一種高壓母線保護靜模自動測試方案

于　哲，李忠安，李興建，王言國，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

一種高壓母線保護靜模自動測試方案

于哲，李忠安，李興建，王言國，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

針對母線保護測試存在關聯IO接口數量多、不同支路運行方式排列組合多、測試設計復雜、耗時長、測試方案容易遺漏等問題，介紹了一個已經投入實際使用的高壓母線保護自動測試方案。該方案是以電力系統智能裝置自動化測試系統TestCenter為平臺，采用Python語言開發完成的。可以根據設定的測試目標自動生成測試用例，進行閉環智能判斷。該方案兼容常規站和數字化站的測試，支持對IEC 61850、IEC 103等通信規約動作信號的驗證。目前在PCS-915系列母線保護的測試過程中，可以不經人工干預地完成不同接線方式下母線保護的靜模自動測試。

母線保護；靜模測試；自動測試

基于分布式自動測試［1-3］的思路，南瑞繼保開發了針對繼電保護等智能裝置進行全面、閉環測試的自動化測試系統［4］。隨著微機保護的大規模使用、保護測控一體化裝置向高電壓等級的發展、數字化智能變電站的應用推廣、以及未來的智能電網的建設，繼電保護的測試已經不僅僅注重于功能的測試。對繼電保護產品的可靠性研究［5］，以及對繼電保護型式試驗項目的完備性研究也紛紛展開［6］。繼電保護裝置逐步走向平臺化、模塊化的發展趨勢，便于根據實際工程需要實現多版本、小批量、多批次的升級和維護，但同時帶來回歸測試工作量的增大。為了在有限的人力、時間資源下，達到測試的范圍和力度，必須進行自動測試的研究。母線保護具有涉及間隔數量多、運行方式組合多、需要兼容多種主接線、不同地區對間隔定義差異大等特點，測試工時長、測試環境復雜，尤其需要自動測試來保證測試的覆蓋率。文中介紹的測試方案以南瑞繼保自動測試平臺為基礎，通過 python語言開發，實現了對PCS-915系列高壓母線保護的自動測試。在開發過程中，統一考慮了母線保護不同主接線方式的共性、常規變電站和數字化變電站在測試中的異同、不同地區對母線保護配置和定值的差異，可以支持常規/智能變電站母線保護的自動閉環測試。由于該系統的模擬量輸出使用了小信號的方式，常規保護的測試僅支持南瑞繼保的母線保護；智能站則采用標準IEC 61850站控層和過程層協議，可以支持不同廠家的保護裝置。

1　母線保護靜模測試方案整體概述

1.1電力系統智能裝置自動化測試平臺

自動測試軟件的實現是基于南瑞繼保自行開發的電力系統智能裝置自動化測試平臺 TestCenter。TestCenter是一種開放式的測試平臺，主要為電力二次設備的測試提供傳統模擬量輸出、數字化模擬量輸出、開關量輸出和輸入、Goose輸入和輸出、IEC 61850規約、IEC 103規約等測試模塊。

如圖1所示，測試平臺分為2個部分：可擴展的功能測試從機模塊，以及自動測試腳本支撐平臺。

圖1　電力系統智能裝置自動化測試系統模型

功能測試從機模塊主要有保護測試儀、各種規約的通信模塊。保護測試儀采用南瑞繼保自行開發的HELP-9000系列保護測試儀，該測試儀有以下優勢：（1）可以同時支持常規采樣和數字化采樣的保護測試，并可根據需要擴展模擬量輸出的個數，滿足多間隔同時測試的需求；（2）開關量輸入輸出可擴展，最多支持640路開關量輸出，或者480路開關量輸入。規約通信模塊可以進行裝置定值修改、搜集故障和變位信息、采集裝置實時狀態、收集故障報告等。

自動測試腳本支撐平臺，支持Python語言開發測試腳本，對各種功能測試從機模塊如保護測試儀、ICE 61850規約模塊、IEC 103規約模塊等進行靈活調用。完成測試初始化、外加故障序列并且搜集測試反饋進行智能判斷。

1.2母線保護測試的腳本架構

自動測試平臺提供了硬件和通信接口，在此基礎上設計軟件腳本架構，使得對不同類型的母線保護自動測試具備形成測試用例、智能判斷結果的功能。

高壓母線保護的靜模自動測試腳本部分，采用分層化和模塊化的設計。在接口定義方面，統一定義兼容常規站和智能站的基本輸入輸出數據結構；對現場運行方式進行統一建模，適用于不同母線主接線；統一對保護定值參數進行數據類型和數據傳遞的設計，方便進行定值增減。在功能實現方面，開發了兼容常規站和智能站的模擬量和開關量的輸入輸出函數；依據測試內容開發了基于母線物理模型的測試模塊；同時根據現有用戶的不同要求，開發了定值參數和測試模塊的接口模板。腳本結構和基本原理如下：

（1）保護測控通用數據結構。基于模塊化的設計思路，必須對保護測控裝置使用的基本數據結構進行統一定義和封裝。主要包括模擬量、開關量、裝置參數和保護定值的結構定義等。模擬量的結構除了基本的幅值相位等信息，還定義了兼容數字量和常規量的通道信息。開關量的定義主要考慮了開入開出的統一模型，包含常規和goose的通道信息以及變位記錄。裝置參數和定值的定義同時考慮了IEC 103規約和IEC 61850規約對定值的不同處理方式。

（2）母線運行方式的自動生成。根據母線的接線方式，可以遍歷/隨機生成母線的運行方式。目前支持的母線運行方式包括母聯分列、母線互聯、母聯旁路、支路的刀閘位置隨機分布、支路刀閘雙跨、支路無刀閘等多種情況。上述運行方式既可以單獨測試，也可以相互轉換。此外還可以進行TA異常、TV異常等非正常工況的測試。

（3）靜態單功能測試模塊。根據母線保護涵蓋的不同保護元件，分別開發了單功能模塊。差動保護的測試模塊主要覆蓋差動曲線測試、動作時間測試、電壓閉鎖測試、支路跳閘測試、差流異常測試、保護投入/退出/閉鎖等功能點的測試。斷路器失靈保護主要覆蓋了相電流過流精度、負序電流精度、零序電流精度、動作時間測試、電壓閉鎖測試、支路跳閘測試、保護投入/退出/閉鎖等功能點的測試。另外對死區保護、母聯過流、母聯失靈等保護，也開發了相應的測試模塊。

（4）基于狀態轉換的測試模塊。為了將保護功能測試信息，轉化成保護測試儀的實際輸出，以及反饋的判別依據，開發了基于狀態的測試模塊。在狀態序列中，根據單功能模塊的設定，將不同的測試目的和要求轉化為保護裝置的實際輸入。該模塊考慮了常規變電站和智能變電站IO接口的不同。

（5）閉環反饋校驗模塊。根據單功能測試模塊中保護定值、設定的故障狀態、母線運行方式等信息，預先分析出保護的動作元件、跳閘出口、信號出口、通信事件等信息。當完成對保護施加的測試數據序列后，通過測試裝置搜集保護的各類出口，通過通信模塊搜集保護動作的通信事件，并將搜集到的數據和理論的輸出結果進行比較，識別出保護動作返回精度、時間精度、出口保持時間、出口動作是否正確等測試數據。

母線保護測試系統運行架構如圖2所示。

圖2　母線保護測試系統運行架構

2　母線保護測試的通用數據模型

母線保護測試系統支持單母、單母分段、雙母單分段、雙母雙分段、3/2接線等多種接線方式。每種接線方式中，母聯、分段開關、支路刀閘位置均影響保護動作特性以及出口狀況。為了和保護裝置的描述統一，以支路序號、母線序號為基本對象。母線、支路均以python語言中的列表（List）表示。母線和支路之間以刀閘為關聯。保護測試儀和PCS-915系列裝置的IO接線采用統一方案，刀閘位置、支路跳閘出口、支路模擬量通道、母線跳閘出口的位置可以自動生成。

2.1母線保護IO接口的數據模型

IO接口主要考慮了二次設備的通道描述、電壓模擬量、電流模擬量、開關量輸入、開關量輸出等主要信息。模擬量的數據結構包含通道位置、幅值、角度、頻率等信息，以及幅值和頻率的變化率，同時為了滿足智能站和常規站通用的要求，增加了TA和TV變比、通道標志位等信息。開關量輸入包含了通道描述、開關量的通道位置、動作時間、返回時間的信息，還包括了智能站雙位置等數據結構。保護開關量輸出的數據結構增加了相對動作時間的計算功能，便于校核保護動作的時間特性。

2.2保護定值的結構模型

保護定值的數據結構，主要用于修改保護的系統參數、定值、控制字以及軟壓板。為了不同裝置軟件版本的通用性，定值的數據描述除了支持IEC 61850中的引用名和IEC 103規約的組號條目號外，還支持按照定值的中文描述檢索。定值接口包括定值描述、定值的數據類型、定值最大值和最小值、定值步長等等。可以滿足通過IEC 61850規約或者網絡IEC 103規約對裝置的定值進行修改和校核。

2.3母線拓撲模型表示

母線拓撲模型包含母線、線路支路、變壓器支路、母聯支路以及分段支路等間隔模型。不同間隔模型使用相同的IO接口模型以及定值模型，保證間隔模型在進行拓撲分析時的兼容性。母線間隔模型包含母線描述、TV信息、刀閘列表以及出口信息。線路和變壓器支路的間隔模型，包括自身描述、刀閘信息、TA信息、出口信息以及支路類型。母聯和分段支路間隔模型，在線路變壓器結構的基礎上，增加開關位置的相關信息。

圖3為拓撲模型的描述，該模型支持選擇不同的母線類型后，自動生成母聯和分段的開關刀閘位置，以及支路隨機/指定在不同母線上的分布。同時可以支持設置母線初始狀態是否有壓、支路初始狀態是由有流等信息。可以實現查找支路連接的母線，查找母線當前連接的支路列表等輔助功能。

圖3　母線拓撲模型的數據結構

3　母線保護測試功能模塊

3.1單功能測試模塊

單功能模塊按不同保護原理，根據母線拓撲模型作為輸入，進行各項靜態測試。支持母線差動保護、斷路器失靈保護、母聯保護、死區保護等功能測試模塊。

單功能模塊輸入主要有兩部分：第一部分是當前運行方式，來自于母線拓撲模型的輸出，包括：（1）母線正常、分列運行、互聯運行等狀態；（2）各個支路的刀閘位置、開關位置；（3）母線是否有壓、支路是否有流等信息。第二部分是測試項目，包括元件測量精度測試、動作時間測試、閉鎖條件測試等等。

單功能測試模塊的輸出有三部分：第一部分是保護定值、裝置參數、以及相關的軟壓板。第二部分是提供一組狀態序列，目前可以支持不少于6個初始或者故障狀態，包括：（1）描述不同狀態下母線和支路的模擬量信息，包含幅值、相位、頻率、幅值變化率、頻率變化率等；（2）描述不同狀態下母線和支路的刀閘、開關、失靈節點等開關量的變位情況和變位時間。第三部分是校驗準則，用于故障序列后的反饋校驗，包括確定：（1）母線和支路的各種出口是否跳閘、跳閘理論時間；（2）母線和支路電壓或者電流模擬量變化率和動作理論值，用于結合實際跳閘時間計算精度和誤差；（3）需要監視的通信報文的動作情況。

3.2狀態轉換和反饋模塊

狀態轉換模塊的主要功能，是根據單功能測試模塊提供的狀態序列，轉換成HELP-9000等保護測試儀的接口數據。由于不同測試儀存在不同的通信協議，狀態轉換模塊將基于間隔的通用狀態序列，轉換成不同測試儀的專用協議，從而將測試用例的開發和具體執行解耦。該模塊同時支持常規站和智能站的輸出，可以同時輸出傳統模擬量、IEC61850.9-2以及 IEC 60044-8等多種模擬量數據；也可以支持常規開關量和Goose開關量的同時輸出。測試執行前通過IEC 103或者IEC 61850下載裝置定值。

反饋模塊在狀態序列輸出期間，收集保護測試儀和被測裝置的反饋信息。該模塊搜集保護測試儀的常規開關量和Goose開關量的變化狀態，并記錄變化的絕對時間，計算變位的相對時間。同時搜集裝置IEC 61850、IEC 103等通信規約的變位報告；也可以根據需要主動召喚被測裝置的模擬量采集信息。不同的變位信息統一存儲于反饋模塊的數據結構中，支持根據通道位置查詢開關量的變位、狀態、動作時間等信息。

3.3閉環校驗模塊

閉環校驗模塊根據單功能測試模塊提供的校驗準則，以及反饋模塊提供的反饋信息，逐一校驗母線和支路的各種動作信息，計算實際誤差并判斷是否超過誤差范圍，最后將測試結果按照預先設定的格式輸出。如果校驗測試不通過，則保存當前信息用于事后分析，搜集的當前信息包括保護定值、狀態序列信息、反饋信息、召喚的裝置最新波形等。

測試輸出的基本內容如下所示：

支路列表｛

支路名稱；

出口列表｛

出口接點名稱；理論動作時間；實際動作時

間；出口保持時間；動作時間誤差｝

動作信息｛

理論是否動作；實際是否動作；最大相電流

電流理論值；最大相電流電流實際值；負序

電流理論值；負序電流實際值；零序電流理

論值；零序電流實際值……｝

｝

母線列表｛

母線名稱；

出口列表｛

出口接點名稱；理論動作時間；實際動作時

間；出口保持時間；動作時間誤差｝

動作信息｛

理論是否動作；實際是否動作；差流理論

值；差流實際值；低電壓理論值；低電壓實

際值；負序電壓理論值；負序電壓實際值

……｝

｝

根據測試模塊的不同，上述輸出信息會根據測試模塊的要求增減，以便在測試不通過的時候迅速定位缺陷原因。

各功能模塊之間的關系如圖4所示。

圖4　功能模塊聯系

4　結束語

該系統已經應用在PCS-915系列母線保護研發流程中。不僅可使用于最終的系統測試，而且在保護裝置的開發和優化過程中，可以不斷進行回歸測試，從源頭保證微機保護的產品質量。利用開發過程中前期的測試數據，通過統計理論分析，預估研發的進度和質量，提前對質量風險采取措施。不同型號的母線保護測試時，移植時間可以控制在半個工作日，測試執行時間長達70 h以上，可以比較充分的遍歷靜模功能測試。該體系已在南瑞繼保研發中心實施，其統計數據亦已在CMMI5的過程體系中使用。

［1］賴 擎，華建衛，呂 云，等.通用繼電保護自動測試系統軟件的研究［J］.電力系統保護與控制，2010，38（3）：90-94.

［2］李先妹，黃家棟，唐寶鋒.數字化變電站繼電保護測試技術的分析研究［J］.電力系統保護與控制，2012，40（3）：105-108

［3］李曉朋，趙成功，李 剛，等.基于IEC61850的數字化繼電保護GOOSE功能測試［J］.繼電器，2008，36（7）：59-61.

［4］李忠安，沈全榮，王言國，等.電力系統智能裝置自動化測試系統的設計［J］.電力系統自動化，2009，（8）：77-80.

［5］曾克娥.電力系統繼電保護裝置運行可靠性指標探討［J］.電網技術，2004，28（14）：83-85.

［6］姚致清.繼電保護測試發展方向的思考［J］.繼電器，2008，36（11）：79-78.

An Automatic Static Simulation Test Acheme for High-voltage Bus Protection

YU Zhe，LI Zhongan，LI Xingjian，WANG Yanguo，SHEN Quanrong
（Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

This paper introduces an automatic test scheme for high-voltage bus protection which has already been in-service. Testing bus protection has some difficulties，such as the large number of IO interfaces，permutation and combination of bus operation modes，long time of testing execution，and easy to miss.This paper introduces practical example of automatic bus protection testing scheme.The testing scheme is based on test platform named'Testcenter'，and use Python as developing code language.Its produce scenarios automatically according to the predefined aims and then intelligently implement testing process.This scheme is applicable fonb r both traditional and digital protections，and supports to the IEC 61850 and IEC 103.Currently，this proposed scheme can intelligently implement automatic static test the protections with various connections of PCS-915 series.

bus protection；static model test；automatic test

TM744

B

1009-0665（2015）03-0037-04

2014-12-03；

2015-02-27

于哲（1978），男，山西運城人，工程師，從事電力系統繼電保護和自動控制裝置的檢測工作；

李忠安（1975），男，湖北孝感人，工程師，從事電力系統繼電保護和綜合自動化的自動測試開發工作；

李興建（1977），男，山東濰坊人，高級工程師，從事繼電保護、穩控裝置測試儀開發工作；

王言國（1977），男，江蘇徐州人，工程師，從事電力系統大型應用軟件開發、管理、軟件過程改進工作；

沈全榮（1965），男，江蘇吳江人，研究員級高級工程師，從事電力系統繼電保護的研究、開發和管理工作。