制程序

通信控制程序與保護裝置連接，根據自動測試控制中心命令對保護裝置進行以下操作：（1）整定定值、投退壓板；（2）上召保護裝置動作事件、錄波并保存；（3）讀取保護裝置的ICD文件。

其通過自動測試控制中心平臺接受測試平臺的反饋信息：（1）接收控制中心平臺的信息是否成功，成功則繼續進行自動測試，失敗則提示通信失敗，自動測試結束；（2）裝置運行狀態異常或告警，若返回裝置告警，則立即停止測試，記錄裝置告警事件和日志等；（3）根據自動測試項目，記錄保護裝置的動作信息和錄波數據。自動測試控制中心平臺界面如圖3所示。

4.2 保護測試模板的自動生成

利用通信控制程序解析ICD文件，根據ICD文件中不同的LN種類調用基礎測試模塊，再通過LN中DO，對定值、壓板做詳細的功能測試，例如解析LN距離（Distance，PDIS）就可以調用阻抗測試的模塊，再根據“Phstr”相間距離Ⅰ段定值，結合“Rislod”負荷限制電阻定值、“LinAng”線路正序靈敏角等參數，“Phstr”中數據屬性（DA）“setMag”表示阻抗定值，“units”表示單位，“minVal”表示定值下限，“maxVal”表示定值上限，“stepSize”表示定值變化步長等[9]，其他不再贅述，依此就可以生成詳細的測試用例，自動實現相間距離Ⅰ段阻抗邊界的測量精度和段動作時間的測試。

4.3 測試平臺程序

自動測試控制中心通過通信接口及控制命令集與測試平臺程序交互。測試平臺程序解析測試模板，根據測試項目實現自動測試啟停和切換，并記錄測試數據。

測試平臺程序接受測試儀的反饋信息，每次測試判斷接收控制程序的信息成功與否，若測試項目結果出現非預期狀況，測試儀立即上送異常信息告知測試平臺該項測試失敗，測試模板中全部項目完成后，告知測試平臺。測試平臺根據這些反饋信號實現測試，通過與自動測試控制中心通信，實現測試記錄。

4.4 MMS和GOOSE報文解析

MMS報文解析包括命令過程分析、MMS到ACSI（抽象通信服務接口）映射分析、各種信息與應用數據的關聯分析，報文異常告警，監測報文是否符合每種服務定義的報文格式，并按順序記錄報文。正在測試的保護裝置中遙信數據集如圖4所示。

GOOSE報文解析包括檢查報文APDU(應用協議數據單元)和ASDU(應用服務數據單元)格式是否符合標準，通信過程分析（T0，T1，T2的時間間隔和對應的StNum與SqNum變化關系），判斷報文是否存在發布超時、幀不連續、丟幀或者錯序等。正在測試的保護裝置中GOOSE數據集如圖5所示。

4.5 測試報告的生成

根據測試結果自動測試控制中心平臺程序應用文本格式自動輸出測試報告。同時文本格式報告有很好的可讀性和兼容性，便于進一步整理分析和歸納總結。

5 結束語

基于IEC 61850標準的繼電保護設備可以實現信息共享和具有互操作性，測試平臺可以讀取不同設備制造廠家的保護裝置的ICD文件，驗證ICD文件的標準化和合法性，解析文件中LN的DO實例中定值、控制字、壓板等自動生成測試模板，根據研發和工程實際需要選取測試項目，實現繼電保護裝置自動測試。比較傳統測試方法，能自適應不同保護裝置，既保證完整測試，又更大程度減少手動測試工作。其不僅適用設計開發階段，也能應用在裝置生產和工程投運中，可提高開發制造產品的質量，縮短變電站調試工期。

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