0 引言
電力系統(tǒng)的可靠性一直以來是業(yè)界的重點研究課題[1-2]，事實上，除了為電力系統(tǒng)本身的整體設計考慮，繼電保護作為變電站的二次核心，其本身的可靠性也直接影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性，特別是隨著智能電網(wǎng)的建設，基于新原理[3-4]的繼電保護裝置陸續(xù)投入應用，如何充分有效地驗證智能變電站繼電保護裝置的功能正確性及可靠性是個需要研究的問題。自動測試作為一種有效的測試手段，長期以來也是業(yè)界的研究熱點[5-7]，但由于傳統(tǒng)變電站繼電保護裝置對外接口不統(tǒng)一(如通信規(guī)約版本過多、定值清單、動作報告內(nèi)容格式不一致等)，很大程度上限制了自動測試的實際應用。目前，大多數(shù)繼電保護裝置的測試工作，特別是靜模試驗，仍是采用使用繼電保護測試儀手動測試的傳統(tǒng)方法，存在測試效率低、人為因素影響大等缺點。對于智能變電站，繼電保護裝置全部基于IEC61850 標準，實現(xiàn)了輸入、輸出信息的全部數(shù)字化、標準化；網(wǎng)絡技術的推廣應用，也使得數(shù)據(jù)交互共享更加方便；特別是，隨著智能變電站一系列國家標準的發(fā)布[8-10]，繼電保護裝置的建模、軟壓板、定值清單以及對外接口信息實現(xiàn)了規(guī)范性設計，為自動測試從理論研究走向?qū)嶋H應用解決了難題。
從 IEC61850 標準在智能變電站應用開始，繼電保護工作者就一直在研究實現(xiàn)繼電保護自動測試[11-12]。本文則針對目前智能變電站的應用實踐，對實現(xiàn)繼電保護裝置自動測試的關鍵技術進行了研究，并提出一種基于智能繼電保護測試儀快速構建智能變電站繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)的方法。
1 關鍵技術研究
1.1 外部接口分析
文獻[13]規(guī)定，對于 66 kV、35 kV 及以下電壓等級，“當使用電子式互感器時，每個間隔的保護、測控、智能終端、合并單元宜按間隔合并實現(xiàn)”，故在目前智能變電站工程應用中，66 kV、35 kV 及以下電壓等級的繼電保護裝置其模擬量采樣為電子式互感器輸出的小信號，開關量也是傳統(tǒng)的電氣硬節(jié)點；對于 110 kV 及以上電壓等級，保護裝置的模擬量采樣、開關量輸入輸出均是數(shù)字量，即基于IEC61850 標準的 SV 和 GOOSE 報文。
智能變電站繼電保護裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通信也是基于 IEC61850 標準，按照 MMS 協(xié)議進行單播通信的。IEC61850 標準針對變電站所有功能定義了詳盡的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象，并提供了完整的描述數(shù)據(jù)對象模型的方法和面向?qū)ο蟮姆?。這些抽象的通信服務、通信對象及參數(shù)通過特殊通信服務映射(SCSM)映射到底層應用程序，*終實現(xiàn)裝置變位信息上送、軟壓板投退、定值修改等裝置與后臺的交互功能。
經(jīng)過近年來智能變電站的工程實踐，各廠家的繼電保護裝置經(jīng)過多次的互操作試驗，裝置的對外接口實現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)范，為實現(xiàn)自動測試提供了基礎。
1.2 故障模擬系統(tǒng)
要實現(xiàn)繼電保護裝置的自動測試，一個穩(wěn)定可靠的故障模擬系統(tǒng)是關鍵。故障模擬必須能夠方便靈活地模擬各種故障，并且應能夠滿足 1.1 節(jié)裝置外部接口需求，即模擬量輸出能夠選擇小信號輸出方式和 SV 報文輸出方式，開關量能兼顧物理硬節(jié)點和 GOOSE 報文。此外，目前 SV 采樣方式均為直接采樣，SV 采樣值報文的發(fā)送間隔離散值應小于 10 μs。通過研究分析和實際驗證，智能繼電保護測試儀滿足以上需求，可以借用為自動測試系統(tǒng)中的故障模擬子系統(tǒng)。本文在構建自動測試系統(tǒng)時選用的北京博電公司的 PNF801 智能繼電保護測試儀作為故障模擬子系統(tǒng)，其性能參數(shù)如表 1 所示。
1.3 測試用例
測試用例的有效性和可重用性決定著自動測試系統(tǒng)的關鍵。要保證測試用例有效，自動測試系統(tǒng)須設計為開放式系統(tǒng)，支持測試工程師針對不同的保護裝置靈活地編輯測試用例；測試用例的可重用性決定著自動測試作為一種測試手段能否推廣實施，發(fā)揮實效。
一個典型的保護功能測試用例(如圖 1 所示)包括故障施加量和預期結(jié)果兩部分，故障施加量又包括裝置參數(shù)整定和故障參數(shù)設置，即測試前裝置需要修改哪些參數(shù)，如定值修改，壓板投退等；故障參數(shù)設置即定制故障類型，即需要給保護裝置施加什么樣的故障量、故障持續(xù)時間等。預期結(jié)果是實現(xiàn)全自動閉環(huán)測試的需要，測試過程中將比較實際結(jié)果和預計結(jié)果是否一致，來自動判別測試項目是否通過。預期結(jié)果具體包括保護信息及測試反饋信息，保護變位信息記錄保護動作報告及相關遙信變位信息，測試儀反饋信息則是保護的出口信息。
文獻[8-10]使得裝置的對外接口信息實現(xiàn)規(guī)范統(tǒng)一，故障參數(shù)設置實現(xiàn)重用是測試用例重用性的關鍵。由于選擇智能繼電保護測試儀作為故障模擬子系統(tǒng)，故障參數(shù)就是測試儀的測試模版文件。對于智能繼電保護測試儀，故障參數(shù)包括故障量和IEC61850 配置兩部分。當測試用例應用于不同裝置測試時，故障量參數(shù)不變，而 SV 及 GOOSE 的APPID、Mac 地址、DA 個數(shù)等 IEC61850 配置信息一般都需要改變。故需要將故障量和 IEC61850 配置分別存儲為單獨的文件。對于 PNF801 智能繼電保護測試儀而言，故障量參數(shù)為后綴名為“.tpl”的測試模版文件，而 IEC61850 配置參數(shù)則為后綴名為“.csg”的配置文件。在開始自動測試前，根據(jù)被測裝置的虛端子連線情況，導出相應的 IEC61850配置文件即可實現(xiàn)故障參數(shù)的重用，進而實現(xiàn)了測試用例的重用。
2 自動測試系統(tǒng)設計
2.1 設計思路及系統(tǒng)框架
本文的設計思路是在現(xiàn)有智能繼電保護測試儀的基礎上開發(fā)一套自動測試系統(tǒng)軟件從而快速構建繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)。結(jié)構如圖 2。
自動測試系統(tǒng)軟件與測試儀客戶端軟件之間通過 SOCKET(套接字)實現(xiàn)程序間通信，完成測試儀控制命令的下發(fā)和測試結(jié)果的反饋功能；與被測繼電保護裝置基于IEC61850標準采用MMS通信協(xié)議實現(xiàn)單播通信，實現(xiàn)保護裝置控制命令的下發(fā)和裝置動作報告、錄波、遙信變位等信息的獲取功能，自動測試系統(tǒng)軟件實現(xiàn)測試任務調(diào)度控制、結(jié)果判別，*終實現(xiàn)全自動閉環(huán)測試。
本文基于微軟公司的 VS2010 平臺開發(fā)了一套自動測試系統(tǒng)軟件，其模塊劃分如圖 3 所示。執(zhí)行控制模塊負責任務的調(diào)度執(zhí)行、結(jié)果判別等；通信模塊負責與測試儀客戶端程序、保護裝置完成通信，完成執(zhí)行控制模塊控制命令的下發(fā)及測試結(jié)果的接收和解析；用例編輯模塊實現(xiàn)測試用例的靈活編輯，對于自動測試而言，需要提前建立豐富的測試用例庫，故易用性設計是用例編輯模塊的關鍵；用例管理模塊實現(xiàn)用例的備份、加載等功能；日志模塊記錄自動測試的所有過程信息，便于問題分析定位；報告生成模塊則負責測試完成后自動生成指定格式的測試報告。
2.2 自動測試控制流程設計
智能變電站繼電保護裝置的自動測試大體分為測試前準備和測試執(zhí)行兩部分工作，分別如圖 4、圖 5 所示。
2.3 典型應用模式
根據(jù)繼電保護的電氣量獲取方式，可以把繼電保護分為基于單端電氣量保護和基于雙端電氣量的縱聯(lián)保護兩類。基于單端電氣量的保護主要有變壓器保護、母線保護、斷路器保護、線路保護的后備保護等；基于雙端電氣量的保護裝置主要有高壓線路縱聯(lián)保護，如高頻距離、高頻方向、縱聯(lián)差動保護等。自動測試系統(tǒng)在這兩類保護測試的典型應用如圖 6 所示。
3 自動測試系統(tǒng)應用
3.1 應用案例
結(jié)合本自動測試系統(tǒng)在 220 kV 線路光纖差動保護裝置的測試應用，對自動測試系統(tǒng)的整體思路及應用流程說明如下。
首先，制定測試方案，明確測試項目及要求，測試方案如表 2。
其次，建立測試用例庫。依據(jù)測試方案，細化測試項目，編制測試用例，完畢后進行用例有效性驗證，合格后提交測試用例庫。
*后，測試時，從測試用例庫中提取對應測試用例直接加載，開始自動測試。
3.2 應用效果
基于智能繼電保護測試儀構建的自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了繼電保護裝置的全自動測試，在繼電保護產(chǎn)品的測試工作中效果明顯，使得測試流程得到優(yōu)化，測試效率得到顯著提高；為繼電保護產(chǎn)品的多次重復測試提供了技術手段，使得小概率問題的暴露成為可能，測試更加**充分；有效排除了人工測試的不確定因素，保證了測試一致性。此外，隨著自動測試系統(tǒng)的推廣應用，測試用例庫將日趨豐富，測試效率和測試**性都將逐步提升。
4 結(jié)語
本文基于智能繼電保護測試儀開發(fā)自動測試系統(tǒng)軟件，從而構建智能變電站繼電保護自動測試系統(tǒng)的方法，充分利用了業(yè)界現(xiàn)有的技術基礎，開發(fā)工作量相對較小，有著實現(xiàn)快捷、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)勢。目前，已經(jīng)成功應用于許繼電氣公司智能變電站繼電保護產(chǎn)品的測試工作中，改進了測試方法，提高了測試效率，在產(chǎn)品的質(zhì)量保障過程中發(fā)揮了重要作用。此系統(tǒng)的設計思路和實現(xiàn)方法對智能變電站工程的調(diào)試、驗收等環(huán)節(jié)具有很強的參考價值，推廣應用前景廣闊。隨著網(wǎng)絡技術在智能變電站中更加廣泛成熟的應用，智能繼電保護測試儀硬件資源的限制將被突破，多個裝置甚至整個變電站的自動測試、調(diào)試、驗收等都可以借鑒此設計思路實現(xiàn)。
