智能配網終端罩式FTU整機自動測試開發與應用研究

王治國，陸　靜，于　哲，張延冬，篤　峻

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

智能配網終端罩式FTU整機自動測試開發與應用研究

王治國，陸靜，于哲，張延冬，篤峻

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

文中在詳細分析智能配網終端罩式FTU裝置的特點及手動測試難點后，基于硬件模塊化設計思想，提出了罩式FTU裝置的整機自動化測試解決方案，該方案實現了對罩式FTU裝置開入通道、開出通道、模擬量通道及通信接點的有效測試，保證了各通道的正確性；同時通過對大批量試生產裝置自動化測試的大數據分析及質量反饋控制方案，大大提高了產品的一次性生產合格率和生產測試效率。該方案有效解決了罩式FTU裝置的實際測試難題，實際應用表明該方案具有一定的行業推廣價值。

FTU；自動化測試；測試裝置；模塊化

隨著社會對電力需求的不斷增長及對電能質量要求的不斷提高，現有模式越來越難以滿足用戶對電能安全性和可靠性的要求。而配電網自動化可以顯著提高供電可靠性，它的一個核心功能就是饋線自動化功能，基于FTU饋線開關遠程式終端的配電網饋線自動化是目前配電網饋線自動化技術的發展方向［1-5］。而作為饋線自動化的控制終端，罩式FTU裝置的產品質量無疑是饋線自動化技術能否取得顯著經濟效益和社會效益的重要支撐之一。

罩式FTU裝置運行環境一般掛在架空線或柱上開關，通過通用無線分組業務（GPRS）與工作站實時通信。且運行環境惡劣，維護困難。如裝置硬件存在問題，從更換設備到投入運行周期較長，因此高規格要求罩式FTU裝置的產品質量，無疑是整個運行系統鏈條中的重要一環。對于罩式FTU的出廠檢測，如何實現高效、嚴格、準確測試，又是罩式FTU穩定運行的首要環節和重要保證。文獻［6］在室內模擬中壓FTU工作環境，基于ARM7微處理器，設計了FTU檢測平臺，僅對FTU的測控功能進行了檢測；文獻［7］針對饋線終端蓄電池運行現狀及電池活化管理方面的缺陷，提出了一種蓄電池故障檢測方法。目前，對罩式FTU進行全自動化測試的文獻很少，大多停留在對FTU單個功能的測試。因此深入探索罩式FTU裝置的全自動測試對業界具有重要的借鑒意義。

1　罩式FTU裝置的特點及測試難點

罩式FTU裝置的運行環境為高空，惡劣的運行環境決定了罩式FTU裝置的密閉性必須很好。所有信號接口通過航空端子引入到外面，再通過電纜連接到各設備，進行信號傳輸，如圖1所示。基于實用因素和成本因素，罩式FTU裝置一般沒有液晶，不像其他常規保護裝置那樣，在進行整機測試時，容易獲得裝置內部接點的運行狀態，所有數據必須通過通信來完成，這對罩式FTU裝置的生產測試而言，是個挑戰，手動測試比較困難，效率較低。

圖1　罩式FTU外觀和接口

另外，由于罩式FTU裝置的密閉性很好，該裝置在生產期間發現問題、定位問題、排查問題都比較困難。因此當前罩式FTU裝置的生產測試效率普遍低下，要想大批量高效率生產測試，必須解決自動測試該裝置所面臨的一些問題。

2　罩式FTU自動測試平臺架構

2.1FTU測試系統硬件架構

罩式FTU自動測試平臺，在硬件上采用基于CAN總線通信的分布式模塊化設計。系統有人機界面功能模塊，主控CPU模塊，開關量輸出模塊，開關量輸入模塊，模擬斷路器模塊等相關功能模塊組成。系統軟件整體設計采用測試流程控制主程序與測試配置相結合的業務分離式設計模式。該模式將系統測試功能軟件開發與測試配置通過自定義規則進行內部聯系，使整個開發工作可以并行開發，大大縮短了整個項目的開發周期［8］。罩式FTU自動化測試系統架構具體如圖2所示。

罩式FTU自動測試平臺系統主程序通過CAN總線與各子功能板卡測試子程序進行系統級通信。測試主程序根據測試配置文件設置情況，采用字符驅動方式，解釋測試邏輯，最后發送相應的具體測試命令給具體功能板卡。各功能測試子程序負責具體功能測試，并將測試結果反饋給測試主程序，最后有測試主程序根據每個測試子邏輯的輸入輸出結果形成罩式FTU裝置的整機測試報告和測試簡報。測試簡報較為簡單的提示測試工程師關于該裝置的錯誤測試，方便測試工程師進行問題排查及處理。整機測試報告詳細記錄了該裝置測試的相關測試接點信息，同時包含測試工程師和裝置的各種屬性，實現產品問題責任的追蹤。

圖2　罩式FTU自動化測試系統架構

2.2罩式FTU關鍵測試問題分析及設計

2.2.1模擬量輸入與電源切換測試問題

罩式FTU引入Uab，Ubc作為開關兩側的線電壓，任何一路電壓均可為裝置提供電源。當兩路同時失壓，轉后備電源供電。Ia，Ib，Ic為保護及測量用三相電流。那么潛在的問題是：（1）Uab，Ubc加入的線電壓，裝置顯示是否正常；（2）各種模擬量數據及角度的準確性；（3）兩路線電壓同時失壓，裝置斷電，后備電源是否能及時向裝置提供電源，保證裝置正常運行。3個問題，任何1個問題的存在，都會對罩式FTU構成潛在威脅。模擬量與電源切換測試子系統流程圖如圖3所示。

圖3　模擬量與電源切換測試子系統流程圖

自動化測試邏輯設計：系統自動控制博電按先后順序加入Uab，Ubc，Ia，Ib，Ic等電壓電流模擬量數據。通過IEC 103通信規約或IEC 61850規約讀取裝置的電壓、電流值及角度等數據，并進行自動判斷。當Uab有值時，Ubc不能有值，逐個判斷與設計值是否相符。之后，斷開電壓電流輸出10 s后，系統主動去Ping裝置，以此判斷裝置是否運行；這樣設計測試邏輯，就能發現Uab，Ubc等內部接線是否未接，錯接等情況，裝置兩相全部失電，通過裝置是否重啟就能判斷后備電源是否具備正確供電功能。

2.2.2無線通信模塊GPRS測試問題

GPRS作為罩式FTU裝置與主站通信的惟一通道，必須滿足通信的可靠性，實時性，雙向性。GPRS是配網自動化系統的重要環節［9，10］，其重要性不言而喻。GPRS模塊基本上會采用專業公司開發的獨立硬件模塊，一般通過9針串口與FTU進行數據通信，保護廠家僅開發FTU裝置的核心保護功能。因此可能存在的潛在問題是：（1）FTU裝置的CPU板卡到背板RS232 的9針串口連接電路是否暢通無阻；（2）GPRS模塊能否收到裝置的通信報文；（3）裝置能否正確發報文給GPRS；（4）GPRS模塊能否將通信報文正確發給主站；（5）主站能否將報文正確發給GPRS模塊。

自動化測試邏輯設計。關鍵點之一為設計GPRS數據中心服務器，并在公網上運行，可以接收到SIM卡發送的數據，實現真實運行環境測試。首先將可用的SIM卡插入GPRS模塊，裝置上電后，如果GPRS模塊正常，將發送登錄數據到GPRS數據服務器，GPRS數據服務器模擬主站按照IEC 101規約格式，根據終端登錄號碼ID（惟一身份識別）下發復位幀報文給GPRS模塊，模塊再通過串口將數據轉給罩式FTU，裝置收到報文，并回復報文給主站。最后測試儀去讀取罩式FTU裝置的通信狀態，如果為“1”，則說明整個通信鏈路正常；如果為“0”，則需要測試工程師手動排查問題所在，具體流程圖如圖4所示。

圖4　GPRS通信測試流程圖

2.2.3把手位置功能測試問題

把手有分位、合位、自動3個位置。系統潛在的錯誤是3個位置存在接錯線的可能性，必須驗證測試。而把手必須手動置位，才能判斷，但裝置沒有液晶，必須借助后臺工具，通過報文一一對應，才能判別。這樣做效率低，且不容易判斷。

自動化測試邏輯設計：設置把手默認位置為分位，然后按照順序執行，將把手從分到自動位置再到合位，然后再將把手從合位搬到自動位置再到分位。通過收集裝置上送的報文，根據時間進行排序，對每個位置的變化給出2個評價指標：（1）時間指標，是否符合時間順序；（2）是動作值指標，也就是變位情況。這樣即可實現手動操作，自動判斷。

2.2.4開入開出功能測試問題

罩式FTU開入開出接點相對較少，測試也較容易。一般通過相應保護邏輯功能或保護接點動作傳動功能等方法對硬接點均能進行檢測。本測試儀對裝置開入實現自動加量，通過軟報文實時識別，實現自動判斷；對開出接點，通過傳動使其動作，通過硬接點監視回路實現對接點的實時監視，實現自動判斷。

3　系統應用及分析

罩式FTU裝置的自身構成決定了該裝置在大批量生產測試方面測試十分困難，測試效率低下；同時在查找問題，排除問題方面也十分不易。只有從測試方法和測試技術上解決罩式FTU裝置的整機自動測試問題，才能在保證產品質量前提下，有效提高該裝置的大生產測試效率。

系統應用方面，測試工程師首先選擇測試裝置型號，掃描測試工程師工號，測試裝置條碼等測試屬性。按確定鍵后，系統將按照圖5所示進行自動測試。測試完后，形成測試報告，上傳到數據庫備案，同時輸出測試簡報，供測試工程師進行問題分析及處理等。

圖5　整機測試系統流程圖

以本產品初次試生產750臺樣本為例，來了解罩式FTU在自動測試中發現的測試問題。本產品在生產初期就啟用測試問題反饋機制，通過對問題的梳理，針對前期產品問題制定可行方案，這樣有效降低了產品在組裝后出現的各種產品質量問題，提高了產品整機一次性生產合格率。自動測試系統發現的問題如表1所示。

表1　自動測試系統發現的問題

從表1統計的10個整機測試指標可以看出罩式FTU裝置在大批量試生產中容易出現的產品質量問題：接線錯誤，電子元器件本身問題，器件未插緊3類問題較多。通過對測試統計問題的大數據實時分析，找到解決問題的方案。（1）對新產品的試生產，對一線員工強化培訓，了解產品細節，做到有的放矢；（2）對能用機器插裝的，盡量用機器插裝并減少人為干預；（3）加強元器件的自動檢測。（4）加強整機的自動測試。

通過建立產品質量反饋處理機制，建立更加穩定的產品生產線，以此提高產品生產的一次性合格率，從而大幅度提高產品質量。罩式FTU裝置整機自動化測試系統與人工測試相比，在測試時間上每臺縮短了10 min，同時測試更加規范。測試報告有效保證了測試的正確性與可信度，有效提高了大批量裝置的試制生產效率和規范化程度。

4　結束語

目前，國內配網自動化建設正處于一個快速發展的黃金時期，作為配網自動化的控制終端之一，罩式FTU保護裝置的用量很大，作用更是舉足輕重，產品質量的好壞直接關系到配網自動化技術的順利推廣。因此深入探討配網終端罩式FTU裝置的整機自動測試具有十分重要的意義。本文對罩式FTU裝置的生產整機自動測試進行了具體分析，設計了一套有效的自動測試系統，并且在實際生產中得到了推廣使用。實際測試的數據表明該方法無論在生產測試效率的提升上，還是在測試深度、廣度和規范性上都具有手動測試不可比擬的優越性。且該方案具有一定的行業推廣應用價值。

［1］張 忠，劉冠騫，陳 淳，等.基于FTU饋線自動化系統構成的探討［J］.電子測試，2014（9）：68-69.

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［5］劉會家，李 寧.一種基于FTU的饋線故障定位優化算法［J］.繼電器，2004，32（10）：40-43.

［6］謝志遠，貢振崗，楊 星，等.基于ARM的中壓FTU檢測平臺的設計［J］.微型機與應用，2012，31（16）：16-19.

［7］朱劍峰，張慧娟.饋線自動化終端用蓄電池的故障檢測方法［J］.自動化與信息工程，2014，35（2）：41-44.

［8］王治國，李興建，王言國，等.基于統一建模的繼電保護測試裝置開發研究［J］.電力系統保護與控制，2013，38（19）：180-189.

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［10］吳國沛，劉育權.智能配電網技術支持系統的研究與應用［J］.電力系統保護與控制，2010，38（21）：162-172.

王治國（1978），男，河南周口人，高級工程師，從事電力系統智能測試開發與研究工作；

陸靜（1986），女，江蘇海門人，工程師，從事電力系統自動化測試開發與研究工作；

于哲（1979），男，山西運城人，工程師，從事電力系統繼電保護及自動化測試工作；

張延冬（1978），男，河北保定人，高級工程師，從事電力系統繼電保護工作；

篤峻（1975），男，江蘇南京人，高級工程師，從事電力系統自動化研究和管理工作。

Research on Development and Application of Smart Distribution Grid FTU Automation Testing Scheme

WANG Zhiguo，LU Jing，YU Zhe，ZHANG Yadong，DU Jun
（Nanjing NARI-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

This paper analyzes the characteristics and manual testing difficulties of FTU.Based on modular hardware design，an automatic testing solution to FTU is proposed.The solution is effective to test FTU devices'binary input channel，binary output channel，AO channel and communication contacts，which ensures the correctness of each channel.At the same time，through analyzing the large-scale and automated produced testing data and using the quality feedback controlled scheme，the production qualification rate and production testing efficiency are improved.The solution effectively solves the problems existing in actual testing of FTU，and the applications show that it has a certain promotion value.

FTU；automatic testing；testing equipment；modularization

TM774

A

1009-0665（2016）04-0060-04

2016-03-22；修回日期：2016-05-20