新一代智慧變電站冗余測控裝置自動測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

胡明會，王彩麗，梁建濤，王 哲，李國杰

（許繼電氣股份有限公司，許昌461000）

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展壯大，電網(wǎng)新技術(shù)、新理念也在不斷與時(shí)俱進(jìn)，也在從智能變電站向智慧變電站發(fā)展[1-2]。在智慧變電站的運(yùn)行過程中，需要快速提出海量數(shù)據(jù)量中的數(shù)據(jù)價(jià)值[3]。為了保證供電的質(zhì)量和電力系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，電網(wǎng)調(diào)度中心必須準(zhǔn)確地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時(shí)進(jìn)行分析并做出正確的判斷和決策，必要時(shí)采取緊急措施，處理應(yīng)急事故和異常情況，以保證電力的安全、可靠及有效供應(yīng)。測控裝置作為智慧變電站間隔層前端二次核心設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)一次、二次設(shè)備信息采集、信息傳輸，接收控制命令，實(shí)現(xiàn)受控對象的控制以及交流量計(jì)算、同期功能等[4-5]。現(xiàn)階段測控裝置面臨的問題是在面向系統(tǒng)內(nèi)過程層及站控層的設(shè)備數(shù)量多、無冗余備用，一旦發(fā)生故障后設(shè)備信息采集功能失效，造成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不全[6]。為了提高全站系統(tǒng)的可靠性，解決測控裝置無冗余備用問題，一系列采用虛擬化技術(shù)的多間隔測控裝置相繼涌現(xiàn)，包括集群測控[7-9]、集中式保護(hù)測控裝置[10]、冗余測控[11]，這些測控裝置（本文統(tǒng)稱為冗余后備測控）在單設(shè)備可靠且系統(tǒng)性能、功能不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了測控裝置的冗余備用，大大減少了變電站間隔層設(shè)備數(shù)量。

1 冗余測控裝置自動測試難點(diǎn)分析

當(dāng)前業(yè)界方案較為推崇是冗余后備測控裝置，也即是將多個(gè)實(shí)體測控裝置集中于其中一臺測控裝置，實(shí)現(xiàn)“多模塊、多配置”的冗余后備測控，然而目前開發(fā)階段會面臨很多難題，主要集中在研發(fā)測試和工程調(diào)試主要依賴人工測試來完成，特別是對于“多模塊、多配置”的全面性驗(yàn)證對于現(xiàn)場調(diào)試、驗(yàn)收等工程實(shí)踐需要耗費(fèi)大量精力，若采用通用的自動測試平臺進(jìn)行自動測試，會面臨諸多實(shí)際困難：

難點(diǎn)一：關(guān)于冗余測控裝置的自動測試用例比較欠缺，或有少量保護(hù)裝置的測試用例編制初期未考慮好測試項(xiàng)目規(guī)劃，測試用例分組簡單粗暴，導(dǎo)致開展自動測試時(shí)分揀用例比較繁瑣，且所有的測試用例只能手動設(shè)計(jì)，不能自動生成。

難點(diǎn)二：由于冗余測控裝置中虛擬測控單元較多，如何在自動測試過程中完成每個(gè)虛擬單元間的無縫銜接，實(shí)現(xiàn)完全的“自動測試”還需要進(jìn)行深入探索和反復(fù)驗(yàn)證。

難點(diǎn)三：各虛擬測控單元之間雖然具備獨(dú)立的通信模型、配置參數(shù)等，但不同應(yīng)用環(huán)境下的虛擬測控單元之間所屬的應(yīng)用功能、配置文件存在差異化。

現(xiàn)階段國內(nèi)外一些繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家相繼開發(fā)研制了各類自動測試系統(tǒng)[12-15]，為自動測試應(yīng)用提供了廣闊前景，大多數(shù)自動測試系統(tǒng)針對“單端電氣量”和“雙端電氣量”及“單模塊、單配置”繼電保護(hù)裝置的自動測試成就顯著[16]，其中主要側(cè)重于保護(hù)邏輯和保護(hù)定值方面的自動測試。但對于多間隔的冗余測控裝置的自動測試兼容性不強(qiáng)，通用性較差。因此，首先研究了冗余后備測控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于集成測控裝置的自動測試用例樹，基于單個(gè)應(yīng)用功能的測試用例，提出了測試用例打包方案，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了適用于冗余后備測控的自動測試系統(tǒng)，通過實(shí)踐應(yīng)用表明，本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)、通用的繼電保護(hù)自動測試系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)冗余測控各虛擬測控單元自動測試的無縫銜接，為測控類裝置尤其是多間隔冗余后備測控的研發(fā)測試、現(xiàn)場調(diào)試和工程實(shí)踐提供參考。

2 冗余測控裝置架構(gòu)分析

2.1 裝置特點(diǎn)分析

傳統(tǒng)的實(shí)體測控裝置向冗余測控裝置的演變過程如圖1所示，其中裝置中各虛擬測控單元（虛擬測控單元數(shù)N≥15）采用與智能變電站實(shí)體測控裝置相同的模型、參數(shù)和配置以實(shí)現(xiàn)測控單元的擴(kuò)充，由于每個(gè)虛擬測控單元與傳統(tǒng)實(shí)體測控裝置具有相同的功能，每個(gè)虛擬測控單元有獨(dú)立的CID 和CCD 通信配置文件，具備獨(dú)立的通信模型，實(shí)現(xiàn)冗余后備測控本體信息的上送，實(shí)現(xiàn)對變電站多間隔測控功能的應(yīng)急后備。

裝置采用基于DL/T860.92 標(biāo)準(zhǔn)的SV 采樣和基于DL/T860.81 標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE 輸入輸出，SV，GOOSE報(bào)文的接收配置、功能行為與所替代實(shí)體測控裝置一致。當(dāng)某間隔的實(shí)體測控裝置故障或檢修退出時(shí)，自動或手動投入冗余備用功能，通過在線感知自動切換功能，按間隔“1 對1”冗余切換，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)測控功能冗余與自愈。與間隔層其他實(shí)體測控裝置交互的互鎖信息通過站控層GOOSE 收發(fā)，裝置網(wǎng)關(guān)采用LOOPBACK 環(huán)回接口實(shí)現(xiàn)互鎖報(bào)文的“自發(fā)自收”，如圖1所示。

2.2 裝置典型配置

圖1 裝置冗余配置Fig.1 Device redundancy configuration

多間隔冗余后備測控裝置在數(shù)字式測控程序基礎(chǔ)上進(jìn)行跨平臺移植，通過過程層網(wǎng)絡(luò)接入不少于15 個(gè)虛擬測控單元，實(shí)現(xiàn)測控功能的冗余備用。其中每個(gè)虛擬測控單元可配置遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、同期、邏輯閉鎖等功能。各虛擬測控單元以“四統(tǒng)一、四規(guī)范”數(shù)字測控裝置應(yīng)用分類（Q/GDW10427-2017 變電站測控裝置技術(shù)規(guī)范）為基準(zhǔn)，根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用可進(jìn)行虛擬單元數(shù)量、應(yīng)用功能的靈活配置。現(xiàn)階段自動測試環(huán)節(jié)按照“8+4+4”典型配置為8個(gè)間隔測控、4 個(gè)3/2 接線測控和4 個(gè)母線測控，如表1所示。

表1 裝置典型配置Tab.1 Typical configuration of device

3 自動測試用例設(shè)計(jì)

3.1 自動測試用例樹設(shè)計(jì)

基于虛擬測控單元的關(guān)于冗余測控裝置的自動測試用例比較欠缺，或有少量保護(hù)裝置的測試用例編制初期未考慮好測試項(xiàng)目規(guī)劃，測試用例分組簡單粗暴，導(dǎo)致開展自動測試時(shí)分揀用例比較繁瑣，自動測試推廣不力，且所有的測試用例只能手動設(shè)計(jì)，不能自動生成。

由于冗余測控裝置中虛擬測控單元較多，如何在自動測試過程中完成每個(gè)虛擬單元間的無縫銜接，實(shí)現(xiàn)完全的“自動測試”還需要進(jìn)行深入探索和反復(fù)驗(yàn)證。

各虛擬測控單元之間雖然具備獨(dú)立的通信模型、配置參數(shù)等，但不同應(yīng)用環(huán)境下的虛擬測控單元之間所屬的應(yīng)用功能、配置文件存在差異化。

自動測試用例的編制是進(jìn)行自動測試的核心工作之一，編制優(yōu)良的測試用例能使自動測試達(dá)到事半功倍的效果。文獻(xiàn)[17]對“單模塊、單配置”的繼電保護(hù)類裝置測試腳本、測試方案等進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述，分析發(fā)現(xiàn)其進(jìn)行測試用例編制時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的是保護(hù)邏輯和保護(hù)定值精度的正確性，而測控類裝置與其他繼電保護(hù)類產(chǎn)品相比，保護(hù)邏輯相對較少，但測量數(shù)據(jù)量大，測量精度要求更高，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)分析難度更大。

測試腳本編制前首先要明確某個(gè)虛擬測控單元包含的測試項(xiàng)目、測試范圍、考核精度等。根據(jù)裝置測控功能進(jìn)行最大化設(shè)計(jì)的用例樹，如圖2所示。

3.2 自動測試用例打包方案

僅完成某個(gè)虛擬間隔測控單元的測試用例編制還不能達(dá)到冗余后備測控裝置完全自動測試的目的。為了實(shí)現(xiàn)裝置多個(gè)虛擬測控單元之間自動測試的無縫銜接，單個(gè)測試用例腳本通過工具，一鍵式完成若干虛擬測控單元測試用例的編制，然后分類、打包為測試用例包，構(gòu)成整個(gè)裝置完整的測試用例庫。

測試用例打包的方法比較靈活，對單裝置、雙重化配置裝置、多間隔測控裝置均適用。兩種自動測試用例打包方案如表2所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，不考慮測試用例編制投入時(shí)間，第一種方案較好；從測試用例重用性考慮，第二種方案較好。文中采用較多的是第二種方案，經(jīng)過應(yīng)用驗(yàn)證，效果較好。

表2 測試用例打包方案對比Tab.2 Comparison of test case packing schemes

圖2 虛擬測控單元測試用例樹Fig.2 Test case tree of virtual measurement and control unit

4 自動測試應(yīng)用實(shí)例

4.1 測試環(huán)境搭建

本文采用自主設(shè)計(jì)的自動測試系統(tǒng)，可同時(shí)加載多個(gè)虛擬測控單元，實(shí)現(xiàn)冗余后備測控裝置自動測試。該自動測試環(huán)境如圖3所示，自動測試環(huán)境所采用硬件設(shè)備包括B 碼同步時(shí)鐘裝置、PC 機(jī)、數(shù)字式繼電保護(hù)測試儀、冗余后備測控裝置、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。其中PC 機(jī)上裝載的自動測試系統(tǒng)軟件包括設(shè)計(jì)的自動測試軟件、IEC61850 數(shù)據(jù)庫軟件、測試儀控制軟件，其中繼電保護(hù)測試儀和冗余后備測控裝置接入統(tǒng)一時(shí)鐘信號。

圖3 自動測試環(huán)境圖Fig.3 Automatict environment diagram

設(shè)計(jì)的自動測試軟件用于創(chuàng)建、維護(hù)測試用例庫，且SAT-810 作為自動測試系統(tǒng)的核心，全面支持IEC61850 通信規(guī)約，測試用例一方面存儲于IEC61850 數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建用例庫，另一方面向測試儀控制軟件發(fā)送控制命令，繼電保護(hù)測試儀接收到控制命令后，按照測試要求編輯好的測試用例執(zhí)行自動測試，自動測試過程系統(tǒng)將比較實(shí)際結(jié)果和預(yù)期結(jié)果是否一致，自動判別測試項(xiàng)目是否通過，測試結(jié)果反饋于人機(jī)界面。

4.2 測試環(huán)境配置

裝置SCD 文件配置：如圖4所示，通過SCD 配置工具，將冗余后備測控裝置下的N 個(gè)相互獨(dú)立的IED 能力描述文件（ICD）進(jìn)行連線配置，通信參數(shù)配置，導(dǎo)出對應(yīng)的IED 實(shí)例配置文件（CID）；IED二次回路實(shí)例配置文件（CCD）；全站系統(tǒng)配置文件（SCD），仿真主站客戶端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）。

圖4 冗余后備測控裝置SCD 文件配置Fig.4 Configuration of SCD file for redundant measuring and controlling device

IEC61850 數(shù)據(jù)庫配置：將圖4 中配置完成的全站系統(tǒng)配置文件（scl.scd），仿真主站客戶端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）拷貝到遠(yuǎn)動安裝目錄的IEC61850 文件夾下。

測試儀配置的配置過程是首先加載裝置SCD配置文件，分別導(dǎo)入SV，GOOSE 數(shù)據(jù)，配置通道關(guān)聯(lián)、變比數(shù)、開入開出關(guān)聯(lián)，然后在菜單窗口配置并存儲測試儀通道對應(yīng)的csg 文件，實(shí)例化裝置采樣通道。

5 自動測試應(yīng)用及結(jié)果

結(jié)合測控裝置遙測功能電壓電流基本誤差精度的測試等測試項(xiàng)目，自動測試系統(tǒng)在“多配置、多模塊”冗余后備測控裝置的整體應(yīng)用流程首先是測試前準(zhǔn)備，包括編制單個(gè)測試用例等；然后是將單個(gè)測試用例進(jìn)行重復(fù)化配置，通過自動測試系統(tǒng)一鍵完成相同應(yīng)用功能下的若干虛擬測控單元測試用例的編制；最后是將用例打包為一個(gè)遙測功能用例庫，如圖5所示，且各虛擬測控單元之間通過不同的ID 號進(jìn)行區(qū)分。

圖5 遙測功能庫Fig.5 Telemetry library

與此同時(shí)是加載測試用例庫中所需的測試用例。并使能測試用例，這樣自動測試系統(tǒng)按照打包好的遙測功能測試用例庫執(zhí)行測試用例，其各環(huán)節(jié)流程如圖6所示。

圖6 測試流程Fig.6 Test flow chart

為了驗(yàn)證打包測試用例方案的可行性和自動測試系統(tǒng)的可靠性，依據(jù)智能變電站冗余后備測控裝置檢測方案等對多種配置類型的冗余后備測控裝置整體功能，進(jìn)行了人工測試和自動測試比對，其完成測試所需時(shí)間如表3所示。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大提高裝置的測試效率，經(jīng)自動測試的裝置在智能變電站優(yōu)化提升項(xiàng)目中試點(diǎn)應(yīng)用，運(yùn)行可靠。

表3 裝置整體功能測試時(shí)間對比Tab.3 Comparison of whole function test time of the device

6 結(jié)語

實(shí)踐應(yīng)用表明，使用本文設(shè)計(jì)的自動測試系統(tǒng)加載冗余后備測控裝置的多個(gè)虛擬測控單元，并結(jié)合測試用例打包的方法，能實(shí)現(xiàn)冗余備用測控裝置各虛擬測控單元自動測試的無縫銜接。與傳統(tǒng)的人工測試方法相比，可有效解決了一系列由人工測試操作繁瑣，數(shù)據(jù)分析困難、測試效率極低且容易出現(xiàn)漏測和誤判帶來的問題，充分發(fā)揮了自動測試的獨(dú)特優(yōu)勢。在測試任務(wù)量大、周期要求緊的情況下，可以大大提高測試效率。如冗余后備測控裝置全面測試項(xiàng)目，在未進(jìn)行自動測試時(shí)一般測試員需要每天工作8 小時(shí)，連續(xù)進(jìn)行30 天測試，而利用自動測試進(jìn)行測試后僅需3天左右。本方案基于繼電保護(hù)測試儀構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各種配置類型的測控裝置閉環(huán)自動測試，尤其在多間隔冗余后備測控裝置中發(fā)揮極大作用，通過大量試驗(yàn)證明該自動測試方法可有效節(jié)省測試人員工作時(shí)間，提高測試可靠性和測試效率。對智慧變電站冗余測控裝置的現(xiàn)場調(diào)試、驗(yàn)收等工程實(shí)踐具有參考意義。