就地化分布式保護環網測試裝置研制

裘愉濤， 徐昱， 王源濤， 張魁， 劉東冉， 顧偉

(1. 國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2. 國網浙江省電力有限公司杭州 供電公司，浙江 杭州 310009；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

就地化保護裝置靠近一次設備安裝，就地電纜采樣、電纜跳閘，取消了合并單元、智能終端等中間環節，成為未來繼電保護的發展趨勢。目前，線路就地化保護已成功掛網，為元件保護就地化實施提供了良好的理論和實踐基礎。為了解決元件保護存在的跨間隔問題，在線路保護基礎上提出了分布式就地化保護實現方案。分布式元件保護方案由1臺或多臺就地化分布式保護子機構成，各子機間地位平等、共享信息、協同運行[1—6]。各子機的硬件及軟件完全一致，保護功能及保護定值相同，通過雙向冗余雙環形千兆以太網首尾相連，負責各自報文的發送、過濾和轉發[7—9]。

就地化保護的快速推廣，給繼電保護測試工作帶來了新的研究方向。文獻[10]針對就地化保護的硬件性能，深入分析其對電磁兼容和環境的影響，并提出相應的檢測手段；文獻[11]基于就地化保護設備尺寸、應用模型、對外接口統一的特點，設計流水線檢測系統，快速完成工廠化調試；文獻[12]提出一種就地化保護仿真測試系統設計方案，通過自動加載測試用例實現裝置的保護功能邏輯自動驗證和二次回路正確性驗證。綜合而言，分布式就地化保護的測試方式主要有兩種：搭建整個元件保護正常運行環境，多臺子機實現互聯，同時施加激勵量進行測試；對單臺子機獨立進行測試。前者測試全面，但測試環境搭建困難，需要同時對多臺子機施加激勵量才能完整模擬主保護功能。后者雖然測試簡便，但只能進行單臺子機部分保護功能測試，無法模擬環網報文，與實際系統運行環境存在明顯差異[13—14]。

文中研究了分布式就地化保護測試需求，在此基礎上開發了一種新型繼電保護測試裝置，具備傳統繼電保護測試功能的同時新增了環網報文收發功能。通過1臺測試裝置即可完成就地化分布式單臺子機的解耦測試，同時開發了環網性能測試功能，校驗環網報文傳輸過程中的可靠性和實時性，完善環網測試內容。

1 方案設計

1.1 測試功能

根據就地化分布式子機保護特點，主要考慮保護功能測試和環網性能測試。

(1) 保護功能測試。測試裝置輸出常規模擬量、開關量，同時模擬其他子機環網數據發送，并接收待測子機反饋的信號判別保護動作正確性，完成全部保護邏輯功能測試。

(2) 環網性能測試。測試裝置作為環網內設備接入環網，模擬多種環網報文發送，轉發所有子機報文，同時接收并解析被測子機發送的報文幀，根據測試需求對報文內容進行校驗。發送正常環網報文的同時可選擇性發送異常報文幀，測試被測子機對異常報文的處理能力，如是否誤動、拒動等。

1.2 硬件設計

測試裝置采用插槽式機箱，由多種測試功能插件組成，如圖1所示。包括：中央處理器(central processing unit,CPU)插件、環網測試插件、電源插件、模擬量采集插件、模擬量輸出插件、開入插件、開出插件、對時插件等。各插件通過背板控制器域網(controller area network,CAN)總線進行通信，對時插件通過對時總線給各插件提供對時信號。測試裝置采用雙CPU架構，主CPU負責整個測試流程的管理，接收測試軟件下發的測試用例，將用例中的狀態及數據離散成各插件對應輸出的內容，再通過CAN總線下發，由各插件同步執行，同時接收各插件的反饋信息，進行處理并轉發給測試軟件。環網CPU與主CPU交換環網報文內容，接收主CPU環網測試命令并將相關數據下發環網數字信號處理(digital signal processing,DSP)芯片。環網可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)擴展出4個千兆以太網接口(ethereum，ETH)與環網通信，進行環網報文解析、轉發以及模擬子機環網報文發送。環網DSP把數據分別送至保護環和啟動環，由保護裝置的保護DSP和啟動DSP分別對采樣通道數據進行并行處理和實時計算。

圖1 硬件結構Fig.1 Hardware structure

1.3 軟件架構

測試軟件在Windows系統下采用QT語言開發，具有良好的人機交互界面。測試軟件由三大功能模塊組成：系統設置中心、報文監視中心和測試管理中心，如圖2所示。

圖2 軟件架構Fig.2 Software structure

系統設置中心負責與繼電保護測試裝置及保護子機進行通信連接設置。與測試裝置通信，設置開關量、模擬量通道、環網報文收發格式，控制測試裝置輸出以及接收反饋信息。與保護子機通信，讀取保護裝置相關配置，修改定值，接收保護裝置動作信息。

報文監視中心提供多個監視窗口，用來顯示測試過程中測試裝置報文、保護子機報文、測試用例執行結果等，實時掌握測試進度。

測試管理中心負責各個測試用例的編輯，控制用例執行過程，根據測試裝置和保護子機反饋的信息進行結果判別，自動生成測試報告。單次測試時可根據需要選擇用例數量實現自定義批量化測試，測試過程中個體測試用例的測試結果不影響其他用例的執行。測試報告包含被測裝置的基本信息、測試時間、測試結論，并記錄每個測試用例的測試過程，包含各狀態序列具體的輸出時間、輸出數據、定值修改、接收接點狀態、接收報文信息、誤差設定及判別等，便于分析測試結果的準確性。

2 測試功能的具體實現

2.1 保護功能測試

測試裝置簡化了分布式子機的測試環境，可以對保護功能、精度及動作特性進行完整驗證。測試環境如圖3所示，測試裝置通過接收對時，和分布式子機保持時間同步，測試軟件編輯測試用例，向保護子機下發定值修改指令，在指定時間間隔后向測試裝置下發測試數據，由測試裝置將測試數據擬合成開關量、模擬量、環網數據的狀態序列，同步向保護子機施加激勵量。測試用例執行完成后，根據用例中設定的測試結果，與測試軟件實際接收到的數據進行對比，判別測試結果，并生成測試報告文件，實現分布式子機保護功能的解耦測試。

圖3 測試環境Fig.3 Testing environment

就地化元件保護子機硬件接口、軟件功能完全相同，同一廠家同型號子機僅需編輯1臺裝置的測試用例即可完成所有裝置的重復測試。而不同廠家的裝置間硬件接口定義和保護功能完全相同，僅事件順序記錄(sequence of event,SOE)報文或定值名稱存在差異，測試用例的有效復用將為現場更換式檢修及測試帶來極大的便利性。

文中將基于測試數據的模板、測試用例中和數據相關的接口進行解耦，通過批量復制測試模板以及批量接口映射，實現測試用例大規模復用。接口映射分為兩類：與測試裝置的開關量、模擬量通道映射；與保護裝置的站控層映射。

測試模板采用三級目錄管理。一級目錄按照被測裝置型號分類；二級目錄按照保護功能大類分類，如過流Ⅰ段、過流Ⅱ段等；三級目錄按照具體測試項分類，各級目錄均支持測試模板的復制。接口映射在二級目錄中完成，批量復制時，僅需重新將部分定值進行映射，有利于提高用例編輯的效率。在設計過程中還需考慮用例復制的兼容性，對于未進行映射的相關參數在測試用例中無效。實際應用時，針對同類型保護功能，可在開始階段編輯一組用例全集，將其復制后刪除無用的子用例。

2.2 環網性能測試關鍵技術

環網報文采用固定格式，包含目的地址、源地址、報文序號、應用數據單元、延時修正域等。環網CPU在進行報文組幀時，部分參數需預先設置，此處考慮通過環網報文配置文本實現環網報文內容的相關設置。各子機均具有主保護判別邏輯，環網數據交換的可靠性、實時性直接影響各子機保護判別邏輯的準確性和一致性。針對環網特性應考慮的測試能力包括：環網報文配置、延時測試、數據一致性測試、轉發機制測試和模擬環網異常報文。

2.2.1 環網報文配置

測試裝置在與分布式子機建立物理連接后且正式測試前，子機一直處于環網連接中斷告警狀態。按照表1的配置文本項進行設置，并進行環網報文組幀。

表1 環網報文配置文本Table 1 Configuration text of ring network messages

Test mode可根據測試需求設置為tester或analyzer。tester作為保護功能測試裝置，可以模擬多臺子機環網報文以及繼電保護測試功能，實現對單體子機保護功能的解耦測試。analyzer作為環網網絡分析儀，可將測試裝置串入環網中轉發及模擬各種環網類型報文，并對測試目標子機報文進行解析，實現環網各種性能測試。Transmission mode用來選取傳輸方式是單播或多播。Destination number設置測試目標子機編號。Source number設置模擬的子機數量和編號。Protection type、APPID等設置報文中相關保護類型參數；SV(sampled value) channels、GOOSE(generic object oriented substation event) chan-nels、Int channels分別用來設置應用單元SV、GOOSE、整型值的通道。測試裝置通過解析測試文本，生成環網報文基本格式。

通過報文配置文本可以解析環網報文幀格式，但未能完全模擬環網報文。應用數據單元除SV、GOOSE外，還有整型值，該類整型值是子機所有定值數值形成的一個校驗碼，環網內所有子機定值須保證一致，否則子機會產生定值項告警并閉鎖相關保護功能。測試過程中存在不斷修改定值的需求，該校驗碼會不斷變化，無法通過事先設置達到測試目的，可考慮通過環網自適應連接方式來實現整型值的自動設置。各子機在上電運行后，根據自身定值項中的子機數量及編號，向其余子機發送含編號信息的環網報文。測試裝置接收到測試目標子機報文后進行解析，保存整型值數值，再根據配置文本中需模擬的子機數量及編號，將整型值擬合入需要發送的報文中，應用單元內SV、GOOSE數值以0代替。每個中斷周期，環網CPU按照設置好的報文格式以及需要模擬的子機數量向外發送環網報文。

測試過程中，若接收到主CPU具體測試數據，環網CPU會重新擬合相關報文內容；若子機定值發生修改，整型值數值會同時更新。

2.2.2 延時測試

環網報文的絕對延時為式(1)，環網報文傳輸時序如圖4所示。

Td=T1+Tstay+Tlink

(1)

圖4 環網報文傳輸時序Fig.4 Time sequence of message transmission in ring network

T1為報文組幀延時，表示子機將采集到的模擬量、開入量等信息一起擬合成環網報文并發送出去的時間，主要是模數 (analog-to-digital，AD)采樣和CPU處理并發送引起的延時。環網報文中將該延時單獨作為一個SV通道。

Tstay為子機駐留時間，表示由中間節點子機轉發過程中的停留時間累加而成的延時。

Tlink為鏈路延時，表示由環網報文從源子機到目標子機之間鏈路傳輸產生的延時。

Tstay+Tlink構成環網報文中的報文延時修正域，由報文本身攜帶，每經過1臺子機則修正1次。由于光纖傳播速度很快，接近光速的2/3，測試中使用的光纖只有10 m，傳輸時間很短，鏈路延時可不予考慮。環網通信規范中對鏈路延時也不作強制要求。

將測試裝置類比為目標子機接入環網中，測試裝置和源子機外接同一對時源,保持時鐘同步。測試裝置向源子機施加模擬量同步脈沖，記錄同步脈沖輸出時刻t1，并同步接收環網報文SV，記錄接收到SV同步脈沖的時刻t2，則實際的報文絕對延時T′d=t2-t1。將T′d與Td進行比較，判別Td的準確性。環網報文的Td不應大于1 ms。同步脈沖時序如圖5所示。

圖5 同步脈沖時序Fig.5 Time sequence of synchronized pulse

T1的離散度對于接收子機模擬量的插值計算非常重要。測試裝置實時接收子機環網報文，記錄每一幀報文時刻，并消除報文延時影響，計算每兩幀報文間隔時間Δt，將其與標準采樣間隔250s比較，誤差應小于10s。

2.2.3 數據一致性測試

分布式子機保護功能計算需結合本地采集的模擬量和環網SV。為了確保采樣精度，環網數據的發送頻率采用每周波80個點[15—17]。

利用外部高精度繼電保護測試儀給被測子機和測試裝置施加模擬量及開入量，測試裝置同時接收被測子機環網報文。由于子機需要將采樣數據轉換成環網數據發送且經過其他子機轉發，測試裝置接收到的環網SV會有延時。對于環網內部多臺子機以及測試裝置采用相同源采樣，測試裝置采集到的波形如圖6所示。

圖6 測試裝置采樣波形Fig.6 Sampling wave of test device

測試裝置通過快速傅里葉變換計算被測子機單周波采樣數據的相位和幅值，其中以測試裝置本地采集的波形為基準。假設測試裝置本地采集波形的幅值為Z0，相角為θ0，同時刻被測試裝置接收到子機1環網SV的幅值為Z1，相角為θ1，絕對延時為Td1，則角差Δθ1和比差k1為：

(2)

同理可求得被測子機2的角差Δθ2和比差k2。環網內各子機的采樣精度均可通過角差Δθ和比差k進行比較。子機間的同步性可以用相對角差進行判別，如式(3)所示。

Δθ12=Δθ1-Δθ2

(3)

環網GOOSE開入量的測試類似且易于SV，此處不再贅述。

2.2.4 轉發機制測試

子機將環網中非本機發送的報文幀進行轉發，不轉發自身為目標節點的單播幀。為測試該轉發機制，測試裝置與被測子機構成環網，不接入其他子機，消除其他子機轉發的影響，由測試裝置向被測子機發送各類型環網報文，經子機轉發后至測試裝置另一端口，判別轉發的準確性。多播傳輸方式的測試方案可參考表2執行。

表2 報文轉發測試方案Table 2 Test scheme of message forwarding

對于正常報文，比較收發兩幀報文內容，除延時修正域外其他應無變化。同時，根據規范環網內按照最大16個節點、傳輸延時小于1 ms的要求，每個節點的傳輸延時不超過62.5s。

在正常報文轉發測試過程中，還應考慮環網的復雜環境，測試裝置應具備模擬網絡風暴的能力，要求1～1 000 Mbit/s可設，施加持續時間不低于2 min。網絡風暴測試過程中，對于網絡風暴幀子機應予以丟棄，需轉發的報文能正常轉發。網絡風暴持續過程中，測試裝置模擬滿足動作條件的環網報文，此時待測子機應能正確動作。測試裝置的各端口不應收到任何網絡風暴幀，正常報文幀能正確接收和轉發。

2.2.5 異常報文模擬功能

目前尚無相關標準或規范對應就地化分布式環網報文異常測試，文中參考GB/T 7261—2016中針對智能變電站SV及GOOSE異常測試內容，將環網報文看成分布式子機采集的規模擬量、開關量轉換成特殊格式的SV、GOOSE。子機相當于傳統意義上智能站的合并單元和智能終端，則SV和GOOSE的所有通道數據都可以當作同一個控制塊。根據實際應用中的靈活配置要求，可將環網SV的檢修、丟幀、抖動、錯序、失步、品質異常、延時設置等按照圖7所示子機數據結構進行設置，此類異常通常在同一臺子機發生。異常數據按照圖8中SV通道數據結構進行設置，可根據測試需求選擇每周波異常點數，異常數據的施加方式可按照用例中的設置數值直接施加。對于GOOSE報文異常，均采用按子機設置，異常類型均設為單選。

圖7 子機數據結構Fig.7 Data structure of sub devices

圖8 通道數據結構Fig.8 Data structure of channels

每周波異常點數的選擇可能對測試結果產生不同的影響。相異于環網報文每周波80個點，保護子機實際采樣每周波只選擇24個點。若每周波只選取1個異常點，則在計算采樣時可能不會計算此異常點，測試過程中應重復多次測試，每周波選擇連續3個以上異常點才能確保異常點被采集到。在進行異常數據測試時，還應考慮異常數值對保護采樣計算結果的影響。測試裝置支持多狀態、多通道、多子機的設置，測試時只設置一種異常狀態，便于確認該異常對待測子機的影響。單個數據異常測試用例中禁止進行異常子機切換，防止待測子機在進行異常判別時選擇錯亂。

3 典型應用

文中通過測試裝置和單臺分布式母線保護子機模擬一4臺子機的母線保護系統，進行主要功能的測試和驗證，典型應用場景如圖9所示。測試裝置和保護子機通過對時裝置保持時鐘同步，測試軟件控制測試裝置向子機施加模擬量和開關量，并模擬其余3臺子機的環網報文，同時可對被測子機發出的環網報文進行檢測。

圖9 典型應用場景Fig.9 Typical application scenario

測試用例編寫方面，傳統測試系統的分布式保護系統中，各臺子機多間隔的數據模擬需要多臺測試裝置，各測試裝置間的協同測試較為復雜。文中的環網測試裝置僅需針對單臺子機設置對應的開入量、模擬量、軟報文映射關系和環網數據。使用兩種測試裝置針對分布式母線保護的主保護、過流保護、失靈保護進行實際測試，分別以1.2倍動作定值的故障量測試10次，動作結果取平均值，如表3所示。環網測試裝置可以達到傳統測試裝置的效果，同時擁有用例編輯方便、測試環境簡單的優點，測試用例編輯及測試的時間可縮短70%以上。

環網報文傳輸延時測試方面，子機和測試裝置通過10 m光纖連接，實測單個結點的報文轉發延時為1.56～2.48s，滿足規范要求。

表3 2種測試裝置測試結果分析Table 3 Test result analysis of two test devices

異常報文測試方面，設置SV報文丟幀、抖動、錯序、失步、品質異常及GOOSE報文發送機制異常等。抓取測試裝置實際發出的環網報文，利用軟件分析報文及波形，確認測試裝置輸出的環網報文與設置一致，同時判定保護裝置的動作結果正確。

4 結語

文中設計和開發了包含就地化分布式環網測試功能的新型繼電保護測試裝置，實現了分布式就地化單臺子機完整保護功能的解耦測試，大幅優化了測試環境。該測試裝置應用于就地化元件保護工廠化調試及更換式檢修，可大幅縮減設備檢修和消缺時間，減少停電時間，提高電網運行效率。隨著就地化分布式保護技術的不斷發展和成熟，如何將環網通信技術與實時數字仿真等系統相結合，不斷豐富測試手段，提供更全面的仿真功能，將是后續的研究方向。

本文得到國網浙江省電力有限公司科技項目“就地化智能變電站二次保護設備仿真與運維支撐系統研究”(5211HZ17000A)資助，謹此致謝！