于　哲，李忠安，李興建，王言國，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

一種高壓母線保護(hù)靜模自動(dòng)測試方案

于哲，李忠安，李興建，王言國，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102）

針對母線保護(hù)測試存在關(guān)聯(lián)IO接口數(shù)量多、不同支路運(yùn)行方式排列組合多、測試設(shè)計(jì)復(fù)雜、耗時(shí)長、測試方案容易遺漏等問題，介紹了一個(gè)已經(jīng)投入實(shí)際使用的高壓母線保護(hù)自動(dòng)測試方案。該方案是以電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)化測試系統(tǒng)TestCenter為平臺(tái)，采用Python語言開發(fā)完成的?？梢愿鶕?jù)設(shè)定的測試目標(biāo)自動(dòng)生成測試用例，進(jìn)行閉環(huán)智能判斷。該方案兼容常規(guī)站和數(shù)字化站的測試，支持對IEC 61850、IEC 103等通信規(guī)約動(dòng)作信號的驗(yàn)證。目前在PCS-915系列母線保護(hù)的測試過程中，可以不經(jīng)人工干預(yù)地完成不同接線方式下母線保護(hù)的靜模自動(dòng)測試。

母線保護(hù)；靜模測試；自動(dòng)測試

基于分布式自動(dòng)測試［1-3］的思路，南瑞繼保開發(fā)了針對繼電保護(hù)等智能裝置進(jìn)行全面、閉環(huán)測試的自動(dòng)化測試系統(tǒng)［4］。隨著微機(jī)保護(hù)的大規(guī)模使用、保護(hù)測控一體化裝置向高電壓等級的發(fā)展、數(shù)字化智能變電站的應(yīng)用推廣、以及未來的智能電網(wǎng)的建設(shè)，繼電保護(hù)的測試已經(jīng)不僅僅注重于功能的測試。對繼電保護(hù)產(chǎn)品的可靠性研究［5］，以及對繼電保護(hù)型式試驗(yàn)項(xiàng)目的完備性研究也紛紛展開［6］。繼電保護(hù)裝置逐步走向平臺(tái)化、模塊化的發(fā)展趨勢，便于根據(jù)實(shí)際工程需要實(shí)現(xiàn)多版本、小批量、多批次的升級和維護(hù)，但同時(shí)帶來回歸測試工作量的增大。為了在有限的人力、時(shí)間資源下，達(dá)到測試的范圍和力度，必須進(jìn)行自動(dòng)測試的研究。母線保護(hù)具有涉及間隔數(shù)量多、運(yùn)行方式組合多、需要兼容多種主接線、不同地區(qū)對間隔定義差異大等特點(diǎn)，測試工時(shí)長、測試環(huán)境復(fù)雜，尤其需要自動(dòng)測試來保證測試的覆蓋率。文中介紹的測試方案以南瑞繼保自動(dòng)測試平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過 python語言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對PCS-915系列高壓母線保護(hù)的自動(dòng)測試。在開發(fā)過程中，統(tǒng)一考慮了母線保護(hù)不同主接線方式的共性、常規(guī)變電站和數(shù)字化變電站在測試中的異同、不同地區(qū)對母線保護(hù)配置和定值的差異，可以支持常規(guī)/智能變電站母線保護(hù)的自動(dòng)閉環(huán)測試。由于該系統(tǒng)的模擬量輸出使用了小信號的方式，常規(guī)保護(hù)的測試僅支持南瑞繼保的母線保護(hù)；智能站則采用標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850站控層和過程層協(xié)議，可以支持不同廠家的保護(hù)裝置。

1　母線保護(hù)靜模測試方案整體概述

1.1電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)化測試平臺(tái)

自動(dòng)測試軟件的實(shí)現(xiàn)是基于南瑞繼保自行開發(fā)的電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)化測試平臺(tái) TestCenter。TestCenter是一種開放式的測試平臺(tái)，主要為電力二次設(shè)備的測試提供傳統(tǒng)模擬量輸出、數(shù)字化模擬量輸出、開關(guān)量輸出和輸入、Goose輸入和輸出、IEC 61850規(guī)約、IEC 103規(guī)約等測試模塊。

如圖1所示，測試平臺(tái)分為2個(gè)部分：可擴(kuò)展的功能測試從機(jī)模塊，以及自動(dòng)測試腳本支撐平臺(tái)。

圖1　電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)化測試系統(tǒng)模型

功能測試從機(jī)模塊主要有保護(hù)測試儀、各種規(guī)約的通信模塊。保護(hù)測試儀采用南瑞繼保自行開發(fā)的HELP-9000系列保護(hù)測試儀，該測試儀有以下優(yōu)勢：（1）可以同時(shí)支持常規(guī)采樣和數(shù)字化采樣的保護(hù)測試，并可根據(jù)需要擴(kuò)展模擬量輸出的個(gè)數(shù)，滿足多間隔同時(shí)測試的需求；（2）開關(guān)量輸入輸出可擴(kuò)展，最多支持640路開關(guān)量輸出，或者480路開關(guān)量輸入。規(guī)約通信模塊可以進(jìn)行裝置定值修改、搜集故障和變位信息、采集裝置實(shí)時(shí)狀態(tài)、收集故障報(bào)告等。

自動(dòng)測試腳本支撐平臺(tái)，支持Python語言開發(fā)測試腳本，對各種功能測試從機(jī)模塊如保護(hù)測試儀、ICE 61850規(guī)約模塊、IEC 103規(guī)約模塊等進(jìn)行靈活調(diào)用。完成測試初始化、外加故障序列并且搜集測試反饋進(jìn)行智能判斷。

1.2母線保護(hù)測試的腳本架構(gòu)

自動(dòng)測試平臺(tái)提供了硬件和通信接口，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軟件腳本架構(gòu)，使得對不同類型的母線保護(hù)自動(dòng)測試具備形成測試用例、智能判斷結(jié)果的功能。

高壓母線保護(hù)的靜模自動(dòng)測試腳本部分，采用分層化和模塊化的設(shè)計(jì)。在接口定義方面，統(tǒng)一定義兼容常規(guī)站和智能站的基本輸入輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；對現(xiàn)場運(yùn)行方式進(jìn)行統(tǒng)一建模，適用于不同母線主接線；統(tǒng)一對保護(hù)定值參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)傳遞的設(shè)計(jì)，方便進(jìn)行定值增減。在功能實(shí)現(xiàn)方面，開發(fā)了兼容常規(guī)站和智能站的模擬量和開關(guān)量的輸入輸出函數(shù)；依據(jù)測試內(nèi)容開發(fā)了基于母線物理模型的測試模塊；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有用戶的不同要求，開發(fā)了定值參數(shù)和測試模塊的接口模板。腳本結(jié)構(gòu)和基本原理如下：

（1）保護(hù)測控通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；谀K化的設(shè)計(jì)思路，必須對保護(hù)測控裝置使用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一定義和封裝。主要包括模擬量、開關(guān)量、裝置參數(shù)和保護(hù)定值的結(jié)構(gòu)定義等。模擬量的結(jié)構(gòu)除了基本的幅值相位等信息，還定義了兼容數(shù)字量和常規(guī)量的通道信息。開關(guān)量的定義主要考慮了開入開出的統(tǒng)一模型，包含常規(guī)和goose的通道信息以及變位記錄。裝置參數(shù)和定值的定義同時(shí)考慮了IEC 103規(guī)約和IEC 61850規(guī)約對定值的不同處理方式。

（2）母線運(yùn)行方式的自動(dòng)生成。根據(jù)母線的接線方式，可以遍歷/隨機(jī)生成母線的運(yùn)行方式。目前支持的母線運(yùn)行方式包括母聯(lián)分列、母線互聯(lián)、母聯(lián)旁路、支路的刀閘位置隨機(jī)分布、支路刀閘雙跨、支路無刀閘等多種情況。上述運(yùn)行方式既可以單獨(dú)測試，也可以相互轉(zhuǎn)換。此外還可以進(jìn)行TA異常、TV異常等非正常工況的測試。

（3）靜態(tài)單功能測試模塊。根據(jù)母線保護(hù)涵蓋的不同保護(hù)元件，分別開發(fā)了單功能模塊。差動(dòng)保護(hù)的測試模塊主要覆蓋差動(dòng)曲線測試、動(dòng)作時(shí)間測試、電壓閉鎖測試、支路跳閘測試、差流異常測試、保護(hù)投入/退出/閉鎖等功能點(diǎn)的測試。斷路器失靈保護(hù)主要覆蓋了相電流過流精度、負(fù)序電流精度、零序電流精度、動(dòng)作時(shí)間測試、電壓閉鎖測試、支路跳閘測試、保護(hù)投入/退出/閉鎖等功能點(diǎn)的測試。另外對死區(qū)保護(hù)、母聯(lián)過流、母聯(lián)失靈等保護(hù)，也開發(fā)了相應(yīng)的測試模塊。

（4）基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的測試模塊。為了將保護(hù)功能測試信息，轉(zhuǎn)化成保護(hù)測試儀的實(shí)際輸出，以及反饋的判別依據(jù)，開發(fā)了基于狀態(tài)的測試模塊。在狀態(tài)序列中，根據(jù)單功能模塊的設(shè)定，將不同的測試目的和要求轉(zhuǎn)化為保護(hù)裝置的實(shí)際輸入。該模塊考慮了常規(guī)變電站和智能變電站IO接口的不同。

（5）閉環(huán)反饋校驗(yàn)?zāi)K。根據(jù)單功能測試模塊中保護(hù)定值、設(shè)定的故障狀態(tài)、母線運(yùn)行方式等信息，預(yù)先分析出保護(hù)的動(dòng)作元件、跳閘出口、信號出口、通信事件等信息。當(dāng)完成對保護(hù)施加的測試數(shù)據(jù)序列后，通過測試裝置搜集保護(hù)的各類出口，通過通信模塊搜集保護(hù)動(dòng)作的通信事件，并將搜集到的數(shù)據(jù)和理論的輸出結(jié)果進(jìn)行比較，識(shí)別出保護(hù)動(dòng)作返回精度、時(shí)間精度、出口保持時(shí)間、出口動(dòng)作是否正確等測試數(shù)據(jù)。

母線保護(hù)測試系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)如圖2所示。

圖2　母線保護(hù)測試系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

2　母線保護(hù)測試的通用數(shù)據(jù)模型

母線保護(hù)測試系統(tǒng)支持單母、單母分段、雙母單分段、雙母雙分段、3/2接線等多種接線方式。每種接線方式中，母聯(lián)、分段開關(guān)、支路刀閘位置均影響保護(hù)動(dòng)作特性以及出口狀況。為了和保護(hù)裝置的描述統(tǒng)一，以支路序號、母線序號為基本對象。母線、支路均以python語言中的列表（List）表示。母線和支路之間以刀閘為關(guān)聯(lián)。保護(hù)測試儀和PCS-915系列裝置的IO接線采用統(tǒng)一方案，刀閘位置、支路跳閘出口、支路模擬量通道、母線跳閘出口的位置可以自動(dòng)生成。

2.1母線保護(hù)IO接口的數(shù)據(jù)模型

IO接口主要考慮了二次設(shè)備的通道描述、電壓模擬量、電流模擬量、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出等主要信息。模擬量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含通道位置、幅值、角度、頻率等信息，以及幅值和頻率的變化率，同時(shí)為了滿足智能站和常規(guī)站通用的要求，增加了TA和TV變比、通道標(biāo)志位等信息。開關(guān)量輸入包含了通道描述、開關(guān)量的通道位置、動(dòng)作時(shí)間、返回時(shí)間的信息，還包括了智能站雙位置等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。保護(hù)開關(guān)量輸出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了相對動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算功能，便于校核保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間特性。

2.2保護(hù)定值的結(jié)構(gòu)模型

保護(hù)定值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要用于修改保護(hù)的系統(tǒng)參數(shù)、定值、控制字以及軟壓板。為了不同裝置軟件版本的通用性，定值的數(shù)據(jù)描述除了支持IEC 61850中的引用名和IEC 103規(guī)約的組號條目號外，還支持按照定值的中文描述檢索。定值接口包括定值描述、定值的數(shù)據(jù)類型、定值最大值和最小值、定值步長等等。可以滿足通過IEC 61850規(guī)約或者網(wǎng)絡(luò)IEC 103規(guī)約對裝置的定值進(jìn)行修改和校核。

2.3母線拓?fù)淠Ｐ捅硎?/p>

母線拓?fù)淠Ｐ桶妇€、線路支路、變壓器支路、母聯(lián)支路以及分段支路等間隔模型。不同間隔模型使用相同的IO接口模型以及定值模型，保證間隔模型在進(jìn)行拓?fù)浞治鰰r(shí)的兼容性。母線間隔模型包含母線描述、TV信息、刀閘列表以及出口信息。線路和變壓器支路的間隔模型，包括自身描述、刀閘信息、TA信息、出口信息以及支路類型。母聯(lián)和分段支路間隔模型，在線路變壓器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加開關(guān)位置的相關(guān)信息。

圖3為拓?fù)淠Ｐ偷拿枋?，該模型支持選擇不同的母線類型后，自動(dòng)生成母聯(lián)和分段的開關(guān)刀閘位置，以及支路隨機(jī)/指定在不同母線上的分布。同時(shí)可以支持設(shè)置母線初始狀態(tài)是否有壓、支路初始狀態(tài)是由有流等信息。可以實(shí)現(xiàn)查找支路連接的母線，查找母線當(dāng)前連接的支路列表等輔助功能。

圖3　母線拓?fù)淠Ｐ偷臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3　母線保護(hù)測試功能模塊

3.1單功能測試模塊

單功能模塊按不同保護(hù)原理，根據(jù)母線拓?fù)淠Ｐ妥鳛檩斎?，進(jìn)行各項(xiàng)靜態(tài)測試。支持母線差動(dòng)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)、死區(qū)保護(hù)等功能測試模塊。

單功能模塊輸入主要有兩部分：第一部分是當(dāng)前運(yùn)行方式，來自于母線拓?fù)淠Ｐ偷妮敵觯ǎ海?）母線正常、分列運(yùn)行、互聯(lián)運(yùn)行等狀態(tài)；（2）各個(gè)支路的刀閘位置、開關(guān)位置；（3）母線是否有壓、支路是否有流等信息。第二部分是測試項(xiàng)目，包括元件測量精度測試、動(dòng)作時(shí)間測試、閉鎖條件測試等等。

單功能測試模塊的輸出有三部分：第一部分是保護(hù)定值、裝置參數(shù)、以及相關(guān)的軟壓板。第二部分是提供一組狀態(tài)序列，目前可以支持不少于6個(gè)初始或者故障狀態(tài)，包括：（1）描述不同狀態(tài)下母線和支路的模擬量信息，包含幅值、相位、頻率、幅值變化率、頻率變化率等；（2）描述不同狀態(tài)下母線和支路的刀閘、開關(guān)、失靈節(jié)點(diǎn)等開關(guān)量的變位情況和變位時(shí)間。第三部分是校驗(yàn)準(zhǔn)則，用于故障序列后的反饋校驗(yàn)，包括確定：（1）母線和支路的各種出口是否跳閘、跳閘理論時(shí)間；（2）母線和支路電壓或者電流模擬量變化率和動(dòng)作理論值，用于結(jié)合實(shí)際跳閘時(shí)間計(jì)算精度和誤差；（3）需要監(jiān)視的通信報(bào)文的動(dòng)作情況。

3.2狀態(tài)轉(zhuǎn)換和反饋模塊

狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊的主要功能，是根據(jù)單功能測試模塊提供的狀態(tài)序列，轉(zhuǎn)換成HELP-9000等保護(hù)測試儀的接口數(shù)據(jù)。由于不同測試儀存在不同的通信協(xié)議，狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊將基于間隔的通用狀態(tài)序列，轉(zhuǎn)換成不同測試儀的專用協(xié)議，從而將測試用例的開發(fā)和具體執(zhí)行解耦。該模塊同時(shí)支持常規(guī)站和智能站的輸出，可以同時(shí)輸出傳統(tǒng)模擬量、IEC61850.9-2以及 IEC 60044-8等多種模擬量數(shù)據(jù)；也可以支持常規(guī)開關(guān)量和Goose開關(guān)量的同時(shí)輸出。測試執(zhí)行前通過IEC 103或者IEC 61850下載裝置定值。

反饋模塊在狀態(tài)序列輸出期間，收集保護(hù)測試儀和被測裝置的反饋信息。該模塊搜集保護(hù)測試儀的常規(guī)開關(guān)量和Goose開關(guān)量的變化狀態(tài)，并記錄變化的絕對時(shí)間，計(jì)算變位的相對時(shí)間。同時(shí)搜集裝置IEC 61850、IEC 103等通信規(guī)約的變位報(bào)告；也可以根據(jù)需要主動(dòng)召喚被測裝置的模擬量采集信息。不同的變位信息統(tǒng)一存儲(chǔ)于反饋模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，支持根據(jù)通道位置查詢開關(guān)量的變位、狀態(tài)、動(dòng)作時(shí)間等信息。

3.3閉環(huán)校驗(yàn)?zāi)K

閉環(huán)校驗(yàn)?zāi)K根據(jù)單功能測試模塊提供的校驗(yàn)準(zhǔn)則，以及反饋模塊提供的反饋信息，逐一校驗(yàn)?zāi)妇€和支路的各種動(dòng)作信息，計(jì)算實(shí)際誤差并判斷是否超過誤差范圍，最后將測試結(jié)果按照預(yù)先設(shè)定的格式輸出。如果校驗(yàn)測試不通過，則保存當(dāng)前信息用于事后分析，搜集的當(dāng)前信息包括保護(hù)定值、狀態(tài)序列信息、反饋信息、召喚的裝置最新波形等。

測試輸出的基本內(nèi)容如下所示：

支路列表｛

支路名稱；

出口列表｛

出口接點(diǎn)名稱；理論動(dòng)作時(shí)間；實(shí)際動(dòng)作時(shí)

間；出口保持時(shí)間；動(dòng)作時(shí)間誤差｝

動(dòng)作信息｛

理論是否動(dòng)作；實(shí)際是否動(dòng)作；最大相電流

電流理論值；最大相電流電流實(shí)際值；負(fù)序

電流理論值；負(fù)序電流實(shí)際值；零序電流理

論值；零序電流實(shí)際值……｝

｝

母線列表｛

母線名稱；

出口列表｛

出口接點(diǎn)名稱；理論動(dòng)作時(shí)間；實(shí)際動(dòng)作時(shí)

間；出口保持時(shí)間；動(dòng)作時(shí)間誤差｝

動(dòng)作信息｛

理論是否動(dòng)作；實(shí)際是否動(dòng)作；差流理論

值；差流實(shí)際值；低電壓理論值；低電壓實(shí)

際值；負(fù)序電壓理論值；負(fù)序電壓實(shí)際值

……｝

｝

根據(jù)測試模塊的不同，上述輸出信息會(huì)根據(jù)測試模塊的要求增減，以便在測試不通過的時(shí)候迅速定位缺陷原因。

各功能模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4　功能模塊聯(lián)系

4　結(jié)束語

該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在PCS-915系列母線保護(hù)研發(fā)流程中。不僅可使用于最終的系統(tǒng)測試，而且在保護(hù)裝置的開發(fā)和優(yōu)化過程中，可以不斷進(jìn)行回歸測試，從源頭保證微機(jī)保護(hù)的產(chǎn)品質(zhì)量。利用開發(fā)過程中前期的測試數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)理論分析，預(yù)估研發(fā)的進(jìn)度和質(zhì)量，提前對質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)采取措施。不同型號的母線保護(hù)測試時(shí)，移植時(shí)間可以控制在半個(gè)工作日，測試執(zhí)行時(shí)間長達(dá)70 h以上，可以比較充分的遍歷靜模功能測試。該體系已在南瑞繼保研發(fā)中心實(shí)施，其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)亦已在CMMI5的過程體系中使用。

［1］賴 擎，華建衛(wèi)，呂 云，等.通用繼電保護(hù)自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（3）：90-94.

［2］李先妹，黃家棟，唐寶鋒.數(shù)字化變電站繼電保護(hù)測試技術(shù)的分析研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（3）：105-108

［3］李曉朋，趙成功，李 剛，等.基于IEC61850的數(shù)字化繼電保護(hù)GOOSE功能測試［J］.繼電器，2008，36（7）：59-61.

［4］李忠安，沈全榮，王言國，等.電力系統(tǒng)智能裝置自動(dòng)化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，（8）：77-80.

［5］曾克娥.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行可靠性指標(biāo)探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（14）：83-85.

［6］姚致清.繼電保護(hù)測試發(fā)展方向的思考［J］.繼電器，2008，36（11）：79-78.

An Automatic Static Simulation Test Acheme for High-voltage Bus Protection

YU Zhe，LI Zhongan，LI Xingjian，WANG Yanguo，SHEN Quanrong
（Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China）

This paper introduces an automatic test scheme for high-voltage bus protection which has already been in-service. Testing bus protection has some difficulties，such as the large number of IO interfaces，permutation and combination of bus operation modes，long time of testing execution，and easy to miss.This paper introduces practical example of automatic bus protection testing scheme.The testing scheme is based on test platform named'Testcenter'，and use Python as developing code language.Its produce scenarios automatically according to the predefined aims and then intelligently implement testing process.This scheme is applicable fonb r both traditional and digital protections，and supports to the IEC 61850 and IEC 103.Currently，this proposed scheme can intelligently implement automatic static test the protections with various connections of PCS-915 series.

bus protection；static model test；automatic test

TM744

B

1009-0665（2015）03-0037-04

2014-12-03；

2015-02-27

于哲（1978），男，山西運(yùn)城人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的檢測工作；

李忠安（1975），男，湖北孝感人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化的自動(dòng)測試開發(fā)工作；

李興建（1977），男，山東濰坊人，高級工程師，從事繼電保護(hù)、穩(wěn)控裝置測試儀開發(fā)工作；

王言國（1977），男，江蘇徐州人，工程師，從事電力系統(tǒng)大型應(yīng)用軟件開發(fā)、管理、軟件過程改進(jìn)工作；

沈全榮（1965），男，江蘇吳江人，研究員級高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究、開發(fā)和管理工作。