智能变电站继电保护装置自动测试系统的设计和应用

崔楠楠，王家林

国网江苏省电力有限公司泰州市姜堰区供电分公司，江苏 泰州 225500

0 引言

继电保护装置是变电站工程的重要二次设备，其使用情况影响电网安全性、可靠性。自动测试是检测智能电网运行稳定性的一种有效方式，逐渐成为变电站管理工作中的重点[1]。纵观当前的应用情况，传统变电器始终在变电所内占据重要位置，发挥主导作用。很多变电站的继电保护装置存在对外接口不一致的问题，对自动测试形成一定制约。人工手动测试是调试继电保护装置的主要方式，然而，人为、外界环境等因素均影响测试效果[2]。为了改善以上情况，文章结合IEC 61850标准，设计了继电保护装置的专用自动测试系统，对测试系统进行了较全面的分析。

1 自动测试的原理和系统拓扑结构

自动测试的执行思路是应用PC机上的自动测试软件，和测试仪器及保护装置之间建立稳定的通信关系，在闭环状态下提升数据资源的共享效率。应用软件技术取代传统人工操作方式，高效执行定值修正、压板投退、检测数据的总结处置及测试报告的生成、填报等任务。测试人员仅需在系统建设早期制定标准化的测试方案模板即可，测试软件能自动调控测试任务的执行过程，进而实现一键全自动化的闭环测试。测试系统拓扑结构如图1所示。

图1 测试系统拓扑结构

2 系统框架

2.1 应用层

在截面设计过程中注重人性化，在功能区规划及界面呈现方面要做到科学部署，进而为广大用户提供一个结构简单、外形美观、实用性强、便捷化的操作平台。

（1）通信规约模块。在测试系统内，通信规约模块主要用于选择与模型解析方面，利用其完成继电保护测试中的通信调试及过程监测、编辑与通信规约选用等[3]。

（2）测试计划编辑模块。此模块利用XML数据描述语言存储测试计划，基于面向对象的界面协助用户完成测试、判断及结果输出，检测环境的原始化、压板投退、测试值的输出、检测结果判读、检验后环境复原等诸多环节在该模块内执行，且其具有复制、粘贴、导入及导出等批量化处置的功能。

（3）测试过程调控模块。此模块主要用于调度、控制测试过程，执行测试项目，选择测试实施模式等。测试项目应自带一个树形结构图，为工作人员选择不同层次的实验项目创造便利条件。测试过程内应有测试状态监视界面，其能动态呈现测试进程中的检测量、输入输出、时间等运行参数。测试中还允许临时调整被测项目的主要参数而不扰乱测试模板参数，这种约束条件能提升测试模板调试过程的便捷度。测试完成后要形成测试结果汇总信息，便于相关人员查阅相关调试信息。

（4）检测报告处置模块。此模块主要执行测试报告的简单处理工作，如报告内部分内容稳定整改、复制、保存、传输等，也具备设置检测报告操作权限的功能，能为不同测试人员提供差异化的应用权限，为测试内容的真实度、完整性等提供更大的保障。

（5）二次开发接口模块。该模块基于Lua语言提供二次开发的接口，使测试系统更具拓展性，使用过程更加灵活。

2.2 逻辑层

（1）测试仪控制模块。该模块主要用于探寻闭环测试与非闭环测试二者的平衡点位，能凸显侧重点。不仅要充分体现自动测试的属性，也不能缺少传统控制平台的通用性。

（2）保护通信控制模块。该模块主要用于制作与解析报文，并执行各种通信过程，包括调整部分定值、远程操控等。保护通信控制模块作为EXE的经典COM程序，具备高度开放的COM接口，为客户端程序调取应用创造基础条件；也可以基于多线程的形式和其他模块有效协同、配合。在设计该模块时，要建立足够大的内存存储接收到的报文，以供解析环节使用。模块应具备独立性，可以自行完成通信过程的调试、监视与规约分析任务，且能对外提供标准化的数据接口，方便他处调用[4]。

（3）信息管理模块。该模块主要用于存储及管理测试结果、测试模板运行参数、测试报告等信息，也能在数据分析及测试报告填写环节调取部分数据，在数据量较少时无须数据库的辅助。

（4）测试过程控制模块。该模块的功能主要是辅助其他模块执行自动测试过程。模块按标准要求取用部分测试模块内的数据，结合测试程序设计情况，基于标准数据接口、测试仪及通信控制模块之间的配合情况，完成合理修改定值、精准控制检测量输出、检测数据返回及判断测试结果等自动化过程，也能实时把测试数据填写至报告内。设计该模块时，要着重考虑和其他模块之间的配合情况，程序执行过程十分复杂，建议应用多线程设计策略。

（5）检测报告生成模块。该模块主要用于生成测试报告或报告模板，可以应用书签的形式将测试数据插进对应表格。

2.3 数据层

数据层主要用于存储自动测试相关数据，数据量较少时无须应用数据库，被存储数据的格式是XML。继电保护装置自动化测试中的数据类型以既往记录、报告信息、模板及实验参数等为主。

2.4 物理层

物理层囊括了自动测试进程中投用的所有物理部件与装置，如测试仪、PC机及具备相应功能的保护装置等。

3 关键技术

3.1 外部接口

结合既往研究情况，针对66 kV、35 kV及以下电压等级的继电保护装置，若其配置电子互感器，应按照间隔设定情况合并保护、测控、智能终端、合并单元。由此可以推测，在当前智能变电站项目内，针对66 kV、35 kV及以下电压等级的继电装置，应将电子互感器输出的小信号作为模拟量，开关量也要依照传统意义上的电气硬节点进行设置。如果继电保护的电压等级大于110 kV，要明确无论是模拟量采样还是开关量输入输出，都要统一为数字量，实质是基于IEC 61850标准的SV与GOOSE报文[5]。

IEC 61850标准是继电保护与监控系统之间通信关系建立的基础，严格依照MMS协议规范执行单播式通信过程。对于智能变电站所有功能，IEC 61850标准均设定了十分具体的逻辑节点与数据对象，供应了高度完整的数据对象阐述模型及面向对象的服务项目。以上这些抽象化的通信服务、对象及参数以特别的通信服务映射（SCSM）位载体被成功映射至底层应用程序，最后实现精准传输装置变位信息、投退软压板、整改定值及和后台交互等功能。

近几年，我国在智能变电站设计及建造中的投入不断增加，很多继电保护装置生产厂家在屡次的互操作试验检测中统一规范了装置的对外接口，为自动测试目标的实现创造了稳定的基础条件。

3.2 故障模拟系统

在建设继电保护装置自动测试系统时，一个运行状态稳定、可靠的故障模拟系统是基础条件。该系统要快捷、灵敏地模拟继电保护装置的各种故障问题，且要符合装置外部接口运行需求，即模拟量输出可以顺利选用小信号及SV报文输出形式，开关量可以兼容物理硬节点与GOOSE报文[6]。直接采样是当前国内常规的SV采样方式，SV采样值报文的传送间隔离散值应低于10 μs。很多学者通过大量的研究及现实检验后指出，若继电保护测试仪符合以上几点需求，就可以将其用作故障模拟系统。文章建设自动测试系统时选用了PNF801测试仪（北京博电公司）作为故障模拟系统，其具有8个光口，物理开出、开入节点各8个；内部配置了6组SV，离散度低于80 μs，采用12路的独立小信号模拟量。

3.3 测试用例

在继电保护装置自动化测试中，为了使测试用例实用有效，要把测试系统规划成开放系统，这样工程师可以应用灵活地测试检查各类继电保护装置。

具有代表性的保护功能测试用例主要由故障施加量和预期结果两大部分构成，前者又可以被细分成整定装置运行参数及设置故障参数两部分。整定装置运行参数时，需要明确自动测试前需要修正的装置参数，包括部分定值的整改、压板投退等；设置故障参数等同于定制故障所属类别，确定要为继电保护装置施用多大的故障量、设置故障持续发生时间等。在测试实践中需要对比实测值和预计值，客观分析二者的一致性，以此为据自动判断测试项目是否达到通过标准[7]。继电保护装置自动化测试形成的预期结果主要是保护变位及测试反馈信息，前者主要包括录入的保护动作报告资料及相关遥控变位信息，测试反馈信息则是被保护的输出信息。选用继电保护测试仪作为故障模拟系统时，人为故障参数就是测试仪的一个经典测试模块文件。对于测试仪来说，故障参数主要由故障量与IEC 61850标准调配两部分构成。在不同装置的测试中需要应用不同的测试用例，故障量参数维持恒定，而SV、GOOSE的APPID、Mac地址、DA数目等配置信息均会做出不同程度的调整。鉴于以上情况，要把故障量与IEC 61850配置分别存储成单独的文件。PNF801测试仪故障量参数是后缀名是“.tpl”的测试类文件，在正式进行自动测试检测前，要参照被测继电保护装置虚端子的连线状况，传导出相应的IEC 61850文件，这样能成功重用故障参数。

4 自动测试系统的应用

4.1 应用流程

将设计的自动测试系统用在220 kV光纤差动保护装置的测试中，系统应用的整体流程如下。首先，编制详细的测试方案，确定被测项目及要求，测试内容主要有主要性能指标、定值精准度、动作持续时间、保护逻辑、CT断线及GOOSE报文异常处理等；其次，构建测试用例库，即把测试方案作为依据，细化被测项目，定制测试用例，检测检验用例的有效性，确认合格构呈交测试用例库；最后，在测试过程中，由测试用例库内调取相应测试用例进行加载，进行自动化测试。

4.2 应用成效

应用自动测试系统完成了对继电保护装置的全自动化测试，在实际测试工作中取得了显著成效，极大地完善了项目测试过程，大幅度提升了测试效率；为继电保护装置重复测试提供了可靠的技术办法，能更好地暴露小概率问题，测试过程整体化；消除了传统人工测试中存在的不确定因素，使测试的统一性得到更大保障；伴随自动测试系统应用范畴的拓展，测试用例库的丰富度将会不断提高，取得更加理想的测试效果。

5 结束语

文章以继电保护测试仪为基础，配合业内既有的技术方法，成功设计了自动检测系统，有开发工作强度小、工作量偏少、快捷性高等优点。当前，该系统已经成功用于继电保护装置的测试领域，可以有针对性地稳定调整测试实施过程，进一步提升测试效率，及时发现继电保护产品的缺陷问题，使其质量得到更大保障，进而为我国智能变电站事业发展作出更大的贡献。