智能變電站繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)的設(shè)計和應用

崔楠楠，王家林

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司泰州市姜堰區(qū)供電分公司，江蘇 泰州 225500

0 引言

繼電保護裝置是變電站工程的重要二次設(shè)備，其使用情況影響電網(wǎng)安全性、可靠性。自動測試是檢測智能電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的一種有效方式，逐漸成為變電站管理工作中的重點[1]。縱觀當前的應用情況，傳統(tǒng)變電器始終在變電所內(nèi)占據(jù)重要位置，發(fā)揮主導作用。很多變電站的繼電保護裝置存在對外接口不一致的問題，對自動測試形成一定制約。人工手動測試是調(diào)試繼電保護裝置的主要方式，然而，人為、外界環(huán)境等因素均影響測試效果[2]。為了改善以上情況，文章結(jié)合IEC 61850標準，設(shè)計了繼電保護裝置的專用自動測試系統(tǒng)，對測試系統(tǒng)進行了較全面的分析。

1 自動測試的原理和系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

自動測試的執(zhí)行思路是應用PC機上的自動測試軟件，和測試儀器及保護裝置之間建立穩(wěn)定的通信關(guān)系，在閉環(huán)狀態(tài)下提升數(shù)據(jù)資源的共享效率。應用軟件技術(shù)取代傳統(tǒng)人工操作方式，高效執(zhí)行定值修正、壓板投退、檢測數(shù)據(jù)的總結(jié)處置及測試報告的生成、填報等任務(wù)。測試人員僅需在系統(tǒng)建設(shè)早期制定標準化的測試方案模板即可，測試軟件能自動調(diào)控測試任務(wù)的執(zhí)行過程，進而實現(xiàn)一鍵全自動化的閉環(huán)測試。測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)框架

2.1 應用層

在截面設(shè)計過程中注重人性化，在功能區(qū)規(guī)劃及界面呈現(xiàn)方面要做到科學部署，進而為廣大用戶提供一個結(jié)構(gòu)簡單、外形美觀、實用性強、便捷化的操作平臺。

（1）通信規(guī)約模塊。在測試系統(tǒng)內(nèi)，通信規(guī)約模塊主要用于選擇與模型解析方面，利用其完成繼電保護測試中的通信調(diào)試及過程監(jiān)測、編輯與通信規(guī)約選用等[3]。

（2）測試計劃編輯模塊。此模塊利用XML數(shù)據(jù)描述語言存儲測試計劃，基于面向?qū)ο蟮慕缑鎱f(xié)助用戶完成測試、判斷及結(jié)果輸出，檢測環(huán)境的原始化、壓板投退、測試值的輸出、檢測結(jié)果判讀、檢驗后環(huán)境復原等諸多環(huán)節(jié)在該模塊內(nèi)執(zhí)行，且其具有復制、粘貼、導入及導出等批量化處置的功能。

（3）測試過程調(diào)控模塊。此模塊主要用于調(diào)度、控制測試過程，執(zhí)行測試項目，選擇測試實施模式等。測試項目應自帶一個樹形結(jié)構(gòu)圖，為工作人員選擇不同層次的實驗項目創(chuàng)造便利條件。測試過程內(nèi)應有測試狀態(tài)監(jiān)視界面，其能動態(tài)呈現(xiàn)測試進程中的檢測量、輸入輸出、時間等運行參數(shù)。測試中還允許臨時調(diào)整被測項目的主要參數(shù)而不擾亂測試模板參數(shù)，這種約束條件能提升測試模板調(diào)試過程的便捷度。測試完成后要形成測試結(jié)果匯總信息，便于相關(guān)人員查閱相關(guān)調(diào)試信息。

（4）檢測報告處置模塊。此模塊主要執(zhí)行測試報告的簡單處理工作，如報告內(nèi)部分內(nèi)容穩(wěn)定整改、復制、保存、傳輸?shù)龋簿邆湓O(shè)置檢測報告操作權(quán)限的功能，能為不同測試人員提供差異化的應用權(quán)限，為測試內(nèi)容的真實度、完整性等提供更大的保障。

（5）二次開發(fā)接口模塊。該模塊基于Lua語言提供二次開發(fā)的接口，使測試系統(tǒng)更具拓展性，使用過程更加靈活。

2.2 邏輯層

（1）測試儀控制模塊。該模塊主要用于探尋閉環(huán)測試與非閉環(huán)測試二者的平衡點位，能凸顯側(cè)重點。不僅要充分體現(xiàn)自動測試的屬性，也不能缺少傳統(tǒng)控制平臺的通用性。

（2）保護通信控制模塊。該模塊主要用于制作與解析報文，并執(zhí)行各種通信過程，包括調(diào)整部分定值、遠程操控等。保護通信控制模塊作為EXE的經(jīng)典COM程序，具備高度開放的COM接口，為客戶端程序調(diào)取應用創(chuàng)造基礎(chǔ)條件；也可以基于多線程的形式和其他模塊有效協(xié)同、配合。在設(shè)計該模塊時，要建立足夠大的內(nèi)存存儲接收到的報文，以供解析環(huán)節(jié)使用。模塊應具備獨立性，可以自行完成通信過程的調(diào)試、監(jiān)視與規(guī)約分析任務(wù)，且能對外提供標準化的數(shù)據(jù)接口，方便他處調(diào)用[4]。

（3）信息管理模塊。該模塊主要用于存儲及管理測試結(jié)果、測試模板運行參數(shù)、測試報告等信息，也能在數(shù)據(jù)分析及測試報告填寫環(huán)節(jié)調(diào)取部分數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量較少時無須數(shù)據(jù)庫的輔助。

（4）測試過程控制模塊。該模塊的功能主要是輔助其他模塊執(zhí)行自動測試過程。模塊按標準要求取用部分測試模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，結(jié)合測試程序設(shè)計情況，基于標準數(shù)據(jù)接口、測試儀及通信控制模塊之間的配合情況，完成合理修改定值、精準控制檢測量輸出、檢測數(shù)據(jù)返回及判斷測試結(jié)果等自動化過程，也能實時把測試數(shù)據(jù)填寫至報告內(nèi)。設(shè)計該模塊時，要著重考慮和其他模塊之間的配合情況，程序執(zhí)行過程十分復雜，建議應用多線程設(shè)計策略。

（5）檢測報告生成模塊。該模塊主要用于生成測試報告或報告模板，可以應用書簽的形式將測試數(shù)據(jù)插進對應表格。

2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要用于存儲自動測試相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較少時無須應用數(shù)據(jù)庫，被存儲數(shù)據(jù)的格式是XML。繼電保護裝置自動化測試中的數(shù)據(jù)類型以既往記錄、報告信息、模板及實驗參數(shù)等為主。

2.4 物理層

物理層囊括了自動測試進程中投用的所有物理部件與裝置，如測試儀、PC機及具備相應功能的保護裝置等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 外部接口

結(jié)合既往研究情況，針對66 kV、35 kV及以下電壓等級的繼電保護裝置，若其配置電子互感器，應按照間隔設(shè)定情況合并保護、測控、智能終端、合并單元。由此可以推測，在當前智能變電站項目內(nèi)，針對66 kV、35 kV及以下電壓等級的繼電裝置，應將電子互感器輸出的小信號作為模擬量，開關(guān)量也要依照傳統(tǒng)意義上的電氣硬節(jié)點進行設(shè)置。如果繼電保護的電壓等級大于110 kV，要明確無論是模擬量采樣還是開關(guān)量輸入輸出，都要統(tǒng)一為數(shù)字量，實質(zhì)是基于IEC 61850標準的SV與GOOSE報文[5]。

IEC 61850標準是繼電保護與監(jiān)控系統(tǒng)之間通信關(guān)系建立的基礎(chǔ)，嚴格依照MMS協(xié)議規(guī)范執(zhí)行單播式通信過程。對于智能變電站所有功能，IEC 61850標準均設(shè)定了十分具體的邏輯節(jié)點與數(shù)據(jù)對象，供應了高度完整的數(shù)據(jù)對象闡述模型及面向?qū)ο蟮姆?wù)項目。以上這些抽象化的通信服務(wù)、對象及參數(shù)以特別的通信服務(wù)映射（SCSM）位載體被成功映射至底層應用程序，最后實現(xiàn)精準傳輸裝置變位信息、投退軟壓板、整改定值及和后臺交互等功能。

近幾年，我國在智能變電站設(shè)計及建造中的投入不斷增加，很多繼電保護裝置生產(chǎn)廠家在屢次的互操作試驗檢測中統(tǒng)一規(guī)范了裝置的對外接口，為自動測試目標的實現(xiàn)創(chuàng)造了穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件。

3.2 故障模擬系統(tǒng)

在建設(shè)繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)時，一個運行狀態(tài)穩(wěn)定、可靠的故障模擬系統(tǒng)是基礎(chǔ)條件。該系統(tǒng)要快捷、靈敏地模擬繼電保護裝置的各種故障問題，且要符合裝置外部接口運行需求，即模擬量輸出可以順利選用小信號及SV報文輸出形式，開關(guān)量可以兼容物理硬節(jié)點與GOOSE報文[6]。直接采樣是當前國內(nèi)常規(guī)的SV采樣方式，SV采樣值報文的傳送間隔離散值應低于10 μs。很多學者通過大量的研究及現(xiàn)實檢驗后指出，若繼電保護測試儀符合以上幾點需求，就可以將其用作故障模擬系統(tǒng)。文章建設(shè)自動測試系統(tǒng)時選用了PNF801測試儀（北京博電公司）作為故障模擬系統(tǒng)，其具有8個光口，物理開出、開入節(jié)點各8個；內(nèi)部配置了6組SV，離散度低于80 μs，采用12路的獨立小信號模擬量。

3.3 測試用例

在繼電保護裝置自動化測試中，為了使測試用例實用有效，要把測試系統(tǒng)規(guī)劃成開放系統(tǒng)，這樣工程師可以應用靈活地測試檢查各類繼電保護裝置。

具有代表性的保護功能測試用例主要由故障施加量和預期結(jié)果兩大部分構(gòu)成，前者又可以被細分成整定裝置運行參數(shù)及設(shè)置故障參數(shù)兩部分。整定裝置運行參數(shù)時，需要明確自動測試前需要修正的裝置參數(shù)，包括部分定值的整改、壓板投退等；設(shè)置故障參數(shù)等同于定制故障所屬類別，確定要為繼電保護裝置施用多大的故障量、設(shè)置故障持續(xù)發(fā)生時間等。在測試實踐中需要對比實測值和預計值，客觀分析二者的一致性，以此為據(jù)自動判斷測試項目是否達到通過標準[7]。繼電保護裝置自動化測試形成的預期結(jié)果主要是保護變位及測試反饋信息，前者主要包括錄入的保護動作報告資料及相關(guān)遙控變位信息，測試反饋信息則是被保護的輸出信息。選用繼電保護測試儀作為故障模擬系統(tǒng)時，人為故障參數(shù)就是測試儀的一個經(jīng)典測試模塊文件。對于測試儀來說，故障參數(shù)主要由故障量與IEC 61850標準調(diào)配兩部分構(gòu)成。在不同裝置的測試中需要應用不同的測試用例，故障量參數(shù)維持恒定，而SV、GOOSE的APPID、Mac地址、DA數(shù)目等配置信息均會做出不同程度的調(diào)整。鑒于以上情況，要把故障量與IEC 61850配置分別存儲成單獨的文件。PNF801測試儀故障量參數(shù)是后綴名是“.tpl”的測試類文件，在正式進行自動測試檢測前，要參照被測繼電保護裝置虛端子的連線狀況，傳導出相應的IEC 61850文件，這樣能成功重用故障參數(shù)。

4 自動測試系統(tǒng)的應用

4.1 應用流程

將設(shè)計的自動測試系統(tǒng)用在220 kV光纖差動保護裝置的測試中，系統(tǒng)應用的整體流程如下。首先，編制詳細的測試方案，確定被測項目及要求，測試內(nèi)容主要有主要性能指標、定值精準度、動作持續(xù)時間、保護邏輯、CT斷線及GOOSE報文異常處理等；其次，構(gòu)建測試用例庫，即把測試方案作為依據(jù)，細化被測項目，定制測試用例，檢測檢驗用例的有效性，確認合格構(gòu)呈交測試用例庫；最后，在測試過程中，由測試用例庫內(nèi)調(diào)取相應測試用例進行加載，進行自動化測試。

4.2 應用成效

應用自動測試系統(tǒng)完成了對繼電保護裝置的全自動化測試，在實際測試工作中取得了顯著成效，極大地完善了項目測試過程，大幅度提升了測試效率；為繼電保護裝置重復測試提供了可靠的技術(shù)辦法，能更好地暴露小概率問題，測試過程整體化；消除了傳統(tǒng)人工測試中存在的不確定因素，使測試的統(tǒng)一性得到更大保障；伴隨自動測試系統(tǒng)應用范疇的拓展，測試用例庫的豐富度將會不斷提高，取得更加理想的測試效果。

5 結(jié)束語

文章以繼電保護測試儀為基礎(chǔ)，配合業(yè)內(nèi)既有的技術(shù)方法，成功設(shè)計了自動檢測系統(tǒng)，有開發(fā)工作強度小、工作量偏少、快捷性高等優(yōu)點。當前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于繼電保護裝置的測試領(lǐng)域，可以有針對性地穩(wěn)定調(diào)整測試實施過程，進一步提升測試效率，及時發(fā)現(xiàn)繼電保護產(chǎn)品的缺陷問題，使其質(zhì)量得到更大保障，進而為我國智能變電站事業(yè)發(fā)展作出更大的貢獻。