基于5G通信和圖像識別技術的新型繼電保護測試系統

王俊康，吳繼順，汪衛東，趙軍毅，王濤濤，羅 巍

（1.浙江省送變電工程有限公司，杭州 310020；2.廣東昂立電氣自動化有限公司，廣州 511400）

0 引言

繼電保護裝置是變電站的二次核心設備，對電力系統的安全穩定運行起到重要的作用。當電力系統發生故障時，要求繼電保護裝置能夠快速、準確地切除故障設備和線路，防止故障進一步擴大，因此繼電保護裝置初次投入運行或者定期檢修時必須對其檢測校驗，確保繼電保護裝置正常動作。

當前繼電保護裝置型號、通信方式和接口等差異，限制了自動測試的應用，針對繼電保護裝置的調試和校驗主要是人工測試，但是校驗過程操作繁瑣，效率低下，容易造成錯漏，尤其是應急檢修等緊急情況下，時間窗口小，任務緊，若采用完備性測試則時間和人員安排比較多，若采用其他測試方式則難免會存在疏漏。隨著智能變電站發展，相關標準和導則先后頒布，在IEC 61850基礎上的智能變電站能夠實現輸入、輸出信息化和數字化，保護裝置對外接口、軟壓板等方面規范化，使得繼電保護裝置實現自動化測試成為了可能。

為了適應智能變電站及繼電保護裝置快速發展，國內許多廠家和學者先后研制了多種自動檢測方案，其中有的通過分析SCD 文件生成測試方案進行測試，并綜合GOOSE 跳閘信息和SOE 信息進行測試結果分析［1-5］；有的對測試方案和裝置配置進行了數據解耦，并將測試方案存于云服務器，通過WIFI將裝置信息傳到云服務器查找相對應的測試方案［6-8］；還有的對多臺繼電保護裝置并行測試進行了研究［9］。但是上述方案存在以下不足：一方面大部分測試方案均需復雜的測試腳本，在實用性方面仍有較大的提升空間，雖然有些自動測試系統能夠實現測試方案的導入/導出，但不同測試人員開發的測試方案無法快速有效地替換，定義的數據結構不統一，在通用性方面存在一定的缺陷；另一方面上述幾種方案僅針對標準智能變電站繼電保護的自動測試，自動測試系統必須接入網絡，不完全適用于傳統變電站及智能化改造后的變電站，其推廣具有一定的困難。

1 新型繼電保護測試系統研究

在深入研究多種自動檢測方案的基礎上，本文結合傳統繼電保護測試技術和現有智能變電站自動檢測技術的優點，提出一種基于5G通信和圖像識別技術的新型繼電保護測試系統，該系統能適應傳統變電站到智能變電站過渡階段的各類繼電保護裝置，適用范圍廣。

引入5G網絡技術，實現測試方案的在線下載及測試數據上傳。在智能電網發展進程中，傳統通信方式難以滿足智能電網的發展需要，5G通信作為目前最先進的通信技術，以其大帶寬、高可靠、低延時、廣連接、泛在網等諸多優勢，在智能電網配電自動化、負荷控制等方面得到廣泛應用。在新型繼電保護測試系統中利用5G網絡技術優勢，解決自動測試平臺與云端服務器的通信問題，大大提高測試平臺的便捷性。

隨著電力系統規模不斷增大，繼電保護裝置要求越來越高，保護屏柜的壓板數量成倍增加。在對繼電保護裝置進行保護校驗過程中需要根據不同的保護功能投退相應的壓板，一旦壓板狀態投退不正確則無法準確校驗保護裝置。目前大部分變電站還是需要通過人工來投切壓板，本文根據繼電保護裝置校驗現場實際情況并結合圖像識別技術的優勢，設計出保護裝置壓板狀態智能識別模塊，并應用到繼電保護自動測試系統中，以提高工作效率。

新型繼電保護測試系統采用模塊化思路，根據測試需求，通過關鍵字搜尋測試方案數據庫，智能組合生成測試方案，加載并執行，并將測試結果上送至云端數據庫。測試平臺利用5G網絡技術進行遠程通信和手機應用程序相結合，能夠實現遠程監控與分布式測試，通過自動化測試，極大地簡化了檢測流程，減輕工作強度，提高檢測精度和可靠性。該系統已成功應用于浙江省部分新建智能變電站驗收作業，能完成全部檢測項目并在時間及人員上優化配置，解決了繼電保護裝置功能及邏輯測試工作量大、任務繁瑣等問題。

2 測試系統架構

2.1 系統硬件架構

系統硬件架構由GPS 終端、云端服務器、自動測試平臺和手機終端組成，其結構如圖1 所示。GPS終端負責接收GPS信號提供給測試儀，5G通信模塊負責和云端服務器建立連接，自動測試平臺負責根據測試項目參數輸出模擬波形/SV 送至被測保護裝置，并從保護裝置接收跳閘信息/GOOSE和動作報文等，手機終端負責控制測試儀進行測試并接收測試過程中產生的數據。自動測試平臺由5G模塊、工控機、ARM、DSP、FPGA、功放模塊、保護壓板智能識別模塊、SV/GOOSE數字處理模塊、數字板以及開入/開出模塊組成。

圖1 系統硬件架構

2.2 系統軟件架構

系統軟件架構由手機端應用程序、云服務程序、測試方案數據庫、自動測試控制程序、測試方案編輯程序、壓板圖像識別程序、測試儀服務程序和保護通信服務程序構成，具體如圖2所示。

圖2 系統軟件架構

1）手機端應用程序用于監控自動測試過程，并從云端獲取測試方案控制測試硬件實現自動測試功能。

2）云服務程序用于信息中轉與服務提供，并為測試方案數據庫提供統一的服務接口。

3）自動測試控制程序用于測試方案的解析與執行，一方面調用繼電保護測試儀服務程序，驅動測試儀硬件設備完成具體保護邏輯測試，另一方面負責實現測試過程的記錄跟蹤。

4）測試方案編輯程序用于測試項目的增減、測試參數的調整、測試結果的評判、測試報告的生成、UI（用戶界面）接口的修改等。

5）壓板圖像識別程序用于保護壓板狀態識別。

6）測試儀服務程序用于提供測試服務。

7）保護通信服務程序用于提供接收、讀取、修改保護信息，如定值、控制字、軟壓板等保護設備參數信息，同時接收保護裝置的動作報文和斷路器變位報文，便于實現整個校驗系統的閉環測試。

上述軟件架構采用模塊化設計思路，各模塊遵循高內聚低耦合的設計原則，各模塊間通過數據耦合方式，在面向服務框架保持不變的情況下［10］，對于提供設備控制接口模塊，需根據模塊化設計互換性的特點，通過更換不同的設備控制模塊，能夠達到相同的測試效果，具有很好的兼容性和靈活性。

3 系統關鍵技術及功能實現

3.1 測試方案智能生成技術

繼電保護裝置按照測試方案中的測試項目序列順序或選擇性進行測試，但測試方案編寫、調試相當繁瑣，存在重復性工作，且待測保護裝置CID 配置文件修改后需重新調整測試方案。為提高自動測試方案的通用性，減少配置工作量，根據測試要求和被測裝置的設備數據模型文件智能生成相應的測試方案，具體過程如圖3所示。對于統一標準下編制的作業指導書（表單），其文檔中測試內容的編排與測試項目格式基本一致，本文針對各種電壓等級或保護類型的作業指導書中指定的測試項目，通過解析SCD/ICD文件或者通過MMS直接從保護裝置召喚設備數據模型CID文件并解析其內容，然后對其中的關鍵字（如定值、控制字、軟壓板等）進行識別，檢索已開發并調試的測試方案數據庫，匹配出對應的測試方案文件，同時，加載用戶自定義的word 格式標準測試報告。上述測試方案采用XML語言描述，應用時需指定待測保護裝置，將方案中通用設備數據模型與待測保護裝置的設備數據模型進行數據映射匹配，通過MMS協議自動讀取保護參數，實現動態的試驗參數適配，從而完成保護測試。

圖3 測試方案的智能生成過程

為實現上述測試方案的智能生成，需具備以下幾個關鍵技術。

1）標準設備模型：標準設備模型以國家電網兩個企業標準為依據［11-12］，結合國內幾大廠家按保護對象劃分出統一的設備信息作為標準設備模型，如保護遙測、定值、控制字、軟壓板、遙信遙控以及裝置參數。

2）測試方案數據庫：測試方案數據庫中由測試原子方案構成，測試原子方案為某一保護邏輯功能且不可再細分的測試項目，通過導出功能形成用戶自定義的測試方案數據庫，通過導入功能創建用戶自定義的測試業務流程，如測試過流1.05倍定值原子方案是測試儀參數關聯過流保護I段定值動作情況，不可再拆分，再拆分則無法完成一個測試。目前，已針對不同廠家及不同型號的裝置開發了大量的原子方案，以滿足繼電保護裝置的測試需求。

3）關鍵字匹配算法：關鍵字匹配算法是將繼電保護裝置中保護遙測、定值、控制字、軟壓板、遙信遙控及裝置參數等關鍵字段通過定義的數據字典及匹配規則同標準設備模型中同類型的參數關聯起來，建立保護數據模型、標準設備模型和保護參數映射關系，從而實現閉環自動測試。

4）硬件控制接口：由測試儀控制接口和保護通信控制接口構成。其中，測試儀控制接口功能包含啟動測試、停止測試、讀取數據、異常信息的接收和處理［13］；保護通信控制接口包括讀取保護參數、修改保護參數等功能。通過控制接口控制測試儀，在測試業務流程中對保護裝置進行相關操作［14］。

3.2 虛端子自動配置技術

在IEC 61850 標準協議基礎上，根據測試需求，通過導入SCD 模型文件并解析，提取保護裝置的IED信息，自動配置SMV、GOOSEIN/OUT控制塊，將控制塊中的各虛端子與測試儀接口模擬量輸出、開入/開出接點進行關聯映射。若導入SCD 文件命名或描述不規范時，通過設置數據字典來匹配虛端子映射，同時利用人工映射記錄并添加至數據字典，實現虛端子SMV、GOOSEIN/OUT配置，上述方式可以通過顏色區分自動配置還是數字字典配置，采用人工確認方式提高虛端子自動配置匹配成功率及可靠性，具體流程如圖4所示。

圖4 虛端子關聯映射流程

3.3 保護壓板狀態智能識別技術

圖像識別技術是計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別不同目標和對像的技術。圖像識別過程通常包括圖像預處理、圖像分割、特征提取和判斷匹配。在繼電保護自動測試過程中，必須快速準確獲取保護壓板的狀態，本文提出一種基于圖像識別的保護壓板狀態智能識別技術，通過圖像識別把保護壓板狀態傳送至測試平臺并進行比對：如果壓板狀態符合測試要求，即進入下一個步驟；如果壓板狀態有誤，則提示現場操作人員手動更正。

保護壓板狀態智能識別模塊硬件由攝像機、圖像采集卡、計算機組成。圖像識別過程主要由圖像采集、圖像處理與壓板狀態識別、壓板狀態對比、輸出結果4個步驟組成，如圖5所示。下文將著重介紹基于圖像識別的保護壓板狀態識別技術的實現過程。

圖5 保護壓板智能識別過程

1）圖像采集：利用固定支架的相機采集目標斷路器所在的電氣控制柜保護壓板圖片，若相機所在位置高度、角度和亮度不符合要求，則系統提示相應的調整方式。

2）圖像處理與壓板狀態識別：采集到控制屏的圖像不僅包含了壓板狀態，還有按鍵、顯示器件等其他電氣柜部件，因此需要利用視覺算法進行預處理。可采用目標壓板狀態的定位算法和目標壓板狀態算法，先檢測圖像中壓板的位置并進行圖形分割，然后再提取目標壓板的圖形特征，最后識別壓板類型、壓板的狀態。

3）壓板狀態對比：經過圖像識別的壓板狀態需要與正確的壓板狀態進行比對，如果壓板狀態不相符，則系統提示投入或退出相應壓板。

4）輸出結果：通過圖像識別快速獲取壓板狀態，并把結果傳輸到測試儀，以便進入下一個檢測程序。

4 系統測試流程

自動測試系統運行時，自動加載并解析測試方案，提取測試項目序列，根據測試項目中的相關描述確定不同的測試執行過程，具體包括以下步驟。

1）完成保護定值的召喚。

2）執行初始化，實現保護邏輯測試項目中的試驗參數準備。

3）控制測試儀輸出電壓、電流等信號到保護裝置，完成保護的邏輯功能測試。

4）監視保護動作事件報文，記錄測試結果；執行測試結果處理腳本。

5）根據報告映射描述填寫測試報告。

對于需要人工檢查或干預的操作，自動測試系統通過彈出提示界面、播放聲音等方式提示作業人員需要操作的內容及方法；每一個測試過程完成后，根據測試方案中已設定的評判信息，測試系統對測試結果進行智能評估，并記錄整個測試執行過程和執行結果，通過日志欄分類顯示：測試信息、保護事件、不合格項目記錄；測試結果經書簽映射自動填寫至作業表單中；全部項目測試完畢后，測試人員確認，并提交作業表單，完成本次定檢測試任務，具體流程如圖6所示。

圖6 測試執行流程

為滿足無人值守智能站驗收檢測以及日常定檢需求，需在上述測試過程基礎上，增加5G技術和手機終端，利用5G網絡將手機應用程序與云服務連接可以實現智能站遠程監控及測試，提高作業人員測試效率，具體實現過程為：手機應用程序通過5G網絡連接云服務器，從云服務器下載測試方案至測試儀。通過手機應用程序控制測試儀開始進行測試。測試儀通過外接的5G模塊發送測試數據至云服務器，通過推送方式將云服務器的測試數據發送給手機應用程序以便作業人員監控整個測試過程。

5 應用實例

本文以PCS931線路保護裝置為例，保護投縱差、距離Ⅰ段/Ⅱ段/Ⅲ段、零序過流Ⅱ段/Ⅲ段、工頻變化量距離、三跳三重；試驗方式為單臺裝置自環測試，以220 kV線路定檢校驗報告為標準。正常人工調試一臺需資深調試人員緊張工作4 h；使用自動測試系統，調試一臺僅需約2 h，單臺調試效率提升50%，系統自動計算參數、填寫報告且可以多臺同時進行測試。而且本系統具備手機端應用程序，可利用手機端應用程序進行遠程監控與測試。圖7為電壓、電流模塊測試界面，可對零序過流Ⅱ段保護測試作出評價。

圖7 電壓、電流模塊測試界面

6 結語

本系統已成功應用于杭州500 kV 蕭圍變電站和220 kV 綠汀變電站驗收工作的保護元件調試和整組試驗，其優點在于以下幾點。

1）測試方案智能生成，節省現場測試的時間，將原本數天的工作量壓縮至數小時，提高了作業效率。

2）5G網絡技術的引入能夠實現手機終端遠程監控及協調測試。

3）虛端子自動配置考慮SCD 描述不規范情況，加入了數據字典，提高匹配映射的成功率，節省現場人員進行虛端子映射的時間。

4）系統設計了測試報告數據的擴展接口，基于XML 協議將測試報告文件存儲至云端數據庫，可以對測試關鍵數據的變化規律進行分析、對比，找出測試數據趨于不合格的裝置；也可對保護裝置的測試數據進行綜合分析，對保護裝置的質量進行評估，為后續新建智能變電站保護裝置招標提供有價值的依據。