继电保护静态模拟并行测试系统构建

索江镭，刘琨，袁亮荣，王增超，陈志光，李一泉，陈桥平，邓旭阳

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510600)

继电保护的静态模拟测试(以下简称“静模测试”)[1]是通过测试仪对继电保护装置施加特定的模拟量所开展的测试，确保系统、设备的功能和性能符合指标要求[2]。静模测试主要考核继电保护装置的基本性能，在继电保护设备的研发、出厂、入网、投运等诸多环节，都需要经过严格的静模测试验证继电保护装置的可靠性[3]。对于新建变电站，传统方法是采用继电保护测试仪对所有保护装置逐一开展静模测试，但变电站各电压等级不同类型保护装置通常多达几十套，目前存在测试时间长、测试效率较低的问题[4]。

为提升继电保护静模测试效率，相关文献主要围绕“自动测试”和“并行测试”开展了研究工作。文献[5-6]对智能继电保护的自动测试方法进行了研究，在智能继电保护测试仪的基础上，开发出针对智能继电保护的自动测试平台，通过提高测试的自动化程度来提高继电保护测试的效率，但是这些研究都是针对智能继电保护装置开发的，不适用于常规继电保护装置。文献[7]介绍了一种通用的继电保护自动测试系统，可以实现对常规站保护装置和数字化站保护装置的自动测试，但1次测试只能接入1台保护设备，无法对同类型的多个装置同时进行测试，对于保护多重配置的变电站继电保护测试以及集中式入网测试，单个装置依次进行测试将大幅降低测试效率，延长测试周期。文献[8]通过对继电保护装置测试用例的智能化自动生成技术的深入研究，提出一种基于模块接口标准化的自动测试系统架构方法，但是仅适用于继电保护装置现场检验，不具备普适性。文献[9-10]对测试用例的生成和重用性进行了研究，但是仍然局限于智能继电保护，且生成逻辑复杂，易用性和通用性程度不够。同时，这些自动测试系统在开发时只针对本次开发的测试仪提供控制接口，没有考虑对不同测试仪的兼容性。而现场和测试机构都有较多不同的测试仪，当需要更换其他测试仪进行测试时，测试用例需要重新编制。

针对上述问题，本文在分析传统继电保护测试系统的工作原理以及存在的缺点的基础上，阐述继电保护静模并行测试的概念，分析并行测试系统应具备的特点，然后对模板化的测试用例生成方法、批量操作多装置技术、测试系统接口能力提升方法以及测试仪统一控制技术等问题提出详细的解决方案。最后，通过110 kV线路保护并行测试实例，对本文提出的继电保护静态模拟并行测试系统的有效性进行验证。

1 测试系统工作原理

1.1 传统测试系统工作原理

传统继电保护测试系统是由测试系统后台、网络通信设备、常规(智能)继电保护测试仪和单个被测装置组成的闭环测试系统，常规和智能继电保护测试系统结构分别如图1和图2所示。

图1 传统常规继电保护测试系统结构Fig.1 Traditional conventional relay protection test system structure

SV—采样值，sampled value的缩写；GOOSE—面向通用对象的变电站事件，generic object-oriented substation event的缩写。图2 传统智能继电保护测试系统结构Fig.2 Traditional smart relay protection test system structure

测试系统后台通过网络通信设备实现继电保护测试仪与被测保护装置的通信，并进行测试命令的下发、测试结果的收集等，同时通过站控层控制软件实现对保护装置的参数、定值和压板的控制，保护录波的调取，动作报文的获取等。

上述传统继电保护测试系统存在诸多缺点，主要体现在以下4个方面：

a)目前的继电保护测试仪后台软件在编制测试用例时只能通过测试软件本身的递变、状态序列等基本功能来搭建复杂的测试脚本实现，由于不同继电保护装置测试用例差异很大，即使根据某种产品编制了测试用例，当产品、定值范围、误差要求改变或多台装置测试需求出现时，修改测试用例也耗费了巨大的精力，适应性非常差。

b)静模测试的过程同样是不断修改保护定值、投退保护控制字的过程，传统继电保护测试系统的站控层控制软件只能对单装置进行操作，当多个同类型装置同时进行测试时，修改定值、控制字及投退压板等需要耗费较长的时间。

c)目前的继电保护测试仪在设计时都是针对单装置的测试而开发的，在软件配置、硬件接口上不具备拓展性，不能满足多个同类型继电保护装置同时测试的需求。

d)不同厂家生产的继电保护测试仪所使用后台软件不同，在开发时基本上是以自行开发为主，采用自定义的测试参数，只针对本厂家的测试仪提供接口，在系统设计时没有考虑对其他厂家测试仪的兼容性[11]，因此即使是同类型的常规继电保护装置和智能继电保护装置也需要分开测试。

1.2 并行测试系统工作原理

针对传统继电保护测试系统的缺点，本文提出并行测试的概念，即常规保护和智能保护同时测试，同类型多装置同时测试，并构建了并行继电保护测试系统，其结构如图3所示。

图3 继电保护并行测试系统结构Fig.3 Relay protection parallel test system structure

继电保护并行测试系统能够使用同一个测试后台实现对智能继电保护测试仪和常规继电保护测试仪的同时控制，同时能够实现将多个同类型的智能继电保护和常规继电保护接入测试系统进行测试。根据测试实际需求，并行测试系统应具备以下特点：

a)能够模板化生成测试用例，在产品、定值范围、误差要求改变或需要多台装置并行测试时，可快速修改相关配置信息，生成测试实例。

b)站控层控制软件具备多装置操作能力，能够实现对继电保护装置的并行控制。

c)具有较高的接口能力，包括应用于智能继电保护测试的智能I/O接口、常规继电保护测试的模拟量接口及开关量接口。

d)能够对常规继电保护测试仪和智能继电保护测试仪进行并行控制，具有控制测试仪的通用接口。

2 并行测试系统解决方案

2.1 模板化测试用例生成方法

2.1.1 测试用例生成技术分析

目前继电保护装置主要分为线路保护、母线保护、变压器保护、发电机-变压器组保护、发电机保护、断路器保护等，通过分析这些保护的功能，静模测试项目主要分为以下几大类：

a)动作值递变测试：过/欠电流、过/低电压动作值(实现过/欠电流、过/低压等保护动作值和返回值的测试)；过/低频动作值(实现频率动作值的测试)。

b)动作/返回/延时时间测试：各保护功能的动作/返回/延时时间、重合闸、后加速时间等。

c)动作边界值测试：差动速断、告警等不能缓慢施加测试的保护动作值；阻抗测试。

d)滑差/滑压测试。

e)复压测试：低电压测试；零序/负序电压测试。

f)方向测试：过流保护方向测试；零序过流保护方向测试。

对于不同的测试项目，保护功能的原理决定其测试方法，测试用例的编制方法和测试结果的判定方法也随之确定。以动作值测试为例，1个动作值的测试用例由初始值、终止值、递变步长、递变时间组成，根据GB/T 7261—2016《继电保护和安全自动装置基本试验方法》[12]中对测试的要求，这4个值均为定值的变量，例如过量元件的动作值测试，各个变量与定值的关系见表1。

表1 变量与定值的关系Tab.1 Relationship between variables and settings

由此可以看出，这4个变量与定值的关系是固定的，因此可以从定值出发使测试用例的生成模板化。

2.1.2 测试用例生成方法

新生宝宝的身体各器官并没有发育完全，其中也包括胃肠道，所以下面所讲到的黄疸、湿疹等非肠道疾病都会使用到双歧杆菌益生菌制剂。人是一个整体，因为在母体中是无菌环境，益生菌制剂能帮助宝宝更快的建立一个双歧杆菌占优的人体正常胃肠道有益菌群，促进胃肠道发育成熟，从而促进消化排除黄疸减少过敏。

第1步：建立定值清单库，根据DL/T 478—2013《继电保护和安全自动装置通用技术条件》[13]的规定，检测机构需对保护定值的全范围进行检测，需要检测最小值、最大值，并抽测1个中间定值，根据被测的定值和误差要求进行判定。定值清单模板见表2。

表2 保护产品的定值清单模板Tab.2 Setting list template of protection products

表2中“清单库定值名称”为通用定值名称，不可修改，其他值按照被测产品的实际情况进行修改，“装置定值名称”为装置实际定值名称，方便后续保护测试和数据记录，“最大值”“最小值”“中间值”“误差1”和“误差2”列，方便后期测试值选择和误差判定。

第2步：建立基础功能模板库，包括与定值相关联的故障时模拟量设置模板、故障时间设置模板和递变设置模板，另外还包括与定值无关的故障前后模拟量输出状态模板、开关量输入输出模板以及故障前后延时模板等，供建立测试类型模板时调用。

第3步：建立测试类型模板库，通过对基础功能模板库排列组合，建立常用的测试类型模板库，例如动作值测试模板、动作时间测试模板、动作边界测试模板、变化率测试模板、复压定值测试模板、方向测试模板等，各个模板实现的功能见表3。

表3 模板及其功能Tab.3 Templates and implemented functions

第4步：依据被测产品的定值清单模板，与定值模板库中的定值、延时和误差对应关联起来，建立各个保护类型模板库。

第5步：生成测试实例，通过引用被测产品的定值清单模板即可确定实际施加的模拟量，并指定对应的开关量输入和输出值，快速生成测试用例。

该测试用例可以适应多台同类型装置测试，当出现多台测试需求时，根据已建立的产品类型模板库和定值清单，采取电流串联、电压并联的方式，输出与单台测试同样的施加量，只需为每台装置配置定义开关量输入、开关量输出即可。测试实例建立流程如图4所示。

图4 测试实例建立流程Fig.4 Test instance creation flow chart

2.2 批量操作多装置技术

现阶段IEC 61850标准[14]已在继电保护中得到广泛的应用，继电保护产品的设计规范、接口要求、定值清单格式、继电保护信息等也趋于统一。在此基础上，本文基于开源的IEC 61850底层函数库，开发了具备批量操作功能的站控层控制软件。该软件能够解析变电站配置描述文件(substation configuration description，SCD)文件，通过制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)协议与保护设备进行通信，开发了针对单装置和多装置的操作功能，具体功能见表4。根据多装置批量检测的需求，还开发了多装置批量检验功能，包括信息规范检验、定值区切换成功率检验、软压板投退成功率检验、整定值修改成功率检验。

表4 站控层控制软件操作功能Tab.4 Operation functions of station control layer control software

2.3 并行测试系统接口能力提升

目前，国内外主流测试仪在设计时都是为单装置的测试而开发的，后台软件能够配置的接口较少，而并行测试往往需要配置较多的模拟量、开关量接口。为了满足并行测试的需求，同时能够适应不同测试仪的接口能力，并行测试系统在设计后台测试软件时，统一按照模拟量输出4组电压(12相)、4组电流(12相)，开关量输出32对，开关量输入128对配置，该配置高于目前主流测试仪的配置，在与其他测试仪连接时，接口模块程序对测试模版中的配置量自动进行取舍。并行测试系统和主流测试仪的后台软件接口配置能力对比见表5。

表5 接口配置对比Tab.5 Comparison of interface configuration

常规装置的并行测试通过常规继电保护测试仪、电压电流放大器扩展装置和开关量输入输出扩展装置来实现并行测试系统接口能力的提升。电压电流放大器扩展装置能够和常规继电保护测试仪配合使用，提高并行测试系统模拟量接口的数量，开关量输入输出扩展装置和常规继电保护测试仪配合使用，提高并行测试系统开关量接口的数量。同时，测试仪和电压电流放大器扩展装置应具有较强的带载能力，可以同时给多台装置施加模拟量，以满足常规装置并行测试的需求。

智能装置的并行测试通过智能继电保护测试仪的计算单元和接口单元来实现接口能力的提升。计算单元通过实时Linux和高性能工控机完成对测试项目的实时解析执行[15]，智能保护的并行测试为了解决多间隔数据同步输出的难题，采用了整体数据打包再分组转发的模式，本文通过重写编写网卡驱动实现了数据的整体打包发送，通过专用交换机的分组技术实现了数据的分组转发。如图5所示，计算单元通过网卡将多间隔的报文打包发出，通过智能接口单元将接收到的报文转成光信号输出，并通过虚拟局域网(virtual local area network，VLAN)分组技术将报文分成不同间隔的数据[16]，由于计算单元和接口单元的时间抖动都很小，测试系统输出12个间隔数据的间隔抖动小于10 μs，满足标准关于点对点传输的要求[17-18]。

图5 点对点数据发送Fig. 5 Peer-to-peer mode schematic diagram

2.4 测试仪控制接口设计

后台软件使用接口操作测试仪，取得测试结果，接口链接库是接口的实现载体之一，通常由测试仪生产商根据自身硬件产品开发。

并行测试系统所用到的智能继电保护测试仪和常规继电保护测试仪提供的接口差异较大，不能用同一个后台软件同时控制。本文针对智能继电保护测试仪和常规继电保护测试仪的接口编写相应的接口链接库，不同的接口链接库将同一个测试用例解析成不同的测试仪指令，下发给指定的测试仪，并接收测试仪返回的数据和状态信息，生成文件交给后台软件，进而实现测试仪的并行控制。

图6为典型的并行测试接口应用模式，后台测试软件进行测试用例的统一编制，编制完成的测试用例保存为XML统一格式，DLL接口模块是针对不同测试仪的接口链接库，连接不同的测试仪即调用不同的接口链接库，将测试用例解析成该测试仪能够执行的指令，测试仪的执行结果也通过接口模块解析后返回至后台测试软件。

图6 并行测试接口应用模式Fig.6 Parallel test interface application mode

3 并行测试系统实例

3.1 测试实例建立

以110 kV线路保护装置并行测试为例，进行测试系统实例的构建，以验证本文方法的有效性，构建步骤如下：

a)根据GB/T 15145—2017《输电线路保护通用技术条件》[19]的要求，明确测试项目及技术要求，制订测试方案，见表6。

表6 110 kV线路保护测试方案Tab.6 110 kV line protection test scheme

b)建立测试用例库。依据测试方案，按照模板化的测试用例生成方法逐项建立详细的测试用例，并对测试用例的有效性进行验证，合格后提交测试用例库。

c)建立110 kV线路保护并行测试系统，如图7所示，具体设备数量见表7。

图7 110 kV线路保护并行测试系统结构Fig.7 110 kV line protection parallel test system structure

表7 并行测试系统的设备数量Tab.7 Device numbers for parallel test system

后台主机安装测试系统后台控制软件和保护装置站控层控制软件，通过3台以太网交换机与智能测试仪、常规测试仪及被测保护装置进行通信[20]。后台控制软件负责测试用例的模板化编制、试验设置、测试命令的下发和测试结果的整理，站控层控制软件负责保护装置定值压板的批量修改、保护报文的收集和保护录波的批量调取等[21]。测试时后台测试软件能够同时与智能测试仪和常规测试仪进行通信，接口模块将测试用例解析为不同的测试仪指令，从而实现常规装置和智能装置的并行测试。

实例中智能保护的并行测试系统采用1个计算单元和8台智能接口单元构建，被测装置包括3台110 kV线路智能保护装置，装置的生产厂家及型号见表8。计算单元通过实时Linux和高性能工控机完成对测试项目的实时解析执行，接口单元负责信号的输入输出，1个接口单元拥有24个光以太网接口、4个100 Mbit/s电以太网接口和4个1 000 Mbit/s电以太网接口，1个计算单元允许使用多达8个接口单元，完全满足智能保护并行测试的接口需求。智能保护装置通过光纤与接口单元的光口连接，获取对应间隔的SV报文和GOOSE报文。

表8 被测装置的生产厂家及型号Tab.8 Manufacturers and models of the device under test

实例中常规保护的并行测试系统采用1台常规测试仪、2台放大器和3台常规接口单元构建，被测装置包括3台110 kV线路常规保护装置，装置的生产厂家及型号见表8。常规测试仪能够输出4相电压和6相电流，放大器能够输出4相电压和6相电流，可与常规测试仪配合使用，1台常规测试仪允许使用多达2个放大器。常规接口单元可以扩展开关量输入和输出，1台测试仪允许使用多达3个常规接口单元。常规测试仪和放大器均具有较强的带载能力，在额定值下可以同时给十几台装置施加模拟量，输出20 A的情况下可以同时给8台装置施加模拟量，完全满足常规装置并行测试的需求。常规保护装置通过电缆连接电压电流和开入开出信号，不同的保护装置之间通过电压信号并联、电流信号串联的方式进行模拟量信号的连接。

d)开始测试，测试时点击测试用例库中的测试大组，即可选中测试项目进行测试。

3.2 并行测试结果分析

利用该并行测试系统同时给上述3台110 kV线路保护常规装置和3台110 kV线路保护智能装置进行SV测试和保护功能测试，考核并行测试系统的输出能力和保护功能测试能力。

3.2.1 SV测试

通过并行测试系统分别给保护装置施加0.05 A、1 A、20 A的电流和0.58 V、57.74 V、86.61 V的电压，6台线路保护装置的电流电压SV和平均误差见表9、表10，DL/T 478—2013中要求电流SV的误差不超过±2.5%或±0.01 A，电压SV的误差不超过±2.5%或±0.115 V，表中数据完全满足要求。

表9 电流SV测试结果Tab.9 Test results of current sampling values

表10 电压SV测试结果Tab.10 Test results of voltage sampling values

3.2.2 保护功能测试

以线路保护过流Ⅰ段动作值和延时时间测试为例，分析并行测试系统的保护功能测试能力。从已经建立完成的测试用例库中选取过流保护Ⅰ段的测试用例，对过流保护Ⅰ段动作定值和动作时间的最小值、中间值、最大值分别进行测试，6台线路保护的测试结果见表11和表12。

表11 过流保护动作值测试结果Tab.11 Test results of over current protection action values

表12 过流保护动作时间测试结果Tab.12 Test results of over current protection action time

DL/T 478—2013中要求动作值准确度误差不超过±5%或±0.02In(In为额定电流)，动作时间准确度(电流1.2倍整定值下)误差不超过±1%或±40 ms，从表中数据可以看出测试结果满足标准的要求。同时该并行测试系统可以自动判别测试结果，并统计保护动作报文信息，进一步提高测试效率，记录格式见表13。

表13 报文信息记录格式Tab.13 Recording format of message information

3.3 测试效率比较

与使用常规测试方式(单装置串行测试)且具有相同测试规模的检测任务进行比较，使用该并行测试系统进行测试时，在测试用例的编制、测试过程的实施、测试结果的判定等不同环节，测试效率均显著提升，测试周期大幅缩短，对比结果见表14。

表14 常规测试与并行测试的比较Tab.14 Comparison of routine test and parallel test

从表14数据可以看出，在相同的工作量下，常规测试模式需要同时投入6人、40 d才可以完成，而使用该自动测试平台只需要投入1人、15 d就可以完成，测试效率提高了数十倍。

3.4 在其他保护测试中的应用

除了上述110 kV线路保护并行测试实例，该并行测试系统还在其他电压等级的线路保护、变压器保护、母线保护、电抗器保护、电容器保护等的静模测试中得到了应用，装置类型涵盖常规保护、智能保护、混合保护等，试验结果均表明该并行测试系统满足各种保护设备并行测试的需求。

4 结束语

本文针对继电保护静模传统测试系统的缺点，构建了继电保护静模并行测试系统，并对并行测试系统应具备的特点给出了解决方案，解决了测试用例编制、站控层控制、接口能力限制及测试仪控制等并行测试的难点问题，实现了常规装置与智能装置的并行测试、多个同类型装置的并行测试。实际应用表明，该并行测试系统具备并行测试的能力，达到了预期效果，显著提高了测试效率，对继电保护静模测试具有良好的借鉴价值。

需要注意的是，静模测试的项目众多，不同测试项目之间差异很大，部分测试项目逻辑复杂，使用模板化方式编制测试用例仍然难以实现，还需要进一步研究。同时，市场上测试仪种类繁多，还没有解决全部测试仪的接口兼容性问题，如何将不同测试仪的接口标准化并最终实现标准化自动测试还需要深入研究。