繼電保護裝置整機智能測試及其關鍵技術研究

王治國，于哲，篤峻，王翔，沈全榮，祁正軍，宋偉成

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

繼電保護裝置是當今電力系統的重要組成部分，對保護電力系統安全穩定運行起著極其重要作用。當前，無論繼電保護裝置研發過程中的功能測試，還是生產過程中的整機硬件測試，盡管兩者測試著重點雖然不同，但我們對繼電保護裝置近乎苛刻的測試要求都沒有改變[1]。而在如此嚴格的產品質量要求下，如何降低企業人力成本，又如何持續提高智能電網保護裝置的整機大生產測試效率？

如今，伴隨著工業4.0思想的提出及消化，繼電保護裝置如何從產品設計，生產工藝改造，生產過程集成與優化，生產過程大數據的綜合利用，整機測試系統的改進及新功能開發等方面，來實現繼電保護裝置的智能化測試，將逐漸成為該領域研究的熱點。文獻[2-4]提出了采用分布式系統和腳本技術，實現了保護裝置在研發階段測試效率的有效提升；文獻[5-11]提出了通用測試平臺，整合模擬和數字仿真資源，使用PC+PLC進行輔助控制，提供標準測試報告，解決了變電站現場測試的難題；文獻[12]提出了分布式智能化自動測試系統，分別實現了生產測試效率的局部提高。通過對近十年繼電保護測試相關研究文獻的研究可以看出，關于繼電保護裝置生產智能化測試的研究相對較少。

因此，深入研究繼電保護裝置大生產模式下的智能化測試技術，探索高效的整機測試方案，對推動工業4.0在智能電網保護裝置生產制造領域的深入應用，將具有重要意義。

1 生產測試特點

繼電保護裝置的整機生產測試主要包含以下三個方面的測試：1.耐壓測試；2裝置接點測試；3交流頭精度校準（針對非數字化裝置）。裝置硬接點測試主要包含裝置開入、開出測試，通信接點測試，對時接點測試四大部分。通信接點測試又包含串口通訊測試，網口測試，光口測試等。由此可見，保護裝置的整機生產測試過程十分繁瑣。

目前，繼電保護裝置整機生產測試主要停留在手動測試或借助商用測試儀（如博電、昂立）和自主開發的測試儀進行的半自動測試階段。無論哪種測試方案，整個測試過程都過于依賴測試工程師的參與：測試工程師要不斷根據保護裝置的類型選擇測試線，并選擇相關功能進行測試。缺點是測試過程復雜，勞動強度較大，測試時間稍長。為此，本文深入研究智能電網保護裝置生產過程的各個子環節，通過對生產測試子過程的不斷集成及優化，生產過程大數據的綜合利用，整機測試儀的技術改進，氣動系統的靈活控制等，設計了繼電保護裝置整機智能測試系統，實現了繼電保護裝置的智能化大生產測試。

2 整機智能測試系統設計

繼電保護裝置的整機智能測試主要有以下技術難點：一是過多的離散測試子過程如何自動銜接？二是弱化測試工程師在測試過程中的作用，實現自動化或智能化，如何弱化？其難點在于如何進行保護裝置多維度信息數據挖掘，并根據保護裝置的數字信息進行整機閉環測試環境的智能構建。

2.1 動力需求及特點

實現整機閉環測試環境的自動構建，整機智能測試系統需要對測試線把座進行控制，而控制需要動力源來提供支持。智能測試系統對測試把座自動控制的特點是：水平直線移動，移動位移較小。因此，動力源的選擇可以采用以下兩種方案：1是采用氣動系統作為控制源，2是采用伺服電機作為控制源。考慮到測試系統對測試把座的控制數量較多，氣閥與伺服電機相比，氣閥體積小，布局較為容易。所以采用氣動系統作為動力源，較為合理。

整機智能測試系統根據不同型號的保護裝置，自動構建整機閉環測試環境，這就需要系統快速獲取保護裝置的多維度數據并進行高效利用，而快速獲取多維度數據也需要生產車間具備生產過程信息化和訂單數據信息化作為支撐。

2.2 系統組成

繼電保護裝置整機智能測試系統（Relay protection device intelligent test system ，RPDITS））有以下及部分組成：條碼掃描儀，測試控制中心計算機，整機測試儀，高精度程控源，若干管理裝置，標簽打印機，若干氣閥及氣源等組成，見圖1。

圖1 整機智能測試系統結構圖

條碼掃描儀：接收控制中心指令，同時掃描保護裝置機箱條碼并傳遞給控制中心。本系統采用左右兩個工裝臺進行交替式測試，智能測試控制中心根據掃描儀的ID號進行左右測試子系統的識別與控制。

整機測試儀（whole device tester，WDT）：根據被測保護裝置的產品特點，采用基于統一測試模型配置文件快速構建整機測試模型，并有測試主程序按照測試模型來輸出電氣量（如模擬量和開關量），同時自動檢測裝置開入量和軟報文并實時判斷，來進行整機測試的架構思想，開發整機測試儀[13]。整機測試儀根據智能測試控制中心提供的整機測試能力描述文件ID號對保護裝置進行測試，測試內容包含開入測試，開出測試，通信接點測試等硬件測試，并將測試狀態實時反饋給智能測試控制中心。

管理裝置：接收智能測試控制中心指令，實現對氣閥的靈活控制。通過控制氣閥進行相同插槽號不同類型板卡的切換及裝置把座的前進和后退，實現測試連接線的智能構建；同時智能感應被測裝置是否放好，對保護裝置從放置區到測試區進出進行控制。

高精度程控源：該裝置接受智能測試控制中心控制，并按照裝置電壓電流數據進行輸出電氣量，進行精度校準或校驗（針對非數字化裝置）。

智能測試控制中心（Intelligent Test Control Center，ITCC）：整個系統運行的協助中心。它協調條碼掃描儀，整機測試儀，管理裝置，氣閥，精度校準模塊按照設定目標進行有序工作。

3 智能測試關鍵技術

整機智能測試系統實現了對不同型號保護裝置的智能測試，并對非數字化裝置進行交流頭精度自動校準，最后給出測試報告，并上傳到OA系統。整個測試過程一鍵完成，實現了高效測試，節約了大量時間，極大地弱化了測試工程師在整個測試過程中的作用。系統的良好運轉，需要以下三項關鍵技術支撐。

3.1 保護裝置多維度信息數據挖掘

智能化測試保護裝置首要解決的問題是：計算機如何識別保護裝置的硬件板卡組成及各種板卡屬性信息，然后根據裝置硬件屬性，組織測試邏輯數據庫，并執行整機測試，即對保護裝置多維度數據進行挖掘。保護裝置多維度數據是立體的信息數據集合，該信息集合至少包含以下數據信息，見表1。而如何自動、快速獲取這些多維度數據，就成為該系統能否順利實施的關鍵環節。

表1 保護裝置多維度信息

獲取保護裝置多維度信息數據有以下兩種設計方案：1．由整機智能測試系統與智能電網保護裝置直接通信，有保護裝置提供裝置自身相關有限信息，即裝置具有自描述功能。該方案的優點是獲取該數據速度快。缺點是該方案需要保護裝置在研發初期進行考慮，并且提供的信息集合有限，且不能在過程中改變，且該方案對已經量產的裝置而言，實施難度較大。

2．借助保護裝置生產車間歷史大數據和訂單數據，根據裝置機箱條碼訪問歷史大數據，實現裝置測試必備信息數據集合的在線實時搜索。ITCC通過訪問歷史大數據，可以實現更多測試相關信息的搜索，同時實現測試報告與被測裝置相關信息的關聯。該方案優點是能獲取更多測試相關信息，同時將測試報告和訂單信息進行了關聯。這種方案的優點是對保護裝置自身沒有相關要求，準入門檻低。缺點是現有生產信息系統必須包含相關被測裝置的必備信息，同時整機智能測試系統必須與現有生產信息系統聯網。

綜合以上兩種方案，兼容已經量產裝置的測試需求，方案2具有一定的優越性，它巧妙的利用生產大數據和訂單數據，有效解決了智能測試系統所必需的保護裝置多維度信息數據集合獲取的難題。

通過上述方法獲取的保護裝置多維度信息，并不能直接實現與WDT中的裝置整機測試能力描述模塊進行對應，還需要通過一定的轉換規則將裝置板卡組成信息轉換成唯一測試能力描述ID號，然后再根據整機測試能力唯一描述ID號在WDT的整機測試能力映射數據庫中進行搜索，如該整機測試能力唯一描述ID號存在，WDT將存在信息反饋給ITCC。最后有ITCC下發測試指令給WDT，從而實現ITCC對保護裝置整機測試的自動控制。詳見圖2。

圖2 有裝置機箱條碼到整機測試能力描述文件映射

3.2 整機測試環境的智能構建

保護裝置多維度信息數據集合的獲取為實現測試環境的自動構建提供了重要的數據支撐，而智能測試系統測試環境的自動構建，將有效弱化測試工程師在整個測試過程中的作用，實現高度集成自動化測試。如何根據被測保護裝置型號實現不同裝置背板輸出接點與整機測試儀背板接點的自動連接，從而實現閉環測試，是實現保護裝置整機智能測試的另一難點。針對該問題，本文提出移動式總線連接技術，來解決裝置背板輸出接點與測試儀背板接點的智能連接難題。

首先對智能電網保護裝置的所有組成板卡，按照板卡類型進行分類。一種類型是保護裝置都用到的板卡，比如CPU板和電源板，這些板卡在裝置上的插槽號是固定不變的；另外一種類型板卡在不同型號保護裝置上的插槽號是變化的，這些板卡種類較多，同一種板卡可以同時插在幾個插槽上。對不同型號的保護裝置同時配置的板卡使用固定測試連接線，將該板卡與測試儀背板接點直接連接；而對于保護裝置在相同插槽上可能出現的不同類型的板卡，則通過移動式總線背板實現間接自動連接。通過切換，完成裝置板卡接點與整機測試儀背板接點的自動連接。

移動式總線背板有固定部分和移動部分組成。固定部分用來映射智能電網保護裝置的板卡接點，移動部分用來映射整機測試儀的背板接點。移動式總線背板根據保護裝置的板卡類型數目劃分區間數目，區間內所有具有相同序號的板卡接點實現互聯。每個區間的最大插槽數目為保護裝置該插槽使用板卡類型的最大數目。圖3.1為保護裝置背板端子圖，3.2為測試儀背板端子圖，3.3-3.5為移動總線。圖3.3總線式背板擁有三個區間，可以實現3個不同插槽的多種板卡配置的自動接線功能。區間1對應8個移動把座，區間2對應4個移動把座，區間3對應3個移動把座，每個移動把座可以實現一種類型板卡測試連接線的自動連接功能。每個移動把座均有氣閥帶動，實現前進和后退，有智能測試控制中心根據獲取的裝置屬性數據來控制測試連接線的選擇，連接或斷開，從而實現整機測試環境的自動構建。

圖3 裝置背板，測試儀背板和移動式總線背板

3.3 整機測試流程的智能控制

本系統設計了左右兩個測試子系統進行交替測試。一個測試，一個準備，以保證整個測試過程中測試時間的0等待。測試流程包括以下四個測試子過程：1.裝置在放置區和測試區之間進出的自動控制，2.是裝置硬件接點的自動檢測；3.是針對非數字化裝置進行的交流頭精度自動校準及標簽的自動打印；4.左右測試子系統的自動切換。整機測試流程的智能控制意在解決以上四個過程的自動控制問題，見圖4。

圖4 整機測試控制流程圖

整機測試流程啟動控制：測試工程師將裝置放在指定位置，管理裝置自動感應裝置是否放穩，并將裝置推進測試區，同時控制裝置電源把座氣閥機構，給裝置上電。讓裝置優先運行，節約裝置上電等待時間。

整機測試儀通過裝置電源把座上的閉環測試連接線，實時檢測裝置閉鎖接點復位信號。當裝置上電后，裝置閉鎖信號會從閉合到斷開，表明裝置已處于正常運行狀態，可以進行整機測試。WDT將裝置正常運行信號反饋給ITCC，有其根據信號來源，觸發左側或右側測試系統的掃描儀。掃描儀掃描裝置側面的機箱條碼，并將條碼信息提交給大數據服務支撐模塊。大數據服務支撐模塊根據裝置條碼獲取裝置硬件板卡等多維度數據，智能測試控制中心根據該數據控制對應氣閥，完成該型號裝置測試連接線的自動連接，為整機智能測試構建閉環測試環境。

ITCC控制整機測試儀進行整機自動測試。根據3.1所述，有大數據服務支撐模塊返回的裝置多維度數據集合映射出保護裝置整機測試能力描述文件ID號，智能測試控制中心根據該ID驅動整機測試儀對保護裝置進行各種功能接點的測試，整機測試儀實時傳送測試過程到智能測試控制中心進行顯示。如測試成功，智能測試控制中心將裝置的整機測試報告上傳到OA系統，并根據裝置多維度數據驅動精度校準或校驗模塊進行測試；如測試失敗，通知測試工程師及時處理。

保護裝置的精度自動校準或校驗。整機測試成功后，測試控制中心控制高精度源根據要求輸出模擬量，同時啟動精度校準模塊進行校準或校驗。精度校準模塊通過IEC103或IEC61850規約實時讀取裝置的采樣值并進行分析，如達到預期要求，則控制打印機打印精度校準二維碼；否則提示測試工程師進行處理。

左右測試子系統的自動切換。精度校準或校驗成功后，智能測試控制中心通過管理裝置控制氣閥全部退去裝置的測試把座，并將裝置從測試區推出到放置區。同時ITCC判斷右側放置區是否有裝置存在，如存在，ITCC驅動掃描儀進行掃描裝置條碼，并啟動右側測試區裝置的自動測試。等到右側測試區測試完畢，智能測試控制中心判斷左側測試區是否有裝置存在，如存在則啟動新一輪測試。

4 應用分析

通過將RPDITS安裝在移動測試柜上，實現整機智能測試系統的便捷管理。移動式智能測試柜通過車間無線網絡讀取云端生產數據和訂單數據，完成被測保護裝置多維度數據信息的獲取，閉環測試環境的智能構建和測試過程的智能控制，從而將電力系統保護裝置生產繁瑣的離散測試子過程轉變為連續測試過程，節約了測試等待時間；同時移動式智能測試柜通過生產車間無線網將每臺保護裝置的測試報告實時上傳到OA系統，實現了訂單數據和測試報告的有效關聯。見圖5。這些改進，實現了大生產整機測試流程的標準化，規范了整機測試流程。

圖5 繼電保護裝置智能調試車間示意圖

本文所述的RPDITS已在南瑞繼保江蘇省電力裝備智能調試示范車間實施。圖6分別從裝置測試勞動強度，測試復雜度，單裝置平均測試時間，平均每周測試裝置數量進行了數據實際對比分析。統計數據表明，該方案有效降低了測試勞動強度和測試復雜度，極大地提高了保護裝置的大批量整機生產測試效率，有效降低了企業測試成本。

圖6 使用系統前后平均數據對比

5 結語

所述的繼電保護裝置整機智能測試方案，采用氣源作為動力源及氣閥作為控制機構，通過對保護裝置多維度數據挖掘，充分利用生產過程中的歷史大數據智能構建整機閉環測試環境，將繁瑣的保護裝置人工手動測試變成機器智能測試，并將原有離散的單功能測試行為轉變為連續測試過程。這些嘗試，對降低企業的測試成本，提高生產整機測試效率，推動工業4.0在智能電網保護裝置生產制造領域的深入應用，實現繼電保護裝置的柔性智能測試做出了有益探索。

下一步的工作重點是解決保護裝置的自動上料與下料問題，實現保護裝置的無人化、智能化大生產測試。