王治國，于哲，篤峻，黃輝，李興建，舒海蓮

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

繼電保護是構成我國智能電網(wǎng)的重要組成部分，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行中發(fā)揮著極其重要作用[1-2]。 如今伴隨著數(shù)字化保護的推廣，就地化保護緊鑼密鼓地試驗驗證、掛網(wǎng)試運行[3]，加上繼電保護呈現(xiàn)多類型并存、多技術嵌套的格局，從而使其研發(fā)過程測試日漸復雜。

但繼電保護基本測試要求并沒有改變[1]，對其全生命周期測試技術的研究依然是當前研究的熱點問題之一。文獻[4-5]采用分布式系統(tǒng)和模塊化設計思想，利用Python腳本語言構建裝置閉環(huán)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)回歸測試；但利用Python腳本語言實現(xiàn)測試繁瑣且難于掌握，不利于全員推廣。文獻[6]基于繼電保護統(tǒng)一建模思想提出了生產(chǎn)測試階段的自動化測試系統(tǒng)，有效提高了生產(chǎn)測試效率。文獻[7-9]分別針對低壓保護、就地化保護、特殊罩式配電網(wǎng)終端裝置(feeder terminal unit,FTU)，提出了生產(chǎn)自動檢測方案，有效提高了生產(chǎn)測試效率。文獻[10-11]分析了智能變電站二次系統(tǒng)測試方法，提出了系統(tǒng)級測試平臺方案，為智能變電站運維和故障檢修提供了新方法。文獻[12-15]提出了智能變電站測試平臺，為智能變電站現(xiàn)場系統(tǒng)測試提供了測試解決方案。文獻[16-18]討論了繼電保護測試用例生成方法，通過模版或測試用例智能生成技術，為繼電保護功能自動測試提供了新思路。以上研究可以看出，對繼電保護研發(fā)過程測試的研究相對較少，其高效協(xié)同測試并未得到有效挖掘。

繼電保護研發(fā)過程測試的需求主要取決于以下2點：①不同研發(fā)階段對測試工具要求不同，如單元測試和系統(tǒng)測試，但快捷測試和裝置級邏輯功能連續(xù)測試是其基本需求。②對于開發(fā)時間緊的新產(chǎn)品、新裝置，協(xié)同開發(fā)裝置級測試用例需要有相應工具支撐。但目前商用繼電保護測試儀僅能實現(xiàn)單項功能測試，協(xié)同快速開發(fā)和高效復用測試用例具有一定難度，傳統(tǒng)網(wǎng)絡文件共享可以讓測試用例發(fā)揮一定作用，但多級測試數(shù)據(jù)文件在數(shù)量巨大的情況下，很難做到有效管控，而近幾年快速發(fā)展的云技術可以有效解決這一難題?；谏逃迷萍夹g提供的云共享服務為測試用例文件分類管理、權限管理、海量數(shù)據(jù)文件高速檢索及上傳下載等功能提供了高效解決方案。

本文針對繼電保護研發(fā)測試特點，通過底層測試數(shù)據(jù)解耦，使繼電保護研發(fā)過程測試所需的裝置數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)趨向獨立，從而形成低耦合測試數(shù)據(jù)文件，即裝置配置數(shù)據(jù)和裝置測試數(shù)據(jù)；再通過映射技術實現(xiàn)了模擬量、開關量和裝置定值數(shù)據(jù)的高效復用；最后，基于云共享實現(xiàn)裝置配置數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的自由導入導出，并完成連續(xù)測試流程的自由控制。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，繼電保護測試系統(tǒng)有上位機軟件和測試終端構成。前者負責測試數(shù)據(jù)編輯、管理、監(jiān)視與測試流程控制等；后者負責解釋命令數(shù)據(jù)并按要求進行模擬量和開關量的同步輸出等。本文提出的測試系統(tǒng)有位于最下層的測試層、位于中間層的數(shù)據(jù)共享層及位于最上層的數(shù)據(jù)分析層組成。

圖1 測試系統(tǒng)層次結構Fig.1 Hierarchical structure of test system

在圖1中，測試層有若干測試個體組成。每個測試個體有測試終端和被測繼電保護組成，實現(xiàn)物理信號對接，并構建閉環(huán)測試環(huán)境。

利用商用云業(yè)務構建研發(fā)級繼電保護測試平臺，實現(xiàn)測試資源整合與高效共享，該共享不僅局限于傳統(tǒng)測試業(yè)務網(wǎng)絡分享，更重要的是基于云業(yè)務特點，通過一系列底層和頂層設計將測試數(shù)據(jù)解耦，實現(xiàn)業(yè)務相關數(shù)據(jù)的高效利用。數(shù)據(jù)共享層有基于研發(fā)測試“4要素”設計的裝置配置、裝置測試數(shù)據(jù)、裝置測試工程和裝置測試報告相關云數(shù)據(jù)組成。系統(tǒng)通過云端數(shù)據(jù)快速構建裝置測試用例，進行裝置級邏輯功能的全自動回歸測試和系統(tǒng)級測試。測試數(shù)據(jù)云共享真正實現(xiàn)了研發(fā)測試數(shù)據(jù)的高效創(chuàng)建與快速測試。

數(shù)據(jù)分析層是建立在數(shù)據(jù)共享層上的高級應用。根據(jù)實時測試報告數(shù)據(jù)云，建立繼電保護產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量跟蹤、控制和考核體系，實現(xiàn)研發(fā)過程產(chǎn)品質(zhì)量的透明控制。限于篇幅，本文不做探討。

1.2 測試系統(tǒng)組成

繼電保護測試系統(tǒng)上位機軟件，由裝置配置數(shù)據(jù)編輯模塊和裝置測試數(shù)據(jù)編輯模塊組成的編輯子系統(tǒng)，云端工程管理模塊和本地工程管理模塊組成的工程管理子系統(tǒng)、測試流程控制子系統(tǒng)，IEC 103通信模塊與IEC 61850通信模塊及測試終端通信模塊組成的通信子系統(tǒng)構成，如圖2所示。測試終端采用基于統(tǒng)一建模的繼電保護測試儀HELP 9000。該測試儀硬件配置靈活，輸入輸出點數(shù)不受限制，能對各類繼電保護實現(xiàn)真正閉環(huán)測試[3]。

圖2中的裝置配置數(shù)據(jù)模塊主要由圖3所示的信息功能模塊組成。為了快速構建測試用例，系統(tǒng)支持從智能站全站系統(tǒng)配置文件(substation configuration description,SCD)和描述智能電子裝置(intelligent electronic device，IED)能力文件，一鍵轉(zhuǎn)換為具有面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)輸入輸出配置及采樣測量值(sampled measured value，SMV)輸入輸出配置的通用GOOSE數(shù)據(jù)文件。針對合并單元和錄波裝置的特殊應用，系統(tǒng)開發(fā)了GOOSE文件輸入和輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能。基于通用GOOSE數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)提供IEC 61850中SMV 9-2和GOOSE開關量的各種參數(shù)設置；同時提供IEC 60044-8 數(shù)字量和小信號模擬量(可帶功放，實現(xiàn)二次值輸出)通道參數(shù)的編輯設置。

圖2 繼電保護系統(tǒng)裝置方向測試系統(tǒng)構成Fig.2 Composition of device direction test system of relay protection system

測試流程控制模塊可以實現(xiàn)對IEC 61850-SV、IEC 60044-8兩種數(shù)字量和小信號模擬量的同時測試控制，該功能實現(xiàn)了對常規(guī)保護、數(shù)字化保護及數(shù)字采樣常規(guī)出口繼電保護的自由靈活測試。

圖3 裝置配置編輯模塊組成Fig.3 Composition of edit modules for device configuration

圖3中裝置測試數(shù)據(jù)編輯模塊實現(xiàn)了對試驗故障類型數(shù)據(jù)文件的讀取、顯示、編輯及保存功能。本模塊開發(fā)了手動試驗、遞變試驗、光伏試驗等試驗測試類型。遞變試驗開發(fā)了基于遞增、階梯、脈沖和諧波的模擬量輸出控制模式；手動試驗開發(fā)了自動步長和脈沖遞變的模擬量輸出控制模式?；陂_關量觸發(fā)和時間觸發(fā)的遞變試驗適應于繼電保護研發(fā)過程中的系統(tǒng)集成測試和回歸測試；而手動試驗可以作為研發(fā)過程中的快捷測試手段，用于研發(fā)過程邏輯功能的日常調(diào)試。

2 系統(tǒng)軟件核心設計

研發(fā)過程測試“4要素”：①建立裝置配置文件。讀取裝置數(shù)據(jù)模型，進行模擬量通道設置。②設計測試數(shù)據(jù)文件?；谘b置配置文件設置模擬量通道輸出參數(shù)、開關量輸出參數(shù)及監(jiān)視數(shù)據(jù)等。③執(zhí)行測試過程。進行快捷測試或?qū)ρb置進行全功能系統(tǒng)級測試。④搜集測試報告。系統(tǒng)根據(jù)每個測試用例的測試情況，產(chǎn)生測試報告，并實時上傳云端?！?要素”中核心設計是實現(xiàn)配置文件和測試數(shù)據(jù)文件的解耦，2個數(shù)據(jù)文件密切聯(lián)系，但各自修改又互不影響；而對于系統(tǒng)集成測試，測試數(shù)據(jù)文件少則幾十個，多則上千個，往往測試數(shù)據(jù)的改變，會帶來一系列數(shù)據(jù)修改，改動工作量十分龐大。本文將通過以下技術解決研發(fā)測試所存在的快速創(chuàng)建、協(xié)同開發(fā)、批量修改等諸多問題。

2.1 云端與本地工程管理技術

云端與本地工程管理技術主要解決研發(fā)過程測試中測試用例的創(chuàng)建與操作。圖4中云端與本地工程管理中設計了裝置配置數(shù)據(jù)、裝置測試工程、裝置測試數(shù)據(jù)和裝置測試報告共4類數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)本地與云端的相互傳輸。

圖4 工程管理設計Fig.4 Engineering management design

在本地工程管理上，利用Python的簡單、易擴展、邊解釋邊執(zhí)行且能完成復雜測試任務等特點[19-21]，通過PythonQt腳本引擎，實現(xiàn)QT與Python腳本之間通信，將界面執(zhí)行數(shù)據(jù)返回給Python， Python再將計算結果返回給QT。通過QT和Python混合編程技術實現(xiàn)測試用例的靈活創(chuàng)建，即通過界面創(chuàng)建測試用例，或通過執(zhí)行Python腳本進行測試用例的批量創(chuàng)建。

基于HTTP協(xié)議開發(fā)本地與云端接口訪問功能，實現(xiàn)本地文件和云端文件的上傳下載。云端工程管理實現(xiàn)了按照時間或文件名模糊檢索的功能。 位于云端的裝置配置數(shù)據(jù)、測試用例數(shù)據(jù)或測試工程數(shù)據(jù)，均可一鍵下載到本地并執(zhí)行測試。

2.2 大間隔數(shù)據(jù)映射技術

變電站實際物理間隔具備模擬量、開關量、裝置定值、動作報文等特征數(shù)據(jù)，而大間隔數(shù)據(jù)映射技術就是基于該特征數(shù)據(jù)形成的一種高效操作方案。模擬量可以用測試終端數(shù)據(jù)模型中的 SV9-2數(shù)字量、IEC 60044-8數(shù)字量或常規(guī)小信號模擬量進行映射；裝置定值和事件順序記錄(sequence of event，SOE)可以用裝置IEC 103或IEC 61850數(shù)據(jù)模型定值和SOE進行映射；裝置開入、開出可以用測試終端模型數(shù)據(jù)映射，還可以用繼電保護背板數(shù)據(jù)模型映射。大間隔數(shù)據(jù)集映射技術使測試數(shù)據(jù)文件和裝置配置文件解耦，多種數(shù)據(jù)源選擇使創(chuàng)建測試數(shù)據(jù)文件更加容易，同時間隔間的切換也輕而易舉，且對于測試間隔較多的母線、元件等保護裝置尤其便利。

2.3 模擬量、開關量數(shù)據(jù)映射技術

模擬量間隔切換主要解決超過1個間隔的測試數(shù)據(jù)快速構建問題?；诖箝g隔數(shù)據(jù)映射的操作設計為模擬量間隔快捷切換提供了技術支撐，這也使得測試數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)和裝置配置數(shù)據(jù)信息解耦。在圖5中，基于配置數(shù)據(jù)建立的過流測試任務集合一級管理文件夾中建立公共數(shù)據(jù)文件pubData.xml，該文件記錄了創(chuàng)建該集合二級文件夾下測試用例所用到的間隔字符串指針。當創(chuàng)建測試任務管理文件時，所有測試數(shù)據(jù)文件都引用該字符指針。如實現(xiàn)各間隔快速切換，通過鼠標右鍵復制該工程，并改變pubData.xml文件中間隔指針的指向。

圖5 測試任務管理設計Fig.5 Design of test task management

針對裝置開入、開出、定值、SOE這4類數(shù)據(jù)，本文采用測試數(shù)據(jù)內(nèi)部短地址進行統(tǒng)一管理，并提供這4類數(shù)據(jù)重映射功能。默認公共短地址均以CaseGroup開頭，中間根據(jù)信號類型設置默認字符。圖6中，左側是二級管理文件夾中若干測試用例數(shù)據(jù)及原始信號映射數(shù)據(jù)，右側是pubData.xml保存的內(nèi)部短地址。當創(chuàng)建左側測試數(shù)據(jù)文件時，系統(tǒng)自動為這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建如CaseGroup.BI.BI1式的全局唯一內(nèi)部短地址，并指向該實際數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)保存在pubData.xml文件中；測試數(shù)據(jù)文件僅保存信號內(nèi)部短地址及測試屬性數(shù)據(jù)。當執(zhí)行測試用例時，通過搜索信號數(shù)據(jù)庫獲取實際輸出信號。

圖6 內(nèi)部短地址映射設計示意圖Fig.6 Design of internal short address mapping

從圖6可以看出，CaseGroup.BI.BI1內(nèi)部短地址映射到N個測試用例文件中，如果改變N個測試文件中的裝置開入，例如BI1，僅需改變該短地址指向信號輸出終端的開出實例數(shù)據(jù)即可。本系統(tǒng)采用圖形化界面，通過快速拖拽4類原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一級測試用例管理文件夾下所有測試用例的快速重映射功能。

3 典型應用及效果

系統(tǒng)可選擇IEC 103或IEC 61850通信規(guī)約與裝置進行通信，對常規(guī)裝置或數(shù)字化裝置均能兼容不同廠家裝置。在功能上，系統(tǒng)支持8個狀態(tài)模擬量輸出測試，并提供對時輸出從而保證測試系統(tǒng)與繼電保護接點時標的一致性，使建立在以模擬量輸出時刻為時間基準點的各種動作邏輯判斷有效可信。業(yè)務上，系統(tǒng)涵蓋了光伏、主變壓器、線路、母線、低壓、穩(wěn)控等系列裝置的研發(fā)測試。

下面以線路保護功能測試用例為例，來簡要說明系統(tǒng)其中一個優(yōu)越性能。PCS-9611有多種繼電器元件構成，實現(xiàn)如過流、接地(零序過流保護)、過負荷、過流加速、零序加速、低周減載、重合閘保護等功能。要高效測試該保護裝置，研發(fā)工程師首先在云端搜索該裝置測試工程文件，如存在，直接按照現(xiàn)有裝置進行數(shù)據(jù)重映射；如不存在，再搜索該裝置測試配置文件。多個研發(fā)人員可以根據(jù)相關保護功能協(xié)同開發(fā)測試用例，最后一鍵導入測試系統(tǒng)。圖7顯示了本地工程與云端工程的快速轉(zhuǎn)換，及相應快捷處理功能入口，其中左圖顯示本地工程數(shù)據(jù)，右圖顯示的是云端工程數(shù)據(jù)。研發(fā)人員利用系統(tǒng)的該項功能，實現(xiàn)測試用例的高效開發(fā)。

圖7 本地工程與云端工程快捷轉(zhuǎn)換截圖Fig.7 Screenshot of shortcut conversion of local project and cloud project

通過以上方法，快速建立裝置全部功能測試用例。該系統(tǒng)同時實現(xiàn)裝置全部邏輯功能一鍵測試功能，并給出帶有時標的PDF測試報告，測試流程如圖8所示，連續(xù)試驗測試過程及測試結果截圖如圖9所示。

圖8 連續(xù)試驗測試流程Fig.8 Continuous test flowchart

圖9 連續(xù)試驗測試狀態(tài)及結果分析Fig.9 Continuous test process and result analysis

在試驗功能驗證方面，本文采用遞變試驗階梯遞變模式。設定好開始值、結束值、變化步長、步進時間，在2個狀態(tài)中實現(xiàn)模擬量輸出，分別由小到大再由大到小，并且分別在相應狀態(tài)中檢驗裝置的過流動作值和復歸值，以及繼電器出口動作時間。系統(tǒng)設置不同的循環(huán)試驗次數(shù)驗證裝置相關性能，測試結果數(shù)據(jù)見表1和表2(取循環(huán)測試前3次試驗數(shù)據(jù))。該數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)設置，同時產(chǎn)生不同的PDF測試報告，便于查驗。

表1 模擬量動作值循環(huán)測試試驗結果
Tab. 1 Cycle test results of analog action values

試驗次數(shù)通道描述設定值/A實際值/A允許誤差/A絕對誤差/A結果1IA動作值0.4000.4030.010.003正確IA返回值0.3800.3820.010.002正確2IA動作值0.4000.4030.010.003正確IA返回值0.3800.3820.010.002正確3IA動作值0.4000.4030.010.003正確IA返回值0.3800.3820.010.002正確

表2 繼電器出口動作時間循環(huán)測試試驗結果
Tab.2 Cycle test results of relay operation action time

試驗次數(shù)理論值/ms動作值/ms允許誤差/ms絕對誤差/ms結果13 0003 0123512正確23 0003 0143514正確33 0003 0123512正確

目前，該系統(tǒng)已在實際繼電保護研發(fā)過程測試中應用，與傳統(tǒng)商用繼電保護測試儀相比具有以下優(yōu)點和效果：

a) 測試數(shù)據(jù)云端共享功能使繼電保護測試用例開發(fā)更快捷，為復雜繼電保護協(xié)同測試提供了技術支撐。研發(fā)人員協(xié)助開發(fā)測試用例或通過云端共享測試用例，使新裝置測試效率提高3倍以上。

b) 測試數(shù)據(jù)自動上傳云端且?guī)в袝r標的測試報告，有效解決了研發(fā)人員沒有進行測試就匆忙歸檔而導致的問題，規(guī)范了研發(fā)測試流程，同時為長期分析產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量提供了必要數(shù)據(jù)。

c) 內(nèi)部短地址設計及重映射技術為測試信號大批量替換提供了技術解決方案。修改數(shù)百個測試用例僅用幾分鐘時間，而以往需要幾天時間進行調(diào)整，測試用例編輯效率大幅度提高。

d) 裝置級全功能邏輯一鍵測試成為繼電保護系統(tǒng)和回歸測試的必要補充。實行一鍵測試，方便快捷，詳見圖8；同時系統(tǒng)生成的不可更改的帶有時標的PDF測試報告，使整個測試行為也更加可信。

e) 基于遞增、階梯、脈沖3種模擬量控制模式的開關量反饋遞變試驗為精準校驗保護動作值提供了技術支撐。比如校驗過流臨界動作值和返回值，系統(tǒng)分別通過遞增、階梯、脈沖3種方式逐步逼近動作值，從測試終端側計算動作值，而不是僅從保護裝置錄波來確定動作值。

4 結束語

本文通過對繼電保護研發(fā)過程測試進行長期跟蹤，并對其特點及需求進行深入分析，在繼電保護測試系統(tǒng)上位機軟件側，實現(xiàn)測試底層數(shù)據(jù)解耦，進而建立企業(yè)級共享數(shù)據(jù)云；通過頂層和底層系統(tǒng)設計提出了繼電保護測試核心解決方案，并開發(fā)了上位機測試系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)解放了研發(fā)人員，使其更加專注產(chǎn)品研發(fā)，提高了研發(fā)過程測試效率；同時該方案在繼電保護全生命周期測試的其他環(huán)節(jié)，均具有一定借鑒意義。