新一代智慧變電站冗余測(cè)控裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

胡明會(huì)，王彩麗，梁建濤，王 哲，李國(guó)杰

（許繼電氣股份有限公司，許昌461000）

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展壯大，電網(wǎng)新技術(shù)、新理念也在不斷與時(shí)俱進(jìn)，也在從智能變電站向智慧變電站發(fā)展[1-2]。在智慧變電站的運(yùn)行過(guò)程中，需要快速提出海量數(shù)據(jù)量中的數(shù)據(jù)價(jià)值[3]。為了保證供電的質(zhì)量和電力系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，電網(wǎng)調(diào)度中心必須準(zhǔn)確地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時(shí)進(jìn)行分析并做出正確的判斷和決策，必要時(shí)采取緊急措施，處理應(yīng)急事故和異常情況，以保證電力的安全、可靠及有效供應(yīng)。測(cè)控裝置作為智慧變電站間隔層前端二次核心設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)一次、二次設(shè)備信息采集、信息傳輸，接收控制命令，實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象的控制以及交流量計(jì)算、同期功能等[4-5]。現(xiàn)階段測(cè)控裝置面臨的問(wèn)題是在面向系統(tǒng)內(nèi)過(guò)程層及站控層的設(shè)備數(shù)量多、無(wú)冗余備用，一旦發(fā)生故障后設(shè)備信息采集功能失效，造成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不全[6]。為了提高全站系統(tǒng)的可靠性，解決測(cè)控裝置無(wú)冗余備用問(wèn)題，一系列采用虛擬化技術(shù)的多間隔測(cè)控裝置相繼涌現(xiàn)，包括集群測(cè)控[7-9]、集中式保護(hù)測(cè)控裝置[10]、冗余測(cè)控[11]，這些測(cè)控裝置（本文統(tǒng)稱為冗余后備測(cè)控）在單設(shè)備可靠且系統(tǒng)性能、功能不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了測(cè)控裝置的冗余備用，大大減少了變電站間隔層設(shè)備數(shù)量。

1 冗余測(cè)控裝置自動(dòng)測(cè)試難點(diǎn)分析

當(dāng)前業(yè)界方案較為推崇是冗余后備測(cè)控裝置，也即是將多個(gè)實(shí)體測(cè)控裝置集中于其中一臺(tái)測(cè)控裝置，實(shí)現(xiàn)“多模塊、多配置”的冗余后備測(cè)控，然而目前開(kāi)發(fā)階段會(huì)面臨很多難題，主要集中在研發(fā)測(cè)試和工程調(diào)試主要依賴人工測(cè)試來(lái)完成，特別是對(duì)于“多模塊、多配置”的全面性驗(yàn)證對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驗(yàn)收等工程實(shí)踐需要耗費(fèi)大量精力，若采用通用的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，會(huì)面臨諸多實(shí)際困難：

難點(diǎn)一：關(guān)于冗余測(cè)控裝置的自動(dòng)測(cè)試用例比較欠缺，或有少量保護(hù)裝置的測(cè)試用例編制初期未考慮好測(cè)試項(xiàng)目規(guī)劃，測(cè)試用例分組簡(jiǎn)單粗暴，導(dǎo)致開(kāi)展自動(dòng)測(cè)試時(shí)分揀用例比較繁瑣，且所有的測(cè)試用例只能手動(dòng)設(shè)計(jì)，不能自動(dòng)生成。

難點(diǎn)二：由于冗余測(cè)控裝置中虛擬測(cè)控單元較多，如何在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中完成每個(gè)虛擬單元間的無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)完全的“自動(dòng)測(cè)試”還需要進(jìn)行深入探索和反復(fù)驗(yàn)證。

難點(diǎn)三：各虛擬測(cè)控單元之間雖然具備獨(dú)立的通信模型、配置參數(shù)等，但不同應(yīng)用環(huán)境下的虛擬測(cè)控單元之間所屬的應(yīng)用功能、配置文件存在差異化。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外一些繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家相繼開(kāi)發(fā)研制了各類自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[12-15]，為自動(dòng)測(cè)試應(yīng)用提供了廣闊前景，大多數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)“單端電氣量”和“雙端電氣量”及“單模塊、單配置”繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試成就顯著[16]，其中主要側(cè)重于保護(hù)邏輯和保護(hù)定值方面的自動(dòng)測(cè)試。但對(duì)于多間隔的冗余測(cè)控裝置的自動(dòng)測(cè)試兼容性不強(qiáng)，通用性較差。因此，首先研究了冗余后備測(cè)控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于集成測(cè)控裝置的自動(dòng)測(cè)試用例樹(shù)，基于單個(gè)應(yīng)用功能的測(cè)試用例，提出了測(cè)試用例打包方案，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了適用于冗余后備測(cè)控的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用表明，本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)、通用的繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)冗余測(cè)控各虛擬測(cè)控單元自動(dòng)測(cè)試的無(wú)縫銜接，為測(cè)控類裝置尤其是多間隔冗余后備測(cè)控的研發(fā)測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和工程實(shí)踐提供參考。

2 冗余測(cè)控裝置架構(gòu)分析

2.1 裝置特點(diǎn)分析

傳統(tǒng)的實(shí)體測(cè)控裝置向冗余測(cè)控裝置的演變過(guò)程如圖1所示，其中裝置中各虛擬測(cè)控單元（虛擬測(cè)控單元數(shù)N≥15）采用與智能變電站實(shí)體測(cè)控裝置相同的模型、參數(shù)和配置以實(shí)現(xiàn)測(cè)控單元的擴(kuò)充，由于每個(gè)虛擬測(cè)控單元與傳統(tǒng)實(shí)體測(cè)控裝置具有相同的功能，每個(gè)虛擬測(cè)控單元有獨(dú)立的CID 和CCD 通信配置文件，具備獨(dú)立的通信模型，實(shí)現(xiàn)冗余后備測(cè)控本體信息的上送，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站多間隔測(cè)控功能的應(yīng)急后備。

裝置采用基于DL/T860.92 標(biāo)準(zhǔn)的SV 采樣和基于DL/T860.81 標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE 輸入輸出，SV，GOOSE報(bào)文的接收配置、功能行為與所替代實(shí)體測(cè)控裝置一致。當(dāng)某間隔的實(shí)體測(cè)控裝置故障或檢修退出時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)投入冗余備用功能，通過(guò)在線感知自動(dòng)切換功能，按間隔“1 對(duì)1”冗余切換，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)測(cè)控功能冗余與自愈。與間隔層其他實(shí)體測(cè)控裝置交互的互鎖信息通過(guò)站控層GOOSE 收發(fā)，裝置網(wǎng)關(guān)采用LOOPBACK 環(huán)回接口實(shí)現(xiàn)互鎖報(bào)文的“自發(fā)自收”，如圖1所示。

2.2 裝置典型配置

圖1 裝置冗余配置Fig.1 Device redundancy configuration

多間隔冗余后備測(cè)控裝置在數(shù)字式測(cè)控程序基礎(chǔ)上進(jìn)行跨平臺(tái)移植，通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)接入不少于15 個(gè)虛擬測(cè)控單元，實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能的冗余備用。其中每個(gè)虛擬測(cè)控單元可配置遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、同期、邏輯閉鎖等功能。各虛擬測(cè)控單元以“四統(tǒng)一、四規(guī)范”數(shù)字測(cè)控裝置應(yīng)用分類（Q/GDW10427-2017 變電站測(cè)控裝置技術(shù)規(guī)范）為基準(zhǔn)，根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用可進(jìn)行虛擬單元數(shù)量、應(yīng)用功能的靈活配置?，F(xiàn)階段自動(dòng)測(cè)試環(huán)節(jié)按照“8+4+4”典型配置為8個(gè)間隔測(cè)控、4 個(gè)3/2 接線測(cè)控和4 個(gè)母線測(cè)控，如表1所示。

表1 裝置典型配置Tab.1 Typical configuration of device

3 自動(dòng)測(cè)試用例設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)測(cè)試用例樹(shù)設(shè)計(jì)

基于虛擬測(cè)控單元的關(guān)于冗余測(cè)控裝置的自動(dòng)測(cè)試用例比較欠缺，或有少量保護(hù)裝置的測(cè)試用例編制初期未考慮好測(cè)試項(xiàng)目規(guī)劃，測(cè)試用例分組簡(jiǎn)單粗暴，導(dǎo)致開(kāi)展自動(dòng)測(cè)試時(shí)分揀用例比較繁瑣，自動(dòng)測(cè)試推廣不力，且所有的測(cè)試用例只能手動(dòng)設(shè)計(jì)，不能自動(dòng)生成。

由于冗余測(cè)控裝置中虛擬測(cè)控單元較多，如何在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中完成每個(gè)虛擬單元間的無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)完全的“自動(dòng)測(cè)試”還需要進(jìn)行深入探索和反復(fù)驗(yàn)證。

各虛擬測(cè)控單元之間雖然具備獨(dú)立的通信模型、配置參數(shù)等，但不同應(yīng)用環(huán)境下的虛擬測(cè)控單元之間所屬的應(yīng)用功能、配置文件存在差異化。

自動(dòng)測(cè)試用例的編制是進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的核心工作之一，編制優(yōu)良的測(cè)試用例能使自動(dòng)測(cè)試達(dá)到事半功倍的效果。文獻(xiàn)[17]對(duì)“單模塊、單配置”的繼電保護(hù)類裝置測(cè)試腳本、測(cè)試方案等進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述，分析發(fā)現(xiàn)其進(jìn)行測(cè)試用例編制時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的是保護(hù)邏輯和保護(hù)定值精度的正確性，而測(cè)控類裝置與其他繼電保護(hù)類產(chǎn)品相比，保護(hù)邏輯相對(duì)較少，但測(cè)量數(shù)據(jù)量大，測(cè)量精度要求更高，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)分析難度更大。

測(cè)試腳本編制前首先要明確某個(gè)虛擬測(cè)控單元包含的測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試范圍、考核精度等。根據(jù)裝置測(cè)控功能進(jìn)行最大化設(shè)計(jì)的用例樹(shù)，如圖2所示。

3.2 自動(dòng)測(cè)試用例打包方案

僅完成某個(gè)虛擬間隔測(cè)控單元的測(cè)試用例編制還不能達(dá)到冗余后備測(cè)控裝置完全自動(dòng)測(cè)試的目的。為了實(shí)現(xiàn)裝置多個(gè)虛擬測(cè)控單元之間自動(dòng)測(cè)試的無(wú)縫銜接，單個(gè)測(cè)試用例腳本通過(guò)工具，一鍵式完成若干虛擬測(cè)控單元測(cè)試用例的編制，然后分類、打包為測(cè)試用例包，構(gòu)成整個(gè)裝置完整的測(cè)試用例庫(kù)。

測(cè)試用例打包的方法比較靈活，對(duì)單裝置、雙重化配置裝置、多間隔測(cè)控裝置均適用。兩種自動(dòng)測(cè)試用例打包方案如表2所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不考慮測(cè)試用例編制投入時(shí)間，第一種方案較好；從測(cè)試用例重用性考慮，第二種方案較好。文中采用較多的是第二種方案，經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證，效果較好。

表2 測(cè)試用例打包方案對(duì)比Tab.2 Comparison of test case packing schemes

圖2 虛擬測(cè)控單元測(cè)試用例樹(shù)Fig.2 Test case tree of virtual measurement and control unit

4 自動(dòng)測(cè)試應(yīng)用實(shí)例

4.1 測(cè)試環(huán)境搭建

本文采用自主設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可同時(shí)加載多個(gè)虛擬測(cè)控單元，實(shí)現(xiàn)冗余后備測(cè)控裝置自動(dòng)測(cè)試。該自動(dòng)測(cè)試環(huán)境如圖3所示，自動(dòng)測(cè)試環(huán)境所采用硬件設(shè)備包括B 碼同步時(shí)鐘裝置、PC 機(jī)、數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀、冗余后備測(cè)控裝置、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。其中PC 機(jī)上裝載的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件包括設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試軟件、IEC61850 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、測(cè)試儀控制軟件，其中繼電保護(hù)測(cè)試儀和冗余后備測(cè)控裝置接入統(tǒng)一時(shí)鐘信號(hào)。

圖3 自動(dòng)測(cè)試環(huán)境圖Fig.3 Automatict environment diagram

設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試軟件用于創(chuàng)建、維護(hù)測(cè)試用例庫(kù)，且SAT-810 作為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心，全面支持IEC61850 通信規(guī)約，測(cè)試用例一方面存儲(chǔ)于IEC61850 數(shù)據(jù)庫(kù)中，構(gòu)建用例庫(kù)，另一方面向測(cè)試儀控制軟件發(fā)送控制命令，繼電保護(hù)測(cè)試儀接收到控制命令后，按照測(cè)試要求編輯好的測(cè)試用例執(zhí)行自動(dòng)測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試過(guò)程系統(tǒng)將比較實(shí)際結(jié)果和預(yù)期結(jié)果是否一致，自動(dòng)判別測(cè)試項(xiàng)目是否通過(guò)，測(cè)試結(jié)果反饋于人機(jī)界面。

4.2 測(cè)試環(huán)境配置

裝置SCD 文件配置：如圖4所示，通過(guò)SCD 配置工具，將冗余后備測(cè)控裝置下的N 個(gè)相互獨(dú)立的IED 能力描述文件（ICD）進(jìn)行連線配置，通信參數(shù)配置，導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的IED 實(shí)例配置文件（CID）；IED二次回路實(shí)例配置文件（CCD）；全站系統(tǒng)配置文件（SCD），仿真主站客戶端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）。

圖4 冗余后備測(cè)控裝置SCD 文件配置Fig.4 Configuration of SCD file for redundant measuring and controlling device

IEC61850 數(shù)據(jù)庫(kù)配置：將圖4 中配置完成的全站系統(tǒng)配置文件（scl.scd），仿真主站客戶端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）拷貝到遠(yuǎn)動(dòng)安裝目錄的IEC61850 文件夾下。

測(cè)試儀配置的配置過(guò)程是首先加載裝置SCD配置文件，分別導(dǎo)入SV，GOOSE 數(shù)據(jù)，配置通道關(guān)聯(lián)、變比數(shù)、開(kāi)入開(kāi)出關(guān)聯(lián)，然后在菜單窗口配置并存儲(chǔ)測(cè)試儀通道對(duì)應(yīng)的csg 文件，實(shí)例化裝置采樣通道。

5 自動(dòng)測(cè)試應(yīng)用及結(jié)果

結(jié)合測(cè)控裝置遙測(cè)功能電壓電流基本誤差精度的測(cè)試等測(cè)試項(xiàng)目，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在“多配置、多模塊”冗余后備測(cè)控裝置的整體應(yīng)用流程首先是測(cè)試前準(zhǔn)備，包括編制單個(gè)測(cè)試用例等；然后是將單個(gè)測(cè)試用例進(jìn)行重復(fù)化配置，通過(guò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一鍵完成相同應(yīng)用功能下的若干虛擬測(cè)控單元測(cè)試用例的編制；最后是將用例打包為一個(gè)遙測(cè)功能用例庫(kù)，如圖5所示，且各虛擬測(cè)控單元之間通過(guò)不同的ID 號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

圖5 遙測(cè)功能庫(kù)Fig.5 Telemetry library

與此同時(shí)是加載測(cè)試用例庫(kù)中所需的測(cè)試用例。并使能測(cè)試用例，這樣自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)按照打包好的遙測(cè)功能測(cè)試用例庫(kù)執(zhí)行測(cè)試用例，其各環(huán)節(jié)流程如圖6所示。

圖6 測(cè)試流程Fig.6 Test flow chart

為了驗(yàn)證打包測(cè)試用例方案的可行性和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，依據(jù)智能變電站冗余后備測(cè)控裝置檢測(cè)方案等對(duì)多種配置類型的冗余后備測(cè)控裝置整體功能，進(jìn)行了人工測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試比對(duì)，其完成測(cè)試所需時(shí)間如表3所示。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大提高裝置的測(cè)試效率，經(jīng)自動(dòng)測(cè)試的裝置在智能變電站優(yōu)化提升項(xiàng)目中試點(diǎn)應(yīng)用，運(yùn)行可靠。

表3 裝置整體功能測(cè)試時(shí)間對(duì)比Tab.3 Comparison of whole function test time of the device

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐應(yīng)用表明，使用本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)加載冗余后備測(cè)控裝置的多個(gè)虛擬測(cè)控單元，并結(jié)合測(cè)試用例打包的方法，能實(shí)現(xiàn)冗余備用測(cè)控裝置各虛擬測(cè)控單元自動(dòng)測(cè)試的無(wú)縫銜接。與傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法相比，可有效解決了一系列由人工測(cè)試操作繁瑣，數(shù)據(jù)分析困難、測(cè)試效率極低且容易出現(xiàn)漏測(cè)和誤判帶來(lái)的問(wèn)題，充分發(fā)揮了自動(dòng)測(cè)試的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在測(cè)試任務(wù)量大、周期要求緊的情況下，可以大大提高測(cè)試效率。如冗余后備測(cè)控裝置全面測(cè)試項(xiàng)目，在未進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試時(shí)一般測(cè)試員需要每天工作8 小時(shí)，連續(xù)進(jìn)行30 天測(cè)試，而利用自動(dòng)測(cè)試進(jìn)行測(cè)試后僅需3天左右。本方案基于繼電保護(hù)測(cè)試儀構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各種配置類型的測(cè)控裝置閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試，尤其在多間隔冗余后備測(cè)控裝置中發(fā)揮極大作用，通過(guò)大量試驗(yàn)證明該自動(dòng)測(cè)試方法可有效節(jié)省測(cè)試人員工作時(shí)間，提高測(cè)試可靠性和測(cè)試效率。對(duì)智慧變電站冗余測(cè)控裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驗(yàn)收等工程實(shí)踐具有參考意義。