裘愉濤， 徐昱， 王源濤， 張魁， 劉東冉， 顧偉

(1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州 供電公司，浙江 杭州 310009；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

就地化保護(hù)裝置靠近一次設(shè)備安裝，就地電纜采樣、電纜跳閘，取消了合并單元、智能終端等中間環(huán)節(jié)，成為未來(lái)繼電保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，線路就地化保護(hù)已成功掛網(wǎng)，為元件保護(hù)就地化實(shí)施提供了良好的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。為了解決元件保護(hù)存在的跨間隔問(wèn)題，在線路保護(hù)基礎(chǔ)上提出了分布式就地化保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案。分布式元件保護(hù)方案由1臺(tái)或多臺(tái)就地化分布式保護(hù)子機(jī)構(gòu)成，各子機(jī)間地位平等、共享信息、協(xié)同運(yùn)行[1—6]。各子機(jī)的硬件及軟件完全一致，保護(hù)功能及保護(hù)定值相同，通過(guò)雙向冗余雙環(huán)形千兆以太網(wǎng)首尾相連，負(fù)責(zé)各自報(bào)文的發(fā)送、過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)[7—9]。

就地化保護(hù)的快速推廣，給繼電保護(hù)測(cè)試工作帶來(lái)了新的研究方向。文獻(xiàn)[10]針對(duì)就地化保護(hù)的硬件性能，深入分析其對(duì)電磁兼容和環(huán)境的影響，并提出相應(yīng)的檢測(cè)手段；文獻(xiàn)[11]基于就地化保護(hù)設(shè)備尺寸、應(yīng)用模型、對(duì)外接口統(tǒng)一的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)流水線檢測(cè)系統(tǒng)，快速完成工廠化調(diào)試；文獻(xiàn)[12]提出一種就地化保護(hù)仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)自動(dòng)加載測(cè)試用例實(shí)現(xiàn)裝置的保護(hù)功能邏輯自動(dòng)驗(yàn)證和二次回路正確性驗(yàn)證。綜合而言，分布式就地化保護(hù)的測(cè)試方式主要有兩種：搭建整個(gè)元件保護(hù)正常運(yùn)行環(huán)境，多臺(tái)子機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，同時(shí)施加激勵(lì)量進(jìn)行測(cè)試；對(duì)單臺(tái)子機(jī)獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試。前者測(cè)試全面，但測(cè)試環(huán)境搭建困難，需要同時(shí)對(duì)多臺(tái)子機(jī)施加激勵(lì)量才能完整模擬主保護(hù)功能。后者雖然測(cè)試簡(jiǎn)便，但只能進(jìn)行單臺(tái)子機(jī)部分保護(hù)功能測(cè)試，無(wú)法模擬環(huán)網(wǎng)報(bào)文，與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境存在明顯差異[13—14]。

文中研究了分布式就地化保護(hù)測(cè)試需求，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新型繼電保護(hù)測(cè)試裝置，具備傳統(tǒng)繼電保護(hù)測(cè)試功能的同時(shí)新增了環(huán)網(wǎng)報(bào)文收發(fā)功能。通過(guò)1臺(tái)測(cè)試裝置即可完成就地化分布式單臺(tái)子機(jī)的解耦測(cè)試，同時(shí)開發(fā)了環(huán)網(wǎng)性能測(cè)試功能，校驗(yàn)環(huán)網(wǎng)報(bào)文傳輸過(guò)程中的可靠性和實(shí)時(shí)性，完善環(huán)網(wǎng)測(cè)試內(nèi)容。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試功能

根據(jù)就地化分布式子機(jī)保護(hù)特點(diǎn)，主要考慮保護(hù)功能測(cè)試和環(huán)網(wǎng)性能測(cè)試。

(1) 保護(hù)功能測(cè)試。測(cè)試裝置輸出常規(guī)模擬量、開關(guān)量，同時(shí)模擬其他子機(jī)環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送，并接收待測(cè)子機(jī)反饋的信號(hào)判別保護(hù)動(dòng)作正確性，完成全部保護(hù)邏輯功能測(cè)試。

(2) 環(huán)網(wǎng)性能測(cè)試。測(cè)試裝置作為環(huán)網(wǎng)內(nèi)設(shè)備接入環(huán)網(wǎng)，模擬多種環(huán)網(wǎng)報(bào)文發(fā)送，轉(zhuǎn)發(fā)所有子機(jī)報(bào)文，同時(shí)接收并解析被測(cè)子機(jī)發(fā)送的報(bào)文幀，根據(jù)測(cè)試需求對(duì)報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)。發(fā)送正常環(huán)網(wǎng)報(bào)文的同時(shí)可選擇性發(fā)送異常報(bào)文幀，測(cè)試被測(cè)子機(jī)對(duì)異常報(bào)文的處理能力，如是否誤動(dòng)、拒動(dòng)等。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置采用插槽式機(jī)箱，由多種測(cè)試功能插件組成，如圖1所示。包括：中央處理器(central processing unit,CPU)插件、環(huán)網(wǎng)測(cè)試插件、電源插件、模擬量采集插件、模擬量輸出插件、開入插件、開出插件、對(duì)時(shí)插件等。各插件通過(guò)背板控制器域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線進(jìn)行通信，對(duì)時(shí)插件通過(guò)對(duì)時(shí)總線給各插件提供對(duì)時(shí)信號(hào)。測(cè)試裝置采用雙CPU架構(gòu)，主CPU負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)試流程的管理，接收測(cè)試軟件下發(fā)的測(cè)試用例，將用例中的狀態(tài)及數(shù)據(jù)離散成各插件對(duì)應(yīng)輸出的內(nèi)容，再通過(guò)CAN總線下發(fā)，由各插件同步執(zhí)行，同時(shí)接收各插件的反饋信息，進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)給測(cè)試軟件。環(huán)網(wǎng)CPU與主CPU交換環(huán)網(wǎng)報(bào)文內(nèi)容，接收主CPU環(huán)網(wǎng)測(cè)試命令并將相關(guān)數(shù)據(jù)下發(fā)環(huán)網(wǎng)數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)芯片。環(huán)網(wǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)擴(kuò)展出4個(gè)千兆以太網(wǎng)接口(ethereum，ETH)與環(huán)網(wǎng)通信，進(jìn)行環(huán)網(wǎng)報(bào)文解析、轉(zhuǎn)發(fā)以及模擬子機(jī)環(huán)網(wǎng)報(bào)文發(fā)送。環(huán)網(wǎng)DSP把數(shù)據(jù)分別送至保護(hù)環(huán)和啟動(dòng)環(huán)，由保護(hù)裝置的保護(hù)DSP和啟動(dòng)DSP分別對(duì)采樣通道數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理和實(shí)時(shí)計(jì)算。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure

1.3 軟件架構(gòu)

測(cè)試軟件在Windows系統(tǒng)下采用QT語(yǔ)言開發(fā)，具有良好的人機(jī)交互界面。測(cè)試軟件由三大功能模塊組成：系統(tǒng)設(shè)置中心、報(bào)文監(jiān)視中心和測(cè)試管理中心，如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)Fig.2 Software structure

系統(tǒng)設(shè)置中心負(fù)責(zé)與繼電保護(hù)測(cè)試裝置及保護(hù)子機(jī)進(jìn)行通信連接設(shè)置。與測(cè)試裝置通信，設(shè)置開關(guān)量、模擬量通道、環(huán)網(wǎng)報(bào)文收發(fā)格式，控制測(cè)試裝置輸出以及接收反饋信息。與保護(hù)子機(jī)通信，讀取保護(hù)裝置相關(guān)配置，修改定值，接收保護(hù)裝置動(dòng)作信息。

報(bào)文監(jiān)視中心提供多個(gè)監(jiān)視窗口，用來(lái)顯示測(cè)試過(guò)程中測(cè)試裝置報(bào)文、保護(hù)子機(jī)報(bào)文、測(cè)試用例執(zhí)行結(jié)果等，實(shí)時(shí)掌握測(cè)試進(jìn)度。

測(cè)試管理中心負(fù)責(zé)各個(gè)測(cè)試用例的編輯，控制用例執(zhí)行過(guò)程，根據(jù)測(cè)試裝置和保護(hù)子機(jī)反饋的信息進(jìn)行結(jié)果判別，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。單次測(cè)試時(shí)可根據(jù)需要選擇用例數(shù)量實(shí)現(xiàn)自定義批量化測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中個(gè)體測(cè)試用例的測(cè)試結(jié)果不影響其他用例的執(zhí)行。測(cè)試報(bào)告包含被測(cè)裝置的基本信息、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試結(jié)論，并記錄每個(gè)測(cè)試用例的測(cè)試過(guò)程，包含各狀態(tài)序列具體的輸出時(shí)間、輸出數(shù)據(jù)、定值修改、接收接點(diǎn)狀態(tài)、接收?qǐng)?bào)文信息、誤差設(shè)定及判別等，便于分析測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 測(cè)試功能的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 保護(hù)功能測(cè)試

測(cè)試裝置簡(jiǎn)化了分布式子機(jī)的測(cè)試環(huán)境，可以對(duì)保護(hù)功能、精度及動(dòng)作特性進(jìn)行完整驗(yàn)證。測(cè)試環(huán)境如圖3所示，測(cè)試裝置通過(guò)接收對(duì)時(shí)，和分布式子機(jī)保持時(shí)間同步，測(cè)試軟件編輯測(cè)試用例，向保護(hù)子機(jī)下發(fā)定值修改指令，在指定時(shí)間間隔后向測(cè)試裝置下發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)，由測(cè)試裝置將測(cè)試數(shù)據(jù)擬合成開關(guān)量、模擬量、環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)的狀態(tài)序列，同步向保護(hù)子機(jī)施加激勵(lì)量。測(cè)試用例執(zhí)行完成后，根據(jù)用例中設(shè)定的測(cè)試結(jié)果，與測(cè)試軟件實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判別測(cè)試結(jié)果，并生成測(cè)試報(bào)告文件，實(shí)現(xiàn)分布式子機(jī)保護(hù)功能的解耦測(cè)試。

圖3 測(cè)試環(huán)境Fig.3 Testing environment

就地化元件保護(hù)子機(jī)硬件接口、軟件功能完全相同，同一廠家同型號(hào)子機(jī)僅需編輯1臺(tái)裝置的測(cè)試用例即可完成所有裝置的重復(fù)測(cè)試。而不同廠家的裝置間硬件接口定義和保護(hù)功能完全相同，僅事件順序記錄(sequence of event,SOE)報(bào)文或定值名稱存在差異，測(cè)試用例的有效復(fù)用將為現(xiàn)場(chǎng)更換式檢修及測(cè)試帶來(lái)極大的便利性。

文中將基于測(cè)試數(shù)據(jù)的模板、測(cè)試用例中和數(shù)據(jù)相關(guān)的接口進(jìn)行解耦，通過(guò)批量復(fù)制測(cè)試模板以及批量接口映射，實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例大規(guī)模復(fù)用。接口映射分為兩類：與測(cè)試裝置的開關(guān)量、模擬量通道映射；與保護(hù)裝置的站控層映射。

測(cè)試模板采用三級(jí)目錄管理。一級(jí)目錄按照被測(cè)裝置型號(hào)分類；二級(jí)目錄按照保護(hù)功能大類分類，如過(guò)流Ⅰ段、過(guò)流Ⅱ段等；三級(jí)目錄按照具體測(cè)試項(xiàng)分類，各級(jí)目錄均支持測(cè)試模板的復(fù)制。接口映射在二級(jí)目錄中完成，批量復(fù)制時(shí)，僅需重新將部分定值進(jìn)行映射，有利于提高用例編輯的效率。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需考慮用例復(fù)制的兼容性，對(duì)于未進(jìn)行映射的相關(guān)參數(shù)在測(cè)試用例中無(wú)效。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，針對(duì)同類型保護(hù)功能，可在開始階段編輯一組用例全集，將其復(fù)制后刪除無(wú)用的子用例。

2.2 環(huán)網(wǎng)性能測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)

環(huán)網(wǎng)報(bào)文采用固定格式，包含目的地址、源地址、報(bào)文序號(hào)、應(yīng)用數(shù)據(jù)單元、延時(shí)修正域等。環(huán)網(wǎng)CPU在進(jìn)行報(bào)文組幀時(shí)，部分參數(shù)需預(yù)先設(shè)置，此處考慮通過(guò)環(huán)網(wǎng)報(bào)文配置文本實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)報(bào)文內(nèi)容的相關(guān)設(shè)置。各子機(jī)均具有主保護(hù)判別邏輯，環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的可靠性、實(shí)時(shí)性直接影響各子機(jī)保護(hù)判別邏輯的準(zhǔn)確性和一致性。針對(duì)環(huán)網(wǎng)特性應(yīng)考慮的測(cè)試能力包括：環(huán)網(wǎng)報(bào)文配置、延時(shí)測(cè)試、數(shù)據(jù)一致性測(cè)試、轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制測(cè)試和模擬環(huán)網(wǎng)異常報(bào)文。

2.2.1 環(huán)網(wǎng)報(bào)文配置

測(cè)試裝置在與分布式子機(jī)建立物理連接后且正式測(cè)試前，子機(jī)一直處于環(huán)網(wǎng)連接中斷告警狀態(tài)。按照表1的配置文本項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行環(huán)網(wǎng)報(bào)文組幀。

表1 環(huán)網(wǎng)報(bào)文配置文本Table 1 Configuration text of ring network messages

Test mode可根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置為tester或analyzer。tester作為保護(hù)功能測(cè)試裝置，可以模擬多臺(tái)子機(jī)環(huán)網(wǎng)報(bào)文以及繼電保護(hù)測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體子機(jī)保護(hù)功能的解耦測(cè)試。analyzer作為環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀，可將測(cè)試裝置串入環(huán)網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)及模擬各種環(huán)網(wǎng)類型報(bào)文，并對(duì)測(cè)試目標(biāo)子機(jī)報(bào)文進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)各種性能測(cè)試。Transmission mode用來(lái)選取傳輸方式是單播或多播。Destination number設(shè)置測(cè)試目標(biāo)子機(jī)編號(hào)。Source number設(shè)置模擬的子機(jī)數(shù)量和編號(hào)。Protection type、APPID等設(shè)置報(bào)文中相關(guān)保護(hù)類型參數(shù)；SV(sampled value) channels、GOOSE(generic object oriented substation event) chan-nels、Int channels分別用來(lái)設(shè)置應(yīng)用單元SV、GOOSE、整型值的通道。測(cè)試裝置通過(guò)解析測(cè)試文本，生成環(huán)網(wǎng)報(bào)文基本格式。

通過(guò)報(bào)文配置文本可以解析環(huán)網(wǎng)報(bào)文幀格式，但未能完全模擬環(huán)網(wǎng)報(bào)文。應(yīng)用數(shù)據(jù)單元除SV、GOOSE外，還有整型值，該類整型值是子機(jī)所有定值數(shù)值形成的一個(gè)校驗(yàn)碼，環(huán)網(wǎng)內(nèi)所有子機(jī)定值須保證一致，否則子機(jī)會(huì)產(chǎn)生定值項(xiàng)告警并閉鎖相關(guān)保護(hù)功能。測(cè)試過(guò)程中存在不斷修改定值的需求，該校驗(yàn)碼會(huì)不斷變化，無(wú)法通過(guò)事先設(shè)置達(dá)到測(cè)試目的，可考慮通過(guò)環(huán)網(wǎng)自適應(yīng)連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整型值的自動(dòng)設(shè)置。各子機(jī)在上電運(yùn)行后，根據(jù)自身定值項(xiàng)中的子機(jī)數(shù)量及編號(hào)，向其余子機(jī)發(fā)送含編號(hào)信息的環(huán)網(wǎng)報(bào)文。測(cè)試裝置接收到測(cè)試目標(biāo)子機(jī)報(bào)文后進(jìn)行解析，保存整型值數(shù)值，再根據(jù)配置文本中需模擬的子機(jī)數(shù)量及編號(hào)，將整型值擬合入需要發(fā)送的報(bào)文中，應(yīng)用單元內(nèi)SV、GOOSE數(shù)值以0代替。每個(gè)中斷周期，環(huán)網(wǎng)CPU按照設(shè)置好的報(bào)文格式以及需要模擬的子機(jī)數(shù)量向外發(fā)送環(huán)網(wǎng)報(bào)文。

測(cè)試過(guò)程中，若接收到主CPU具體測(cè)試數(shù)據(jù)，環(huán)網(wǎng)CPU會(huì)重新擬合相關(guān)報(bào)文內(nèi)容；若子機(jī)定值發(fā)生修改，整型值數(shù)值會(huì)同時(shí)更新。

2.2.2 延時(shí)測(cè)試

環(huán)網(wǎng)報(bào)文的絕對(duì)延時(shí)為式(1)，環(huán)網(wǎng)報(bào)文傳輸時(shí)序如圖4所示。

Td=T1+Tstay+Tlink

(1)

圖4 環(huán)網(wǎng)報(bào)文傳輸時(shí)序Fig.4 Time sequence of message transmission in ring network

T1為報(bào)文組幀延時(shí)，表示子機(jī)將采集到的模擬量、開入量等信息一起擬合成環(huán)網(wǎng)報(bào)文并發(fā)送出去的時(shí)間，主要是模數(shù) (analog-to-digital，AD)采樣和CPU處理并發(fā)送引起的延時(shí)。環(huán)網(wǎng)報(bào)文中將該延時(shí)單獨(dú)作為一個(gè)SV通道。

Tstay為子機(jī)駐留時(shí)間，表示由中間節(jié)點(diǎn)子機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的停留時(shí)間累加而成的延時(shí)。

Tlink為鏈路延時(shí)，表示由環(huán)網(wǎng)報(bào)文從源子機(jī)到目標(biāo)子機(jī)之間鏈路傳輸產(chǎn)生的延時(shí)。

Tstay+Tlink構(gòu)成環(huán)網(wǎng)報(bào)文中的報(bào)文延時(shí)修正域，由報(bào)文本身攜帶，每經(jīng)過(guò)1臺(tái)子機(jī)則修正1次。由于光纖傳播速度很快，接近光速的2/3，測(cè)試中使用的光纖只有10 m，傳輸時(shí)間很短，鏈路延時(shí)可不予考慮。環(huán)網(wǎng)通信規(guī)范中對(duì)鏈路延時(shí)也不作強(qiáng)制要求。

將測(cè)試裝置類比為目標(biāo)子機(jī)接入環(huán)網(wǎng)中，測(cè)試裝置和源子機(jī)外接同一對(duì)時(shí)源,保持時(shí)鐘同步。測(cè)試裝置向源子機(jī)施加模擬量同步脈沖，記錄同步脈沖輸出時(shí)刻t1，并同步接收環(huán)網(wǎng)報(bào)文SV，記錄接收到SV同步脈沖的時(shí)刻t2，則實(shí)際的報(bào)文絕對(duì)延時(shí)T′d=t2-t1。將T′d與Td進(jìn)行比較，判別Td的準(zhǔn)確性。環(huán)網(wǎng)報(bào)文的Td不應(yīng)大于1 ms。同步脈沖時(shí)序如圖5所示。

圖5 同步脈沖時(shí)序Fig.5 Time sequence of synchronized pulse

T1的離散度對(duì)于接收子機(jī)模擬量的插值計(jì)算非常重要。測(cè)試裝置實(shí)時(shí)接收子機(jī)環(huán)網(wǎng)報(bào)文，記錄每一幀報(bào)文時(shí)刻，并消除報(bào)文延時(shí)影響，計(jì)算每?jī)蓭瑘?bào)文間隔時(shí)間Δt，將其與標(biāo)準(zhǔn)采樣間隔250s比較，誤差應(yīng)小于10s。

2.2.3 數(shù)據(jù)一致性測(cè)試

分布式子機(jī)保護(hù)功能計(jì)算需結(jié)合本地采集的模擬量和環(huán)網(wǎng)SV。為了確保采樣精度，環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率采用每周波80個(gè)點(diǎn)[15—17]。

利用外部高精度繼電保護(hù)測(cè)試儀給被測(cè)子機(jī)和測(cè)試裝置施加模擬量及開入量，測(cè)試裝置同時(shí)接收被測(cè)子機(jī)環(huán)網(wǎng)報(bào)文。由于子機(jī)需要將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送且經(jīng)過(guò)其他子機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，測(cè)試裝置接收到的環(huán)網(wǎng)SV會(huì)有延時(shí)。對(duì)于環(huán)網(wǎng)內(nèi)部多臺(tái)子機(jī)以及測(cè)試裝置采用相同源采樣，測(cè)試裝置采集到的波形如圖6所示。

圖6 測(cè)試裝置采樣波形Fig.6 Sampling wave of test device

測(cè)試裝置通過(guò)快速傅里葉變換計(jì)算被測(cè)子機(jī)單周波采樣數(shù)據(jù)的相位和幅值，其中以測(cè)試裝置本地采集的波形為基準(zhǔn)。假設(shè)測(cè)試裝置本地采集波形的幅值為Z0，相角為θ0，同時(shí)刻被測(cè)試裝置接收到子機(jī)1環(huán)網(wǎng)SV的幅值為Z1，相角為θ1，絕對(duì)延時(shí)為Td1，則角差Δθ1和比差k1為：

(2)

同理可求得被測(cè)子機(jī)2的角差Δθ2和比差k2。環(huán)網(wǎng)內(nèi)各子機(jī)的采樣精度均可通過(guò)角差Δθ和比差k進(jìn)行比較。子機(jī)間的同步性可以用相對(duì)角差進(jìn)行判別，如式(3)所示。

Δθ12=Δθ1-Δθ2

(3)

環(huán)網(wǎng)GOOSE開入量的測(cè)試類似且易于SV，此處不再贅述。

2.2.4 轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制測(cè)試

子機(jī)將環(huán)網(wǎng)中非本機(jī)發(fā)送的報(bào)文幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不轉(zhuǎn)發(fā)自身為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的單播幀。為測(cè)試該轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，測(cè)試裝置與被測(cè)子機(jī)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，不接入其他子機(jī)，消除其他子機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的影響，由測(cè)試裝置向被測(cè)子機(jī)發(fā)送各類型環(huán)網(wǎng)報(bào)文，經(jīng)子機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后至測(cè)試裝置另一端口，判別轉(zhuǎn)發(fā)的準(zhǔn)確性。多播傳輸方式的測(cè)試方案可參考表2執(zhí)行。

表2 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試方案Table 2 Test scheme of message forwarding

對(duì)于正常報(bào)文，比較收發(fā)兩幀報(bào)文內(nèi)容，除延時(shí)修正域外其他應(yīng)無(wú)變化。同時(shí)，根據(jù)規(guī)范環(huán)網(wǎng)內(nèi)按照最大16個(gè)節(jié)點(diǎn)、傳輸延時(shí)小于1 ms的要求，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)不超過(guò)62.5s。

在正常報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試過(guò)程中，還應(yīng)考慮環(huán)網(wǎng)的復(fù)雜環(huán)境，測(cè)試裝置應(yīng)具備模擬網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的能力，要求1～1 000 Mbit/s可設(shè)，施加持續(xù)時(shí)間不低于2 min。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴幀子機(jī)應(yīng)予以丟棄，需轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文能正常轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴持續(xù)過(guò)程中，測(cè)試裝置模擬滿足動(dòng)作條件的環(huán)網(wǎng)報(bào)文，此時(shí)待測(cè)子機(jī)應(yīng)能正確動(dòng)作。測(cè)試裝置的各端口不應(yīng)收到任何網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴幀，正常報(bào)文幀能正確接收和轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2.5 異常報(bào)文模擬功能

目前尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對(duì)應(yīng)就地化分布式環(huán)網(wǎng)報(bào)文異常測(cè)試，文中參考GB/T 7261—2016中針對(duì)智能變電站SV及GOOSE異常測(cè)試內(nèi)容，將環(huán)網(wǎng)報(bào)文看成分布式子機(jī)采集的規(guī)模擬量、開關(guān)量轉(zhuǎn)換成特殊格式的SV、GOOSE。子機(jī)相當(dāng)于傳統(tǒng)意義上智能站的合并單元和智能終端，則SV和GOOSE的所有通道數(shù)據(jù)都可以當(dāng)作同一個(gè)控制塊。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的靈活配置要求，可將環(huán)網(wǎng)SV的檢修、丟幀、抖動(dòng)、錯(cuò)序、失步、品質(zhì)異常、延時(shí)設(shè)置等按照?qǐng)D7所示子機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，此類異常通常在同一臺(tái)子機(jī)發(fā)生。異常數(shù)據(jù)按照?qǐng)D8中SV通道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)測(cè)試需求選擇每周波異常點(diǎn)數(shù)，異常數(shù)據(jù)的施加方式可按照用例中的設(shè)置數(shù)值直接施加。對(duì)于GOOSE報(bào)文異常，均采用按子機(jī)設(shè)置，異常類型均設(shè)為單選。

圖7 子機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.7 Data structure of sub devices

圖8 通道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.8 Data structure of channels

每周波異常點(diǎn)數(shù)的選擇可能對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。相異于環(huán)網(wǎng)報(bào)文每周波80個(gè)點(diǎn)，保護(hù)子機(jī)實(shí)際采樣每周波只選擇24個(gè)點(diǎn)。若每周波只選取1個(gè)異常點(diǎn)，則在計(jì)算采樣時(shí)可能不會(huì)計(jì)算此異常點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)重復(fù)多次測(cè)試，每周波選擇連續(xù)3個(gè)以上異常點(diǎn)才能確保異常點(diǎn)被采集到。在進(jìn)行異常數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)，還應(yīng)考慮異常數(shù)值對(duì)保護(hù)采樣計(jì)算結(jié)果的影響。測(cè)試裝置支持多狀態(tài)、多通道、多子機(jī)的設(shè)置，測(cè)試時(shí)只設(shè)置一種異常狀態(tài)，便于確認(rèn)該異常對(duì)待測(cè)子機(jī)的影響。單個(gè)數(shù)據(jù)異常測(cè)試用例中禁止進(jìn)行異常子機(jī)切換，防止待測(cè)子機(jī)在進(jìn)行異常判別時(shí)選擇錯(cuò)亂。

3 典型應(yīng)用

文中通過(guò)測(cè)試裝置和單臺(tái)分布式母線保護(hù)子機(jī)模擬一4臺(tái)子機(jī)的母線保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)行主要功能的測(cè)試和驗(yàn)證，典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖9所示。測(cè)試裝置和保護(hù)子機(jī)通過(guò)對(duì)時(shí)裝置保持時(shí)鐘同步，測(cè)試軟件控制測(cè)試裝置向子機(jī)施加模擬量和開關(guān)量，并模擬其余3臺(tái)子機(jī)的環(huán)網(wǎng)報(bào)文，同時(shí)可對(duì)被測(cè)子機(jī)發(fā)出的環(huán)網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)。

圖9 典型應(yīng)用場(chǎng)景Fig.9 Typical application scenario

測(cè)試用例編寫方面，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的分布式保護(hù)系統(tǒng)中，各臺(tái)子機(jī)多間隔的數(shù)據(jù)模擬需要多臺(tái)測(cè)試裝置，各測(cè)試裝置間的協(xié)同測(cè)試較為復(fù)雜。文中的環(huán)網(wǎng)測(cè)試裝置僅需針對(duì)單臺(tái)子機(jī)設(shè)置對(duì)應(yīng)的開入量、模擬量、軟報(bào)文映射關(guān)系和環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)。使用兩種測(cè)試裝置針對(duì)分布式母線保護(hù)的主保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、失靈保護(hù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，分別以1.2倍動(dòng)作定值的故障量測(cè)試10次，動(dòng)作結(jié)果取平均值，如表3所示。環(huán)網(wǎng)測(cè)試裝置可以達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)試裝置的效果，同時(shí)擁有用例編輯方便、測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試用例編輯及測(cè)試的時(shí)間可縮短70%以上。

環(huán)網(wǎng)報(bào)文傳輸延時(shí)測(cè)試方面，子機(jī)和測(cè)試裝置通過(guò)10 m光纖連接，實(shí)測(cè)單個(gè)結(jié)點(diǎn)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)為1.56～2.48s，滿足規(guī)范要求。

表3 2種測(cè)試裝置測(cè)試結(jié)果分析Table 3 Test result analysis of two test devices

異常報(bào)文測(cè)試方面，設(shè)置SV報(bào)文丟幀、抖動(dòng)、錯(cuò)序、失步、品質(zhì)異常及GOOSE報(bào)文發(fā)送機(jī)制異常等。抓取測(cè)試裝置實(shí)際發(fā)出的環(huán)網(wǎng)報(bào)文，利用軟件分析報(bào)文及波形，確認(rèn)測(cè)試裝置輸出的環(huán)網(wǎng)報(bào)文與設(shè)置一致，同時(shí)判定保護(hù)裝置的動(dòng)作結(jié)果正確。

4 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)和開發(fā)了包含就地化分布式環(huán)網(wǎng)測(cè)試功能的新型繼電保護(hù)測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)了分布式就地化單臺(tái)子機(jī)完整保護(hù)功能的解耦測(cè)試，大幅優(yōu)化了測(cè)試環(huán)境。該測(cè)試裝置應(yīng)用于就地化元件保護(hù)工廠化調(diào)試及更換式檢修，可大幅縮減設(shè)備檢修和消缺時(shí)間，減少停電時(shí)間，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。隨著就地化分布式保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，如何將環(huán)網(wǎng)通信技術(shù)與實(shí)時(shí)數(shù)字仿真等系統(tǒng)相結(jié)合，不斷豐富測(cè)試手段，提供更全面的仿真功能，將是后續(xù)的研究方向。

本文得到國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技項(xiàng)目“就地化智能變電站二次保護(hù)設(shè)備仿真與運(yùn)維支撐系統(tǒng)研究”(5211HZ17000A)資助，謹(jǐn)此致謝！