基于IEC 61850的繼電保護(hù)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用

林世琦

摘 要：從智能變電站二次設(shè)備檢驗(yàn)測(cè)試的需求和原理出發(fā)，開發(fā)基于IEC 61850的繼電保護(hù)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)適用于智能變電站的繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試。基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試總體架構(gòu)，建立自動(dòng)測(cè)試模板及自適應(yīng)運(yùn)行方式判據(jù)，在線獲取定值。按照自動(dòng)測(cè)試模板，自動(dòng)模擬量測(cè)、自動(dòng)修改定值且自動(dòng)投退軟壓板，構(gòu)成閉環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)流，依據(jù)運(yùn)行方式判據(jù)和繼電保護(hù)裝置的試驗(yàn)結(jié)果判斷繼電保護(hù)裝置試驗(yàn)的正確性，并按照檢驗(yàn)規(guī)程格式自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。實(shí)踐證明，自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)可替代人工試驗(yàn)，有效提高了試驗(yàn)效率與正確率。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試;IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0017-04

Abstract： Based on the requirement and principle of secondary equipment inspection and test in intelligent substation， an automatic closed-loop test platform based on IEC 61850 relay protection is developed to realize Applicable to intelligent substation and the automatic closed-loop test of digital relay protection device. Based on the IEC 61850 standard， the overall structure of automatic closed-loop test is designed， the automatic test template and adaptive operation mode criterion are established， and the fixed value is obtained online. The closed-loop test data flow is formed， the correctness of relay protection device test is determined according to operation mode criterion and relay protection device test result. It is proved by practice that the automatic closed-loop test platform can replace manual test and provide test efficiency and correctness.

Keywords： relay protection;closed-loop automatic testing;IEC 61850 standard

繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中具有重要作用。對(duì)于電力工作者來說，定期測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置可發(fā)現(xiàn)隱藏的軟件問題和硬件問題，是驗(yàn)證裝置性能的重要措施。但是，隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)變電站的試驗(yàn)設(shè)備和方法已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前變電站的智能化發(fā)展需求，因此進(jìn)行智能化變電站的技術(shù)研究和試驗(yàn)嘗試迫在眉睫。

智能變電站技術(shù)主要體現(xiàn)在二次專業(yè)方面，而二次專業(yè)的主要工作在于繼電保護(hù)調(diào)試。本文著力研究繼電保護(hù)調(diào)試新技術(shù)、新方法及新手段，開發(fā)基于IEC 61850的繼電保護(hù)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)，依據(jù)數(shù)字化繼電保護(hù)檢驗(yàn)規(guī)程，實(shí)現(xiàn)典型智能保護(hù)裝置整套測(cè)試過程的標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試[1-8]。開發(fā)相關(guān)型號(hào)專門的測(cè)試模板文件用于保護(hù)，實(shí)現(xiàn)各類保護(hù)裝置的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。自動(dòng)測(cè)試程序通過與保護(hù)裝置制造報(bào)文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）通信接口建立通信鏈接，直接獲取保護(hù)裝置的定值，并讀取保護(hù)采樣值和動(dòng)作報(bào)文信息進(jìn)行上傳[9-11]。程序在完成測(cè)試后直接由數(shù)字測(cè)試儀返回GOOSE和保護(hù)動(dòng)作報(bào)文，過程由程序自動(dòng)完成，不需要人工操作完成，可以按照原先設(shè)置的判據(jù)條件對(duì)結(jié)果開展全面評(píng)估[12-13]。測(cè)試結(jié)束后，程序可自動(dòng)將結(jié)果按照相應(yīng)格式要求保存到測(cè)試報(bào)告中并生成試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)于推進(jìn)智能變電站技術(shù)改革和保障作業(yè)檢修安全具有重要意義。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過PC機(jī)向測(cè)試儀下達(dá)控制命令，向待檢測(cè)待保護(hù)裝置輸出電壓和電流，以模擬系統(tǒng)在各種情況下的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)檢測(cè)和記錄保護(hù)裝置反饋的動(dòng)作狀態(tài)、響應(yīng)時(shí)間等信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)功能的測(cè)試[14]。

本文提出的基于IEC 61850的繼電保護(hù)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，主要由PC機(jī)、被測(cè)的保護(hù)裝置以及繼電保護(hù)測(cè)試儀等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。PC機(jī)主要由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制繼電保護(hù)測(cè)試儀的數(shù)據(jù)上傳和輸出;繼電保護(hù)測(cè)試儀通過光纖（SV采樣測(cè)量、GOOSE面向通用對(duì)象的變電站事件）對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行投退軟壓板、加模擬量及獲取GOOSE報(bào)文等[15-16];保護(hù)裝置的MMS報(bào)文通過專用網(wǎng)絡(luò)上傳到PC機(jī)，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)流構(gòu)成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試。

2 軟件架構(gòu)

該軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是將數(shù)字繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)按照各部分的對(duì)應(yīng)功能不同，分成許多差異化的組件模塊，同時(shí)組件模塊可以自給自足。從邏輯上依據(jù)數(shù)據(jù)的傳遞將軟件系統(tǒng)分成三層體系結(jié)構(gòu)，以此定義基本框架和功能模塊，如圖3所示。

三層體系分為硬件接口層、測(cè)試接口層和界面層。硬件接口層主要負(fù)責(zé)底層的數(shù)據(jù)通信，包括同繼電保護(hù)測(cè)試儀器和保護(hù)裝置的通信;測(cè)試接口層主要負(fù)責(zé)測(cè)試模塊的執(zhí)行和測(cè)試功能管理;界面層主要是用戶測(cè)試人機(jī)對(duì)話設(shè)置，包含測(cè)試模板、報(bào)告模板以及測(cè)試控制等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 一體化設(shè)計(jì)

在該保護(hù)測(cè)試自動(dòng)化平臺(tái)中，將所有待測(cè)試的項(xiàng)目編制成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試模板，按照保護(hù)測(cè)試的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)對(duì)象設(shè)置相應(yīng)測(cè)試環(huán)境，以減少測(cè)試造成的誤差，并在相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求下形成報(bào)告模板。保護(hù)測(cè)試自動(dòng)化平臺(tái)試驗(yàn)過程中利用兩種模板進(jìn)行測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果，判讀試驗(yàn)結(jié)果是否合格，并在測(cè)試結(jié)束后將數(shù)據(jù)填寫到報(bào)告中。

3.2 自動(dòng)測(cè)試模板建立

基于IEC 61850的數(shù)字測(cè)試儀通用測(cè)試平臺(tái)，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)和模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)。測(cè)試儀采用自動(dòng)測(cè)試模板方式定制所需要的測(cè)試應(yīng)用程序。由于每個(gè)功能模塊均為單獨(dú)設(shè)計(jì)，因此該測(cè)試模塊具備靈活性和通用性，易維護(hù)和升級(jí)。

不同的測(cè)試功能可以采用測(cè)試模板文件中多樣的測(cè)試模板數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。對(duì)應(yīng)的程序運(yùn)作流程為先從測(cè)試模板文件中提取所需要的運(yùn)行參數(shù)，再將所得到的結(jié)果保存在報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)中。程序可以通過人機(jī)界面顯示結(jié)果，并形成測(cè)試報(bào)告。

模塊調(diào)用、測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試參數(shù)、整定值、通用參數(shù)、開關(guān)量、評(píng)估條件以及接線圖等不同的要求，是通過測(cè)試模板定義的。調(diào)用不同的基礎(chǔ)模塊，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)項(xiàng)類型、數(shù)量及取值范圍有所不同，必須一一對(duì)應(yīng)。

通過調(diào)用不同的模塊和定義測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試點(diǎn)，模板文件需定義整定值和通用參數(shù)。該測(cè)試軟件可以應(yīng)用戶需求定義多風(fēng)格的界面。軟件使用TPL文件進(jìn)行編寫，其中TPL是超級(jí)文本預(yù)處理語(yǔ)言（Hypertext Preprocessor，PHP）模板引擎里的模板文件。圖5為自動(dòng)測(cè)試模板人機(jī)對(duì)話界面。

測(cè)試模板文件是以不同保護(hù)原理的測(cè)試項(xiàng)目為基本單元。一個(gè)基本單元至少存在一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，一個(gè)測(cè)試點(diǎn)包含基礎(chǔ)測(cè)試程序模塊的全部參數(shù)。通過一個(gè)基本單元中的不同測(cè)試點(diǎn)，調(diào)用同一個(gè)基礎(chǔ)測(cè)試程序模塊中相同的參數(shù)種類和定義，可以實(shí)現(xiàn)同一原理不同故障相的測(cè)試。

同樣，一個(gè)測(cè)試模板文件中可以只有基本單元。不同測(cè)試原理的基礎(chǔ)測(cè)試程序模塊可以通過多個(gè)基本單元調(diào)用，滿足一個(gè)測(cè)試模板可以完成多種測(cè)試的需求。

3.3 試驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成

系統(tǒng)基于Word平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試報(bào)告的處理。首先在Word上建立標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告模板，其次由程序?qū)δ０暹M(jìn)行填充，最后生成Word文檔的試驗(yàn)報(bào)告。在生成報(bào)告的過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)結(jié)合相關(guān)規(guī)程進(jìn)行檢驗(yàn)，將結(jié)果添加到指導(dǎo)書中。如圖6所示，點(diǎn)擊測(cè)試組件功能欄中的燈泡會(huì)出現(xiàn)一些書簽名，可在Word報(bào)告中的相應(yīng)位置插入書簽。輸入測(cè)試組件中的書簽名，則該量就會(huì)插入Word報(bào)告中。

軟件可以通過MMS網(wǎng)直接從保護(hù)裝置中獲取并解析各個(gè)保護(hù)設(shè)備的定值單文件。微軟提供office系列組件的COM可操作對(duì)象接口_application、_document、_table、_worksheet以及_workbook等，可以使用現(xiàn)有的編程語(yǔ)言操作并導(dǎo)出信息。同樣的，測(cè)試結(jié)束軟件生成測(cè)試報(bào)告時(shí)也是通過控制上述COM接口將Word文件中的表格補(bǔ)充完整，從而生成測(cè)試報(bào)告。

3.4 自適應(yīng)運(yùn)行方式判據(jù)功能的建立

在測(cè)試過程中，根據(jù)保護(hù)的定值、裝置的額定參數(shù)、檢驗(yàn)的誤差以及保護(hù)跳閘的邏輯，判斷得到的測(cè)試結(jié)果是否合格。自動(dòng)判據(jù)結(jié)合保護(hù)測(cè)試項(xiàng)目，通過編輯判據(jù)表達(dá)式實(shí)現(xiàn)判斷。判據(jù)表達(dá)式的界面如圖7所示。

3.5 定值獲取與軟壓板投退

通過與智能保護(hù)裝置建立通信鏈接，直接從裝置中獲取定值單數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的錄入，如圖8所示。點(diǎn)擊確認(rèn)后，整定值的數(shù)據(jù)將對(duì)應(yīng)賦值軟件的變量名參與測(cè)試計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值與軟件程序的定值模板的映射。系統(tǒng)根據(jù)定值數(shù)據(jù)和規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差，自動(dòng)計(jì)算測(cè)試裝置輸出所需的參數(shù)。

軟壓板（或控制字）的投退直接在模板文件TPL里編寫，通過測(cè)試程序，經(jīng)MMS控制保護(hù)裝置完成。針對(duì)試驗(yàn)寫入相應(yīng)軟壓板（或控制字），沒有寫的軟壓板（或控制字）代表退出，反之表示投入。

3.6 IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)解析及輸入輸出控制模塊

IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)解析與輸入輸出模塊在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，能夠?qū)⒂嗛喌牡讓訑?shù)據(jù)解析傳送給應(yīng)用層完成測(cè)試結(jié)果的判斷，同時(shí)也可根據(jù)應(yīng)用層的指令完成測(cè)試需要的數(shù)據(jù)發(fā)送。該模塊按照數(shù)據(jù)功能的不同，分成GOOSE、SMV以及MMS這3個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊。其中，GOOSE、SMV數(shù)據(jù)可以由測(cè)試模塊輸入輸出控制處理。GOOSE（SMV）報(bào)文由程序控制，發(fā)布（輸出）測(cè)試過程中需要的開關(guān)量（交流量）。通過GOOSE訂閱（接收）的數(shù)字量和MMS獲得的交流量送至試驗(yàn)結(jié)果校核模塊，判斷試驗(yàn)結(jié)果的正確性。該模塊還可以通過MMS交互實(shí)現(xiàn)定值讀取和壓板投退。

4 工程實(shí)踐

以某變電站線路保護(hù)設(shè)備測(cè)試為例，按照檢驗(yàn)規(guī)程測(cè)驗(yàn)，測(cè)試步驟如下：①試驗(yàn)裝置接線，包括電源及SMV、GOOSE光纖的連接和MMS網(wǎng)絡(luò)口的連接;②選擇裝置的基本信息，如電壓等級(jí)、設(shè)備型號(hào)等;③選擇測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，以PSL-603的測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目首檢為例，包括零漂、幅值特性、相位特性、差動(dòng)保護(hù)、接地距離保護(hù)以及相間距離保護(hù)等定值檢驗(yàn)項(xiàng)目;④將被測(cè)裝置定值導(dǎo)出，然后導(dǎo)入軟件界面上的整定值列表;⑤根據(jù)選擇的試驗(yàn)項(xiàng)目，自動(dòng)閉環(huán)執(zhí)行測(cè)試項(xiàng)目，執(zhí)行情況如圖9所示。

自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試執(zhí)行過程中，測(cè)試平臺(tái)會(huì)根據(jù)獲得的GOOSE跳閘命令報(bào)文和MMS的保護(hù)交互信息，判斷結(jié)果是否在檢驗(yàn)規(guī)程的合格范圍。此外，測(cè)試報(bào)告內(nèi)容由系統(tǒng)自動(dòng)生成并填充。

5 結(jié)語(yǔ)

基于IEC 61850繼電保護(hù)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)主要是基于IEC 61850的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，利用自動(dòng)測(cè)試模板、自動(dòng)報(bào)告模板以及自動(dòng)判決條件等有效技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化繼電保護(hù)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試。該平臺(tái)無(wú)須人工干預(yù)，不但可以大大節(jié)約調(diào)試時(shí)間，而且可以達(dá)到100%的正確率，可廣泛應(yīng)用于智能變電站二次專業(yè)的調(diào)試。

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