李勝輝，董鶴楠，2，韓子嬌，王 昕，黃 旭

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110023；3.深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518040）

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約測試平臺研究與開發(fā)

李勝輝1，董鶴楠1，2，韓子嬌1，王 昕3，黃 旭1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110023；3.深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518040）

結(jié)合電能質(zhì)量監(jiān)測裝置檢測與管理工作需要，針對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約不統(tǒng)一、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和信息共享困難的問題，提出了一種電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約自動測試平臺，通過采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)、UAPI接口技術(shù)等，不僅實現(xiàn)了IEC 61850、PQDIF文件、私有通信規(guī)約的一致性測試，而且大幅度提高了測試效率，提高了測試工作質(zhì)量，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置；規(guī)約測試；IEC 61850；PQDIF

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理是推動電力需求側(cè)管理和節(jié)能減損的主要技術(shù)手段之一。隨著電能質(zhì)量監(jiān)測裝置應(yīng)用量快速增長，對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置開展入網(wǎng)檢測成為電網(wǎng)公司技術(shù)監(jiān)督管理部門的重要職責(zé)。早期的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測主要測試電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的監(jiān)測功能、測量準(zhǔn)確度等是否滿足GB／T 19862—2005《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》［1］、DL／T 1227—2013《電能質(zhì)量監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》［2］、Q／GDW 1650.2—2014《電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第2部分 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置》［3］等標(biāo)準(zhǔn)的要求。但隨著網(wǎng)絡(luò)化的區(qū)域電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的普及，遠程通信功能成為固定式安裝的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的重要技術(shù)要求，無法遠程通信接入電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測裝置實質(zhì)上處于浪費狀態(tài)。因此，近年來，關(guān)于電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約的研究逐漸增多［4－8］，并已制訂頒布了相應(yīng)的通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，如Q／GDW 1650.3—2014《電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第3部分監(jiān)測終端與主站間通信協(xié)議》［9］，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的通信功能測試也成為入網(wǎng)檢測的重要內(nèi)容之一，只有通過通信功能測試的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置才被認定可以遠程接入電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)。

同時，通信功能測試或者通信規(guī)約測試也是電能質(zhì)量監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測工作的難點，其原因包括：①電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的通信規(guī)約近兩年來才開始逐漸規(guī)范和統(tǒng)一，目前的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系中還沒有通信規(guī)約測試方法的規(guī)定；②市場上仍有大量的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的通信規(guī)約不統(tǒng)一，且以私有通信規(guī)約為主流，尤其是已安裝的存量電能質(zhì)量監(jiān)測裝置；③無論是目前應(yīng)用較多的通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式PQDIF［10］，還是代表電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約未來發(fā)展方向的IEC 61850［11］，都是自由度很高的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家對標(biāo)準(zhǔn)的理解、實現(xiàn)程度差異很大。以上因素導(dǎo)致由人工手動去開展電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的通信功能測試工作在技術(shù)上不可行。

針對上述問題，本文提出了一種電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約自動測試系統(tǒng)，通過設(shè)計并實現(xiàn)內(nèi)置通信規(guī)約庫，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置IEC 61850和PQDIF標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約一致性測試，同時通過采用UAPI統(tǒng)一應(yīng)用程序接口，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置私有通信規(guī)約一致性測試，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理部門開展電能質(zhì)量監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測工作的需要。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

通信規(guī)約又稱為通信協(xié)議，是指通信雙方必須共同遵守的某種約定。通信規(guī)約一般定義了通信的內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式、通信方式等內(nèi)容［12］。

從我國電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的發(fā)展歷程來看，通信規(guī)約的發(fā)展經(jīng)歷了兩個大的階段。2011年是通信規(guī)約發(fā)展的一個分水嶺。在此之前，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置基本上全部采用私有通信規(guī)約，不同廠家的裝置和系統(tǒng)之間無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接共享，只能通過PQDIF文件轉(zhuǎn)發(fā)形式間接共享。2011年，支持IEC 61850完整功能（包括報告、日志、文件服務(wù)等）的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置正式投入市場［13］，并迅速展現(xiàn)其生命力，截止目前主流電能質(zhì)量監(jiān)測裝置廠家生產(chǎn)的裝置基本上都支持IEC 61850，各級電能質(zhì)量監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范也都逐步將IEC 61850列為強制或推薦的通信規(guī)約，可以認為IEC 61850是電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約的必然發(fā)展趨勢。

經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計，目前國內(nèi)省級電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置接入后臺主站包括以下方式。

a.以非IEC 61850規(guī)約，采用直采方式接入。

b.以IEC 61850規(guī)約，采用直采方式接入。地區(qū)包括浙江、河南、遼寧等。需要注意的是，即便是采用IEC 61850規(guī)約模式，各地區(qū)的IEC 61850往往具備一定差異。

c.以PQDIF文件形式，采用直采方式接入。地區(qū)包括廣東等。

d.以PQDIF文件形式，經(jīng)子站系統(tǒng)轉(zhuǎn)存方式接入，地區(qū)包括上海、廣西、江蘇等。

2 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置規(guī)約一致性測試技術(shù)

2.1 IEC 61850規(guī)約一致性測試技術(shù)

2.1.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)簡介

IEC 61850是新一代的變電站自動化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)范了數(shù)據(jù)的命名、數(shù)據(jù)定義、設(shè)備行為、設(shè)備的自描述特征和通用配置語言。IEC 61850將變電站自動化系統(tǒng)在邏輯上劃分為三層（變電站層、間隔層、過程層），并將具體應(yīng)用功能分解為許多常駐在不同IED內(nèi)、彼此間相互通信的單元，稱為邏輯節(jié)點（LN），然后以LN為對象建立變電站內(nèi)IED的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和服務(wù)模型，旨在解決不同廠商提供的IED間的數(shù)據(jù)交換、信息共享等問題，IED的IEC 61850模型見圖1。

圖1 IED的IEC 61850模型示意圖

就電能質(zhì)量監(jiān)測而言，早期版本的IEC 61850沒有考慮到變電站電能質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用。但2010年IEC 61850－7－3／－7－4 ED2中正式增加了MFLK、MHAI等電能質(zhì)量相關(guān)邏輯節(jié)點，從而將電能質(zhì)量監(jiān)測納入IEC 61850范疇。2011年我國國內(nèi)推出了完全基于IEC 61850、支持IEC 61850報告、日志和文件等服務(wù)功能的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，IEC 61850在電能質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，目前國內(nèi)主流電能質(zhì)量監(jiān)測裝置基本上都支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。和PQDIF文件相比，IEC 61850不僅定義了數(shù)據(jù)模型（CIM），還定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約和接口（CIS），是完整的通用性數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

2.1.2 IEC 61850一致性測試內(nèi)容和方法

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的IEC 61850一致性測試內(nèi)容主要包括兩個方面：模型一致性測試和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度測試。

模型一致性測試主要檢測電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的IEC 61850 ICD文件在基本語法上是否符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，以及在功能及數(shù)據(jù)模型要求上是否滿足具體地區(qū)規(guī)范的要求，如Q／GDW 1650.3—2014《電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第3部分監(jiān)測終端與主站間通信協(xié)議》、Q／GDW－11－283—2013《浙江省電力公司電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范》等。簡單的模型一致性測試可采用針對離線ICD文件進行簡單對比的方式來實現(xiàn)，更加復(fù)雜的模型一致性測試可嚴(yán)格依據(jù)IEC 61850－10的要求來實現(xiàn)［14－15］。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度測試主要檢測電能質(zhì)量監(jiān)測裝置生成的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的準(zhǔn)確度是否滿足GB／T 19862—2005《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》等標(biāo)準(zhǔn)要求。準(zhǔn)確度測試一般采用標(biāo)準(zhǔn)源法進行，某些場合下也可以采用比對法。

2.2 PQDIF規(guī)約一致性測試技術(shù)

2.2.1 PQDIF文件簡介

PQDIF（Power Quality Data Interchange Format，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式）是IEEE P1159.3中定義的一種專用于不同系統(tǒng)之間電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的通用格式，以PQDIF存儲電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的文件稱為PQDIF文件。

PQDIF文件通常采用一種平面文件架構(gòu)，包含一個邏輯結(jié)構(gòu)和一個物理結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)用于標(biāo)定文件中元素的邏輯層次關(guān)系。物理結(jié)構(gòu)則由一系列相互獨立的記錄構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。根據(jù)所存儲信息的不同，PQDIF定義了四種記錄，分別是容器記錄、數(shù)據(jù)源記錄、監(jiān)測設(shè)置記錄和觀測值記錄。不同記錄之間的邏輯層次關(guān)系如圖2所示［10］。與IEC 61850、Modbus等通信規(guī)約不同，PQDIF只定義了通信的內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式，而沒有定義通信方式，因此嚴(yán)格意義上PQDIF不能稱為通信規(guī)約。實際應(yīng)用中，一般采用FTP或SFTP作為PQDIF文件的通信方式。

圖2 PQDIF文件中不同記錄的邏輯層次關(guān)系

2.2.2 PQDIF文件一致性測試內(nèi)容和測試方法

如上所述，因為PQDIF只定義了通信內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式，所以PQDIF文件一致性測試通常采用離線方式進行，測試內(nèi)容主要包括PQDIF文件語法標(biāo)準(zhǔn)性、模型一致性、數(shù)據(jù)正確性等。

語法標(biāo)準(zhǔn)性測試主要測試受檢PQDIF文件的XML語法、文件結(jié)構(gòu)、標(biāo)簽定義、壓縮算法等是否滿足XML相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及IEEE1159.3的要求。針對XML語法標(biāo)準(zhǔn)性的測試主要是針對DTD／XML Schema的檢測，具體方法可采用歸約法、推導(dǎo)法等［16］。

模型一致性測試主要測試受檢PQDIF文件中電能質(zhì)量參數(shù)相關(guān)通道定義、序列定義，以及參數(shù)數(shù)量、名稱、順序等是否滿足行業(yè)和地區(qū)PQDIF規(guī)范的要求，具體方法可采用基于Tire數(shù)據(jù)的測試算法等［17］。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度測試主要測試受檢PQDIF文件中電能質(zhì)量數(shù)據(jù)是否在允許誤差范圍之內(nèi)，具體方法可采用常用的標(biāo)準(zhǔn)源法。數(shù)據(jù)正確性測試主要針對電能質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.3 私有規(guī)約一致性測試技術(shù)

在電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，私有通信規(guī)約是指非IEC 61850和PQDIF的通信規(guī)約，也可稱為非標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，大多數(shù)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置采用的私有通信規(guī)約都是裝置生產(chǎn)廠家自己定義的，規(guī)約的完備性、可擴展性、兼容性等比較差。也有一部分私有通信規(guī)約是國際上廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，如Modbus－TCP、IEC 60870－5－102等。

鑒于上述情況，私有規(guī)約一致性測試主要以數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度測試為主。

私有規(guī)約一致性測試最主要的技術(shù)問題是不同規(guī)約的解析問題?？刹捎肬API（Uniform Application Program Interface，統(tǒng)一應(yīng)用程序接口）技術(shù)［17］來解決此問題，通過在規(guī)約測試平臺實現(xiàn)一個私有規(guī)約庫來實現(xiàn)多型號電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的快速接入。

3 規(guī)約測試平臺開發(fā)與應(yīng)用

3.1 平臺設(shè)計與開發(fā)

根據(jù)對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置常用通信規(guī)約的分析，無論是IEC 61850、PQDIF還是私有通信規(guī)約，均可以實現(xiàn)在線測試，因此規(guī)約測試平臺可以設(shè)計成實現(xiàn)自動測試流程。同時為了滿足某些場合下簡約化、快速化測試的需要，如PQDIF文件一致性測試、IEC 6150的ICD文件模型一致性測試等，規(guī)約測試平臺也可以提供手動離線測試功能。另外，規(guī)約測試平臺還需要考慮測試任務(wù)管理、測試過程控制、測試報告打印等管理功能，盡可能提高測試過程的自動化程度。

完整的平臺功能如表1所示。

為實現(xiàn)自動測試流程，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺設(shè)計采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)［18］，主要由電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源、測試主機及規(guī)約測試軟件、輔助的電源線、通信線等組成，如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺組成

規(guī)約測試平臺基于.Net平臺開發(fā)，開發(fā)語言采用C＃，為方便使用，平臺采用基于SDI的向?qū)浇缑嬖O(shè)計。另外，考慮到規(guī)約測試平臺本身不產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，所以平臺不使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時也方便平臺的部署［19］。

3.2 平臺應(yīng)用

基于本文所研制的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺，已作為一個獨立功能模塊在國網(wǎng)遼寧電科院電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測裝置全自動檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)并投入實際應(yīng)用。根據(jù)《遼寧風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測終端技術(shù)規(guī)定》，在遼寧電網(wǎng)中應(yīng)用的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置必須采用IEC 61850通信規(guī)約，所以使用規(guī)約測試平臺主要開展IEC 61850的一致性測試。

實際應(yīng)用中，使用1套四相Fluke 6100A功率源作為電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置使用1臺已通過人工準(zhǔn)確度測試并合格的產(chǎn)品。測試流程如下。

a.將電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、功率源、測試主機連成閉環(huán)并上電。

b.新建測試任務(wù)，設(shè)置必要的通信參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，啟動測試進程。

c.規(guī)約測試軟件自動讀取電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的ICD文件，測試其語法是否規(guī)范，測試其關(guān)聯(lián)服務(wù)、數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)、數(shù)據(jù)集服務(wù)、報告服務(wù)、日志服務(wù)、定值服務(wù)、控制服務(wù)、文件傳輸服務(wù)是否且滿足《遼寧風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測終端技術(shù)規(guī)定》的要求。

d.規(guī)約測試軟件自動控制電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)源輸出電壓電流信號，并讀取電能質(zhì)量監(jiān)測裝置測量得到的諧波、電壓不平衡度等電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，計算其誤差，評估其準(zhǔn)確度是否滿足GB／T 19862—2005《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》要求。

表1 規(guī)約測試平臺功能列表

e.規(guī)約測試軟件自動生成測試報告。

整個測試流程耗時不到2 h。人工測試不僅耗時長，且無法實現(xiàn)IEC 61850模型一致性的檢測，因此規(guī)約測試平臺在功能、性能上均優(yōu)于人工測試。

4 結(jié)論

為滿足電能質(zhì)量監(jiān)測裝置通信規(guī)約一致性測試的需要，本文設(shè)計開發(fā)了一種電能質(zhì)量監(jiān)測裝置規(guī)約測試平臺。測試平臺支持IEC 61850、PQDIF及多種私有通信規(guī)約的一致性測試，支持自動測試流程和手動測試流程。實際應(yīng)用表明，規(guī)約測試平臺可以大幅度提高電能質(zhì)量監(jiān)測裝置入網(wǎng)檢測工作的質(zhì)量和效率，具有良好的應(yīng)用價值和前景。

［1］電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求：GB／T 19862—2005［S］.

［2］電能質(zhì)量監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范：DL／T 1227—2013［S］.

［3］電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范第2部分電能質(zhì)量監(jiān)測裝置：Q／GDW 1650.2—2014［S］.

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Research and Development on Communication Protocol Test for Power Quality Monitoring Equipment

LI Sheng?hui1，DONG He?nan1，2，HAN Zi?jiao1，WANG Xin3，HUANG Xu1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110023，China；3.CEIEC Shenzhen Electric Technology Inc.，Shenzhen，Guangdong 518040，China）

Combined with testing and management work of power quality monitoring equipment，according to the problems of the un?unified communication protocol，power quality data and the difficulty of sharing information，an automatic communication protocol tes?ting system is proposed in this paper.The consistency test of IEC 61850，PQDIF files，private communication protocol can be a?chieved，the efficiency and quality of testing are improved by the closed?loop structure and UAPI interface technique，this system has great value of implement and promotion.

Power quality monitoring equipment；Protocol testing；IEC 61850；PQDIF file

TM76

A

1004－7913（2016）09－0006－05

李勝輝（1982—），男，高級工程師，主要從事新能源與電能質(zhì)量研究。

2016－06－08）