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(hù)是構(gòu)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(yùn)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(hù)的推廣，就地化保護(hù)緊鑼密鼓地試驗(yàn)驗(yàn)證、掛網(wǎng)試運(yùn)行[3]，加上繼電保護(hù)呈現(xiàn)多類型并存、多技術(shù)嵌套的格局，從而使其研發(fā)過程測試日漸復(fù)雜。

但繼電保護(hù)基本測試要求并沒有改變[1]，對其全生命周期測試技術(shù)的研究依然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。文獻(xiàn)[4-5]采用分布式系統(tǒng)和模塊化設(shè)計思想，利用Python腳本語言構(gòu)建裝置閉環(huán)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)回歸測試；但利用Python腳本語言實(shí)現(xiàn)測試繁瑣且難于掌握，不利于全員推廣。文獻(xiàn)[6]基于繼電保護(hù)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(xiàn)[7-9]分別針對低壓保護(hù)、就地化保護(hù)、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(xiàn)[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(yùn)維和故障檢修提供了新方法。文獻(xiàn)[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(xiàn)[16-18]討論了繼電保護(hù)測試用例生成方法，通過模版或測試用例智能生成技術(shù)，為繼電保護(hù)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(hù)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(hù)研發(fā)過程測試的需求主要取決于以下2點(diǎn)：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(yīng)工具支撐。但目前商用繼電保護(hù)測試儀僅能實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)功能測試，協(xié)同快速開發(fā)和高效復(fù)用測試用例具有一定難度，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)可以有效解決這一難題。基于商用云技術(shù)提供的云共享服務(wù)為測試用例文件分類管理、權(quán)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(hù)研發(fā)測試特點(diǎn)，通過底層測試數(shù)據(jù)解耦，使繼電保護(hù)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(dú)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(shù)實(shí)現(xiàn)了模擬量、開關(guān)量和裝置定值數(shù)據(jù)的高效復(fù)用；最后，基于云共享實(shí)現(xiàn)裝置配置數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的自由導(dǎo)入導(dǎo)出，并完成連續(xù)測試流程的自由控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，繼電保護(hù)測試系統(tǒng)有上位機(jī)軟件和測試終端構(gòu)成。前者負(fù)責(zé)測試數(shù)據(jù)編輯、管理、監(jiān)視與測試流程控制等；后者負(fù)責(zé)解釋命令數(shù)據(jù)并按要求進(jìn)行模擬量和開關(guān)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(jié)構(gòu)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(hù)組成，實(shí)現(xiàn)物理信號對接，并構(gòu)建閉環(huán)測試環(huán)境。

利用商用云業(yè)務(wù)構(gòu)建研發(fā)級繼電保護(hù)測試平臺，實(shí)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(wù)網(wǎng)絡(luò)分享，更重要的是基于云業(yè)務(wù)特點(diǎn)，通過一系列底層和頂層設(shè)計將測試數(shù)據(jù)解耦，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)相關(guān)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(shè)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(guān)云數(shù)據(jù)組成。系統(tǒng)通過云端數(shù)據(jù)快速構(gòu)建裝置測試用例，進(jìn)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(shí)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(yīng)用。根據(jù)實(shí)時測試報告數(shù)據(jù)云，建立繼電保護(hù)產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量跟蹤、控制和考核體系，實(shí)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(hù)測試系統(tǒng)上位機(jī)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(gòu)成，如圖2所示。測試終端采用基于統(tǒng)一建模的繼電保護(hù)測試儀HELP 9000。該測試儀硬件配置靈活，輸入輸出點(diǎn)數(shù)不受限制，能對各類繼電保護(hù)實(shí)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(gòu)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(yīng)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?；谕ㄓ肎OOSE數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)提供IEC 61850中SMV 9-2和GOOSE開關(guān)量的各種參數(shù)設(shè)置；同時提供IEC 60044-8 數(shù)字量和小信號模擬量(可帶功放，實(shí)現(xiàn)二次值輸出)通道參數(shù)的編輯設(shè)置。

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

測試流程控制模塊可以實(shí)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(shí)現(xiàn)了對常規(guī)保護(hù)、數(shù)字化保護(hù)及數(shù)字采樣常規(guī)出口繼電保護(hù)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(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)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(yàn)、遞變試驗(yàn)、光伏試驗(yàn)等試驗(yàn)測試類型。遞變試驗(yàn)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(yàn)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(guān)量觸發(fā)和時間觸發(fā)的遞變試驗(yàn)適應(yīng)于繼電保護(hù)研發(fā)過程中的系統(tǒng)集成測試和回歸測試；而手動試驗(yàn)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(shè)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(jìn)行模擬量通道設(shè)置。②設(shè)計測試數(shù)據(jù)文件?；谘b置配置文件設(shè)置模擬量通道輸出參數(shù)、開關(guān)量輸出參數(shù)及監(jiān)視數(shù)據(jù)等。③執(zhí)行測試過程。進(jìn)行快捷測試或?qū)ρb置進(jìn)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(shí)時上傳云端。“4要素”中核心設(shè)計是實(shí)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(shù)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(shù)

云端與本地工程管理技術(shù)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(shè)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(shí)現(xiàn)本地與云端的相互傳輸。

圖4 工程管理設(shè)計Fig.4 Engineering management design

在本地工程管理上，利用Python的簡單、易擴(kuò)展、邊解釋邊執(zhí)行且能完成復(fù)雜測試任務(wù)等特點(diǎn)[19-21]，通過PythonQt腳本引擎，實(shí)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(jié)果返回給QT。通過QT和Python混合編程技術(shù)實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)本地文件和云端文件的上傳下載。云端工程管理實(shí)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(shù)

變電站實(shí)際物理間隔具備模擬量、開關(guān)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(hù)背板數(shù)據(jù)模型映射。大間隔數(shù)據(jù)集映射技術(shù)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(hù)裝置尤其便利。

2.3 模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)映射技術(shù)

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(gòu)建問題。基于大間隔數(shù)據(jù)映射的操作設(shè)計為模擬量間隔快捷切換提供了技術(shù)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(wù)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(dāng)創(chuàng)建測試任務(wù)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(shí)現(xiàn)各間隔快速切換，通過鼠標(biāo)右鍵復(fù)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(wù)管理設(shè)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(jìn)行統(tǒng)一管理，并提供這4類數(shù)據(jù)重映射功能。默認(rèn)公共短地址均以CaseGroup開頭，中間根據(jù)信號類型設(shè)置默認(rèn)字符。圖6中，左側(cè)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(cè)是pubData.xml保存的內(nèi)部短地址。當(dāng)創(chuàng)建左側(cè)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(shí)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(dāng)執(zhí)行測試用例時，通過搜索信號數(shù)據(jù)庫獲取實(shí)際輸出信號。

圖6 內(nèi)部短地址映射設(shè)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(shí)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(shí)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(yīng)用及效果

系統(tǒng)可選擇IEC 103或IEC 61850通信規(guī)約與裝置進(jìn)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(hù)接點(diǎn)時標(biāo)的一致性，使建立在以模擬量輸出時刻為時間基準(zhǔn)點(diǎn)的各種動作邏輯判斷有效可信。業(yè)務(wù)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(hù)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(gòu)成，實(shí)現(xiàn)如過流、接地(零序過流保護(hù))、過負(fù)荷、過流加速、零序加速、低周減載、重合閘保護(hù)等功能。要高效測試該保護(hù)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(jìn)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(guān)保護(hù)功能協(xié)同開發(fā)測試用例，最后一鍵導(dǎo)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(yīng)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(xiàng)功能，實(shí)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(shí)現(xiàn)裝置全部邏輯功能一鍵測試功能，并給出帶有時標(biāo)的PDF測試報告，測試流程如圖8所示，連續(xù)試驗(yàn)測試過程及測試結(jié)果截圖如圖9所示。

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

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

在試驗(yàn)功能驗(yàn)證方面，本文采用遞變試驗(yàn)階梯遞變模式。設(shè)定好開始值、結(jié)束值、變化步長、步進(jìn)時間，在2個狀態(tài)中實(shí)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(yīng)狀態(tài)中檢驗(yàn)裝置的過流動作值和復(fù)歸值，以及繼電器出口動作時間。系統(tǒng)設(shè)置不同的循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)驗(yàn)證裝置相關(guān)性能，測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表1和表2(取循環(huán)測試前3次試驗(yàn)數(shù)據(jù))。該數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)設(shè)置，同時產(chǎn)生不同的PDF測試報告，便于查驗(yàn)。

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

試驗(yàn)次數(shù)通道描述設(shè)定值/A實(shí)際值/A允許誤差/A絕對誤差/A結(jié)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(yàn)結(jié)果
Tab.2 Cycle test results of relay operation action time

試驗(yàn)次數(shù)理論值/ms動作值/ms允許誤差/ms絕對誤差/ms結(jié)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(shí)際繼電保護(hù)研發(fā)過程測試中應(yīng)用，與傳統(tǒng)商用繼電保護(hù)測試儀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：

a) 測試數(shù)據(jù)云端共享功能使繼電保護(hù)測試用例開發(fā)更快捷，為復(fù)雜繼電保護(hù)協(xié)同測試提供了技術(shù)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(biāo)的測試報告，有效解決了研發(fā)人員沒有進(jìn)行測試就匆忙歸檔而導(dǎo)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(shè)計及重映射技術(shù)為測試信號大批量替換提供了技術(shù)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(jìn)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(hù)系統(tǒng)和回歸測試的必要補(bǔ)充。實(shí)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(biāo)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(guān)量反饋遞變試驗(yàn)為精準(zhǔn)校驗(yàn)保護(hù)動作值提供了技術(shù)支撐。比如校驗(yàn)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(cè)計算動作值，而不是僅從保護(hù)裝置錄波來確定動作值。

4 結(jié)束語

本文通過對繼電保護(hù)研發(fā)過程測試進(jìn)行長期跟蹤，并對其特點(diǎn)及需求進(jìn)行深入分析，在繼電保護(hù)測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件側(cè)，實(shí)現(xiàn)測試底層數(shù)據(jù)解耦，進(jìn)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(shè)計提出了繼電保護(hù)測試核心解決方案，并開發(fā)了上位機(jī)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(hù)全生命周期測試的其他環(huán)節(jié)，均具有一定借鑒意義。