基于IEC 61850的继电保护自动闭环测试平台的研发与应用

2021-12-16林世琦

河南科技 2021年18期

林世琦

摘要：从智能变电站二次设备检验测试的需求和原理出发，开发基于IEC 61850的继电保护自动闭环测试平台，以实现适用于智能变电站的继电保护装置的自动闭环测试。基于IEC 61850标准，设计自动闭环测试总体架构，建立自动测试模板及自适应运行方式判据，在线获取定值。按照自动测试模板，自动模拟量测、自动修改定值且自动投退软压板，构成闭环测试数据流，依据运行方式判据和继电保护装置的试验结果判断继电保护装置试验的正确性，并按照检验规程格式自动生成试验报告。实践证明，自动闭环测试平台可替代人工试验，有效提高了试验效率与正确率。

关键词：继电保护;自动闭环测试;IEC 61850标准

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0017-04

Abstract： Based on the requirement and principle of secondary equipment inspection and test in intelligent substation， an automatic closed-loop test platform based on IEC 61850 relay protection is developed to realize Applicable to intelligent substation and the automatic closed-loop test of digital relay protection device. Based on the IEC 61850 standard， the overall structure of automatic closed-loop test is designed， the automatic test template and adaptive operation mode criterion are established， and the fixed value is obtained online. The closed-loop test data flow is formed， the correctness of relay protection device test is determined according to operation mode criterion and relay protection device test result. It is proved by practice that the automatic closed-loop test platform can replace manual test and provide test efficiency and correctness.

Keywords： relay protection;closed-loop automatic testing;IEC 61850 standard

繼电保护装置在电力系统中具有重要作用。对于电力工作者来说，定期测试继电保护装置可发现隐藏的软件问题和硬件问题，是验证装置性能的重要措施。但是，随着电力系统的高速发展，传统变电站的试验设备和方法已经不能够满足当前变电站的智能化发展需求，因此进行智能化变电站的技术研究和试验尝试迫在眉睫。

智能变电站技术主要体现在二次专业方面，而二次专业的主要工作在于继电保护调试。本文着力研究继电保护调试新技术、新方法及新手段，开发基于IEC 61850的继电保护自动闭环测试平台，依据数字化继电保护检验规程，实现典型智能保护装置整套测试过程的标准化自动闭环测试[1-8]。开发相关型号专门的测试模板文件用于保护，实现各类保护装置的现场检验自动化和标准化。自动测试程序通过与保护装置制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）通信接口建立通信链接，直接获取保护装置的定值，并读取保护采样值和动作报文信息进行上传[9-11]。程序在完成测试后直接由数字测试仪返回GOOSE和保护动作报文，过程由程序自动完成，不需要人工操作完成，可以按照原先设置的判据条件对结果开展全面评估[12-13]。测试结束后，程序可自动将结果按照相应格式要求保存到测试报告中并生成试验报告，对于推进智能变电站技术改革和保障作业检修安全具有重要意义。

1 系统硬件结构

传统的继电保护测试系统结构如图1所示。通过PC机向测试仪下达控制命令，向待检测待保护装置输出电压和电流，以模拟系统在各种情况下的运行状态。同时，系统会及时检测和记录保护装置反馈的动作状态、响应时间等信息，以实现对保护功能的测试[14]。

本文提出的基于IEC 61850的继电保护自动闭环测试系统，主要由PC机、被测的保护装置以及继电保护测试仪等组成，结构如图2所示。PC机主要由内部网络控制继电保护测试仪的数据上传和输出;继电保护测试仪通过光纤（SV采样测量、GOOSE面向通用对象的变电站事件）对保护装置进行投退软压板、加模拟量及获取GOOSE报文等[15-16];保护装置的MMS报文通过专用网络上传到PC机，使得系统数据流构成闭环，从而实现闭环自动测试。

2 软件架构

该软件架构的设计思想是将数字继电保护装置自动测试复杂的应用系统按照各部分的对应功能不同，分成许多差异化的组件模块，同时组件模块可以自给自足。从逻辑上依据数据的传递将软件系统分成三层体系结构，以此定义基本框架和功能模块，如图3所示。

三层体系分为硬件接口层、测试接口层和界面层。硬件接口层主要负责底层的数据通信，包括同继电保护测试仪器和保护装置的通信;测试接口层主要负责测试模块的执行和测试功能管理;界面层主要是用户测试人机对话设置，包含测试模板、报告模板以及测试控制等。

3 关键技术

3.1 一体化设计

在该保护测试自动化平台中，将所有待测试的项目编制成标准的测试模板，按照保护测试的规范和标准对对象设置相应测试环境，以减少测试造成的误差，并在相关规程标准要求下形成报告模板。保护测试自动化平台试验过程中利用两种模板进行测试，分析测试结果，判读试验结果是否合格，并在测试结束后将数据填写到报告中。

3.2 自动测试模板建立

基于IEC 61850的数字测试仪通用测试平台，应用数据库和模块化结构技术。测试仪采用自动测试模板方式定制所需要的测试应用程序。由于每个功能模块均为单独设计，因此该测试模块具备灵活性和通用性，易维护和升级。

不同的测试功能可以采用测试模板文件中多样的测试模板数据库来实现，如图4所示。对应的程序运作流程为先从测试模板文件中提取所需要的运行参数，再将所得到的结果保存在报告数据库中。程序可以通过人机界面显示结果，并形成测试报告。

模块调用、测试项目、测试参数、整定值、通用参数、开关量、评估条件以及接线图等不同的要求，是通过测试模板定义的。调用不同的基础模块，其对应的参数项类型、数量及取值范围有所不同，必须一一对应。

通过调用不同的模块和定义测试项目及测试点，模板文件需定义整定值和通用参数。该测试软件可以应用户需求定义多风格的界面。软件使用TPL文件进行编写，其中TPL是超级文本预处理语言（Hypertext Preprocessor，PHP）模板引擎里的模板文件。图5为自动测试模板人机对话界面。

测试模板文件是以不同保护原理的测试项目为基本单元。一个基本单元至少存在一个测试点，一个测试点包含基础测试程序模块的全部参数。通过一个基本单元中的不同测试点，调用同一个基础测试程序模块中相同的参数种类和定义，可以实现同一原理不同故障相的测试。

同样，一个测试模板文件中可以只有基本单元。不同测试原理的基础测试程序模块可以通过多个基本单元调用，满足一个测试模板可以完成多种测试的需求。

3.3 试验报告自动生成

系统基于Word平台进行测试报告的处理。首先在Word上建立标准的报告模板，其次由程序对模板进行填充，最后生成Word文档的试验报告。在生成报告的过程中，系统会自动结合相关规程进行检验，将结果添加到指导书中。如图6所示，点击测试组件功能栏中的灯泡会出现一些书签名，可在Word报告中的相应位置插入书签。输入测试组件中的书签名，则该量就会插入Word报告中。

软件可以通过MMS网直接从保护装置中获取并解析各个保护设备的定值单文件。微软提供office系列组件的COM可操作对象接口_application、_document、_table、_worksheet以及_workbook等，可以使用现有的编程语言操作并导出信息。同样的，测试结束软件生成测试报告时也是通过控制上述COM接口将Word文件中的表格補充完整，从而生成测试报告。

3.4 自适应运行方式判据功能的建立

在测试过程中，根据保护的定值、装置的额定参数、检验的误差以及保护跳闸的逻辑，判断得到的测试结果是否合格。自动判据结合保护测试项目，通过编辑判据表达式实现判断。判据表达式的界面如图7所示。

3.5 定值获取与软压板投退

通过与智能保护装置建立通信链接，直接从装置中获取定值单数据，实现参数数据的录入，如图8所示。点击确认后，整定值的数据将对应赋值软件的变量名参与测试计算，以实现保护定值与软件程序的定值模板的映射。系统根据定值数据和规程标准规定的误差，自动计算测试装置输出所需的参数。

软压板（或控制字）的投退直接在模板文件TPL里编写，通过测试程序，经MMS控制保护装置完成。针对试验写入相应软压板（或控制字），没有写的软压板（或控制字）代表退出，反之表示投入。

3.6 IEC 61850协议数据解析及输入输出控制模块

IEC 61850协议数据解析与输入输出模块在本设计系统中起着承上启下的作用，能够将订阅的底层数据解析传送给应用层完成测试结果的判断，同时也可根据应用层的指令完成测试需要的数据发送。该模块按照数据功能的不同，分成GOOSE、SMV以及MMS这3个数据处理模块。其中，GOOSE、SMV数据可以由测试模块输入输出控制处理。GOOSE（SMV）报文由程序控制，发布（输出）测试过程中需要的开关量（交流量）。通过GOOSE订阅（接收）的数字量和MMS获得的交流量送至试验结果校核模块，判断试验结果的正确性。该模块还可以通过MMS交互实现定值读取和压板投退。

4 工程实践

以某变电站线路保护设备测试为例，按照检验规程测验，测试步骤如下：①试验装置接线，包括电源及SMV、GOOSE光纤的连接和MMS网络口的连接;②选择装置的基本信息，如电压等级、设备型号等;③选择测验项目，以PSL-603的测验项目首检为例，包括零漂、幅值特性、相位特性、差动保护、接地距离保护以及相间距离保护等定值检验项目;④将被测装置定值导出，然后导入软件界面上的整定值列表;⑤根据选择的试验项目，自动闭环执行测试项目，执行情况如图9所示。

自动闭环测试执行过程中，测试平台会根据获得的GOOSE跳闸命令报文和MMS的保护交互信息，判断结果是否在检验规程的合格范围。此外，测试报告内容由系统自动生成并填充。

5 结语

基于IEC 61850继电保护自动闭环测试平台主要是基于IEC 61850的统一化和标准化设计，利用自动测试模板、自动报告模板以及自动判决条件等有效技术手段，实现数字化继电保护自动闭环测试。该平台无须人工干预，不但可以大大节约调试时间，而且可以达到100%的正确率，可广泛应用于智能变电站二次专业的调试。

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