智能變電站整體集成仿真測試系統(tǒng)研究

趙國慶，季晨宇，張海東，李云鵬，黃樹幫

（1.中國電力科學(xué)研究院南京分院，江蘇南京210003；2.南通供電公司，江蘇南通226001）

智能變電站整體集成仿真測試系統(tǒng)研究

趙國慶1，季晨宇2，張海東1，李云鵬2，黃樹幫1

（1.中國電力科學(xué)研究院南京分院，江蘇南京210003；2.南通供電公司，江蘇南通226001）

新一代智能變電站自動化系統(tǒng)采用了很多新技術(shù)、新設(shè)備。但對這些設(shè)備及系統(tǒng)的檢測在手段和方法上存在不足?；诖碎_展了相關(guān)技術(shù)研究，搭建了智能變電站整體集成仿真測試環(huán)境，提出采用模擬二次設(shè)備替代實(shí)際設(shè)備參與系統(tǒng)級測試、編輯測試腳本實(shí)現(xiàn)自動化測試的方法，編制了單設(shè)備級、系統(tǒng)級的測試用例及流程。該測試系統(tǒng)應(yīng)用于智能變電站檢測并完成對自動化系統(tǒng)設(shè)備級、系統(tǒng)級的測試，可大大提高測試效率。

整體集成仿真測試；模擬二次設(shè)備；自動閉環(huán)測試；腳本設(shè)計(jì)

國家電網(wǎng)公司于2012年正式提出新一代智能變電站概念并啟動研究與建設(shè)工作。新一代智能變電站理念先進(jìn)，采用了最新的技術(shù)和設(shè)備，是智能變電站建設(shè)模式的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)和重大創(chuàng)新，特別是電子式互感器、智能組件、數(shù)字化保護(hù)測控、以太網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對檢測提出了新的要求。除裝置常規(guī)測試外，自動化檢測體系還需具備IEC 61850模型及通信服務(wù)一致性、虛端子、網(wǎng)絡(luò)通信等方面的檢測流程和手段?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)和檢測手段和方法、效率有待改進(jìn)，尤其是系統(tǒng)和智能化應(yīng)用測試方面。主要表現(xiàn)在［1-3］：（1）檢測手段與檢測效率有待提高。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷升級以及智能變電站的建設(shè)，新設(shè)備及設(shè)備升級入網(wǎng)測試的數(shù)量增加，且多為重復(fù)性測試，測試效率降低。而以往的測試手段已經(jīng)越來越難以實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)測試海量任務(wù)的自動測試，自動獲取測試結(jié)果。（2）系統(tǒng)級檢測環(huán)境需求。目前大多數(shù)檢測機(jī)構(gòu)的檢測對象是單設(shè)備，由于智能變電站二次系統(tǒng)測試和集成調(diào)試的環(huán)境搭建工作量大、配合環(huán)節(jié)多、調(diào)試周期長，除特殊情況外，一般采用現(xiàn)場聯(lián)調(diào)的方式。（3）新的測試需求產(chǎn)生。智能變電站應(yīng)用一些高級應(yīng)用，如智能告警、順序控制、無功控制優(yōu)化、數(shù)據(jù)辨識等，難以進(jìn)行整系統(tǒng)集成調(diào)試。各應(yīng)用功能集成測試和調(diào)試，需將二次系統(tǒng)的各種設(shè)備集中在一起，完成各設(shè)備配置和聯(lián)調(diào)、虛端子連接、傳動對點(diǎn)以及監(jiān)控系統(tǒng)各應(yīng)用配置和組態(tài)之后才能進(jìn)行各高級應(yīng)用功能的測試和集成調(diào)試。對此，文中研究了適用于智能變電站的整體集成仿真測試系統(tǒng)，對二次系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行檢測試驗(yàn)，以滿足智能變電站自動化系統(tǒng)與設(shè)備的入網(wǎng)檢測需求。

1　整體集成仿真測試環(huán)境

智能變電站的全站配置描述文件（SCD）為模擬設(shè)備替代真實(shí)設(shè)備參與仿真環(huán)境提供了基礎(chǔ)。模擬設(shè)備根據(jù)SCD文件為被試設(shè)備提供測試信號，同時(shí)接收被試設(shè)備的輸出信號。仿真系統(tǒng)通過檢測被試設(shè)備的響應(yīng)、輸出信號以及試驗(yàn)環(huán)境與被試設(shè)備之間的信息交互過程；檢測被試設(shè)備配置、輸入輸出以及虛端子聯(lián)系等的正確性，解決被試設(shè)備的互聯(lián)互通問題。

結(jié)合實(shí)際測試需求，建立整體集成仿真測試系統(tǒng)，如圖1所示，其關(guān)鍵在于測試環(huán)境能夠真實(shí)模擬被試智能變電站二次系統(tǒng)所有信息交互的數(shù)據(jù)，并且測試環(huán)境的輸入/輸出數(shù)據(jù)由SCD決定。

圖1整體集成仿真測試環(huán)境構(gòu)建

系統(tǒng)中測試主機(jī)起到實(shí)現(xiàn)控制、管理作用，建立測試運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)要求選擇部分或全部測試用例，執(zhí)行測試過程和生成測試報(bào)告等。測試主機(jī)連接模擬合并單元、模擬智能終端、模擬測控設(shè)備等模擬設(shè)備，同時(shí)結(jié)合繼電保護(hù)測試儀、時(shí)間同步裝置、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀等測試設(shè)備。通過融合測試儀器及工具，測試系統(tǒng)中涵蓋了單設(shè)備測試平臺、通信規(guī)約測試平臺、模型測試工具、網(wǎng)絡(luò)交換測試平臺、時(shí)間同步測試平臺、高級應(yīng)用測試平臺等，利用腳本化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各個(gè)測試平臺進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)各測試平臺功能聯(lián)動，從而完成變電站自動系統(tǒng)設(shè)備級、系統(tǒng)級一系列的測試工作，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的自動化系統(tǒng)與設(shè)備一體化檢驗(yàn)測試系統(tǒng)。

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1模擬二次設(shè)備

目前變電站自動化對通信的依賴、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展為模擬二次設(shè)備的研制帶來了契機(jī)。模擬二次設(shè)備就是模擬電網(wǎng)正常運(yùn)行或各種故障情況下智能變電站真實(shí)二次設(shè)備的對外輸出。模擬設(shè)備主要模擬實(shí)際裝置的外特性，并不涉及具體的裝置內(nèi)部邏輯，因此可與實(shí)際的裝置型號解耦。模擬二次設(shè)備主要包括模擬過程層設(shè)備、模擬間隔層測控設(shè)備。模擬二次設(shè)備都是基于模型文件驅(qū)動的。

2.1.1模擬過程層設(shè)備

模擬過程層設(shè)備包括模擬合并單元以及模擬智能終端。

模擬智能終端外特性主要實(shí)現(xiàn)面向通用對象的變電站事件（GOOSE）數(shù)據(jù)的輸入/輸出，其提供多個(gè)以太網(wǎng)光纖接口，以模擬多臺智能終端的外特性。主要模擬一次設(shè)備的位置節(jié)點(diǎn)及設(shè)備的告警信號，同時(shí)接收間隔層保護(hù)、測控的命令并作出響應(yīng)。位置及告警信號采用人工置數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收到GOOSE命令后可相應(yīng)改變位置狀態(tài)。

模擬合并單元主要實(shí)現(xiàn)采樣值（SV）數(shù)據(jù)的輸出，其提供多個(gè)以太網(wǎng)光纖接口，可模擬多臺合并單元，以實(shí)現(xiàn)與保護(hù)裝置的點(diǎn)對點(diǎn)連接和與測控裝置的組網(wǎng)連接，并能夠模擬點(diǎn)對點(diǎn)和在組網(wǎng)連接時(shí)的不同特性。設(shè)計(jì)模擬合并單元時(shí)要注重考慮SV數(shù)據(jù)量、時(shí)間精度等，需滿足文獻(xiàn)［4］的要求。

功能插件作為裝置的核心模塊，負(fù)責(zé)仿真過程層設(shè)備在電網(wǎng)正常運(yùn)行或事故狀態(tài)下通信行為，并對間隔層設(shè)備的過程層通信性能進(jìn)行測試。這些功能插件不僅能夠仿真單臺過程層設(shè)備的某種報(bào)文，而且能夠仿真變電站過程層設(shè)備群在特定環(huán)境下的整體通信行為。根據(jù)實(shí)際智能終端、合并單元的功能特性，優(yōu)化各個(gè)功能插件，設(shè)計(jì)了通用硬件平臺。其核心為中央處理器（CPU）模件，只需要更改其中的程序，就可模擬一個(gè)間隔中的合并單元和智能終端通用硬件平臺如圖2所示。硬件平臺的性能主要表現(xiàn)在CPU的選擇上，采用PowerPC+現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）架構(gòu)。PowerPC采用Freescale公司的MPC8247，由CPU和通信模塊（CPM）雙核組成，總線頻率66 MHz，CPM頻率132 MHz，內(nèi)核頻率264 MHz；FPGA采用Xilinx公司的XC3SD1800A，工作頻率可達(dá)250 MHz。它以簡單的設(shè)計(jì)、高效的指令集，為用戶提供了一個(gè)全新的高端通信系統(tǒng)解決方案。

圖2模擬過程層設(shè)備通用硬件平臺

另外，其擁有獨(dú)立的FLASH來存儲數(shù)據(jù)。模塊的FLASH被分成兩個(gè)存儲空間，第一個(gè)空間存儲預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序，模塊上電后便開始自動發(fā)送根據(jù)此區(qū)域數(shù)據(jù)產(chǎn)生的報(bào)文，第二個(gè)空間用于存儲配置系統(tǒng)產(chǎn)生特定的仿真數(shù)據(jù)，如各種故障發(fā)生時(shí)數(shù)據(jù)。

軟件系統(tǒng)采用VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，Tornado平臺上進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用程序功能。模擬合并單元功能主要包括配置文件解析、錄波文件解析、IEC 61850-9及IEC 60044-8報(bào)文生成及發(fā)送。模擬智能終端功能主要包括配置文件解析、信息模型解析、GOOSE報(bào)文接收與發(fā)送，延時(shí)不大于3 ms，可訂閱控制塊數(shù)量大于15個(gè)。

2.1.2模擬間隔層設(shè)備

模擬間隔層設(shè)備主要模擬間隔層測控設(shè)備［5，6］。測試時(shí)可為智能終端提供GOOSE命令、測控裝置提供GOOSE聯(lián)閉鎖信號，也能接收智能終端的GOOSE信號以及合并單元SV數(shù)據(jù)。同時(shí)還能為站控層設(shè)備提供制造報(bào)文規(guī)范（MMS）報(bào)文信號，模擬與站控層設(shè)備之間的遙控操作。模擬間隔層測控設(shè)備主要包括MMS應(yīng)用仿真、GOOSE仿真。

MMS仿真功能包括遙信、遙測、遙控等應(yīng)用仿真，可仿真IEC 61850/MMS服務(wù)器的通信行為和響應(yīng)邏輯，可與站控層的IEC 61850客戶端系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，并進(jìn)行調(diào)試。

GOOSE仿真功能可仿真IED作為GOOSE報(bào)文發(fā)布方/接收方的通信行為，用于具有GOOSE收發(fā)關(guān)系的兩個(gè)IED之間GOOSE信號對點(diǎn)調(diào)試，具體功能包括GOOSE信號發(fā)送、GOOSE信號接收監(jiān)視以及信號邏輯驅(qū)動等。

模擬間隔層設(shè)備的體系架構(gòu)如圖3所示，可知其基于模型驅(qū)動，通過解析模型獲取虛擬信號庫及內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，MMS及GOOSE相關(guān)的仿真功能基于此進(jìn)行相關(guān)配置，結(jié)合IEC 61850的通信服務(wù)發(fā)送或接收仿真數(shù)據(jù)，從而完成模擬測控設(shè)備功能。仿真的基礎(chǔ)是建立虛擬仿真信號庫。通過解析模型，遍歷模型中的所有數(shù)據(jù)集、邏輯節(jié)點(diǎn)，以獲取虛擬仿真信號庫。仿真信號支持多態(tài)多時(shí)序，即具有初始狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)兩種狀態(tài)，同時(shí)可設(shè)定運(yùn)行狀態(tài)下的多個(gè)時(shí)間序列的狀態(tài)變化過程。

圖3模擬間隔層設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)

2.2高級應(yīng)用測試用例設(shè)計(jì)

測試用例是測試進(jìn)行的指導(dǎo)性文件，根據(jù)其可以完成具體的測試實(shí)現(xiàn)。通過對SCD文件解析、提取，并根據(jù)功能約束對測試對象進(jìn)行分類，可以形成單設(shè)備的測試用例庫。測試人員對此設(shè)定相關(guān)參量即可獲得測試用例。此節(jié)主要研究高級應(yīng)用的測試用例設(shè)計(jì)。

高級應(yīng)用主要包括順序控制、智能告警、數(shù)據(jù)辨識?；诟呒墤?yīng)用功能研究測試要求及方法，從而形成測試用例。以智能告警中“長時(shí)間反復(fù)出現(xiàn)的普通告警自動轉(zhuǎn)為異常告警功能”為例，如表1所示。

表1智能告警測試用例

2.3自動測試技術(shù)

在測試中存在大量重復(fù)性工作，研究并采用自動化測試技術(shù)可以減少部分工作量。自動化測試通常使用測試腳本或者其他代碼驅(qū)動應(yīng)用程序。這一切可以通過可視用戶界面完成，也可通過直接命令（從客戶端發(fā)向服務(wù)器，以模仿瀏覽器發(fā)送的命令）完成［7］。測試系統(tǒng)通過可視用戶界面連接各個(gè)測試平臺，通過腳本命令的方式調(diào)用測試用例完成測試。

測試腳本是具有正則語法的數(shù)據(jù)和指令的集合，測試用例腳本化是實(shí)現(xiàn)自動化測試的關(guān)鍵。根據(jù)測試用例庫中的測試用例，利用腳本語言編寫成腳本測試程序，通過腳本解釋器一次性執(zhí)行多個(gè)測試用例，以便實(shí)現(xiàn)測試自動化。自動測試主要包括測試腳本的管理和編制。

腳本管理工具主要功能是實(shí)現(xiàn)對文件管理，并對文件進(jìn)行獲取和分析、歸檔和索引，同時(shí)為相應(yīng)的測試腳本建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。測試腳本管理工具采用C++和Lua混合編程，主控程序和人機(jī)界面等采用C++編程。在主控程序中嵌入Lua腳本解析器，用于解析執(zhí)行測試腳本。

自動測試可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試，即測試主機(jī)解釋執(zhí)行Lua測試腳本，把測試腳本中的測試數(shù)據(jù)通過測試儀（測試設(shè)備）加給被測裝置，收集被測裝置的輸出結(jié)果信息，測試腳本根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)完成測試結(jié)果的判斷，形成閉環(huán)測試。

3　系統(tǒng)測試流程與實(shí)現(xiàn)

3.1單設(shè)備測試

單設(shè)備自動閉環(huán)測試如圖4所示。單設(shè)備測試主要采用標(biāo)準(zhǔn)測試儀作為測試設(shè)備。目前較多的測試設(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)，設(shè)備廠家可以提供應(yīng)用功能程序相應(yīng)的二次開發(fā)接口。根據(jù)測試需求設(shè)計(jì)測試模板，通過編輯測試模板，對二次設(shè)備測試（包括電量和非電量測試）進(jìn)行完整定義。測試界面展現(xiàn)在測試主機(jī)上，測試主機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的腳本程序，解析模板測試數(shù)據(jù)，并調(diào)用對應(yīng)接口函數(shù)，使得測試儀向測試設(shè)備提供對應(yīng)功能的測試信號；同時(shí)獲取被測設(shè)備輸出對應(yīng)信號，對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理分析與理想值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)測試，并可自動生成word等格式測試報(bào)告。

圖4單設(shè)備自動閉環(huán)測試

以合并單元自動化閉環(huán)測試為例，給出其測試接線及測試方法。測試主機(jī)通過動態(tài)鏈接庫（DLL）定制接口可以控制合并單元測試儀可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）模擬量輸出 （6路電壓120 V；6路電流12.5 A），8路開入檢測，4路開出控制；（2）IEC 61850-9-2報(bào)文輸出和輸入；（3）國網(wǎng)FT3報(bào)文輸出和輸入；（4）模擬量和IEC 61850-9-2報(bào)文混合輸出 （模擬量輸出3路電壓3路電流）；（5）模擬量和FT3報(bào)文混合輸出（模擬量輸出3路電壓3路電流）；（6）GOOSE報(bào)文輸入檢測、GOOSE報(bào)文輸出。

測試接線如圖5所示，測試時(shí)，不需要改變接線，即可完成SV精度 （幅值誤差、相位誤差、復(fù)合誤差等）、SV通道延時(shí)、SV報(bào)文異常、SV報(bào)文離散性、GOOSE報(bào)文異常、功率誤差、電壓切換及電壓并列邏輯等測試，并自動生成word等格式測試報(bào)告。

圖5合并單元自動閉環(huán)測試

3.2高級應(yīng)用閉環(huán)測試

高級應(yīng)用測試自動化閉環(huán)測試環(huán)境連接如圖6所示。其中測試設(shè)備主要應(yīng)用間隔層模擬二次設(shè)備。測試主機(jī)通過將包含測試數(shù)據(jù)的腳本發(fā)送給測試設(shè)備及工具，測試設(shè)備及工具解析腳本，并自動對被測設(shè)備進(jìn)行測試，并獲取測試設(shè)備的輸出結(jié)果。測試設(shè)備及工具將測試結(jié)果進(jìn)行處理，并發(fā)送給上位機(jī)，以自動生成測試報(bào)告。其主要測試步驟如下：（1）根據(jù)測試用例及實(shí)例化配置工具，準(zhǔn)備測試數(shù)據(jù)；可以形成測試模板，通過編輯測試模板，對高級應(yīng)用測試（包括電量和非電量測試）進(jìn)行完整定義；（2）對測試內(nèi)容進(jìn)行分解，形成順序步驟，利用測試設(shè)備提供的相關(guān)函數(shù)庫或者對應(yīng)的功能接口，編寫腳本代碼，形成測試腳本；（3）從腳本庫中選擇相應(yīng)的測試腳本；（4）確定測試設(shè)備與被測設(shè)備之間的接線正確無誤；（5）運(yùn)行腳本對高級應(yīng)用進(jìn)行測試，并獲取測試結(jié)果，形成相應(yīng)測試報(bào)告。

圖6高級應(yīng)用閉環(huán)測試

以高級應(yīng)用智能告警測試為例，原來人工測試是根據(jù)測試用例的要求一個(gè)一個(gè)進(jìn)行配置數(shù)據(jù)，并觀察結(jié)果顯示是否正確；使用腳本自動化測試技術(shù)，可以將智能告警相關(guān)的測試用例先按順序配置好測試數(shù)據(jù)，將測試數(shù)據(jù)一并經(jīng)過模擬二次設(shè)備或者后臺對應(yīng)數(shù)據(jù)庫發(fā)送給高級應(yīng)用，運(yùn)行于監(jiān)控主機(jī)的一體化業(yè)務(wù)平臺提供接口獲取高級應(yīng)用輸出結(jié)果，自動與測試用例中期望結(jié)果進(jìn)行對比，完成智能告警的自動閉環(huán)測試。

3.3實(shí)踐與應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，搭建仿真測試系統(tǒng)，融入智能終端、合并單元、保護(hù)測控裝置、監(jiān)控后臺等真實(shí)二次設(shè)備，根據(jù)測試用例及測試規(guī)范，開展單設(shè)備級、系統(tǒng)級測試工作。測試過程分為正常測試、錯(cuò)誤測試兩方面。正常測試即真實(shí)設(shè)備配置正確的測試，側(cè)重于設(shè)備及系統(tǒng)的調(diào)試、測試和功能驗(yàn)證；錯(cuò)誤測試即人為地設(shè)定被測設(shè)備的錯(cuò)誤，如裝置模型配置錯(cuò)誤，異常數(shù)據(jù)設(shè)定等，側(cè)重于測試系統(tǒng)的自身功能驗(yàn)證。系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，設(shè)定問題均被測出，系統(tǒng)可完成單設(shè)備級及系統(tǒng)級測試。在信號對點(diǎn)等大量重復(fù)性測試方面，與以前人工測試相比，測試手段更好，效率提升明顯，這也驗(yàn)證了整體集成仿真測試系統(tǒng)的測試能力。

4　結(jié)束語

從智能變電站自動化系統(tǒng)與設(shè)備的測試需求出發(fā)，研究并采用模擬設(shè)備技術(shù)、自動測試技術(shù)、測試用例等關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了整體集成仿真測試環(huán)境。該環(huán)境涵蓋單設(shè)備、通信規(guī)約、模型、網(wǎng)絡(luò)交換、對時(shí)同步、高級應(yīng)用等功能部分。利用該環(huán)境，根據(jù)測試流程對自動化二次設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行了測試。實(shí)踐驗(yàn)證，將其應(yīng)用到單設(shè)備檢測及系統(tǒng)級測試工作中，可取得較好的結(jié)果，大幅度提升實(shí)驗(yàn)和測試效率。

［1］袁宇波.智能變電站集成測試技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2013：19-21.

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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

趙國慶（1987），男，山東聊城人，工程師，從事變電站及電站自動化技術(shù)工作；

季晨宇（1986），女，江蘇南通人，工程師，從事電力信息化技術(shù)工作；

張海東（1983），男，江蘇鹽城人，工程師，從事變電站及電站自動化技術(shù)工作；

李云鵬（1978），男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力自動化及信息化技術(shù)工作；

黃樹幫（1979），男，廣西南寧人，高級工程師，從事變電站及電站自動化技術(shù)工作。