繼電保護裝置檢驗測試智能體的研究與實現(xiàn)

彭桂喜，袁思遙，孫 昊，馮 韻，韓天輪，滕 捷，陳前臣

繼電保護裝置檢驗測試智能體的研究與實現(xiàn)

彭桂喜1，袁思遙1，孫 昊1，馮 韻1，韓天輪1，滕 捷2，陳前臣3

(1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300450；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.武漢市豪邁電力自動化技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

隨著智能變電站技術(shù)的迅速發(fā)展，針對繼電保護裝置的精確檢驗測試已成為必需的環(huán)節(jié)。然而，面向大量的非就地化保護裝置，原有的檢驗測試模式往往缺乏靈活性與兼容性，同時也無法實時、直觀地向操作人員展示測試情況。為解決這一問題，研究了一種繼電保護檢驗測試智能體。該智能體具有基于IEC61850規(guī)約的多模塊協(xié)同工作的系統(tǒng)架構(gòu)，有效提高了檢驗測試的效率及靈活性，相應(yīng)的檢驗測試系統(tǒng)軟件確保了測試結(jié)果的可讀性。給出了所提繼電保護檢驗測試智能體的實現(xiàn)方案，并展示了其在操作便利性上的優(yōu)勢。

繼電保護檢驗測試智能體；系統(tǒng)架構(gòu)；IEC61850；測試效率；測試靈活性；操作便利性

0 引言

多年來，智能變電站技術(shù)發(fā)展迅速并得到了廣泛應(yīng)用[1-4]，其二次系統(tǒng)的設(shè)計方案在很大程度上改變了站內(nèi)信息采集與共享模式。因而，為適應(yīng)該應(yīng)用體系，繼電保護裝置也不斷完善與更新[5-10]：一方面，一系列關(guān)于繼電保護裝置的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(包括功能配置和性能要求、抗干擾水平、甚至外形尺寸等)被陸續(xù)推出；另一方面，IEC61850規(guī)約的應(yīng)用使得站內(nèi)二次設(shè)備的通信變得更為規(guī)范與高效[11-12]。上述發(fā)展對智能變電站的繼電保護裝置的檢驗測試系統(tǒng)提出了更高的要求。同時，也為開發(fā)智能化的繼電保護檢驗測試系統(tǒng)提供了良好機遇。

智能變電站的二次系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)傳輸各類數(shù)字信號，并采用了IEC61850規(guī)約，所以，站內(nèi)的繼電保護裝置主要從SV報文獲得電壓電流信號的采樣值，從GOOSE報文獲得開關(guān)量信息[13]。常規(guī)測試模式往往需要人工操作配置通信及修改測試參數(shù)，缺乏靈活性與兼容性。這一特點在客觀上造成了現(xiàn)場測試過程繁瑣、測試周期長等問題。例如，對于線路保護裝置和變壓器保護裝置的現(xiàn)場測試，需要設(shè)計兩套不同的測試方案，不同廠家生產(chǎn)的保護裝置的檢驗測試方案無法完全兼容等。因此，對于智能變電站內(nèi)的大量保護裝置，往往需要多套檢驗測試系統(tǒng)，大幅度地增加了檢驗測試的復(fù)雜程度、降低了檢驗測試的工作效率[14-23]。近年來，就地化保護裝置得到了高度重視和廣泛應(yīng)用實踐。有關(guān)就地化保護裝置的自動化測試已經(jīng)有廠家推出，不僅具有較強的針對性，而且使就地化保護裝置的測試效率大為提高。借鑒就地化保護裝置自動測試的做法，針對大量的智能變電站遵循IEC61850規(guī)約的非就地化保護裝置，研究其智能化檢驗測試方法，具有很高的應(yīng)用價值。

基于上述背景，本文研究了一種繼電保護裝置檢驗測試智能體。通過繼電保護裝置檢驗測試智能體的系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)的介紹，闡明了所提智能體在提高檢驗測試效率、增強測試靈活性及測試結(jié)果可讀性等方面的優(yōu)勢。本文還給出了所提繼電保護裝置檢驗測試智能體的實現(xiàn)方案，展示了其操作的便利性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基于測試功能模塊化的構(gòu)建方法

所提出的基于測試功能構(gòu)建的繼電保護裝置檢驗測試智能體(以下簡稱“智能體”)如圖1中的紅色虛線框內(nèi)所示。

圖1 智能體系統(tǒng)架構(gòu)

從圖1可知，所提智能體包含5個模塊：智能傳感器模塊、繼電保護測試儀模塊(以下簡稱“測試儀”)、檢驗測試系統(tǒng)軟件模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊以及智能接口模塊。連接繼電保護裝置(以下簡稱“裝置”)后，智能體可以通過檢驗測試系統(tǒng)軟件模塊自動識別待檢驗測試的繼電保護裝置的類型，隨后生成對應(yīng)的測試模板，進而計算出對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。而智能傳感器模塊則獲取檢驗過程中被測繼電保護裝置的運行數(shù)據(jù)，并傳送給檢驗測試系統(tǒng)軟件記錄和分析處理。在測試過程中，各個模塊之間使用IEC61850規(guī)約進行數(shù)據(jù)交換，測試儀根據(jù)檢驗測試系統(tǒng)軟件給出的試驗數(shù)據(jù)與測試模板發(fā)送測試信號并捕獲動作情況。測試結(jié)束后，智能體將分析測試結(jié)果，進而生成檢驗測試報告。此外，智能體的智能接口模塊提供了移動終端APP以及Web交互單元。通過智能接口模塊，操作人員可以更直觀、更便捷且不受地點限制地實現(xiàn)對檢驗測試的靈活配置，還可以隨時掌握檢驗測試的結(jié)果。因此，智能體各模塊的協(xié)同工作，有效提高了繼電保護裝置檢驗測試的效率以及操作的靈活性。

1.2 基于測試流程同步的構(gòu)建方法

智能體還可以基于測試流程同步構(gòu)建，如圖2所示。參與測試流程的三個主要單元分別為運行檢驗測試系統(tǒng)軟件的上位機PC、測試儀以及被測試的繼電保護裝置。

圖2 智能體測試流程

圖2中，參與測試流程的三個單元之間的數(shù)據(jù)交換也是基于IEC61850規(guī)約的。上述三個單元間可以按照規(guī)約規(guī)定的通信模式建立連接，獲取裝置內(nèi)部信息，并對其進行控制操作。其中，測試儀與被測繼電保護裝置通過SV、GOOSE報文通信；上位機PC則通過MMS報文與被測繼電保護裝置通信。在整個測試過程中，上述三個單元按照圖2中①—⑩步驟的流程在測試前、測試中和測試后三個階段進行操作。各步驟簡述如下：

① 測試前，上位機PC建立與被測繼電保護裝置的連接。此時，獲取被測繼電保護裝置的信息模型以及基本信息(例如，裝置型號、生產(chǎn)廠家、軟件版本號、所保護的線路、全部保護類型以及元件編號等)的請求由上位機PC發(fā)送給被測繼電保護裝置。

② 上位機PC接收并分析被測繼電保護裝置返回的基本信息數(shù)據(jù)集，調(diào)用各段保護的定值清單及對應(yīng)的測試模板，生成測試方案，隨后計算得到試驗數(shù)據(jù)。

③ 上位機PC發(fā)送SV、GOOSE報文至繼電保護測試儀。

④ 開始測試，測試儀向被測繼電保護裝置實時發(fā)送SV、GOOSE報文。

⑤ 測試中，測試儀在進行步驟④的同時，接收并解析由被測繼電保護裝置傳回的GOOSE報文。

⑥ 當(dāng)被測繼電保護裝置發(fā)出動作信號后，測試儀進行后期處理計算，并將測試結(jié)果發(fā)送給上位機PC。

⑦ 被測繼電保護裝置將步驟⑥中的動作記錄報告發(fā)送至上位機PC；上位機PC比對來自被測繼電保護裝置的報告與步驟⑥中來自測試儀的報告，以此校驗測試過程，并將比對結(jié)果記錄到測試報告中。

⑧ 測試后，上位機PC校驗測試有效后，復(fù)位被測繼電保護裝置。需要說明的是，即便是同一類型的被測繼電保護裝置，由于運行方式不同，存在多組定值以及多種保護配置方式，需要切換定值組或更改保護配置方式才能進行下一臺繼電保護裝置測試。

⑨ 完成步驟⑧操作后，被測繼電保護裝置返回復(fù)位成功的消息。

⑩ 上位機PC發(fā)送指令安排測試儀準(zhǔn)備進行下一次測試。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在所提智能體中，檢驗測試系統(tǒng)軟件扮演著關(guān)鍵角色，起控制中樞的作用。檢驗測試系統(tǒng)軟件的主要功能包含識別被測繼電保護裝置、整定測試模板、控制測試過程以及數(shù)據(jù)處理等。測試人員通過用戶接口界面(Web網(wǎng)頁、移動終端APP等)操作檢驗測試系統(tǒng)軟件時，可根據(jù)識別出的被測繼電保護裝置的型號，給檢驗測試系統(tǒng)軟件下達自動設(shè)計檢驗測試方案的指令。后者則根據(jù)指令自動設(shè)計檢驗測試方案。

2.1 檢驗測試方案的自動設(shè)計與運行

為提高測試效率，檢驗測試系統(tǒng)軟件基于測試模板自動設(shè)計檢驗測試方案，并自動運行。檢驗測試方案自動設(shè)計和運行過程如圖3所示，主要步驟簡述如下。

圖3 檢驗測試方案的自動設(shè)計與運行過程

1) 檢驗測試系統(tǒng)軟件的配置工具讀取，并解析被測繼電保護裝置的ICD文件與SSD文件用以配置SCD文件。根據(jù)需求功能，配置工具在裝置功能模型類庫中選取對應(yīng)的類文件中所需的功能函數(shù)，再由系統(tǒng)的配置類文件生成內(nèi)容所需的故障、校驗以及測試的模板。

2) 根據(jù)測試模板的列表內(nèi)容，確定故障類型并生成故障模板，調(diào)用故障生成模塊生成對應(yīng)故障類型的故障參數(shù)并配置故障模板。

3) 生成校驗?zāi)０宀男ｒ灁?shù)據(jù)庫提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，將其加載至校驗?zāi)０?，形成此次測試的參考。

以上測試、故障及校驗三種模板共同決定了針對被測繼電保護裝置的測試方案。

4) 依據(jù)以上生成方案的測試項目，檢驗測試系統(tǒng)軟件，將測試參數(shù)、整定值以及軟壓板信息發(fā)送至測試儀。

5) 最后，檢驗測試系統(tǒng)軟件將在上述步驟中接收到的測試數(shù)據(jù)與校驗?zāi)０灞葘?，進而判斷測試過程中是否產(chǎn)生異常，最終生成此次測試報告。

2.2 測試模板與測試報告的自動生成

生成測試模板的核心是功能模型庫。功能模型庫由繼電保護裝置的各種保護原理抽象形成的類文件構(gòu)成。類文件中包含功能函數(shù)成員及數(shù)據(jù)成員。其中：功能函數(shù)成員用于描述裝置，實現(xiàn)軟壓板的投退、整定值修改等功能；數(shù)據(jù)成員則描述測試屬性，用于實例化。因為類文件可以抽象一類保護功能，所以，通過對類文件的引用，可以形成類的對象，抽象出具體被測繼電保護裝置的模型。隨后，SCD文件中不同繼電保護裝置的參數(shù)配置被提取并用于配置由ICD文件確定的類文件，形成對應(yīng)的測試模板。需要指出的是，類文件可以重復(fù)使用，并且可以進一步開發(fā)所需的功能，使得測試模板的生成具有良好的靈活性與可擴展性。

此外，檢驗測試系統(tǒng)軟件有效提升了測試結(jié)果的可讀性。而生成的測試報告包含三個部分：1) 測試項目種類；2) 故障類別及參數(shù)；3) 校驗項目及校驗結(jié)果。以上三個部分均有對應(yīng)的模板，由檢驗測試系統(tǒng)軟件形成最終的測試報告。

3 實現(xiàn)方案

圖4給出了所提智能體的實現(xiàn)方案。檢驗測試系統(tǒng)軟件使用設(shè)備數(shù)據(jù)模型，調(diào)用測試子模版庫以及測試功能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口庫，智能生成測試方案。隨后，檢驗測試系統(tǒng)軟件將測試方案與測試模板及報告模板相匹配，生成測試流程及測試數(shù)據(jù)；同時，測試方案也可以通過智能接口模塊進行顯示，以便于人工調(diào)整。對應(yīng)的被測試?yán)^電保護裝置的測試方案加載至自動測試模塊后，生成的測試數(shù)據(jù)按照測試流程發(fā)送給測試儀，由測試儀對被測繼電保護裝置施加測試信號。在整個自動測試過程中，測試命令由測試儀執(zhí)行。測試儀向被測繼電保護裝置發(fā)出相應(yīng)指令的同時，采集相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)并通過自動測試模塊傳送給檢驗測試系統(tǒng)軟件。測試儀與被測繼電保護裝置之間的通信遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。檢驗測試系統(tǒng)軟件會自動生成XML和WORD/ EXCEL測試報告以及系統(tǒng)測試記錄。測試人員也可以通過移動終端APP及Web網(wǎng)頁讀取生成的測試報告。

圖4 智能體實現(xiàn)方案

在智能體實現(xiàn)方案中，由Web網(wǎng)頁模塊與移動終端APP組成的智能接口通過Wi-Fi或藍牙連接至檢驗測試系統(tǒng)軟件及測試儀接口程序。Web網(wǎng)頁模塊與移動終端APP在實際工程中的應(yīng)用界面如圖5、圖6所示。Web網(wǎng)頁模塊主要是進行測試方案的配置。通過Web網(wǎng)頁，測試人員可以讀取生成的XML格式的方案配置文件，并將其發(fā)送至移動終端APP。測試人員讀取測試方案后還可以通過Web網(wǎng)頁界面根據(jù)保護廠家的保護裝置做測試方案配置，即：依賴已有的測試模板進行編寫和修改，或針對每個測試項目做方案參數(shù)的修改和預(yù)置，包括每個測試項目的軟壓板投退以及控制字的賦值，為開展測試做好運行環(huán)境準(zhǔn)備。移動終端APP接收到方案配置后，啟動時加載方案配置，并在界面顯示。同時，測試儀也可以通過其藍牙接口接收移動終端發(fā)送的方案配置。在測試時，移動終端APP與測試儀界面也會實時顯示測試數(shù)據(jù)，以便根據(jù)導(dǎo)入的方案可視化圖形信息核對導(dǎo)入信息是否正確。此外，智能體還支持通過可視化圖形界面進行參數(shù)修正和調(diào)整。

圖5 Web網(wǎng)頁模塊實際界面

圖6 移動終端APP實際界面

相比已有的智能變電站繼電保護測試系統(tǒng)，如文獻[14-19]中所研究的自動測試系統(tǒng)主要針對就地化繼電保護裝置，而本文所實現(xiàn)的繼電保護檢驗測試智能體則面向非就地化繼電保護裝置的智能化測試。所提智能體加入了Web網(wǎng)頁模塊與移動終端APP的智能接口模塊，不僅提高了檢驗測試的可視化程度，更重要的是，為測試人員在變電站內(nèi)任意位置根據(jù)實際的需求靈活地對測試做出調(diào)整操作提供了極大的便利。

4 結(jié)論

所提出的繼電保護檢驗測試智能體，可以基于測試功能模塊化構(gòu)建，也可以基于自動測試流程的同步機制構(gòu)建，包含智能傳感器模塊、繼電保護測試儀、檢驗測試系統(tǒng)軟件模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊以及智能接口模塊。本文通過系統(tǒng)架構(gòu)和檢驗測試流程分析，闡明了所提智能體在IEC61850規(guī)約下的協(xié)同運行機制以及有效提高智能變電站繼電保護裝置檢驗測試效率與靈活性的技術(shù)方法。所提智能體的檢驗測試方案自動設(shè)計與運行的功能給繼電保護裝置的檢驗測試帶來很大便利。隨著繼電保護裝置智能檢驗測試技術(shù)的進一步發(fā)展，類似的功能將會得到不斷拓展和推廣應(yīng)用。

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Study and implementation of a test agent for relay protection devices

PENG Guixi1, YUAN Siyao1, SUN Hao1, FENG Yun1, HAN Tianlun1, TENG Jie2, CHEN Qianchen3

(1. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300450, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Haomai Electric Power Automation CO., LTD., Wuhan 430074, China)

Smart substation technology is rapidly developing and widely used, and the accurate test of relay protection devices is essential. However, for a large number of off-site relay protection devices, the current test mode often lacks flexibility and compatibility, and also cannot display intuitively the test situation to the operator in real time. To address this issue, this paper studies a relay test agent with a coordinated multi-module system architecture based on IEC61850. The agent improves the efficiency and flexibility of tests. Also the test system software ensures the readability of test results. The implementation of relay test agent is given and its advantage in convenience of operation is demonstrated.

This work is supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. 5229DK18002S).

relay test agent; system architecture; IEC61850; test efficiency; test flexibility; convenience of operation

10.19783/j.cnki.pspc.210643

國家電網(wǎng)公司科技項目資助(5229DK18002S)；國家重點研發(fā)計劃項目資助(2017YFB0902800)

2021-05-30；

2021-07-03

彭桂喜(1983—)，男，本科，高級工程師，研究方向為繼電保護；E-mail: 103236135@qq.com

滕 捷(1992—)，男，通信作者，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制。E-mail: tengjie_@hust.edu.cn

(編輯 張愛琴)