繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)*重要的二次設(shè)備之一， 對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的作用［1］。 近年來(lái)，國(guó)際形勢(shì)日趨雜，中美競(jìng)爭(zhēng)情況日益嚴(yán)峻。 為解決國(guó)產(chǎn)繼電保護(hù)裝置對(duì)國(guó)外廠商的依賴問(wèn)題， 國(guó)內(nèi)二次設(shè)備頭部廠家推出新一代自主可控繼電保護(hù)裝置，全部采用國(guó)產(chǎn)芯片軟件，同時(shí)也避免了繼電保護(hù)裝置中進(jìn)口芯片和軟件的潛在信息安全隱患。 新一代自主可控繼電保護(hù)裝置采用了國(guó)產(chǎn)化的站控層通訊協(xié)議 （CMS 協(xié) 議：Communication Message Specification）［2］， 完成與繼電保護(hù)裝置通訊，取代了原有的 MMS 協(xié)議，在遵循電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域全球通用標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850）的前提下，實(shí)現(xiàn)變電站站控層與間隔層設(shè)備之間的通信服務(wù)協(xié)議國(guó)產(chǎn)化。
然而自主可控繼電保護(hù)裝置是否安全可靠， 性能能否達(dá)標(biāo)亟待驗(yàn)證，傳統(tǒng)的人工測(cè)試方法效率低，同時(shí)耗費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間成本。 目前對(duì)繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試大都局限于基于 MMS 協(xié)議的智能變電站繼電保護(hù)裝置的測(cè)試。因此本文提出了一種支持自主可控繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試的方法和系統(tǒng)， 并且解決了傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)裝置模擬量采樣自動(dòng)測(cè)試不能自動(dòng)換線的問(wèn)題。
1 繼電保護(hù)裝置測(cè)試方法研究
繼電保護(hù)裝置是保障電力設(shè)備安全和防止電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間大面積停電*有效的手段。 隨著電力系統(tǒng)向特高壓、超大機(jī)組、現(xiàn)代化大電網(wǎng)的發(fā)展及微處理技術(shù)、通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)繼電保護(hù)裝置的需求在傳統(tǒng)的可靠新、選擇性、速動(dòng)性、靈敏性要求的基礎(chǔ)上向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面延伸。 在繼電保護(hù)裝置的新產(chǎn)品開發(fā)和老產(chǎn)品改造完善過(guò)程中， 采用各種方法和技術(shù)對(duì)其軟硬件進(jìn)行**、系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)尤為重要。
從功能角度區(qū)分， 繼電保護(hù)裝置測(cè)試又可以分為基本功能測(cè)試和故障模擬測(cè)試。 其中正常功能測(cè)試又包含遙信、遙測(cè)、遙控、模擬量采集功能等測(cè)試。 故障模擬測(cè)試主要是模擬各類電氣故障進(jìn)行測(cè)試。 本文主要從功能角度對(duì)繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試開展設(shè)計(jì)和研究。
2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)保證有效的測(cè)試閉環(huán)，測(cè)試流程的標(biāo)準(zhǔn)化，測(cè)試模塊信息標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)，測(cè)試過(guò)程可視化透明化，寬松的測(cè)試擴(kuò)展性，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試結(jié)果判據(jù)。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別體現(xiàn)為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要有 PC 機(jī)、PLC 換線及 IO 模塊、測(cè) 試 儀（模 擬 量 OMICRON、數(shù)字量 PNF800）、交換機(jī)、被測(cè)裝置，如圖 1 所示：
測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包含：主程序處理程序、主站通訊模塊、測(cè)試儀模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、界面處理模塊、用例設(shè)計(jì)處理模塊、測(cè)試信息處理模塊。 本文主要介紹測(cè)試儀模塊和主站通訊模塊的設(shè)計(jì)。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮測(cè)試的可靠性， 保證測(cè)試的有效性，排除軟件系統(tǒng)干擾。 因此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)主站、測(cè)試儀、數(shù)據(jù)流、界面顯示、用例設(shè)計(jì)等模塊采用高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)方式，使系統(tǒng)框架簡(jiǎn)潔高效可靠，降低復(fù)雜因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾，保證測(cè)試結(jié)果可靠可信。 同時(shí)高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)方式，也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)*小測(cè)試功能塊的自由拆分組合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試良好的擴(kuò)展性， 并且通過(guò)*小功能塊的自由組合，自動(dòng)測(cè)試每一個(gè)過(guò)程都可以有效判別，使測(cè)試結(jié)果更加嚴(yán)謹(jǐn)可信，模塊設(shè)計(jì)見表 1：
其中主站通訊模塊各類服務(wù)又細(xì)分執(zhí)行、 確認(rèn)等*小功能塊。 測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)獲取繼電保護(hù)裝置的錄波文件和動(dòng)作報(bào)告，與測(cè)試用例匹配關(guān)聯(lián)，便于保護(hù)動(dòng)作行為分析；自動(dòng)抓取記錄測(cè)試過(guò)程中裝置與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通訊報(bào)文， 做到測(cè)試過(guò)程全記錄，便于小概率問(wèn)題的分析定位，形成有效的測(cè)試閉環(huán)。
3 測(cè)試儀模塊設(shè)計(jì)
目前繼電保護(hù)裝置采樣主要有傳統(tǒng)采樣、 數(shù)字采樣兩種方式。 傳統(tǒng)變電站采用電磁式互感器，輸出的模擬量采樣值經(jīng)電纜直接接入二次設(shè)備， 由繼電保護(hù)裝置完成多路模擬量的同步采樣，即模數(shù)轉(zhuǎn)換。 而在數(shù)字化變電站中，電子式互感器代替了傳統(tǒng)的電磁式互感器，交流采樣由合并單元（MU）完成，通過(guò)通信口傳遞至數(shù)字化保護(hù)裝置， 保護(hù)的數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換由外部的電子式互感器和合并單元來(lái)完成， 保護(hù)裝置只接收經(jīng) MU 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)［3］。
因此，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用了，用于傳統(tǒng)變電站的模擬量測(cè)試儀 （OMICRON）， 以及用于智能變電站的數(shù)字量測(cè)試儀（PNF800），以滿足自動(dòng)測(cè)試的需求。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)抽象設(shè)計(jì)了測(cè)試儀配置文件、模擬量設(shè)置文件的用例編輯選項(xiàng)，用以不同測(cè)試用例執(zhí)行不同配置模擬量和輸出端口等配置。 測(cè)試儀模塊執(zhí)行流程見圖 2。
由于傳統(tǒng)變電站保護(hù)裝置模擬量接口通道過(guò)多， 以發(fā)電機(jī)保 護(hù) 裝 置 為 例 ， 模擬量接口*大有 84 個(gè)， 而 測(cè) 試 儀 （OMICRON）加上放大器也不過(guò) 24 個(gè)模擬量出口。 但是測(cè)試時(shí)并不是需要所有接口同時(shí)接收數(shù)據(jù)， 因此不同的測(cè)試用例需要人工反復(fù)更改測(cè)試儀輸出與裝置輸入連接線，過(guò)程復(fù)雜易出錯(cuò)，為此自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用 PLC 控制繼電器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換線功能，解決了由于人工換線導(dǎo)致的測(cè)試效率降低問(wèn)題。
依據(jù)測(cè)試儀*大模擬量出口 24 個(gè)，PLC 換線模塊分成 24組每一組測(cè)試儀出口對(duì)應(yīng) 4 個(gè)換線出口， 根據(jù)不同的配置選擇不同的換線出口， 統(tǒng)一由 PLC 控制。 PLC 對(duì) 24 組換線單元編號(hào)，每一組換線單元又有三個(gè)繼電器，并依次編號(hào)，每個(gè)繼電器位置有分為 0、1，如圖 3 所示。
根據(jù)不同的編號(hào) PC 端就可以通過(guò)指令報(bào)文對(duì)各個(gè)換線單元進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換線功能。 例如換線單元 1 中繼電器位置如圖 3 所示，換線單元 當(dāng) 前 狀 態(tài) 為“01001”，其 中 01 表 示換線單元編號(hào)，001 分別表示繼電器 1、2、3 的位置信息。 至此我們就可以根據(jù)報(bào)文信息實(shí)時(shí)監(jiān)控或控制測(cè)試儀出口換線。
自動(dòng)測(cè)試時(shí)， 測(cè)試儀模塊持續(xù)輸出模擬量時(shí)， 占用時(shí)間較長(zhǎng)，為保證自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)有效實(shí)時(shí)響應(yīng)其他模塊處理請(qǐng)求，測(cè)試儀模塊采用獨(dú)立線程處理執(zhí)行，使用互斥鎖與主程序同步數(shù)據(jù)。
4 主站通訊模塊設(shè)計(jì)
主站通訊模塊主要功能是采用自主可控 IEC61850 站控層CMS 服務(wù)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制裝置壓板投退、定值讀寫，以及保護(hù)動(dòng)作、模擬量、SOE 等報(bào)告的存儲(chǔ)解析功能。自主可控新一代變電站通信報(bào)文規(guī)范 CMS 協(xié)議， 是基于IEC 61850 站控層服務(wù)協(xié)議，在通信服務(wù)映射實(shí)現(xiàn)上，協(xié)議直接將抽象通信服務(wù)接口映射至 TCP/IP 協(xié)議棧， 以提升服務(wù)的性能。 協(xié)議基于 IEC 61850-7-2 標(biāo)準(zhǔn)化抽象通信服務(wù)接口語(yǔ)法定義，同時(shí)擴(kuò)展了關(guān)聯(lián)、遠(yuǎn)程調(diào)用等服務(wù)接口，保證了客戶端和服務(wù)端雙方通信安全，彌補(bǔ)了服務(wù)端對(duì)主站的支撐服務(wù)［4］。
主站通訊模塊采用自主可控 IEC61850 站 控 層 CMS 協(xié)議， 通過(guò)加載被測(cè)保護(hù)裝置 SCD 文件建模， 解析 SCD 中各個(gè)LD、LN、DO、DA 等數(shù)據(jù)，提取對(duì)象數(shù)據(jù)參引保存?zhèn)溆茫?］。 當(dāng)主程序下發(fā)命令時(shí)，在保存的數(shù)據(jù)中檢索與其匹配的參引，以 CMS協(xié)議格式下發(fā)裝置執(zhí)行， 并實(shí)時(shí)監(jiān)聽裝置上傳報(bào)告通過(guò)參引解析對(duì)應(yīng)事件保存并發(fā)給主程序處理。
作為自主可控保護(hù)裝置功能部分， 通信報(bào)文一致性檢測(cè)也是自動(dòng)測(cè)試重點(diǎn)考察內(nèi)容［6］。 其中控制服務(wù)、定值服務(wù)、報(bào)告服務(wù)等下行發(fā)送請(qǐng)求，以及保護(hù)裝置（服務(wù)端）響應(yīng)，需要一一辨別區(qū)分響應(yīng)的正確性，以及失敗響應(yīng)時(shí)錯(cuò)誤分析問(wèn)題定位。 在本文中**節(jié)所述高內(nèi)聚低耦合的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)執(zhí)行的每一個(gè)過(guò)程，和每一種結(jié)果自由組合判據(jù)。 以控制服務(wù)為例，根據(jù)不同的情況可以選擇不同的判據(jù)組合：①遙控軟壓板。 遙控選擇，選擇確認(rèn)；遙控執(zhí)行，執(zhí)行確認(rèn)，遙信上送確認(rèn)；②遙控?cái)嗦菲?。遙 控 選 擇，選 擇 確 認(rèn)；遙 控 執(zhí) 行，執(zhí) 行 確 認(rèn)，測(cè)試儀開入確認(rèn)，PLC 開入監(jiān)視確認(rèn)。 同樣的控制服務(wù)測(cè)試自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)不同的測(cè)試情況編輯結(jié)果判別項(xiàng)，詳見表 2：
5 自動(dòng)測(cè)試示例
目前自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的測(cè)試有：保護(hù)動(dòng)作邏輯、電流（電壓、阻抗、功率、靈敏角、頻率等）定值精度、動(dòng)作時(shí)間、壓板和控制字有效性、開入有效性、開出有效性、采樣值、通信報(bào)文一致性檢測(cè)［7］。
我們以數(shù)字化測(cè)試儀測(cè)試保護(hù)動(dòng)作邏輯為例詳細(xì)介紹整個(gè)自動(dòng)測(cè)試環(huán)境搭建、用 例 生 成、條 件 準(zhǔn) 備、執(zhí) 行、結(jié) 果 判 別 的 流程。 自動(dòng)測(cè)試環(huán)境主要包含有 PC 端自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件工具、數(shù)字化測(cè)試儀（PNF800）、PLC 換線及 IO 模塊、交換機(jī)、被測(cè)保護(hù)裝置。 環(huán)境搭建可參照?qǐng)D 1。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò) SCD 文件（保護(hù)裝置配置文件）讀取對(duì)應(yīng)被測(cè)裝置數(shù)據(jù)， 測(cè)試儀配置等信息供自動(dòng)測(cè)試工具組建測(cè)試用例。 測(cè)試用例包含被測(cè)裝置壓板狀態(tài)、定值數(shù)值、裝置連線信息、測(cè)試儀配置信息、模擬量狀態(tài)序列等輸入信息；還應(yīng)包含遙控執(zhí)行信息、讀寫定值信息、測(cè)試儀出口信息、PLC 模塊開入開出監(jiān)視狀態(tài)等結(jié)果判斷信息。
條件準(zhǔn)備階段，設(shè)置用例時(shí)間，重置裝置壓板、定值等初始值狀態(tài)。 條件準(zhǔn)備完畢后開始執(zhí)行測(cè)試用例，按照測(cè)試用例設(shè)計(jì)順序執(zhí)行。 用例執(zhí)行時(shí)，同步收集遙控執(zhí)行響應(yīng)信息、讀寫定值響應(yīng)信息、 測(cè)試儀出口信息、PLC 模塊開入開出監(jiān)視狀態(tài)等結(jié)果判斷信息。 用例執(zhí)行完畢，對(duì)測(cè)試過(guò)程判別。 無(wú)論測(cè)試成功或失敗，整個(gè)測(cè)試執(zhí)行過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取繼電保護(hù)裝置的錄波文件和動(dòng)作報(bào)告，并與測(cè)試用例匹配關(guān)聯(lián)，便于保護(hù)動(dòng)作行為分析；自動(dòng)抓取記錄測(cè)試過(guò)程中裝置與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通訊報(bào)文，做到測(cè)試過(guò)程全記錄，方便問(wèn)題查找定位。 用例及結(jié)果判斷見圖 4。
6 結(jié)束語(yǔ)
自主可控新一代變電站繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了自主可控保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò) PLC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換線功能， 解決了部分傳統(tǒng)模擬量采樣繼電保護(hù)裝置人工換線效率低、易出錯(cuò)的問(wèn)題；通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，各功能塊條件判據(jù)自由組合，實(shí)現(xiàn)了良好的測(cè)試擴(kuò)展性，拓展了測(cè)試范圍，保障了測(cè)試質(zhì)量，有效地提高了測(cè)試效率，并且在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。
