智能變電站便攜式接口回路測試儀的研制

龔華麟，張擇策，曾祥力，李官宇，令狐靜波，曾 雪

(國網成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

泛在電力物聯網，是在電力系統的各個環節中，充分應用移動互聯、人工智能[1-4]、大數據[5-10]等現代信息技術、先進通信技術，實現在電力系統中的眾多環節里人機交互、萬物互聯的智慧服務系統。

堅強的智能電網是建設泛在電力物聯網的重點，而作為智能電網重要組成部分的智能變電站，其應用正越來越廣泛。但智能變電站的接口回路測試工作不能再通過測量電位實現，測試十分復雜和不直觀，往往為了保證試驗的可靠性和完整性，需要陪停相關設備，擴大停電范圍。

在目前的接口回路測試工作中，主要有以下幾點困難：

1)采用傳統的繼電保護測試儀進行模擬測試時，無法保證測試過程中報文不被其他設備所更改。據統計，報文準確率只能達到90%。

2)采用繼電保護測試儀進行單個接口回路的測試時，單次作業時間較長，進行一次接口回路測試的平均時間為40 min，效率非常低。

3)智能變電站數量激增，以成都地區為例，2018年智能變電站的數量是2015年的2.5倍。同樣的期限內所需進行的接口回路測試的工作量也會同比增長，而班組的試驗人員逐年減少。試驗人員緊缺與工作量劇增之間形成了不可調和的矛盾。

為了解決這樣的矛盾，有兩種主流的方法可以實現。一是采用建立標準化作業指導庫的模式，該方法只需要將已有的經驗編制成冊即可，但仍然難以覆蓋所有種類的測試或者新類型的接口回路測試，因此后期維護和升級不夠方便。此外，這種方案無法保證傳輸的GOOSE報文不被其他設備篡改，即本質上與普通的試驗方法沒有區別，實用性也不夠強。

二是研制專用的接口回路測試儀，它能從原理上解決報文準確率的問題，保證了GOOSE報文的可靠性，此外如果能制作成便捷式的，可以更為方便地使用和推廣。

鑒于兩種技術的優缺點，研制了一種智能變電站專用的便攜式的接口回路測試儀，該儀器能在滿足所有指標要求的基礎上實現對接口回路進行可靠而高效的測試。

1 硬件設計

1.1 電源模塊

使用了MP2636電源管理模塊作為電源的解決方案。鋰電池是一種方便而常見的電源解決方案。該方案中亟待解決的兩個技術難點就是充電與升壓。如果按照傳統的方式，將充電部分和升壓部分獨立執行，會使得所搭建的電路十分繁瑣。而作為一種小體積的“升壓/充電”綜合模塊，MP2636電源管理模塊可以一次性滿足以上兩個功能。MP2636電源管理模塊如圖1所示。

圖1 MP2636電源管理模塊

1.2 主機模塊

主機模塊采用了可以運行完整版Windows 10操作系統的LattePanda開發板。板載一顆英特爾4核處理器，最高1.92 GHz運行頻率，內置LPDDR3 4G內存、eMMC 64G固態硬盤、藍牙4.1和WiFi模組，支持USB 3.0接口、HDMI視頻輸出接口、3.5 mm音頻接口，1000 Mbps/100 Mbps/10 Mbps自適應以太網口，以及額外的MicroSD擴展卡槽。此外，開發板還集成一塊Arduino Leonardo單片機，可以外拓各種傳感器模塊，如圖2所示。

圖2 CPU板外觀

1.3 交互模塊

顯示器模塊采用了一款樹莓派7寸LCD觸控一體顯示屏，擁有1024×600分辨率，支持HDMI高清輸出。該模塊帶有一個支持多點觸控的電容式觸摸面板可同時識別五個手指。USB觸摸采用DFRobot免驅動設計，無需安裝特殊驅動，可以直接插在主機模塊上進行觸摸操作。屏幕支持Windows操作系統，可以直接配合Raspberry Pi，Lattepanda及其他帶有HDMI輸出的設備使用。交互模塊如圖3所示。

圖3 顯示模塊背板

1.4 通訊模塊

通訊模塊采用較為成熟的CXL-6011STSUB-2KM，可使用USB接口供電，工作電流小，功耗低，支持多模光纖，采用ST光纖接口，工作波長1310 nm，具備10M/100M帶寬自適應能力，支持全雙工/半雙工工作模式。通訊模塊如圖4所示。

圖4 通訊模塊

1.5 外殼設計

為了使研制出的測試儀方便攜帶以及外形美觀，經過技術分析和比較后擬采用3D打印技術制作測試儀的外殼，并將相互連接的各模塊放入其中。3D打印外殼圖見圖5，內部結構圖見圖6。

圖5 3D打印外殼

圖6 內部結構

2 軟件設計

2.1 基于特征碼匹配的報文關鍵語段篩選

系統軟件設計的關鍵是基于特征碼匹配的GOOSE報文關鍵語段篩選。二次設備接口的GOOSE報文通常數據較多，而在GOOSE報文的捕獲階段不帶有篩選功能，因此需要設計一種方法篩選出測試所需要的報文。由于GOOSE報文內部的各類信息可以用對應關鍵語段進行區分，所以采用了基于特征串樹的報文特征碼匹配進行GOOSE報文關鍵語段的篩選。

宏匯編代碼中報文特征串匹配的執行過程為：讀取文件內容，然后采用cmpsb串比較指令掃描并查找是否含有報文特征碼。用這種匹配法檢測目標報文雖然較為準確，但與報文特征串的匹配是否精確強相關，且無法處理那些含有通配符的特征串。所研制測試儀在分析已有報文特征碼的精確和模糊模式匹配算法的基礎上，面向對象進行程序設計，實現了一個基于報文特征串樹的匹配算法，該方法可以用于含通配符特征串的模糊匹配，還能準確地更新報文特征庫。

2.2 特征串樹的建立算法

特征串樹的建立算法是建立一棵報文特征串樹，它由已知的報文特征構成，從“樹根”到任何給定節點的路徑標志了與該節點有關的報文特征串[7]。匹配停止的條件是，從起始位置到固定位置再到當前位置的輸入流模式和任何一個報文特征完全吻合。下面以實際程序為例進行說明。算法中主要用到了一個node*traverse函數，該函數返回一個指針，若為非空指針，就令從節點n開始的部分特征匹配輸入流；若為空指針，就令從節點n開始的部分特征不匹配輸入流。該算法并非尋找和列舉輸入文件中所有的報文，而是僅對是否含有目標報文作出回答。簡要流程圖如圖7所示。

圖7 算法簡要流程

3 實施情況

3.1 軟硬件聯調

為了保證GOOSE報文的原始性不會被任何測試設備更改，設計了一個將實際的二次設備出口報文進行抓取并儲存的功能，并且可以在離線和非實時情況下，發送所捕獲并儲存的報文對其他二次設備進行測試。

目前云端共享的概念已經深入到各類科技創新當中，旨在應用虛擬化技術，集搜索、下載、使用、管理、備份等多個功能為一體，以搭建軟件資源、軟件及硬件協調應用和服務平臺，使資源獲取更加簡單流暢、方便快捷。所提設計可以將所抓取并儲存的報文上傳到云端進行共享。方便任一收取端進行接收，可以便捷地對其他二次設備進行測試。

除了接口回路測試，所研制儀器還能對GOOSE報文進行更詳細的分析。它可以將抓取并儲存的報文提供給云端進行云計算。即基于互聯網的相關服務的增加、使用和交互模式，通過互聯網或局域網來提供動態易擴展的虛擬化資源，進入可配置的計算資源共享池。在引入云端共享和計算分析的框架之后，能擴展的功能將會越來越多。

3.2 測試效果分析

為了驗證智能變電站便攜式接口回路測試儀的實際效果，希望能將單次測試平均時長縮短到8 min以內。使用變電站便攜式接口回路測試儀分別對8個變電站內的接口回路進行了測試，取其單次測試平均值，具體的測試結果如表1所示，測試結果對比見圖8。

表1 測試結果統計表

圖8 測試結果對比

統計了8個變電站共102次接口回路測試用時，計算出單次接口回路測試平均用時為7.71 min。因此，采用自主研制的智能變電站便攜式接口回路測試儀后，單次接口回路測試平均用時低于8 min，目標達成。

3.3 經濟效益分析

隨著智能變電站應用越來越廣泛，截止2018年成電地區智能變電站的數量是2015年2.5倍。按照班組現有設備和人數配備情況，一個220 kV變電站的全站接口回路測試，平均需要38次獨立測試，需5臺傳統繼電保護測試儀、10人連續工作2 h才能完成全站接口回路測試工作。1臺傳統測試儀成本約為30萬元，5臺購置成本為150萬元。

而采用智能變電站便攜式接口回路測試儀可由2人在2 h完成全站接口回路測試工作。一個智能變電站便攜式接口回路測試儀成本為3萬元，2臺購置成本為6萬元。

顯然，采用便攜式接口回路測試儀，不管是在人力成本還是設計購置成本上都遠低于采用傳統的繼電保護測試儀。

4 結 語

研制了一種專用的智能變電站便攜式接口回路測試儀，主要創新點如下：

1)實現了GOOSE報文的捕獲與共享。為了保證GOOSE報文的原始性，不會被任何測試設備更改，設計了一個將實際的二次設備出口報文進行抓取并儲存的功能。并且可以在離線和非實時情況下，發送所捕獲并儲存的報文對其他二次設備進行測試。

2)高效完成GOOSE報文的關鍵語段篩選。基于特征碼匹配的GOOSE報文關鍵語段篩選，將已知報文特征構成一顆報文特征串樹。該方法可以用于含通配符特征串的模糊匹配，還能準確地更新報文特征庫。

3)基于3D打印的輕便式外殼設計。為了使研制出的測試儀方便攜帶以及外型美觀，經過技術分析和比較后采用3D打印技術制作測試儀的外殼，并將相互連接的各模塊放入其中。

4)泛在電力物聯網應用的有益探索。智能變電站便攜式接口回路測試儀的研制，是在大力推進電力物聯網建設的大背景下實施的。所設計的智能變電站便攜式接口回路測試儀對GOOSE報文的捕獲和共享以及其內部智能算法對GOOSE報文關鍵語段的篩選，都體現著泛在電力物聯網“移動互聯、人機交互、信息高效處理、應用便捷靈活”的智慧服務系統的本質。

雖然成功研制出了智能變電站便攜式接口回路測試儀，但更深層次的報文分析機制并沒有進步。下一步將基于大數據理論深度挖掘GOOSE報文的傳輸機制和常見的故障模式，研制一種專用于GOOSE報文的快速分析儀，助力高效實施智能站年檢及改造工作。