一二次融合成套開關(guān)測試平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

孫健，劉剛，王秀茹，方鑫 ，吳楠，蔣宏圖，王蔚

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800；3.上海金智晟東電力科技有限公司，上海 200233）

隨著配電網(wǎng)一二次融合專項(xiàng)工作持續(xù)推進(jìn)，國內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)完成并發(fā)布了多項(xiàng)設(shè)備類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測試規(guī)范，有效促進(jìn)了配電網(wǎng)設(shè)備功能成套和技術(shù)深度融合[1?2]。目前，國內(nèi)眾多一二次設(shè)備廠商逐步走向融合，開展一二次融合設(shè)備聯(lián)合設(shè)計研發(fā)工作，并推出了多種功能融合、型式創(chuàng)新的新型開關(guān)設(shè)備，電網(wǎng)公司也開展了首批一二次融合設(shè)備整機(jī)測試與掛網(wǎng)運(yùn)行工作[3?4]。

配電網(wǎng)設(shè)備測試是保障設(shè)備質(zhì)量、提高配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的重要工作[5]。配電設(shè)備在掛網(wǎng)運(yùn)行前也應(yīng)經(jīng)歷型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、入網(wǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)等各項(xiàng)試驗(yàn)。配電設(shè)備數(shù)量大、型號多，相應(yīng)的配電設(shè)備測試也持續(xù)探索和研究高質(zhì)量、高效率的測試技術(shù)[6]。

然而，針對一二次融合成套開關(guān)設(shè)備的測試工作，在型式試驗(yàn)、入網(wǎng)測試等各階段依然采用傳統(tǒng)一次、二次獨(dú)立測試方式[7?8]，其原因主要在于缺乏有效的一二次融合成套設(shè)備整體測試手段，直接導(dǎo)致了一二次融合在技術(shù)上和成效上均難以得到有效檢驗(yàn)[9]。因此，本文提出研究一二次融合成套開關(guān)的一體化測試平臺，梳理并響應(yīng)一二次融合成套開關(guān)測試需求，有效解決了融合成套設(shè)備一二次獨(dú)立測試的現(xiàn)狀，全面提高了融合成套開關(guān)測試能力，也為一二次融合設(shè)備測試提供新的參考。

1 一二次融合成套開關(guān)技術(shù)特征

傳統(tǒng)配電開關(guān)一次是指開關(guān)本體設(shè)備部分，是開關(guān)各項(xiàng)功能的實(shí)施主體，二次是指開關(guān)的智能控制單元部分，是一次的監(jiān)測、控制部分。一次開關(guān)本體包括直接參與配電網(wǎng)連接和開斷的高壓電氣設(shè)備，二次智能控制單元則實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)、測量、控制、計量等功能。傳統(tǒng)配電開關(guān)一次和二次都是相互獨(dú)立的設(shè)備，通過相互連接和通信實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)控制等完整功能[10]。

一二次融合成套開關(guān)設(shè)備集成突破了傳統(tǒng)一次設(shè)備、二次設(shè)備割裂的狀態(tài)，將控制部分集成至開關(guān)設(shè)備中，通過標(biāo)準(zhǔn)航插連接，實(shí)現(xiàn)了控制部分和本體部分的可靠連接與標(biāo)準(zhǔn)化信息交互[11]。一二次融合成套開關(guān)的典型方案如圖1所示。

圖1 一二次融合成套開關(guān)典型方案Fig.1 Typical scheme of primary and secondary integrated switch

一二次融合成套開關(guān)技術(shù)優(yōu)勢主要在于：1）一二次開關(guān)成套設(shè)計、開發(fā)，實(shí)現(xiàn)配電終端、開關(guān)設(shè)備在功能層面的深度融合，有利于配電設(shè)備各項(xiàng)功能的可靠有效實(shí)踐；2）一二次融合成套開關(guān)采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，有利于一二次設(shè)備功能拓展、自動運(yùn)維和快速替換；3）一二次融合成套開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)故障責(zé)任劃分界限，有效減少了一二次事故責(zé)任糾紛。

此外，國內(nèi)已在探索集成一二次深度融合的一體化開關(guān)設(shè)備，即在設(shè)備層面不再明確劃分一次和二次部分，實(shí)現(xiàn)一二次自設(shè)備和功能層面的深度融合。然而事實(shí)上，這種深度融合的電氣設(shè)備，不僅需要考慮一二次設(shè)備壽命匹配問題，同時也要考慮二次設(shè)備受電磁干擾、機(jī)械振動等惡劣運(yùn)行環(huán)境影響，造成二次設(shè)備在運(yùn)維、更換上的困難。

2 一體化全自動測試平臺

2.1 整體架構(gòu)

構(gòu)建一二次融合成套開關(guān)的一體化自動測試平臺如圖2所示。一二次成套開關(guān)測試平臺主要分為一次控制柜、二次控制柜以及接線柜3部分。

圖2 一二次融合成套開關(guān)測試平臺架構(gòu)Fig.2 Architecture of primary and secondary integrated switch test platform

其中一次控制柜主要包括程控功率信號源、高精度三相表、接地機(jī)構(gòu)、虛擬開關(guān)、各類傳感裝置（液壓、溫度、行程、氣壓）和升壓/升流機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)接線柜中一次設(shè)備的測試開出控制與測試開入分析。

二次控制柜主要包括程控功率信號源、高精度三相表、錄波儀、電壓電流轉(zhuǎn)換裝置和標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)接線柜中二次設(shè)備的測試開出控制與測試開入分析。

此外，一次、二次控制柜部署測試控制軟件、測試結(jié)果分析模塊、運(yùn)行環(huán)境模擬模塊等，用于一二次融合成套開關(guān)一體化自動測試平臺的測試過程控制和報告出口。

接線柜是直接連接成套開關(guān)的設(shè)備，斷路器連接部分經(jīng)PT/CT升壓、升流后可通過測試接線柜輸出720 A（最大暫態(tài)電流1 000 A）的電流和11 kV電壓，能夠有效仿真一次側(cè)運(yùn)行環(huán)境；智能控制器連接部分能兼容電子式小信號和電磁式大信號接入，可輸出450 V，100 A的電磁式模擬信號及10 V電子式模擬信號，用于二次部分測試時的信號注入。

2.2 測試平臺接口模型

標(biāo)準(zhǔn)化接口是一二次融合成套開關(guān)的核心技術(shù)特征，也是一二次設(shè)備功能規(guī)范、即插即用等技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

一二次融合成套設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)化的航空插頭實(shí)現(xiàn)一二次通信和控制，測試過程中，同樣依托一二次融合成套開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備的快速接入與測試。測試平臺配置電磁式接口4個（包括2個26芯航插和2個6芯航插）、電子式接口3個（2個26芯航插和1個4芯航插），如圖3所示。

圖3 測試平臺標(biāo)準(zhǔn)化接口Fig.3 Standardized interface of test platform

一體化全自動測試平臺提供標(biāo)準(zhǔn)化測試接口，各接口定義如表1～表3所示。其中，26芯航空插座用于傳輸和采集儲能、分合閘控制、負(fù)荷開關(guān)狀態(tài)、電壓電流等信號；6芯防開路航空插座用于傳輸和采集相電流、零序電流信號；4芯航空插座用于傳輸電壓互感器的供電電源及線電壓信號。

表1 電磁式及小信號26芯航插定義Tab.1 Definition of electromagnetic and small signal 26 core aviation plug

表2 電磁式6芯航插定義Tab.2 Definition of electromagnetic 6-core aviation plug

表3 電子式4芯航插定義Tab.3 Definition of electronic 4-core aviation plug

3 一體化自動測試技術(shù)

3.1 測試內(nèi)容及模式

區(qū)別于傳統(tǒng)一二次獨(dú)立開關(guān)，一二次融合成套開關(guān)設(shè)備在測試上不僅應(yīng)進(jìn)行一次、二次部分獨(dú)立的功能、性能測試，還開展一二次融合成套開關(guān)的傳動測試，將一二次成套開關(guān)按實(shí)際使用情況接入測試平臺，測試平臺編排測試案例并模擬測試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一二次融合成套開關(guān)的整體測試。

采用獨(dú)立測試與傳動測試相結(jié)合的方式，一方面有利于保障一二次融合成套開關(guān)的設(shè)備質(zhì)量與功能兼容性，另一方面也提高了設(shè)備整體測試效率，降低一二次設(shè)備聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)困難。表4為一二次融合成套開關(guān)的測試內(nèi)容，豐富的傳動測試能夠反應(yīng)完整的故障信息采集和設(shè)備動作鏈條，驗(yàn)證一二次設(shè)備協(xié)同工作能力。

表4 融合成套開關(guān)測試內(nèi)容Tab.4 Test contents of integrated switch

3.2 測試流程無人化技術(shù)

采用一二次融合成套開關(guān)一體化全自動測試平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)成套開關(guān)的一二次設(shè)備獨(dú)立測試和聯(lián)合測試，其測試流程如圖4所示，測試過程中僅測試設(shè)備連接、測試內(nèi)容選擇需要人工接入，測試執(zhí)行后直至測試結(jié)果統(tǒng)計均無需測試人員值守，有效提高測試效率。

圖4 全自動測試平臺測試流程Fig.4 Test flow of full automatic test platform

圖5為一體化全自動測試平臺測試過程中各模塊交互及通信情況，測試前連接被測設(shè)備并選擇測試項(xiàng)目和測試案例；測試開始后，運(yùn)行環(huán)境仿真模塊根據(jù)測試序列通過程控功率源及電流、電壓放大器提供高壓運(yùn)行環(huán)境，同時編制四遙報文模擬主站通信并控制虛擬終端狀態(tài)，被測一二次融合成套開關(guān)根據(jù)自身設(shè)備邏輯運(yùn)行動作，經(jīng)由四遙報文采集、電氣量傳感、行程傳感等模塊采集測試結(jié)果，測試結(jié)果反饋至運(yùn)行環(huán)境仿真模塊更新觸發(fā)下一測試狀態(tài)；測試結(jié)束后，平臺統(tǒng)一輸出測試過程數(shù)據(jù)，并進(jìn)行測試結(jié)果判定和編制測試報告。

圖5 全自動測試平臺模塊交互Fig.5 Module interaction of automatic test platform

3.3 測試結(jié)果智能分析技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)一體化全自動測試和測試過程無人化，應(yīng)從測試準(zhǔn)備階段、測試實(shí)施階段及測試總結(jié)階段3個階段具體考慮自動測試方法。在測試準(zhǔn)備階段實(shí)現(xiàn)被測設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、便捷化和高效接入；在測試過程中實(shí)現(xiàn)測試內(nèi)容無間斷逐項(xiàng)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)測試過程無需值守操作；在測試總結(jié)階段則實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果的智能分析和測試報告的自動填寫，實(shí)現(xiàn)一體化自動測試的全流程閉環(huán)，測試結(jié)果智能分析技術(shù)有效提升測試結(jié)果分析效率，避免了人工記錄出現(xiàn)錯誤，也為測試結(jié)果維護(hù)和測試結(jié)果數(shù)據(jù)挖掘奠定基礎(chǔ)。

一體化全自動測試平臺測試結(jié)果智能分析實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示，測試案例庫與運(yùn)行環(huán)境仿真實(shí)時交互，測試案例庫根據(jù)測試環(huán)境和測試內(nèi)容，向運(yùn)行環(huán)境仿真模塊逐項(xiàng)輸入測試觸發(fā)事件，運(yùn)行環(huán)境仿真模塊一方面根據(jù)觸發(fā)事件仿真并開出系統(tǒng)電氣量、開關(guān)量狀態(tài)，另一方面仿真設(shè)備正確動作情況作為測試結(jié)果基準(zhǔn)。一體化測試平臺接線柜負(fù)責(zé)整體環(huán)境模擬輸出和被測設(shè)備狀態(tài)傳感，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備分合閘狀態(tài)、儲能狀態(tài)和電源狀態(tài)感知與二次設(shè)備四遙信息、保護(hù)電流、計量電流及控制輸出情況的感知。

圖6 全自動測試平臺測試結(jié)果智能分析Fig.6 Intelligent analysis of test results of automatic test platform

測試結(jié)果智能分析中則按照基準(zhǔn)結(jié)果維護(hù)、測試結(jié)果記錄、測試結(jié)果比對、異常狀態(tài)分析、測試報告填寫及測試結(jié)果大數(shù)據(jù)維護(hù)6項(xiàng)流程實(shí)施。部分基準(zhǔn)結(jié)果維護(hù)需根據(jù)被測設(shè)備相關(guān)技術(shù)規(guī)范在測試前填寫維護(hù)，其余則通過運(yùn)行環(huán)境仿真模塊傳遞基準(zhǔn)結(jié)果。測試結(jié)果比對主要根據(jù)被測設(shè)備狀態(tài)和基準(zhǔn)結(jié)果情況進(jìn)行比較，根據(jù)測試邏輯要求判定是否合格，根據(jù)偏差情況進(jìn)行原因分析。測試結(jié)果大數(shù)據(jù)庫維護(hù)則是在大量測試過程中，將多種測試不合格情況存儲記錄，實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果關(guān)聯(lián)與故障快速溯源，協(xié)助被測設(shè)備質(zhì)量整改提升。

3.4 技術(shù)差異化分析

傳統(tǒng)配電開關(guān)測試方法如圖7所示，傳統(tǒng)配電設(shè)備測試工作針對單一測試對象和測試內(nèi)容，采用相應(yīng)測試工具進(jìn)行測試信號輸入和測試結(jié)果觀察分析。采用傳統(tǒng)測試方法需要專業(yè)測試人員測試方案設(shè)計、測試設(shè)備連接、調(diào)試、實(shí)施和測試結(jié)果分析記錄，測試人員需要全程參與。

圖7 傳統(tǒng)配電開關(guān)測試方法Fig.7 Test method of traditional distribution switch

本文提出的一二次融合成套開關(guān)測試平臺已在多家測試機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，突破傳統(tǒng)測試方法中，測試設(shè)備與測試內(nèi)容一一對應(yīng)，測試過程全程人工參與的困境，實(shí)現(xiàn)了測試過程全自動執(zhí)行（圖8）和測試結(jié)果自動分析（圖9），全面提升了配電成套開關(guān)的測試效率與效益，直接助力實(shí)現(xiàn)配電開關(guān)類設(shè)備“到貨全檢”的管理目標(biāo)，保障配電成套開關(guān)設(shè)備質(zhì)量與運(yùn)行安全。

圖8 測試全自動執(zhí)行Fig.8 Automatic test process

圖9 測試結(jié)果智能分析Fig.9 Intelligent analysis of test results

測試技術(shù)用時對比如表5所示。

表5 測試技術(shù)用時對比Tab.5 Time comparison of test technology min

與傳統(tǒng)配電設(shè)備測試方法相比，采用一二次融合成套開關(guān)全自動測試提高測試效率80%以上，人工參與度降低90%以上，此外采用全自動測試技術(shù)其優(yōu)勢在于：1）測試系統(tǒng)高度集成，包含高精度功率源、多通道標(biāo)準(zhǔn)表、波形記錄儀等；2）測試項(xiàng)目全面，涵蓋一次開關(guān)、二次終端、融合成套系統(tǒng)的性能及功能試驗(yàn)；3）信號兼容性好，全面兼容傳統(tǒng)電磁式信號以及各種小信號傳感器信號特性；4）自動化程度高，測試系統(tǒng)可自動切換一次試驗(yàn)、二次試驗(yàn)及一二次傳動試驗(yàn)3種模式而不需要重新接線；5）測試可信度高，測試實(shí)施過程全自動無人工參與，避免測試方法、結(jié)果記錄中的錯誤；6）接線效率高，采用全航插接口；7）管理功能全面，實(shí)現(xiàn)用戶管理、樣品管理、測試方案管理、測試過程執(zhí)行、測試報告匯總等全方位功能。

4 結(jié)論

本文研究一二次融合成套開關(guān)測試技術(shù)與測試平臺設(shè)計，梳理總結(jié)了一二次融合成套開關(guān)的技術(shù)特征，提出了一體化全自動測試平臺整體架構(gòu)，并給出測試標(biāo)準(zhǔn)化接口方案。進(jìn)一步，本文研究梳理了一二次融合成套開關(guān)在聯(lián)合測試方面的需求與測試內(nèi)容，詳細(xì)闡述了一二次融合成套開關(guān)的全自動測試平臺測試流程與方法。與傳統(tǒng)配電設(shè)備測試方法相比，通過一體化全自動測試平臺的推廣應(yīng)用，將有效解決融合成套設(shè)備一二次獨(dú)立測試的現(xiàn)狀，其測試方法和環(huán)境更加切合現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際，在測試效率、測試結(jié)果可靠性等方面也更具優(yōu)勢。