智能繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試方法

胡再超，姚 亮，張 堯

(國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

隨著電力系統(tǒng)發(fā)展及通信技術(shù)進(jìn)步，數(shù)字化變電站越來越受到專業(yè)人員的重視。經(jīng)過前期智能變電站試點(diǎn)工程的探索，在電力系統(tǒng)內(nèi)部，相關(guān)智能變電站的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)初步完善。2012年以來智能變電站的建設(shè)速度大大加快，其建設(shè)規(guī)模越來越大。在繼電保護(hù)設(shè)備從生產(chǎn)到運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，自動(dòng)化程度越來越高，測(cè)試作為研發(fā)生產(chǎn)、變電站投運(yùn)前的重要環(huán)節(jié)，由于自動(dòng)化程度還不高，導(dǎo)致繼電保護(hù)進(jìn)行全面測(cè)試需要占用很多的資源，工作效率較低，即便如此也不能保證對(duì)保護(hù)設(shè)備測(cè)試的充分性。尤其是智能變電站區(qū)別于傳統(tǒng)變電站的交流接入、開關(guān)量輸入和輸出，取消了傳統(tǒng)電纜連接，采用光纖通信技術(shù)，模擬量和開關(guān)量都不再是電信號(hào)，而以報(bào)文方式傳輸，因此亟需對(duì)目前測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)。通過自動(dòng)化測(cè)試，分析動(dòng)作報(bào)文和監(jiān)視智能終端動(dòng)作接點(diǎn)，測(cè)試每一個(gè)環(huán)節(jié)，提高研發(fā)效率和工程質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)繼電保護(hù)測(cè)試的現(xiàn)狀

目前繼電保護(hù)測(cè)試通常是基于保護(hù)原理的單一功能測(cè)試，在裝置層面的系統(tǒng)測(cè)試需要測(cè)試人員全程參與，而且測(cè)試項(xiàng)目有限[1，2]。以距離保護(hù)為例，其測(cè)試流程通常如下：（1）將測(cè)試儀相應(yīng)的電壓、電流輸出端子接到保護(hù)的電壓、電流輸入端子上；保護(hù)裝置的跳、合閘輸出接點(diǎn)連接到測(cè)試儀的開關(guān)量輸入端。（2）根據(jù)不同測(cè)試項(xiàng)目在保護(hù)裝置上修改定值參數(shù)及壓板。（3）選擇測(cè)試應(yīng)用軟件中距離保護(hù)功能測(cè)試組件，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)：故障類型、故障阻抗、故障電流及故障時(shí)間和方向等，確認(rèn)上述測(cè)試項(xiàng)目，聯(lián)機(jī)測(cè)試。（4）評(píng)估當(dāng)前項(xiàng)目結(jié)果是否正確，測(cè)試人員記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。然后進(jìn)入下一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，再重復(fù)第（2）～（4）步的過程。

由此可見整個(gè)測(cè)試過程每個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都需要人工參與，工作效率不高，而且對(duì)測(cè)試人員的水平有較高要求，在整理報(bào)告中的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)也往往容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤[3]。

2 智能繼電保護(hù)的特點(diǎn)

智能變電站是由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。智能變電站是應(yīng)用IEC 61850進(jìn)行建模和通信的變電站，體現(xiàn)在過程層設(shè)備數(shù)字化、整個(gè)站內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)化和開關(guān)設(shè)備智能化。智能繼電保護(hù)相對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，其模擬量輸入采用采樣值（SV）報(bào)文傳輸和開關(guān)量信號(hào)通過面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）報(bào)文傳輸，不再采用電纜接線的方式將跳閘信號(hào)、電壓電流跟測(cè)試儀連接，因此傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀不能滿足智能繼電保護(hù)測(cè)試的需求。對(duì)于采用SV和GOOSE的繼電保護(hù)裝置來說，需要開發(fā)全新的測(cè)試系統(tǒng)，解讀不是很直觀的報(bào)文，將抽象的信息實(shí)例化。由于智能繼電保護(hù)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，采用統(tǒng)一的面向?qū)ο竽Ｐ秃妥晕颐枋?，滿足應(yīng)用互操作和信息共享的要求，因此自動(dòng)測(cè)試軟件只要解析裝置中智能電子設(shè)備的能力描述（ICD）文件就能適應(yīng)于不同設(shè)備制造廠家生產(chǎn)的不同保護(hù)裝置。

3 基于IEC 61850智能變電站繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試

傳統(tǒng)繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試由通信控制程序和測(cè)試平臺(tái)程序組成。通信控制程序與保護(hù)裝置通信實(shí)現(xiàn)修改保護(hù)定值、投退功能壓板、上傳保護(hù)動(dòng)作信息功能。測(cè)試平臺(tái)程序除了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目，在完成測(cè)試后自動(dòng)生成文本格式的報(bào)告，還提供與通信控制程序的通信接口和規(guī)約。通過通信控制程序和測(cè)試平臺(tái)程序相配合，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的自動(dòng)測(cè)試。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，可分為以下5部分。

圖1 傳統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）自動(dòng)測(cè)試控制中心平臺(tái)連接保護(hù)裝置和測(cè)試儀；（2）測(cè)試平臺(tái)程序作為測(cè)試項(xiàng)目執(zhí)行單元輸出模擬量和開出量，按照測(cè)試方案配置測(cè)試項(xiàng)目；（3）由控制中心平臺(tái)發(fā)起自動(dòng)測(cè)試功能，通信控制程序?qū)崿F(xiàn)保護(hù)裝置的控制和接受信息反饋；（4）控制中心平臺(tái)根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目和裝置反饋信息智能評(píng)估保護(hù)動(dòng)作行為是否正確，并自動(dòng)進(jìn)入下一步的測(cè)試項(xiàng)目，直至完成保護(hù)裝置全部測(cè)試項(xiàng)目；（5）控制中心平臺(tái)完成保護(hù)裝置測(cè)試后，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

傳統(tǒng)測(cè)試方法的關(guān)鍵是測(cè)試模板的設(shè)計(jì)，測(cè)試模板主要包括2個(gè)部分：一是與保護(hù)裝置相關(guān)的定值、壓板等功能設(shè)置；二是與測(cè)試儀相關(guān)的輸入輸出配置。對(duì)于每一個(gè)繼電保護(hù)功能都需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)測(cè)試模板，再以距離保護(hù)為例，其需要測(cè)試其阻抗繼電器測(cè)量精度及邊界范圍、時(shí)間繼電器精度及阻抗定值、時(shí)間定值整定范圍邊界。因此需要在保護(hù)測(cè)試前建立測(cè)試模板庫，并驗(yàn)證模板文件的正確性和完整性。模板庫形成后，作為該裝置的測(cè)試用例，但在后續(xù)軟件版本的測(cè)試中，仍需要根據(jù)軟件的變動(dòng)情況做相應(yīng)調(diào)整[4]。

4 智能變電站繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試方法

智能變電站的繼電保護(hù)裝置應(yīng)用SV和GOOSE報(bào)文傳輸，因此通信控制程序要實(shí)現(xiàn)解析ICD文件對(duì)SV、GOOSE信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置，測(cè)試儀需既可以支持IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2幀格式發(fā)送SV、收發(fā)GOOSE信息，也能輸出符合IEC 60044-7/8規(guī)范的FT3格式的SV，訂閱/發(fā)布多個(gè)不同制造報(bào)文規(guī)范（MMS）和GOOSE控制塊信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置及智能操作箱的測(cè)試[5-8]，如圖2所示。

圖2 智能化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在對(duì)指定裝置測(cè)試過程中，傳統(tǒng)測(cè)試方法已基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試，但仍需人工維護(hù)測(cè)試模板。該模板對(duì)指定的裝置可以重復(fù)利用，但是不同軟件版本或保護(hù)裝置，由于保護(hù)功能和定值差異，測(cè)試模板需要重新編寫或修改，當(dāng)測(cè)試模板庫較多時(shí)，測(cè)試模板維護(hù)工作量就很大?；贗EC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠家的保護(hù)裝置具有信息共享，可實(shí)現(xiàn)互操。因此可以通過讀取保護(hù)的ICD文件，根據(jù)文件中保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）及LN對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象（DO）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成測(cè)試模板，能適用于不同功能的保護(hù)裝置。該方法提高了自動(dòng)測(cè)試的適應(yīng)性，簡(jiǎn)化了模板文件的設(shè)計(jì)工作，提高了工作效率。

4.1 通信控制程序

通信控制程序與保護(hù)裝置連接，根據(jù)自動(dòng)測(cè)試控制中心命令對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行以下操作：（1）整定定值、投退壓板；（2）上召保護(hù)裝置動(dòng)作事件、錄波并保存；（3）讀取保護(hù)裝置的ICD文件。

其通過自動(dòng)測(cè)試控制中心平臺(tái)接受測(cè)試平臺(tái)的反饋信息：（1）接收控制中心平臺(tái)的信息是否成功，成功則繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，失敗則提示通信失敗，自動(dòng)測(cè)試結(jié)束；（2）裝置運(yùn)行狀態(tài)異常或告警，若返回裝置告警，則立即停止測(cè)試，記錄裝置告警事件和日志等；（3）根據(jù)自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目，記錄保護(hù)裝置的動(dòng)作信息和錄波數(shù)據(jù)。自動(dòng)測(cè)試控制中心平臺(tái)界面如圖3所示。

4.2 保護(hù)測(cè)試模板的自動(dòng)生成

利用通信控制程序解析ICD文件，根據(jù)ICD文件中不同的LN種類調(diào)用基礎(chǔ)測(cè)試模塊，再通過LN中DO，對(duì)定值、壓板做詳細(xì)的功能測(cè)試，例如解析LN距離（Distance，PDIS）就可以調(diào)用阻抗測(cè)試的模塊，再根據(jù)“Phstr”相間距離Ⅰ段定值，結(jié)合“Rislod”負(fù)荷限制電阻定值、“LinAng”線路正序靈敏角等參數(shù)，“Phstr”中數(shù)據(jù)屬性（DA）“setMag”表示阻抗定值，“units”表示單位，“minVal”表示定值下限，“maxVal”表示定值上限，“stepSize”表示定值變化步長(zhǎng)等[9]，其他不再贅述，依此就可以生成詳細(xì)的測(cè)試用例，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相間距離Ⅰ段阻抗邊界的測(cè)量精度和段動(dòng)作時(shí)間的測(cè)試。

4.3 測(cè)試平臺(tái)程序

自動(dòng)測(cè)試控制中心通過通信接口及控制命令集與測(cè)試平臺(tái)程序交互。測(cè)試平臺(tái)程序解析測(cè)試模板，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試啟停和切換，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

測(cè)試平臺(tái)程序接受測(cè)試儀的反饋信息，每次測(cè)試判斷接收控制程序的信息成功與否，若測(cè)試項(xiàng)目結(jié)果出現(xiàn)非預(yù)期狀況，測(cè)試儀立即上送異常信息告知測(cè)試平臺(tái)該項(xiàng)測(cè)試失敗，測(cè)試模板中全部項(xiàng)目完成后，告知測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)根據(jù)這些反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)試，通過與自動(dòng)測(cè)試控制中心通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)試記錄。

4.4 MMS和GOOSE報(bào)文解析

MMS報(bào)文解析包括命令過程分析、MMS到ACSI（抽象通信服務(wù)接口）映射分析、各種信息與應(yīng)用數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，報(bào)文異常告警，監(jiān)測(cè)報(bào)文是否符合每種服務(wù)定義的報(bào)文格式，并按順序記錄報(bào)文。正在測(cè)試的保護(hù)裝置中遙信數(shù)據(jù)集如圖4所示。

GOOSE報(bào)文解析包括檢查報(bào)文APDU(應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)和ASDU(應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元)格式是否符合標(biāo)準(zhǔn)，通信過程分析（T0，T1，T2的時(shí)間間隔和對(duì)應(yīng)的StNum與SqNum變化關(guān)系），判斷報(bào)文是否存在發(fā)布超時(shí)、幀不連續(xù)、丟幀或者錯(cuò)序等。正在測(cè)試的保護(hù)裝置中GOOSE數(shù)據(jù)集如圖5所示。

4.5 測(cè)試報(bào)告的生成

根據(jù)測(cè)試結(jié)果自動(dòng)測(cè)試控制中心平臺(tái)程序應(yīng)用文本格式自動(dòng)輸出測(cè)試報(bào)告。同時(shí)文本格式報(bào)告有很好的可讀性和兼容性，便于進(jìn)一步整理分析和歸納總結(jié)。

5 結(jié)束語

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)信息共享和具有互操作性，測(cè)試平臺(tái)可以讀取不同設(shè)備制造廠家的保護(hù)裝置的ICD文件，驗(yàn)證ICD文件的標(biāo)準(zhǔn)化和合法性，解析文件中LN的DO實(shí)例中定值、控制字、壓板等自動(dòng)生成測(cè)試模板，根據(jù)研發(fā)和工程實(shí)際需要選取測(cè)試項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試。比較傳統(tǒng)測(cè)試方法，能自適應(yīng)不同保護(hù)裝置，既保證完整測(cè)試，又更大程度減少手動(dòng)測(cè)試工作。其不僅適用設(shè)計(jì)開發(fā)階段，也能應(yīng)用在裝置生產(chǎn)和工程投運(yùn)中，可提高開發(fā)制造產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短變電站調(diào)試工期。

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