電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約測試平臺研究與開發(fā)

李勝輝，董鶴楠，2，韓子嬌，王 昕，黃 旭

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110023；3.深圳市中電電力技術股份有限公司，廣東 深圳 518040）

電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約測試平臺研究與開發(fā)

李勝輝1，董鶴楠1，2，韓子嬌1，王 昕3，黃 旭1

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110023；3.深圳市中電電力技術股份有限公司，廣東 深圳 518040）

結合電能質量監(jiān)測裝置檢測與管理工作需要，針對電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約不統(tǒng)一、電能質量數據和信息共享困難的問題，提出了一種電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約自動測試平臺，通過采用閉環(huán)結構、UAPI接口技術等，不僅實現(xiàn)了IEC 61850、PQDIF文件、私有通信規(guī)約的一致性測試，而且大幅度提高了測試效率，提高了測試工作質量，具有良好的應用和推廣價值。

電能質量監(jiān)測裝置；規(guī)約測試；IEC 61850；PQDIF

電能質量監(jiān)測與治理是推動電力需求側管理和節(jié)能減損的主要技術手段之一。隨著電能質量監(jiān)測裝置應用量快速增長，對電能質量監(jiān)測裝置開展入網檢測成為電網公司技術監(jiān)督管理部門的重要職責。早期的電能質量監(jiān)測裝置入網檢測主要測試電能質量監(jiān)測裝置的監(jiān)測功能、測量準確度等是否滿足GB／T 19862—2005《電能質量監(jiān)測設備通用要求》［1］、DL／T 1227—2013《電能質量監(jiān)測裝置技術規(guī)范》［2］、Q／GDW 1650.2—2014《電能質量監(jiān)測技術規(guī)范第2部分 電能質量監(jiān)測裝置》［3］等標準的要求。但隨著網絡化的區(qū)域電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的普及，遠程通信功能成為固定式安裝的電能質量監(jiān)測裝置的重要技術要求，無法遠程通信接入電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測裝置實質上處于浪費狀態(tài)。因此，近年來，關于電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約的研究逐漸增多［4－8］，并已制訂頒布了相應的通信規(guī)約標準，如Q／GDW 1650.3—2014《電能質量監(jiān)測技術規(guī)范第3部分監(jiān)測終端與主站間通信協(xié)議》［9］，電能質量監(jiān)測裝置的通信功能測試也成為入網檢測的重要內容之一，只有通過通信功能測試的電能質量監(jiān)測裝置才被認定可以遠程接入電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)。

同時，通信功能測試或者通信規(guī)約測試也是電能質量監(jiān)測裝置入網檢測工作的難點，其原因包括：①電能質量監(jiān)測裝置的通信規(guī)約近兩年來才開始逐漸規(guī)范和統(tǒng)一，目前的電能質量標準體系中還沒有通信規(guī)約測試方法的規(guī)定；②市場上仍有大量的電能質量監(jiān)測裝置的通信規(guī)約不統(tǒng)一，且以私有通信規(guī)約為主流，尤其是已安裝的存量電能質量監(jiān)測裝置；③無論是目前應用較多的通用電能質量數據交換格式PQDIF［10］，還是代表電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約未來發(fā)展方向的IEC 61850［11］，都是自由度很高的標準，不同廠家對標準的理解、實現(xiàn)程度差異很大。以上因素導致由人工手動去開展電能質量監(jiān)測裝置的通信功能測試工作在技術上不可行。

針對上述問題，本文提出了一種電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約自動測試系統(tǒng)，通過設計并實現(xiàn)內置通信規(guī)約庫，實現(xiàn)電能質量監(jiān)測裝置IEC 61850和PQDIF標準通信規(guī)約一致性測試，同時通過采用UAPI統(tǒng)一應用程序接口，實現(xiàn)電能質量監(jiān)測裝置私有通信規(guī)約一致性測試，滿足電網電能質量技術監(jiān)督管理部門開展電能質量監(jiān)測裝置入網檢測工作的需要。

1 電能質量監(jiān)測裝置通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

通信規(guī)約又稱為通信協(xié)議，是指通信雙方必須共同遵守的某種約定。通信規(guī)約一般定義了通信的內容、數據格式、通信方式等內容［12］。

從我國電能質量監(jiān)測裝置的發(fā)展歷程來看，通信規(guī)約的發(fā)展經歷了兩個大的階段。2011年是通信規(guī)約發(fā)展的一個分水嶺。在此之前，電能質量監(jiān)測裝置基本上全部采用私有通信規(guī)約，不同廠家的裝置和系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)數據的直接共享，只能通過PQDIF文件轉發(fā)形式間接共享。2011年，支持IEC 61850完整功能（包括報告、日志、文件服務等）的電能質量監(jiān)測裝置正式投入市場［13］，并迅速展現(xiàn)其生命力，截止目前主流電能質量監(jiān)測裝置廠家生產的裝置基本上都支持IEC 61850，各級電能質量監(jiān)測裝置技術規(guī)范也都逐步將IEC 61850列為強制或推薦的通信規(guī)約，可以認為IEC 61850是電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約的必然發(fā)展趨勢。

經調研統(tǒng)計，目前國內省級電網電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設中，電能質量監(jiān)測裝置接入后臺主站包括以下方式。

a.以非IEC 61850規(guī)約，采用直采方式接入。

b.以IEC 61850規(guī)約，采用直采方式接入。地區(qū)包括浙江、河南、遼寧等。需要注意的是，即便是采用IEC 61850規(guī)約模式，各地區(qū)的IEC 61850往往具備一定差異。

c.以PQDIF文件形式，采用直采方式接入。地區(qū)包括廣東等。

d.以PQDIF文件形式，經子站系統(tǒng)轉存方式接入，地區(qū)包括上海、廣西、江蘇等。

2 電能質量監(jiān)測裝置規(guī)約一致性測試技術

2.1 IEC 61850規(guī)約一致性測試技術

2.1.1 IEC 61850標準簡介

IEC 61850是新一代的變電站自動化系統(tǒng)的國際標準，它規(guī)范了數據的命名、數據定義、設備行為、設備的自描述特征和通用配置語言。IEC 61850將變電站自動化系統(tǒng)在邏輯上劃分為三層（變電站層、間隔層、過程層），并將具體應用功能分解為許多常駐在不同IED內、彼此間相互通信的單元，稱為邏輯節(jié)點（LN），然后以LN為對象建立變電站內IED的統(tǒng)一的數據和服務模型，旨在解決不同廠商提供的IED間的數據交換、信息共享等問題，IED的IEC 61850模型見圖1。

圖1 IED的IEC 61850模型示意圖

就電能質量監(jiān)測而言，早期版本的IEC 61850沒有考慮到變電站電能質量監(jiān)測應用。但2010年IEC 61850－7－3／－7－4 ED2中正式增加了MFLK、MHAI等電能質量相關邏輯節(jié)點，從而將電能質量監(jiān)測納入IEC 61850范疇。2011年我國國內推出了完全基于IEC 61850、支持IEC 61850報告、日志和文件等服務功能的電能質量在線監(jiān)測裝置，IEC 61850在電能質量監(jiān)測領域的應用得到迅速發(fā)展，目前國內主流電能質量監(jiān)測裝置基本上都支持IEC 61850標準。和PQDIF文件相比，IEC 61850不僅定義了數據模型（CIM），還定義了數據傳輸的通信規(guī)約和接口（CIS），是完整的通用性數據傳輸解決方案。

2.1.2 IEC 61850一致性測試內容和方法

電能質量監(jiān)測裝置的IEC 61850一致性測試內容主要包括兩個方面：模型一致性測試和數據準確度測試。

模型一致性測試主要檢測電能質量監(jiān)測裝置的IEC 61850 ICD文件在基本語法上是否符合IEC61850標準，以及在功能及數據模型要求上是否滿足具體地區(qū)規(guī)范的要求，如Q／GDW 1650.3—2014《電能質量監(jiān)測技術規(guī)范第3部分監(jiān)測終端與主站間通信協(xié)議》、Q／GDW－11－283—2013《浙江省電力公司電能質量監(jiān)測數據采集技術規(guī)范》等。簡單的模型一致性測試可采用針對離線ICD文件進行簡單對比的方式來實現(xiàn)，更加復雜的模型一致性測試可嚴格依據IEC 61850－10的要求來實現(xiàn)［14－15］。

數據準確度測試主要檢測電能質量監(jiān)測裝置生成的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質量指標的準確度是否滿足GB／T 19862—2005《電能質量監(jiān)測設備通用要求》等標準要求。準確度測試一般采用標準源法進行，某些場合下也可以采用比對法。

2.2 PQDIF規(guī)約一致性測試技術

2.2.1 PQDIF文件簡介

PQDIF（Power Quality Data Interchange Format，電能質量數據交換格式）是IEEE P1159.3中定義的一種專用于不同系統(tǒng)之間電能質量數據交換的通用格式，以PQDIF存儲電能質量數據的文件稱為PQDIF文件。

PQDIF文件通常采用一種平面文件架構，包含一個邏輯結構和一個物理結構。邏輯結構用于標定文件中元素的邏輯層次關系。物理結構則由一系列相互獨立的記錄構成，實現(xiàn)數據的存儲。根據所存儲信息的不同，PQDIF定義了四種記錄，分別是容器記錄、數據源記錄、監(jiān)測設置記錄和觀測值記錄。不同記錄之間的邏輯層次關系如圖2所示［10］。與IEC 61850、Modbus等通信規(guī)約不同，PQDIF只定義了通信的內容和數據格式，而沒有定義通信方式，因此嚴格意義上PQDIF不能稱為通信規(guī)約。實際應用中，一般采用FTP或SFTP作為PQDIF文件的通信方式。

圖2 PQDIF文件中不同記錄的邏輯層次關系

2.2.2 PQDIF文件一致性測試內容和測試方法

如上所述，因為PQDIF只定義了通信內容和數據格式，所以PQDIF文件一致性測試通常采用離線方式進行，測試內容主要包括PQDIF文件語法標準性、模型一致性、數據正確性等。

語法標準性測試主要測試受檢PQDIF文件的XML語法、文件結構、標簽定義、壓縮算法等是否滿足XML相關標準以及IEEE1159.3的要求。針對XML語法標準性的測試主要是針對DTD／XML Schema的檢測，具體方法可采用歸約法、推導法等［16］。

模型一致性測試主要測試受檢PQDIF文件中電能質量參數相關通道定義、序列定義，以及參數數量、名稱、順序等是否滿足行業(yè)和地區(qū)PQDIF規(guī)范的要求，具體方法可采用基于Tire數據的測試算法等［17］。

數據準確度測試主要測試受檢PQDIF文件中電能質量數據是否在允許誤差范圍之內，具體方法可采用常用的標準源法。數據正確性測試主要針對電能質量統(tǒng)計數據。

2.3 私有規(guī)約一致性測試技術

在電能質量監(jiān)測技術領域，私有通信規(guī)約是指非IEC 61850和PQDIF的通信規(guī)約，也可稱為非標準通信規(guī)約。根據調研統(tǒng)計，大多數電能質量監(jiān)測裝置采用的私有通信規(guī)約都是裝置生產廠家自己定義的，規(guī)約的完備性、可擴展性、兼容性等比較差。也有一部分私有通信規(guī)約是國際上廣泛使用的網絡通信協(xié)議，如Modbus－TCP、IEC 60870－5－102等。

鑒于上述情況，私有規(guī)約一致性測試主要以數據準確度測試為主。

私有規(guī)約一致性測試最主要的技術問題是不同規(guī)約的解析問題。可采用UAPI（Uniform Application Program Interface，統(tǒng)一應用程序接口）技術［17］來解決此問題，通過在規(guī)約測試平臺實現(xiàn)一個私有規(guī)約庫來實現(xiàn)多型號電能質量監(jiān)測裝置的快速接入。

3 規(guī)約測試平臺開發(fā)與應用

3.1 平臺設計與開發(fā)

根據對電能質量監(jiān)測裝置常用通信規(guī)約的分析，無論是IEC 61850、PQDIF還是私有通信規(guī)約，均可以實現(xiàn)在線測試，因此規(guī)約測試平臺可以設計成實現(xiàn)自動測試流程。同時為了滿足某些場合下簡約化、快速化測試的需要，如PQDIF文件一致性測試、IEC 6150的ICD文件模型一致性測試等，規(guī)約測試平臺也可以提供手動離線測試功能。另外，規(guī)約測試平臺還需要考慮測試任務管理、測試過程控制、測試報告打印等管理功能，盡可能提高測試過程的自動化程度。

完整的平臺功能如表1所示。

為實現(xiàn)自動測試流程，電能質量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺設計采用閉環(huán)結構［18］，主要由電能質量監(jiān)測裝置、電能質量標準源、測試主機及規(guī)約測試軟件、輔助的電源線、通信線等組成，如圖3所示。

圖3 電能質量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺組成

規(guī)約測試平臺基于.Net平臺開發(fā)，開發(fā)語言采用C＃，為方便使用，平臺采用基于SDI的向導式界面設計。另外，考慮到規(guī)約測試平臺本身不產生大量的數據，所以平臺不使用數據庫系統(tǒng)，同時也方便平臺的部署［19］。

3.2 平臺應用

基于本文所研制的電能質量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺，已作為一個獨立功能模塊在國網遼寧電科院電網電能質量監(jiān)測裝置全自動檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)并投入實際應用。根據《遼寧風電場電能質量監(jiān)測終端技術規(guī)定》，在遼寧電網中應用的電能質量監(jiān)測裝置必須采用IEC 61850通信規(guī)約，所以使用規(guī)約測試平臺主要開展IEC 61850的一致性測試。

實際應用中，使用1套四相Fluke 6100A功率源作為電能質量標準源，電能質量監(jiān)測裝置使用1臺已通過人工準確度測試并合格的產品。測試流程如下。

a.將電能質量監(jiān)測裝置、功率源、測試主機連成閉環(huán)并上電。

b.新建測試任務，設置必要的通信參數、環(huán)境參數等，啟動測試進程。

c.規(guī)約測試軟件自動讀取電能質量監(jiān)測裝置的ICD文件，測試其語法是否規(guī)范，測試其關聯(lián)服務、數據讀寫服務、數據集服務、報告服務、日志服務、定值服務、控制服務、文件傳輸服務是否且滿足《遼寧風電場電能質量監(jiān)測終端技術規(guī)定》的要求。

d.規(guī)約測試軟件自動控制電能質量標準源輸出電壓電流信號，并讀取電能質量監(jiān)測裝置測量得到的諧波、電壓不平衡度等電能質量指標數據，計算其誤差，評估其準確度是否滿足GB／T 19862—2005《電能質量監(jiān)測設備通用要求》要求。

表1 規(guī)約測試平臺功能列表

e.規(guī)約測試軟件自動生成測試報告。

整個測試流程耗時不到2 h。人工測試不僅耗時長，且無法實現(xiàn)IEC 61850模型一致性的檢測，因此規(guī)約測試平臺在功能、性能上均優(yōu)于人工測試。

4 結論

為滿足電能質量監(jiān)測裝置通信規(guī)約一致性測試的需要，本文設計開發(fā)了一種電能質量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺。測試平臺支持IEC 61850、PQDIF及多種私有通信規(guī)約的一致性測試，支持自動測試流程和手動測試流程。實際應用表明，規(guī)約測試平臺可以大幅度提高電能質量監(jiān)測裝置入網檢測工作的質量和效率，具有良好的應用價值和前景。

［1］電能質量監(jiān)測設備通用要求：GB／T 19862—2005［S］.

［2］電能質量監(jiān)測裝置技術規(guī)范：DL／T 1227—2013［S］.

［3］電能質量監(jiān)測技術規(guī)范第2部分電能質量監(jiān)測裝置：Q／GDW 1650.2—2014［S］.

［4］李 娟，張 波，丘東元.電能質量監(jiān)測系統(tǒng)中基于Modbus RTU的多機通信［J］.電力自動化設備，2007，27（1）：93－96.

［5］徐小聰.電能質量監(jiān)測儀通信程序設計［D］.武漢：華中科技大學，2012.

［6］王 林.基于IEC 61850的電能質量監(jiān)測IED研究［D］.成都：西南交通大學，2008.

［7］徐 智.電能質量監(jiān)測設備綜合接入平臺設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2011.

［8］井 嶸.電能質量綜合監(jiān)測及管理系統(tǒng)研究［D］.濟南：山東大學，2006.

［9］電能質量監(jiān)測技術規(guī)范第3部分監(jiān)測終端與主站間通信協(xié)議：Q／GDW 1650.2—2014［S］.

［10］IEEE 1159.3 IEEE recommended practice for the transfer of Power Quality［S］，1995.

［11］任雁銘，操豐梅.IEC 61850新動身和新應用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（2）：1－6.

［12］葉 雷.變電站自動化系統(tǒng)通信結構及規(guī)約的研究［D］.北京：華北電力大學，2006.

［13］余曉鵬，李瓊林，杜習周，等.基于IEC61850的電能質量監(jiān)測終端的數據需求及模型實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（4）：56－60.

［14］翟瑞聰，謝善益，范 穎，等.在線監(jiān)測裝置的IEC 61850一致性測試技術的研究和應用［J］.電器與能效管理技術，2015（12）：27－31.

［15］楊俊宏.IEC 61850報文一致性測試方法研究［D］.北京：華北電力大學，2010.

［16］張 仕，毛宇光.XML語法檢查的實現(xiàn)［J］.計算機工程與設計，2002，23（11）：86－90.

［17］李 鵬，李 培，王 昕，等.基于CAC的變電站統(tǒng)一通信平臺在電能質量監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究［J］.電氣應用，2012，31（22）：26－29.

［18］戴成梅，戴成建，周啟龍.基于LabVIEW電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.東北電力技術，2009，30（7）：29－32.

［19］孫 峰，司紅代，孫曉菲.智能電網多指標綜合評估體系研究［J］.東北電力技術，2011，32（9）：1－7.

Research and Development on Communication Protocol Test for Power Quality Monitoring Equipment

LI Sheng?hui1，DONG He?nan1，2，HAN Zi?jiao1，WANG Xin3，HUANG Xu1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110023，China；3.CEIEC Shenzhen Electric Technology Inc.，Shenzhen，Guangdong 518040，China）

Combined with testing and management work of power quality monitoring equipment，according to the problems of the un?unified communication protocol，power quality data and the difficulty of sharing information，an automatic communication protocol tes?ting system is proposed in this paper.The consistency test of IEC 61850，PQDIF files，private communication protocol can be a?chieved，the efficiency and quality of testing are improved by the closed?loop structure and UAPI interface technique，this system has great value of implement and promotion.

Power quality monitoring equipment；Protocol testing；IEC 61850；PQDIF file

TM76

A

1004－7913（2016）09－0006－05

李勝輝（1982—），男，高級工程師，主要從事新能源與電能質量研究。

2016－06－08）