智能變電站二次系統(tǒng)的通信測(cè)試技術(shù)

魏 超

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261400）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能變電站的測(cè)試裝置主要是采用數(shù)字化繼電保護(hù)的測(cè)試儀器，僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)各類裝置的單一測(cè)試，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類自動(dòng)化設(shè)備的全面集成測(cè)試。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)基于人工修改參數(shù)，對(duì)不同的測(cè)試裝置進(jìn)行逐一測(cè)試，這便會(huì)加大調(diào)試裝置的工作量，過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要的時(shí)間比較長(zhǎng)[1-5]。針對(duì)此種問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)人員從實(shí)際的測(cè)試需求展開分析，提出了許多對(duì)智能變電站設(shè)備通信測(cè)試的理論和原理，并且設(shè)計(jì)研發(fā)了一種集軟硬件一體的綜合測(cè)試系統(tǒng)，其目的是降低測(cè)試的流程和環(huán)節(jié)，提升測(cè)試的基本工作效率[6-10]。然而，隨著在測(cè)試過(guò)程中，缺乏高效統(tǒng)一的模板，并未對(duì)最終的測(cè)試展開相關(guān)的理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

為了在應(yīng)用過(guò)程中能夠最大限度地提升保護(hù)裝置的測(cè)試性能以及系統(tǒng)的測(cè)試效率，本文研究了聚焦變電站二次系統(tǒng)的通信測(cè)試工作，分析了在正常開展工作過(guò)程中的一般流程，并制定了相關(guān)的測(cè)試集成方案，此測(cè)試系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)方式，使用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（eXtensible Markup Language，XML）通信語(yǔ)言作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緟f(xié)議，搭建數(shù)據(jù)模板，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)保護(hù)、設(shè)置，研制變電站二次系統(tǒng)的測(cè)試裝置樣機(jī)，并在變電站內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際性能。

1 系統(tǒng)測(cè)試基本功能要求

1.1 功能設(shè)計(jì)

對(duì)于二次系統(tǒng)的通信測(cè)試，最先需要準(zhǔn)備的是測(cè)試文件。測(cè)試文件要基于標(biāo)準(zhǔn)的配置文件描述方法變電站系統(tǒng)配置文件（Substation Configuration Description，SCD）來(lái)制定，同時(shí)文件要按照標(biāo)準(zhǔn)的變電站智能設(shè)備配置語(yǔ)言（Substation Configure Language，SCL）規(guī)范的基本要求進(jìn)行配置，此文件是進(jìn)行變電站之間信息傳遞的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之一。SCD文件包含了站內(nèi)各種需要配置的信息，為了提升在測(cè)試過(guò)程中裝置的穩(wěn)定性能，在測(cè)試的首要環(huán)節(jié)便是要保障SCD文件的準(zhǔn)確性。集成測(cè)試文件在開發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了SCD文件檢查以及相關(guān)的測(cè)試功能，在對(duì)協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)和DL/T860協(xié)議的對(duì)接和匹配。

在完成測(cè)試文件配置之后，需要在配置文件的基礎(chǔ)上，對(duì)智能變電站的相關(guān)二次系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。集成測(cè)試系統(tǒng)中最重要的功能便是保障變電站功能的正常使用，集成測(cè)試系統(tǒng)能夠根據(jù)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)功能序列的基本定義，進(jìn)而在具體應(yīng)用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)加載。

1.2 測(cè)試流程介紹

根據(jù)上文所述，集成測(cè)試是基于XML語(yǔ)言進(jìn)行模型的構(gòu)建，從而建立強(qiáng)大的測(cè)試模型的數(shù)據(jù)庫(kù)。借助建立變電站的SCD文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）的各類信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)的加載，所采集到的相關(guān)裝置信息，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)制造報(bào)文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）相關(guān)協(xié)議，從而對(duì)測(cè)試過(guò)程中的各類裝置的數(shù)值及參數(shù)進(jìn)行傳遞和分析，完成在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸。在測(cè)試過(guò)程中，其基本的數(shù)據(jù)流程如下。

（1）完成對(duì)相關(guān)裝置的型號(hào)及其他參數(shù)的采集之后，根據(jù)相關(guān)模板自動(dòng)對(duì)測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行加載，從而構(gòu)建相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)模型。

（2）在采集測(cè)試過(guò)程中的交流電流和電壓數(shù)據(jù)之后，能夠確定相關(guān)采樣是否存在數(shù)據(jù)異常，若存在采樣不正常的問(wèn)題，則系統(tǒng)會(huì)給予采樣異常信號(hào)的預(yù)警，從而對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行預(yù)警。此種測(cè)試環(huán)境是導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的最主要原因，必須對(duì)異常數(shù)據(jù)處理后重新啟動(dòng)測(cè)試工作。

（3）對(duì)開出、入量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而確定相關(guān)的開關(guān)是否處于正常工作的狀態(tài)。如果開關(guān)工作處于異常工作模式，則系統(tǒng)會(huì)給出開關(guān)量異常的提示，提示完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)結(jié)束測(cè)試工作。由于開關(guān)是否能夠正常工作影響著項(xiàng)目后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)，因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

（4）軟壓板也是開展測(cè)試過(guò)程中非常重要的部件之一。在開展首次測(cè)試前需要對(duì)軟壓板進(jìn)行準(zhǔn)備，并使用微軟媒體服務(wù)器協(xié)議（Microsoft Media Server Protocol，MMS）對(duì)其保護(hù)數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)加載，隨后開展相關(guān)的測(cè)試工作。若在軟壓板的動(dòng)作方式不正常，則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)異常信息，待異常處置完成后才可進(jìn)行后續(xù)項(xiàng)目的測(cè)試工作。若設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中，動(dòng)作不正常，則需要對(duì)相關(guān)的設(shè)備參數(shù)和額定數(shù)值進(jìn)行修改。

（5）待所有的測(cè)試項(xiàng)目完成之后，需要對(duì)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)閉，最終形成項(xiàng)目的測(cè)試報(bào)告。最終完成測(cè)試全部流程。具體的流程如圖1所示。

圖1 測(cè)試工作的基本流程

1.3 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)上文所述，測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)和下位機(jī)機(jī)構(gòu)。下位機(jī)主要負(fù)責(zé)通信單元及其下位機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)管理，上位機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)具體的系統(tǒng)測(cè)試功能。從系統(tǒng)架構(gòu)上講，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的硬件支撐，下位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的軟件支撐。上位機(jī)和下位機(jī)主要通過(guò)通信管理的單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和交換，交換協(xié)議支持標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

1.3.1 下位機(jī)

本文所使用的下位機(jī)主要選用嵌入式操作系統(tǒng)，其性能高，可支持大規(guī)模集成電路接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在傳輸過(guò)程中，各類數(shù)據(jù)接口以及外圍的芯片均可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和分析。本文所使用的下位機(jī)系統(tǒng)是vxWorks系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，形成數(shù)據(jù)的收發(fā)報(bào)文，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速分析。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流程控制上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)時(shí)功能，在上位機(jī)系統(tǒng)以及被測(cè)試的裝置中進(jìn)行時(shí)鐘的同步。在下位機(jī)系統(tǒng)中主要使用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）開展數(shù)據(jù)的傳遞，從而與10/100 MHz的以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且還支持Wi-Fi和上位機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，主要上傳的信息為，事件順序記錄（Sequence Of Event，SOE）以及故障的相關(guān)信息等。

高性能PC指處理器，作為下位機(jī)的主要CPU，其主頻能夠達(dá)到800 MHz，其中內(nèi)部存在可支持浮點(diǎn)運(yùn)算的單元模塊。此種模塊具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力，能夠?yàn)橄到y(tǒng)建立起強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理單元，保障系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中能夠健壯穩(wěn)定的運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）使用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要依賴于硬件電路實(shí)現(xiàn)具體邏輯。其執(zhí)行速度能夠達(dá)到納秒級(jí)別，從而可以將采集到的設(shè)備傳輸給下位機(jī)CPU，同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送時(shí)間進(jìn)行控制，并將最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳輸給上位機(jī)CPU，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)過(guò)程中不同格式的時(shí)間標(biāo)記的轉(zhuǎn)化。FPGA和CPU之間的數(shù)據(jù)交換是使用高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）的協(xié)議，此種協(xié)議可實(shí)現(xiàn)大批量智能變電站的保護(hù)和測(cè)試。

1.3.2 上位機(jī)

作為純軟件部分，上位機(jī)是測(cè)試系統(tǒng)的輔助單元，能夠協(xié)助測(cè)試人員實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，為用戶提供很好的人機(jī)交互界面。上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)基本上是基于Windows和Linux平臺(tái)進(jìn)行，上位機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。從上位機(jī)的功能模塊來(lái)看，主要分為參數(shù)配置模塊、測(cè)試模塊和通信模塊。參數(shù)配置模塊為測(cè)試和數(shù)據(jù)通信提供數(shù)據(jù)支撐，測(cè)試模塊負(fù)責(zé)結(jié)果的輸出，通信模塊負(fù)責(zé)和后臺(tái)應(yīng)用進(jìn)行交互。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

基于上文所述，上位機(jī)主要提供軟件的框架主體，為用戶提供良好的用戶體驗(yàn)。支持各類擴(kuò)展應(yīng)用，不同擴(kuò)展應(yīng)用和整體框架之間采用XML語(yǔ)言作為通信協(xié)議。系統(tǒng)在開發(fā)過(guò)程中也要支持XML語(yǔ)言的模板搭建，并在此基礎(chǔ)上建立全面的數(shù)據(jù)模型庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)不同裝備廠家對(duì)系統(tǒng)接入的要求，為自動(dòng)化測(cè)試動(dòng)作提供全面的數(shù)據(jù)保障。XML語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)化和可兼容性的特點(diǎn)，使變電站和其他平臺(tái)之間能夠無(wú)縫進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，從而使得平臺(tái)能夠在很大程度上具備通用性的效果。測(cè)試模塊是測(cè)試模板的最直接組成元素。在模板配置基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)的具體要求，添加對(duì)相關(guān)參數(shù)、故障或測(cè)試點(diǎn)以及相應(yīng)的測(cè)試報(bào)告的定義，就形成了完整的測(cè)試模塊。

2 結(jié) 論

隨著工業(yè)水平的不斷提高，工業(yè)用電數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的變電站發(fā)電模式已經(jīng)不支持高用電的要求，因此對(duì)發(fā)電機(jī)變電模式進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新勢(shì)在必行。然而，變電站相關(guān)二次系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性是影響變電站工作效率的最為關(guān)鍵指標(biāo)因素，鑒于此本文進(jìn)行了研究，介紹了在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中對(duì)其開展測(cè)試工作的最主要環(huán)節(jié)。本文研制的智能變電站保護(hù)裝置集成測(cè)試系統(tǒng)分析了智能設(shè)備自動(dòng)化測(cè)試流程，給出了保護(hù)裝置集成測(cè)試系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)能夠滿足設(shè)計(jì)之初的預(yù)期，測(cè)試效果能夠滿足保護(hù)設(shè)備的精度的基本要求，此裝置和系統(tǒng)具備一定的應(yīng)用價(jià)值。