智能变电站整体集成仿真测试系统研究

赵国庆，季晨宇，张海东，李云鹏，黄树帮

（1.中国电力科学研究院南京分院，江苏南京210003；2.南通供电公司，江苏南通226001）

智能变电站整体集成仿真测试系统研究

赵国庆1，季晨宇2，张海东1，李云鹏2，黄树帮1

（1.中国电力科学研究院南京分院，江苏南京210003；2.南通供电公司，江苏南通226001）

新一代智能变电站自动化系统采用了很多新技术、新设备。但对这些设备及系统的检测在手段和方法上存在不足。基于此开展了相关技术研究，搭建了智能变电站整体集成仿真测试环境，提出采用模拟二次设备替代实际设备参与系统级测试、编辑测试脚本实现自动化测试的方法，编制了单设备级、系统级的测试用例及流程。该测试系统应用于智能变电站检测并完成对自动化系统设备级、系统级的测试，可大大提高测试效率。

整体集成仿真测试；模拟二次设备；自动闭环测试；脚本设计

国家电网公司于2012年正式提出新一代智能变电站概念并启动研究与建设工作。新一代智能变电站理念先进，采用了最新的技术和设备，是智能变电站建设模式的重要转折点和重大创新，特别是电子式互感器、智能组件、数字化保护测控、以太网等新技术的发展和应用，对检测提出了新的要求。除装置常规测试外，自动化检测体系还需具备IEC 61850模型及通信服务一致性、虚端子、网络通信等方面的检测流程和手段。现有的实验和检测手段和方法、效率有待改进，尤其是系统和智能化应用测试方面。主要表现在［1-3］：（1）检测手段与检测效率有待提高。随着电网规模的不断升级以及智能变电站的建设，新设备及设备升级入网测试的数量增加，且多为重复性测试，测试效率降低。而以往的测试手段已经越来越难以实现入网测试海量任务的自动测试，自动获取测试结果。（2）系统级检测环境需求。目前大多数检测机构的检测对象是单设备，由于智能变电站二次系统测试和集成调试的环境搭建工作量大、配合环节多、调试周期长，除特殊情况外，一般采用现场联调的方式。（3）新的测试需求产生。智能变电站应用一些高级应用，如智能告警、顺序控制、无功控制优化、数据辨识等，难以进行整系统集成调试。各应用功能集成测试和调试，需将二次系统的各种设备集中在一起，完成各设备配置和联调、虚端子连接、传动对点以及监控系统各应用配置和组态之后才能进行各高级应用功能的测试和集成调试。对此，文中研究了适用于智能变电站的整体集成仿真测试系统，对二次系统及设备进行检测试验，以满足智能变电站自动化系统与设备的入网检测需求。

1　整体集成仿真测试环境

智能变电站的全站配置描述文件（SCD）为模拟设备替代真实设备参与仿真环境提供了基础。模拟设备根据SCD文件为被试设备提供测试信号，同时接收被试设备的输出信号。仿真系统通过检测被试设备的响应、输出信号以及试验环境与被试设备之间的信息交互过程；检测被试设备配置、输入输出以及虚端子联系等的正确性，解决被试设备的互联互通问题。

结合实际测试需求，建立整体集成仿真测试系统，如图1所示，其关键在于测试环境能够真实模拟被试智能变电站二次系统所有信息交互的数据，并且测试环境的输入/输出数据由SCD决定。

图1整体集成仿真测试环境构建

系统中测试主机起到实现控制、管理作用，建立测试运行环境，根据要求选择部分或全部测试用例，执行测试过程和生成测试报告等。测试主机连接模拟合并单元、模拟智能终端、模拟测控设备等模拟设备，同时结合继电保护测试仪、时间同步装置、网络记录分析仪等测试设备。通过融合测试仪器及工具，测试系统中涵盖了单设备测试平台、通信规约测试平台、模型测试工具、网络交换测试平台、时间同步测试平台、高级应用测试平台等，利用脚本化技术与网络通信技术将各个测试平台进行联网，可以实现各测试平台功能联动，从而完成变电站自动系统设备级、系统级一系列的测试工作，构成实验室环境下的自动化系统与设备一体化检验测试系统。

2　关键技术研究

2.1模拟二次设备

目前变电站自动化对通信的依赖、计算机通信技术的发展为模拟二次设备的研制带来了契机。模拟二次设备就是模拟电网正常运行或各种故障情况下智能变电站真实二次设备的对外输出。模拟设备主要模拟实际装置的外特性，并不涉及具体的装置内部逻辑，因此可与实际的装置型号解耦。模拟二次设备主要包括模拟过程层设备、模拟间隔层测控设备。模拟二次设备都是基于模型文件驱动的。

2.1.1模拟过程层设备

模拟过程层设备包括模拟合并单元以及模拟智能终端。

模拟智能终端外特性主要实现面向通用对象的变电站事件（GOOSE）数据的输入/输出，其提供多个以太网光纤接口，以模拟多台智能终端的外特性。主要模拟一次设备的位置节点及设备的告警信号，同时接收间隔层保护、测控的命令并作出响应。位置及告警信号采用人工置数的方式实现，当接收到GOOSE命令后可相应改变位置状态。

模拟合并单元主要实现采样值（SV）数据的输出，其提供多个以太网光纤接口，可模拟多台合并单元，以实现与保护装置的点对点连接和与测控装置的组网连接，并能够模拟点对点和在组网连接时的不同特性。设计模拟合并单元时要注重考虑SV数据量、时间精度等，需满足文献［4］的要求。

功能插件作为装置的核心模块，负责仿真过程层设备在电网正常运行或事故状态下通信行为，并对间隔层设备的过程层通信性能进行测试。这些功能插件不仅能够仿真单台过程层设备的某种报文，而且能够仿真变电站过程层设备群在特定环境下的整体通信行为。根据实际智能终端、合并单元的功能特性，优化各个功能插件，设计了通用硬件平台。其核心为中央处理器（CPU）模件，只需要更改其中的程序，就可模拟一个间隔中的合并单元和智能终端通用硬件平台如图2所示。硬件平台的性能主要表现在CPU的选择上，采用PowerPC+现场可编程门阵列（FPGA）架构。PowerPC采用Freescale公司的MPC8247，由CPU和通信模块（CPM）双核组成，总线频率66 MHz，CPM频率132 MHz，内核频率264 MHz；FPGA采用Xilinx公司的XC3SD1800A，工作频率可达250 MHz。它以简单的设计、高效的指令集，为用户提供了一个全新的高端通信系统解决方案。

图2模拟过程层设备通用硬件平台

另外，其拥有独立的FLASH来存储数据。模块的FLASH被分成两个存储空间，第一个空间存储预先设定的数据和应用程序，模块上电后便开始自动发送根据此区域数据产生的报文，第二个空间用于存储配置系统产生特定的仿真数据，如各种故障发生时数据。

软件系统采用VxWorks嵌入式实时操作系统，Tornado平台上进行开发应用程序功能。模拟合并单元功能主要包括配置文件解析、录波文件解析、IEC 61850-9及IEC 60044-8报文生成及发送。模拟智能终端功能主要包括配置文件解析、信息模型解析、GOOSE报文接收与发送，延时不大于3 ms，可订阅控制块数量大于15个。

2.1.2模拟间隔层设备

模拟间隔层设备主要模拟间隔层测控设备［5，6］。测试时可为智能终端提供GOOSE命令、测控装置提供GOOSE联闭锁信号，也能接收智能终端的GOOSE信号以及合并单元SV数据。同时还能为站控层设备提供制造报文规范（MMS）报文信号，模拟与站控层设备之间的遥控操作。模拟间隔层测控设备主要包括MMS应用仿真、GOOSE仿真。

MMS仿真功能包括遥信、遥测、遥控等应用仿真，可仿真IEC 61850/MMS服务器的通信行为和响应逻辑，可与站控层的IEC 61850客户端系统进行通信连接，并进行调试。

GOOSE仿真功能可仿真IED作为GOOSE报文发布方/接收方的通信行为，用于具有GOOSE收发关系的两个IED之间GOOSE信号对点调试，具体功能包括GOOSE信号发送、GOOSE信号接收监视以及信号逻辑驱动等。

模拟间隔层设备的体系架构如图3所示，可知其基于模型驱动，通过解析模型获取虚拟信号库及内存数据库，MMS及GOOSE相关的仿真功能基于此进行相关配置，结合IEC 61850的通信服务发送或接收仿真数据，从而完成模拟测控设备功能。仿真的基础是建立虚拟仿真信号库。通过解析模型，遍历模型中的所有数据集、逻辑节点，以获取虚拟仿真信号库。仿真信号支持多态多时序，即具有初始状态、运行状态两种状态，同时可设定运行状态下的多个时间序列的状态变化过程。

图3模拟间隔层设备系统架构

2.2高级应用测试用例设计

测试用例是测试进行的指导性文件，根据其可以完成具体的测试实现。通过对SCD文件解析、提取，并根据功能约束对测试对象进行分类，可以形成单设备的测试用例库。测试人员对此设定相关参量即可获得测试用例。此节主要研究高级应用的测试用例设计。

高级应用主要包括顺序控制、智能告警、数据辨识。基于高级应用功能研究测试要求及方法，从而形成测试用例。以智能告警中“长时间反复出现的普通告警自动转为异常告警功能”为例，如表1所示。

表1智能告警测试用例

2.3自动测试技术

在测试中存在大量重复性工作，研究并采用自动化测试技术可以减少部分工作量。自动化测试通常使用测试脚本或者其他代码驱动应用程序。这一切可以通过可视用户界面完成，也可通过直接命令（从客户端发向服务器，以模仿浏览器发送的命令）完成［7］。测试系统通过可视用户界面连接各个测试平台，通过脚本命令的方式调用测试用例完成测试。

测试脚本是具有正则语法的数据和指令的集合，测试用例脚本化是实现自动化测试的关键。根据测试用例库中的测试用例，利用脚本语言编写成脚本测试程序，通过脚本解释器一次性执行多个测试用例，以便实现测试自动化。自动测试主要包括测试脚本的管理和编制。

脚本管理工具主要功能是实现对文件管理，并对文件进行获取和分析、归档和索引，同时为相应的测试脚本建立关联关系。测试脚本管理工具采用C++和Lua混合编程，主控程序和人机界面等采用C++编程。在主控程序中嵌入Lua脚本解析器，用于解析执行测试脚本。

自动测试可进一步实现闭环测试，即测试主机解释执行Lua测试脚本，把测试脚本中的测试数据通过测试仪（测试设备）加给被测装置，收集被测装置的输出结果信息，测试脚本根据收集到的数据完成测试结果的判断，形成闭环测试。

3　系统测试流程与实现

3.1单设备测试

单设备自动闭环测试如图4所示。单设备测试主要采用标准测试仪作为测试设备。目前较多的测试设备采用嵌入式系统，设备厂家可以提供应用功能程序相应的二次开发接口。根据测试需求设计测试模板，通过编辑测试模板，对二次设备测试（包括电量和非电量测试）进行完整定义。测试界面展现在测试主机上，测试主机运行相应的脚本程序，解析模板测试数据，并调用对应接口函数，使得测试仪向测试设备提供对应功能的测试信号；同时获取被测设备输出对应信号，对相关结果进行统计、整理分析与理想值进行比较，实现闭环测试，并可自动生成word等格式测试报告。

图4单设备自动闭环测试

以合并单元自动化闭环测试为例，给出其测试接线及测试方法。测试主机通过动态链接库（DLL）定制接口可以控制合并单元测试仪可以实现以下功能：

（1）模拟量输出 （6路电压120 V；6路电流12.5 A），8路开入检测，4路开出控制；（2）IEC 61850-9-2报文输出和输入；（3）国网FT3报文输出和输入；（4）模拟量和IEC 61850-9-2报文混合输出 （模拟量输出3路电压3路电流）；（5）模拟量和FT3报文混合输出（模拟量输出3路电压3路电流）；（6）GOOSE报文输入检测、GOOSE报文输出。

测试接线如图5所示，测试时，不需要改变接线，即可完成SV精度 （幅值误差、相位误差、复合误差等）、SV通道延时、SV报文异常、SV报文离散性、GOOSE报文异常、功率误差、电压切换及电压并列逻辑等测试，并自动生成word等格式测试报告。

图5合并单元自动闭环测试

3.2高级应用闭环测试

高级应用测试自动化闭环测试环境连接如图6所示。其中测试设备主要应用间隔层模拟二次设备。测试主机通过将包含测试数据的脚本发送给测试设备及工具，测试设备及工具解析脚本，并自动对被测设备进行测试，并获取测试设备的输出结果。测试设备及工具将测试结果进行处理，并发送给上位机，以自动生成测试报告。其主要测试步骤如下：（1）根据测试用例及实例化配置工具，准备测试数据；可以形成测试模板，通过编辑测试模板，对高级应用测试（包括电量和非电量测试）进行完整定义；（2）对测试内容进行分解，形成顺序步骤，利用测试设备提供的相关函数库或者对应的功能接口，编写脚本代码，形成测试脚本；（3）从脚本库中选择相应的测试脚本；（4）确定测试设备与被测设备之间的接线正确无误；（5）运行脚本对高级应用进行测试，并获取测试结果，形成相应测试报告。

图6高级应用闭环测试

以高级应用智能告警测试为例，原来人工测试是根据测试用例的要求一个一个进行配置数据，并观察结果显示是否正确；使用脚本自动化测试技术，可以将智能告警相关的测试用例先按顺序配置好测试数据，将测试数据一并经过模拟二次设备或者后台对应数据库发送给高级应用，运行于监控主机的一体化业务平台提供接口获取高级应用输出结果，自动与测试用例中期望结果进行对比，完成智能告警的自动闭环测试。

3.3实践与应用

在实验室环境下，搭建仿真测试系统，融入智能终端、合并单元、保护测控装置、监控后台等真实二次设备，根据测试用例及测试规范，开展单设备级、系统级测试工作。测试过程分为正常测试、错误测试两方面。正常测试即真实设备配置正确的测试，侧重于设备及系统的调试、测试和功能验证；错误测试即人为地设定被测设备的错误，如装置模型配置错误，异常数据设定等，侧重于测试系统的自身功能验证。系统测试结果显示，设定问题均被测出，系统可完成单设备级及系统级测试。在信号对点等大量重复性测试方面，与以前人工测试相比，测试手段更好，效率提升明显，这也验证了整体集成仿真测试系统的测试能力。

4　结束语

从智能变电站自动化系统与设备的测试需求出发，研究并采用模拟设备技术、自动测试技术、测试用例等关键技术，在实验室环境下搭建了整体集成仿真测试环境。该环境涵盖单设备、通信规约、模型、网络交换、对时同步、高级应用等功能部分。利用该环境，根据测试流程对自动化二次设备及系统进行了测试。实践验证，将其应用到单设备检测及系统级测试工作中，可取得较好的结果，大幅度提升实验和测试效率。

［1］袁宇波.智能变电站集成测试技术与应用［M］.北京：中国电力出版社，2013：19-21.

［2］王化鹏，徐 智，杨 威，等.智能变电站一体化业务平台检测技术研究［J］.电气应用，2013（S1）：448-450.

［3］胡再超，姚 亮，张 尧.智能继电保护装置的自动测试方法［J］.江苏电机工程，2013，32（1）：53-55.

［4］国家电网公司.Q/GDW 441—2010智能变电站继电保护技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2010.

［5］黄树帮，窦仁晖，梅德东，等.基于IEC 61850标准的通用IED仿真系统的设计与实现［J］.电力系统自动化，2012，36（18）：153-158.

［6］董磊超，刘昊昱，浮明军，等.智能变电站间隔层设备自动测试系统研制［J］.电力系统自动化，2015，39（5）：147-151.

［7］胡红兵，李丽君，韩民畴.继电保护装置自动测试系统的设计与实现［J］.江苏电机工程，2013，32（2）：54-56.

Research on the Integrated Simulation Test System for Smart Substation

ZHAO Guoqing1，JI Chenyu2，ZHANG Haidong1，LI Yunpeng2，HUANG Shubang1
（1.China Electric Power Research Institute，Nanjing Branch，Nanjing 210003，China；2.Nantong Power Supply Company，Nantong 226001，China）

Many new technologies and equipment are used in smart substation.The deficiencies of the existing experimental and testing means are analyzed，especially in system testing and advanced applications.An integrated simulation testing system for smart substation is built.The testing system is managed by a test host，including virtual devices，test equipment and tool components.The key technologies，including virtual secondly devices，advanced application testing cases and auto-test，used in the testing system are studied.In system testing the virtual device is used to replace actual devices.Automatic testing can be achieved by editing the scripts.Testing process for single-device level and system level is provided.The system is successfully applied in smart substation testing and greatly improves testing efficiency.

integrated simulation test；virtual secondary equipment；automatic closed-loop test；script design；testing case

TM76

A

1009-0665（2016）01-0066-04

2015-08-12；

2015-10-22

赵国庆（1987），男，山东聊城人，工程师，从事变电站及电站自动化技术工作；

季晨宇（1986），女，江苏南通人，工程师，从事电力信息化技术工作；

张海东（1983），男，江苏盐城人，工程师，从事变电站及电站自动化技术工作；

李云鹏（1978），男，江苏南通人，高级工程师，从事电力自动化及信息化技术工作；

黄树帮（1979），男，广西南宁人，高级工程师，从事变电站及电站自动化技术工作。