智能變電站繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

崔楠楠，王家林

國(guó)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(hù)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(dòng)測(cè)試是檢測(cè)智能電網(wǎng)運(yùn)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(diǎn)[1]?？v觀(guān)當(dāng)前的應(yīng)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(dǎo)作用。很多變電站的繼電保護(hù)裝置存在對(duì)外接口不一致的問(wèn)題，對(duì)自動(dòng)測(cè)試形成一定制約。人工手動(dòng)測(cè)試是調(diào)試?yán)^電保護(hù)裝置的主要方式，然而，人為、外界環(huán)境等因素均影響測(cè)試效果[2]。為了改善以上情況，文章結(jié)合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)裝置的專(zhuān)用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了較全面的分析。

1 自動(dòng)測(cè)試的原理和系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

自動(dòng)測(cè)試的執(zhí)行思路是應(yīng)用PC機(jī)上的自動(dòng)測(cè)試軟件，和測(cè)試儀器及保護(hù)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(yīng)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(cè)數(shù)據(jù)的總結(jié)處置及測(cè)試報(bào)告的生成、填報(bào)等任務(wù)。測(cè)試人員僅需在系統(tǒng)建設(shè)早期制定標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方案模板即可，測(cè)試軟件能自動(dòng)調(diào)控測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一鍵全自動(dòng)化的閉環(huán)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)框架

2.1 應(yīng)用層

在截面設(shè)計(jì)過(guò)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(xué)部署，進(jìn)而為廣大用戶(hù)提供一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形美觀(guān)、實(shí)用性強(qiáng)、便捷化的操作平臺(tái)。

（1）通信規(guī)約模塊。在測(cè)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(hù)測(cè)試中的通信調(diào)試及過(guò)程監(jiān)測(cè)、編輯與通信規(guī)約選用等[3]。

（2）測(cè)試計(jì)劃編輯模塊。此模塊利用XML數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言存儲(chǔ)測(cè)試計(jì)劃，基于面向?qū)ο蟮慕缑鎱f(xié)助用戶(hù)完成測(cè)試、判斷及結(jié)果輸出，檢測(cè)環(huán)境的原始化、壓板投退、測(cè)試值的輸出、檢測(cè)結(jié)果判讀、檢驗(yàn)后環(huán)境復(fù)原等諸多環(huán)節(jié)在該模塊內(nèi)執(zhí)行，且其具有復(fù)制、粘貼、導(dǎo)入及導(dǎo)出等批量化處置的功能。

（3）測(cè)試過(guò)程調(diào)控模塊。此模塊主要用于調(diào)度、控制測(cè)試過(guò)程，執(zhí)行測(cè)試項(xiàng)目，選擇測(cè)試實(shí)施模式等。測(cè)試項(xiàng)目應(yīng)自帶一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖，為工作人員選擇不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)造便利條件。測(cè)試過(guò)程內(nèi)應(yīng)有測(cè)試狀態(tài)監(jiān)視界面，其能動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)測(cè)試進(jìn)程中的檢測(cè)量、輸入輸出、時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)。測(cè)試中還允許臨時(shí)調(diào)整被測(cè)項(xiàng)目的主要參數(shù)而不擾亂測(cè)試模板參數(shù)，這種約束條件能提升測(cè)試模板調(diào)試過(guò)程的便捷度。測(cè)試完成后要形成測(cè)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(cè)報(bào)告處置模塊。此模塊主要執(zhí)行測(cè)試報(bào)告的簡(jiǎn)單處理工作，如報(bào)告內(nèi)部分內(nèi)容穩(wěn)定整改、復(fù)制、保存、傳輸?shù)?，也具備設(shè)置檢測(cè)報(bào)告操作權(quán)限的功能，能為不同測(cè)試人員提供差異化的應(yīng)用權(quán)限，為測(cè)試內(nèi)容的真實(shí)度、完整性等提供更大的保障。

（5）二次開(kāi)發(fā)接口模塊。該模塊基于Lua語(yǔ)言提供二次開(kāi)發(fā)的接口，使測(cè)試系統(tǒng)更具拓展性，使用過(guò)程更加靈活。

2.2 邏輯層

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

（2）保護(hù)通信控制模塊。該模塊主要用于制作與解析報(bào)文，并執(zhí)行各種通信過(guò)程，包括調(diào)整部分定值、遠(yuǎn)程操控等。保護(hù)通信控制模塊作為EXE的經(jīng)典COM程序，具備高度開(kāi)放的COM接口，為客戶(hù)端程序調(diào)取應(yīng)用創(chuàng)造基礎(chǔ)條件；也可以基于多線(xiàn)程的形式和其他模塊有效協(xié)同、配合。在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，要建立足夠大的內(nèi)存存儲(chǔ)接收到的報(bào)文，以供解析環(huán)節(jié)使用。模塊應(yīng)具備獨(dú)立性，可以自行完成通信過(guò)程的調(diào)試、監(jiān)視與規(guī)約分析任務(wù)，且能對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)及管理測(cè)試結(jié)果、測(cè)試模板運(yùn)行參數(shù)、測(cè)試報(bào)告等信息，也能在數(shù)據(jù)分析及測(cè)試報(bào)告填寫(xiě)環(huán)節(jié)調(diào)取部分?jǐn)?shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量較少時(shí)無(wú)須數(shù)據(jù)庫(kù)的輔助。

（4）測(cè)試過(guò)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(dòng)測(cè)試過(guò)程。模塊按標(biāo)準(zhǔn)要求取用部分測(cè)試模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)試程序設(shè)計(jì)情況，基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口、測(cè)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(zhǔn)控制檢測(cè)量輸出、檢測(cè)數(shù)據(jù)返回及判斷測(cè)試結(jié)果等自動(dòng)化過(guò)程，也能實(shí)時(shí)把測(cè)試數(shù)據(jù)填寫(xiě)至報(bào)告內(nèi)。設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，要著重考慮和其他模塊之間的配合情況，程序執(zhí)行過(guò)程十分復(fù)雜，建議應(yīng)用多線(xiàn)程設(shè)計(jì)策略。

（5）檢測(cè)報(bào)告生成模塊。該模塊主要用于生成測(cè)試報(bào)告或報(bào)告模板，可以應(yīng)用書(shū)簽的形式將測(cè)試數(shù)據(jù)插進(jìn)對(duì)應(yīng)表格。

2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要用于存儲(chǔ)自動(dòng)測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較少時(shí)無(wú)須應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，被存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的格式是XML。繼電保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試中的數(shù)據(jù)類(lèi)型以既往記錄、報(bào)告信息、模板及實(shí)驗(yàn)參數(shù)等為主。

2.4 物理層

物理層囊括了自動(dòng)測(cè)試進(jìn)程中投用的所有物理部件與裝置，如測(cè)試儀、PC機(jī)及具備相應(yīng)功能的保護(hù)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(duì)66 kV、35 kV及以下電壓等級(jí)的繼電保護(hù)裝置，若其配置電子互感器，應(yīng)按照間隔設(shè)定情況合并保護(hù)、測(cè)控、智能終端、合并單元。由此可以推測(cè)，在當(dāng)前智能變電站項(xiàng)目?jī)?nèi)，針對(duì)66 kV、35 kV及以下電壓等級(jí)的繼電裝置，應(yīng)將電子互感器輸出的小信號(hào)作為模擬量，開(kāi)關(guān)量也要依照傳統(tǒng)意義上的電氣硬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。如果繼電保護(hù)的電壓等級(jí)大于110 kV，要明確無(wú)論是模擬量采樣還是開(kāi)關(guān)量輸入輸出，都要統(tǒng)一為數(shù)字量，實(shí)質(zhì)是基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SV與GOOSE報(bào)文[5]。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是繼電保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)之間通信關(guān)系建立的基礎(chǔ)，嚴(yán)格依照MMS協(xié)議規(guī)范執(zhí)行單播式通信過(guò)程。對(duì)于智能變電站所有功能，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)定了十分具體的邏輯節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)對(duì)象，供應(yīng)了高度完整的數(shù)據(jù)對(duì)象闡述模型及面向?qū)ο蟮姆?wù)項(xiàng)目。以上這些抽象化的通信服務(wù)、對(duì)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(yīng)用程序，最后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳輸裝置變位信息、投退軟壓板、整改定值及和后臺(tái)交互等功能。

近幾年，我國(guó)在智能變電站設(shè)計(jì)及建造中的投入不斷增加，很多繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)廠(chǎng)家在屢次的互操作試驗(yàn)檢測(cè)中統(tǒng)一規(guī)范了裝置的對(duì)外接口，為自動(dòng)測(cè)試目標(biāo)的實(shí)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(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)運(yùn)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(hù)裝置的各種故障問(wèn)題，且要符合裝置外部接口運(yùn)行需求，即模擬量輸出可以順利選用小信號(hào)及SV報(bào)文輸出形式，開(kāi)關(guān)量可以兼容物理硬節(jié)點(diǎn)與GOOSE報(bào)文[6]。直接采樣是當(dāng)前國(guó)內(nèi)常規(guī)的SV采樣方式，SV采樣值報(bào)文的傳送間隔離散值應(yīng)低于10 μs。很多學(xué)者通過(guò)大量的研究及現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)后指出，若繼電保護(hù)測(cè)試儀符合以上幾點(diǎn)需求，就可以將其用作故障模擬系統(tǒng)。文章建設(shè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)選用了PNF801測(cè)試儀（北京博電公司）作為故障模擬系統(tǒng)，其具有8個(gè)光口，物理開(kāi)出、開(kāi)入節(jié)點(diǎn)各8個(gè)；內(nèi)部配置了6組SV，離散度低于80 μs，采用12路的獨(dú)立小信號(hào)模擬量。

3.3 測(cè)試用例

在繼電保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試中，為了使測(cè)試用例實(shí)用有效，要把測(cè)試系統(tǒng)規(guī)劃成開(kāi)放系統(tǒng)，這樣工程師可以應(yīng)用靈活地測(cè)試檢查各類(lèi)繼電保護(hù)裝置。

具有代表性的保護(hù)功能測(cè)試用例主要由故障施加量和預(yù)期結(jié)果兩大部分構(gòu)成，前者又可以被細(xì)分成整定裝置運(yùn)行參數(shù)及設(shè)置故障參數(shù)兩部分。整定裝置運(yùn)行參數(shù)時(shí)，需要明確自動(dòng)測(cè)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(lèi)別，確定要為繼電保護(hù)裝置施用多大的故障量、設(shè)置故障持續(xù)發(fā)生時(shí)間等。在測(cè)試實(shí)踐中需要對(duì)比實(shí)測(cè)值和預(yù)計(jì)值，客觀(guān)分析二者的一致性，以此為據(jù)自動(dòng)判斷測(cè)試項(xiàng)目是否達(dá)到通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)[7]。繼電保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試形成的預(yù)期結(jié)果主要是保護(hù)變位及測(cè)試反饋信息，前者主要包括錄入的保護(hù)動(dòng)作報(bào)告資料及相關(guān)遙控變位信息，測(cè)試反饋信息則是被保護(hù)的輸出信息。選用繼電保護(hù)測(cè)試儀作為故障模擬系統(tǒng)時(shí)，人為故障參數(shù)就是測(cè)試儀的一個(gè)經(jīng)典測(cè)試模塊文件。對(duì)于測(cè)試儀來(lái)說(shuō)，故障參數(shù)主要由故障量與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)調(diào)配兩部分構(gòu)成。在不同裝置的測(cè)試中需要應(yīng)用不同的測(cè)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(huì)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(chǔ)成單獨(dú)的文件。PNF801測(cè)試儀故障量參數(shù)是后綴名是“.tpl”的測(cè)試類(lèi)文件，在正式進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試檢測(cè)前，要參照被測(cè)繼電保護(hù)裝置虛端子的連線(xiàn)狀況，傳導(dǎo)出相應(yīng)的IEC 61850文件，這樣能成功重用故障參數(shù)。

4 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用流程

將設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)用在220 kV光纖差動(dòng)保護(hù)裝置的測(cè)試中，系統(tǒng)應(yīng)用的整體流程如下。首先，編制詳細(xì)的測(cè)試方案，確定被測(cè)項(xiàng)目及要求，測(cè)試內(nèi)容主要有主要性能指標(biāo)、定值精準(zhǔn)度、動(dòng)作持續(xù)時(shí)間、保護(hù)邏輯、CT斷線(xiàn)及GOOSE報(bào)文異常處理等；其次，構(gòu)建測(cè)試用例庫(kù)，即把測(cè)試方案作為依據(jù)，細(xì)化被測(cè)項(xiàng)目，定制測(cè)試用例，檢測(cè)檢驗(yàn)用例的有效性，確認(rèn)合格構(gòu)呈交測(cè)試用例庫(kù)；最后，在測(cè)試過(guò)程中，由測(cè)試用例庫(kù)內(nèi)調(diào)取相應(yīng)測(cè)試用例進(jìn)行加載，進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。

4.2 應(yīng)用成效

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

5 結(jié)束語(yǔ)

文章以繼電保護(hù)測(cè)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(jì)了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，有開(kāi)發(fā)工作強(qiáng)度小、工作量偏少、快捷性高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于繼電保護(hù)裝置的測(cè)試領(lǐng)域，可以有針對(duì)性地穩(wěn)定調(diào)整測(cè)試實(shí)施過(guò)程，進(jìn)一步提升測(cè)試效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)產(chǎn)品的缺陷問(wèn)題，使其質(zhì)量得到更大保障，進(jìn)而為我國(guó)智能變電站事業(yè)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。