王軍，詹榮榮

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106，2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它對保證系統(tǒng)安全運行起著非常重要的作用。它在系統(tǒng)故障時切除故障設(shè)備、對系統(tǒng)安全運行做出貢獻(xiàn)，但若不正確動作(包括拒動和誤動)給系統(tǒng)造成的危害也是巨大的［1］。近年來，隨著技術(shù)發(fā)展和新標(biāo)準(zhǔn)的推廣，新型保護(hù)裝置大量采用了多CPU協(xié)作、智能化開入開出回路等新技術(shù)。與傳統(tǒng)裝置相比，新裝置軟硬件設(shè)計更為復(fù)雜，在研發(fā)及生產(chǎn)過程中遺留缺陷的可能性也更大。因此，全面深入地測試?yán)^電保護(hù)裝置，提高裝置質(zhì)量，對降低裝置運行過程中發(fā)生故障的幾率，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行意義重大。

盡管近年來實時數(shù)字仿真系統(tǒng)和微機(jī)繼電保護(hù)測試儀在繼電保護(hù)裝置測試工作中得到廣泛使用，繼電保護(hù)裝置的測試水平、測試效率和測試質(zhì)量得到大幅提高，但是測試流程卻并無太大的改進(jìn)，測試過程依然需要大量的人工操作，自動化程度和效率比較低。微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展到今天，僅靠傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，繼電保護(hù)裝置測試應(yīng)實現(xiàn)自動化［2］。

1 設(shè)計目標(biāo)

通過對手動測試流程和歷史測試記錄的分析，我們發(fā)現(xiàn)影響測試效率和測試結(jié)果可靠性的因素有:①測試中需頻繁地改動測試接線。②測試中需人工計算并設(shè)置測試儀輸出參數(shù)。③測試中需監(jiān)視裝置顯示和指示燈。④測試人員水平及工作責(zé)任心等人員因素。

文獻(xiàn)［3-5］提出了幾種繼電保護(hù)裝置自動測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，解決了部分上述問題，但仍存在一些不足之處:① 僅從現(xiàn)場測試的需求出發(fā)，沒有考慮生產(chǎn)測試的需求。② 依然需要手動選擇測試方案，存在誤操作的可能。③ 受測試儀硬件接口容量的限制，測試中還需經(jīng)常改變測試接線。④ 無法滿足數(shù)字化保護(hù)裝置的測試需求。

本文認(rèn)為應(yīng)充分地利用計算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動化、智能化的優(yōu)勢，將自動測試功能和數(shù)據(jù)管理功能緊密地融合，實現(xiàn)整個測試過程的全自動化操作。自動測試系統(tǒng)需實現(xiàn)下述目標(biāo)和功能:

(1)閉環(huán)測試能力:應(yīng)支持對保護(hù)動作接點信息、保護(hù)模擬量、整組報告、開入、開出等信息的讀取、分析及比較，裝置的精度核對、動作事件判斷、動作時間比較均由自動測試系統(tǒng)自動完成。

(2)良好的可重復(fù)性:對于同一測試對象，能夠保證自動選擇相同測試方案執(zhí)行相同的測試，得到相同的結(jié)論，保證測試結(jié)果的一致性。

(3)全面的測試覆蓋率:盡可能覆蓋現(xiàn)有裝置的測試點;提供足夠的硬件接口，測試中基本不需改動測試接線;滿足數(shù)字化保護(hù)裝置的測試需求。

(4)完善的測試記錄管理:自動記錄詳細(xì)的測試信息并妥善地存檔，以備檢索、統(tǒng)計、分析和測試報告打印所需。

(5)方便的測試方案設(shè)計:實現(xiàn)多級層次型的測試元件管理功能，在各個層次上支持導(dǎo)入、導(dǎo)出等復(fù)用功能;允許用戶自行設(shè)計測試界面模板并編制測試邏輯腳本，實現(xiàn)自定義動態(tài)測試元件。

(6)用戶權(quán)限可控:應(yīng)實現(xiàn)基于用戶角色的權(quán)限管理功能，能夠根據(jù)當(dāng)前登錄用戶的角色自動選擇對應(yīng)的運行模式，賦予用戶不同的操作權(quán)限。

(7)具備良好的可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)裝置更新?lián)Q代的需要。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

自動測試系統(tǒng)采用分布式和模塊化的設(shè)計思想，在硬件上由數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、生產(chǎn)管理客戶端、測試控制主機(jī)、GPS時鐘和測試儀等設(shè)備組成(如圖1所示)，根據(jù)功能可將整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)管理和自動測試兩個子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器和生產(chǎn)管理客戶端組成，其主要功能是:數(shù)據(jù)存儲及管理(包括物料信息、條碼、測試方案、測試記錄等)、用戶及權(quán)限的管理、數(shù)據(jù)的WEB發(fā)布。

自動測試子系統(tǒng)由測試控制主機(jī)、測試儀和衛(wèi)星同步時鐘組成，其主要功能是:根據(jù)選定的測試方案，實現(xiàn)對裝置的閉環(huán)自動測試，生成測試記錄并存檔。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成

2.2 系統(tǒng)流程

通過綜合考慮用戶對自動測試系統(tǒng)的需求、自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用場景以及生產(chǎn)管理的需要，我們在設(shè)計自動測試系統(tǒng)時，將整個系統(tǒng)的流程分為三個階段(如圖2所示)。

圖2 系統(tǒng)流程

測試方案開發(fā)階段，由測試開發(fā)人員完成。本階段，測試開發(fā)人員根據(jù)裝置軟硬件的功能和配置，依照繼電保護(hù)裝置出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)或現(xiàn)場檢驗規(guī)程，在測試元件庫中選擇合適的測試元件組成完整測試方案，完成測試方案的開發(fā)。

測試方案歸檔階段，由數(shù)據(jù)管理人員完成。測試方案開發(fā)結(jié)束后，測試開發(fā)人員將測試方案及相關(guān)文檔打包成測試方案包，提交給數(shù)據(jù)管理人員審核。測試方案審核通過后，通過生產(chǎn)管理客戶端上傳至數(shù)據(jù)庫，建立測試方案與裝置型號之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

自動測試階段，由測試人員完成。通過掃描裝置條碼，自動測試軟件依據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動地下載、加載合適的測試方案;順序地運行方案中的測試元件，將測試結(jié)果匯集成詳細(xì)的裝置測試記錄，上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存檔。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)，所有的業(yè)務(wù)邏輯均使用ASP.NET技術(shù)在應(yīng)用服務(wù)器中開發(fā)運行，客戶端不需要安裝專用軟件，僅通過瀏覽器即可完成對所有數(shù)據(jù)的管理功能，系統(tǒng)的部署、更新和維護(hù)非常方便。目前，我們已在應(yīng)用服務(wù)器上實現(xiàn)了:物料信息的維護(hù)及查詢、條碼的生成及打印(客戶端需瀏覽器插件支持)、測試方案上傳功能、測試記錄的查詢統(tǒng)計分析、測試報告的生成和打印等功能。

3.2 測試儀

測試儀采用多CPU結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，包括液晶顯示、主控單元、輸出功放及各種智能化的信號輸入輸出接口板，其基本配置如圖3所示。

為保證測試儀的實時性能和輸出精度，主控單元采用基于PowerPC和DSP的雙CPU架構(gòu)，PowerPC用于測試儀的管理，運行實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)測試儀的顯示輸出、參數(shù)配置、信息記錄及上位機(jī)通信等功能;DSP則用于測試控制，實現(xiàn)測試波形的生成、接口板驅(qū)動等功能。雙CPU之間采用高速同步串口通訊方式完成數(shù)據(jù)的交換。

所有的接口板均為配置獨立單片機(jī)的智能化接口板，采用CAN總線通信方式與主控單元完成命令和數(shù)據(jù)的交換，可通過修改配置文件實現(xiàn)接口板之間的相互替換，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

圖3 測試儀的配置

3.3 自動測試軟件

自動測試軟件運行于測試控制主機(jī)之上，是整個測試系統(tǒng)的核心組成部分。自動測試系統(tǒng)所需的測試方案開發(fā)、測試方案執(zhí)行、測試儀控制、保護(hù)裝置通信及測試記錄的生成和上傳的功能均通過本軟件實現(xiàn)。它基于開源的QT跨平臺應(yīng)用程序框架(QT Cross-platform Application Framework)開發(fā)，可在 Windows、Linux操作系統(tǒng)上編譯運行。

3.3.1 組成結(jié)構(gòu)和模塊功能

如圖4所示，自動測試軟件主要由測試界面管理、測試方案管理、自動測試控制、測試儀控制接口、裝置通信接口和數(shù)據(jù)庫接口組成。

圖4 自動測試軟件的組成

測試界面管理模塊主要實現(xiàn)動態(tài)測試元件的加載和執(zhí)行功能:當(dāng)執(zhí)行某一測試元件時，本模塊根據(jù)測試元件的配置，解析測試界面模板文件和測試參數(shù)配置文件，動態(tài)的生成測試界面，調(diào)用測試腳本中的功能函數(shù)，完成測試參數(shù)的計算和測試命令序列的生成，供自動測試控制模塊使用。

測試方案管理模塊主要實現(xiàn)測試方案的讀寫和管理功能:本模塊根據(jù)裝置的條碼信息，自動地通過數(shù)據(jù)庫接口下載測試方案到本地，然后加載測試方案和測試配置文件的內(nèi)容到內(nèi)存中，供自動測試控制模塊和測試界面管理模塊使用。

自動測試控制模塊是自動測試軟件的核心模塊，它根據(jù)由當(dāng)前測試元件的測試腳本生成的測試命令序列，調(diào)用測試儀控制接口、裝置通信接口和數(shù)據(jù)庫接口分別控制測試儀的輸出、回收裝置的動作接點信息、讀取裝置的報文數(shù)據(jù)、生成測試記錄并存檔。

3.3.2 運行模式的設(shè)計和選擇策略

為了更好的滿足不同用戶和不同測試場景的測試需求，自動測試軟件專門設(shè)計了不同運行模式，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的在線狀態(tài)和當(dāng)前用戶的角色自動選擇合適的運行模式。

研發(fā)測試模式:適用于裝置研發(fā)測試和測試方案開發(fā)，須在線運行且登錄用戶為開發(fā)人員。此模式允許重復(fù)執(zhí)行特定的測試元件，允許測試過程中修改測試參數(shù)。

生產(chǎn)測試模式:適用于裝置的出廠測試，須在線運行且登錄用戶為生產(chǎn)測試人員。此模式按照整個測試方案的配置順序地執(zhí)行所有測試元件，自動生成測試記錄并上傳，不需用戶干預(yù)。

現(xiàn)場校驗?zāi)Ｊ?適用于現(xiàn)場調(diào)試和驗收測試，須在線運行且登錄用戶為現(xiàn)場測試人員。在此模式下測試定值可選用裝置運行定值，亦可選用測試方案中設(shè)置的定值。

離線現(xiàn)場校驗?zāi)Ｊ?同樣適用于現(xiàn)場調(diào)試和驗收測試，當(dāng)連接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)失敗時允許用戶手動選擇測試方案和測試元件，測試記錄暫存于本地，待重新連接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)后再進(jìn)行測試記錄同步操作。

3.3.3 可擴(kuò)展性設(shè)計

實現(xiàn)閉環(huán)自動測試，測試軟件不僅要讀取裝置的動作接點信息，還必須具備與裝置通信的能力，能夠讀寫裝置定值，能夠讀取裝置的保護(hù)動作信息、測量值、開入量、SOE等報文信息，以用于比較和檢查。但是由于不同型號裝置的通訊規(guī)約一般會有所不同，而且隨著繼電保護(hù)裝置向網(wǎng)絡(luò)化、一體化和智能化發(fā)展［6］，新的通信規(guī)約也會被逐步采用，自動測試軟件必須能夠方便的擴(kuò)充裝置通信規(guī)約，以適應(yīng)未來裝置發(fā)展。

圖5 擴(kuò)展性設(shè)計UML圖

本文出于對通訊效率及編程方便性的考慮，采用QT框架提供的插件機(jī)制實現(xiàn)裝置通信功能的擴(kuò)展:將每種裝置通訊規(guī)約封裝成一個獨立的規(guī)約插件，實現(xiàn)統(tǒng)一的初始化接口和數(shù)據(jù)讀寫接口。自動測試軟件根據(jù)裝置測試配置，調(diào)用對應(yīng)的規(guī)約插件完成與裝置的直接通訊功能，實現(xiàn)的方式如圖5所示。

3.3.4 可配置裝置的自動測試解決方案

可配置模式是指把裝置的部分軟硬件組件定義為可配置，應(yīng)用時根據(jù)需要修改裝置的配置文件，動態(tài)地啟用或停用相應(yīng)組件的設(shè)計模式，具有可靈活地滿足各類用戶的需求、降低裝置總體開發(fā)成本和維護(hù)成本等優(yōu)點，現(xiàn)階段在裝置設(shè)計中得到廣泛地應(yīng)用。但可配置模式給自動測試系統(tǒng)的開發(fā)帶來一些問題:由于不同配置的裝置在功能和接口方面并不完全一致，適用于某種配置的測試方案無法完全適用于其他配置方式;裝置的配置方式眾多，很難為每種配置方式單獨開發(fā)測試方案;造成測試時測試方案選擇困難。

通過對可配置裝置實現(xiàn)原理的分析，我們發(fā)現(xiàn)無論如何配置，其配置的功能均不可能超出裝置的最大設(shè)計能力。因此比較好的解決方案是:測試方案在開發(fā)時基于裝置最大化配置開發(fā)，在測試時通過一種自動機(jī)制識別裝置配置，自動選擇所需的測試元件，完成裝置整體測試。

本文采用設(shè)置測試元件的使能條件的方式實現(xiàn)測試元件自動選擇功能。測試元件使能條件分為硬件約束和軟件約束兩種，硬件約束一般為裝置特定插槽是否存在特定型號的板卡。軟件約束則可以是裝置是否配置了某項功能或某種保護(hù)元件。只有當(dāng)測試元件所有已配置的約束條件都同時滿足時該測試元件才會被實際的選擇和執(zhí)行，選擇流程如圖6所示。

4 結(jié)束語

繼電保護(hù)裝置自動測試系統(tǒng)已經(jīng)在本公司研發(fā)和生產(chǎn)工作投入使用，用戶反映良好:采用本系統(tǒng)后，完成整機(jī)測試所需的平均耗時減少到原手動測試平均耗時的1/5;通過對已有自動測試記錄的統(tǒng)計分析，沒有發(fā)現(xiàn)誤測、漏測的現(xiàn)象。實踐證明，繼電保護(hù)裝置自動測試系統(tǒng)的使用，在提升裝置測試效率、保證裝置測試的質(zhì)量等方面效果顯著。

［1］朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)［M］.3版.北京:中國電力出版社，2005.

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