智能變電站繼電保護裝置自動測試系統的設計和應用

崔楠楠，王家林

國網江蘇省電力有限公司泰州市姜堰區供電分公司，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備，其使用情況影響電網安全性、可靠性。自動測試是檢測智能電網運行穩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]?？v觀當前的應用情況，傳統變電器始終在變電所內占據重要位置，發揮主導作用。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。人工手動測試是調試繼電保護裝置的主要方式，然而，人為、外界環境等因素均影響測試效果[2]。為了改善以上情況，文章結合IEC 61850標準，設計了繼電保護裝置的專用自動測試系統，對測試系統進行了較全面的分析。

1 自動測試的原理和系統拓撲結構

自動測試的執行思路是應用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定的通信關系，在閉環狀態下提升數據資源的共享效率。應用軟件技術取代傳統人工操作方式，高效執行定值修正、壓板投退、檢測數據的總結處置及測試報告的生成、填報等任務。測試人員僅需在系統建設早期制定標準化的測試方案模板即可，測試軟件能自動調控測試任務的執行過程，進而實現一鍵全自動化的閉環測試。測試系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 測試系統拓撲結構

2 系統框架

2.1 應用層

在截面設計過程中注重人性化，在功能區規劃及界面呈現方面要做到科學部署，進而為廣大用戶提供一個結構簡單、外形美觀、實用性強、便捷化的操作平臺。

（1）通信規約模塊。在測試系統內，通信規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試及過程監測、編輯與通信規約選用等[3]。

（2）測試計劃編輯模塊。此模塊利用XML數據描述語言存儲測試計劃，基于面向對象的界面協助用戶完成測試、判斷及結果輸出，檢測環境的原始化、壓板投退、測試值的輸出、檢測結果判讀、檢驗后環境復原等諸多環節在該模塊內執行，且其具有復制、粘貼、導入及導出等批量化處置的功能。

（3）測試過程調控模塊。此模塊主要用于調度、控制測試過程，執行測試項目，選擇測試實施模式等。測試項目應自帶一個樹形結構圖，為工作人員選擇不同層次的實驗項目創造便利條件。測試過程內應有測試狀態監視界面，其能動態呈現測試進程中的檢測量、輸入輸出、時間等運行參數。測試中還允許臨時調整被測項目的主要參數而不擾亂測試模板參數，這種約束條件能提升測試模板調試過程的便捷度。測試完成后要形成測試結果匯總信息，便于相關人員查閱相關調試信息。

（4）檢測報告處置模塊。此模塊主要執行測試報告的簡單處理工作，如報告內部分內容穩定整改、復制、保存、傳輸等，也具備設置檢測報告操作權限的功能，能為不同測試人員提供差異化的應用權限，為測試內容的真實度、完整性等提供更大的保障。

（5）二次開發接口模塊。該模塊基于Lua語言提供二次開發的接口，使測試系統更具拓展性，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測試與非閉環測試二者的平衡點位，能凸顯側重點。不僅要充分體現自動測試的屬性，也不能缺少傳統控制平臺的通用性。

（2）保護通信控制模塊。該模塊主要用于制作與解析報文，并執行各種通信過程，包括調整部分定值、遠程操控等。保護通信控制模塊作為EXE的經典COM程序，具備高度開放的COM接口，為客戶端程序調取應用創造基礎條件；也可以基于多線程的形式和其他模塊有效協同、配合。在設計該模塊時，要建立足夠大的內存存儲接收到的報文，以供解析環節使用。模塊應具備獨立性，可以自行完成通信過程的調試、監視與規約分析任務，且能對外提供標準化的數據接口，方便他處調用[4]。

（3）信息管理模塊。該模塊主要用于存儲及管理測試結果、測試模板運行參數、測試報告等信息，也能在數據分析及測試報告填寫環節調取部分數據，在數據量較少時無須數據庫的輔助。

（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行自動測試過程。模塊按標準要求取用部分測試模塊內的數據，結合測試程序設計情況，基于標準數據接口、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、檢測數據返回及判斷測試結果等自動化過程，也能實時把測試數據填寫至報告內。設計該模塊時，要著重考慮和其他模塊之間的配合情況，程序執行過程十分復雜，建議應用多線程設計策略。

（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據插進對應表格。

2.3 數據層

數據層主要用于存儲自動測試相關數據，數據量較少時無須應用數據庫，被存儲數據的格式是XML。繼電保護裝置自動化測試中的數據類型以既往記錄、報告信息、模板及實驗參數等為主。

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 關鍵技術

3.1 外部接口

結合既往研究情況，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，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，開關量也要依照傳統意義上的電氣硬節點進行設置。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量輸入輸出，都要統一為數字量，實質是基于IEC 61850標準的SV與GOOSE報文[5]。

IEC 61850標準是繼電保護與監控系統之間通信關系建立的基礎，嚴格依照MMS協議規范執行單播式通信過程。對于智能變電站所有功能，IEC 61850標準均設定了十分具體的邏輯節點與數據對象，供應了高度完整的數據對象闡述模型及面向對象的服務項目。以上這些抽象化的通信服務、對象及參數以特別的通信服務映射（SCSM）位載體被成功映射至底層應用程序，最后實現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計及建造中的投入不斷增加，很多繼電保護裝置生產廠家在屢次的互操作試驗檢測中統一規范了裝置的對外接口，為自動測試目標的實現創造了穩定的基礎條件。

3.2 故障模擬系統

在建設繼電保護裝置自動測試系統時，一個運行狀態穩定、可靠的故障模擬系統是基礎條件。該系統要快捷、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，開關量可以兼容物理硬節點與GOOSE報文[6]。直接采樣是當前國內常規的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。文章建設自動測試系統時選用了PNF801測試儀（北京博電公司）作為故障模擬系統，其具有8個光口，物理開出、開入節點各8個；內部配置了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，要把測試系統規劃成開放系統，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果兩大部分構成，前者又可以被細分成整定裝置運行參數及設置故障參數兩部分。整定裝置運行參數時，需要明確自動測試前需要修正的裝置參數，包括部分定值的整改、壓板投退等；設置故障參數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、設置故障持續發生時間等。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時，人為故障參數就是測試儀的一個經典測試模塊文件。對于測試儀來說，故障參數主要由故障量與IEC 61850標準調配兩部分構成。在不同裝置的測試中需要應用不同的測試用例，故障量參數維持恒定，而SV、GOOSE的APPID、Mac地址、DA數目等配置信息均會做出不同程度的調整。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。

4 自動測試系統的應用

4.1 應用流程

將設計的自動測試系統用在220 kV光纖差動保護裝置的測試中，系統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，測試內容主要有主要性能指標、定值精準度、動作持續時間、保護邏輯、CT斷線及GOOSE報文異常處理等；其次，構建測試用例庫，即把測試方案作為依據，細化被測項目，定制測試用例，檢測檢驗用例的有效性，確認合格構呈交測試用例庫；最后，在測試過程中，由測試用例庫內調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；消除了傳統人工測試中存在的不確定因素，使測試的統一性得到更大保障；伴隨自動測試系統應用范疇的拓展，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 結束語

文章以繼電保護測試儀為基礎，配合業內既有的技術方法，成功設計了自動檢測系統，有開發工作強度小、工作量偏少、快捷性高等優點。當前，該系統已經成功用于繼電保護裝置的測試領域，可以有針對性地穩定調整測試實施過程，進一步提升測試效率，及時發現繼電保護產品的缺陷問題，使其質量得到更大保障，進而為我國智能變電站事業發展作出更大的貢獻。