王俊康，吳繼順，汪衛(wèi)東，趙軍毅，王濤濤，羅 巍

（1.浙江省送變電工程有限公司，杭州 310020；2.廣東昂立電氣自動化有限公司，廣州 511400）

0 引言

繼電保護(hù)裝置是變電站的二次核心設(shè)備，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到重要的作用。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，要求繼電保護(hù)裝置能夠快速、準(zhǔn)確地切除故障設(shè)備和線路，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，因此繼電保護(hù)裝置初次投入運(yùn)行或者定期檢修時(shí)必須對其檢測校驗(yàn)，確保繼電保護(hù)裝置正常動作。

當(dāng)前繼電保護(hù)裝置型號、通信方式和接口等差異，限制了自動測試的應(yīng)用，針對繼電保護(hù)裝置的調(diào)試和校驗(yàn)主要是人工測試，但是校驗(yàn)過程操作繁瑣，效率低下，容易造成錯漏，尤其是應(yīng)急檢修等緊急情況下，時(shí)間窗口小，任務(wù)緊，若采用完備性測試則時(shí)間和人員安排比較多，若采用其他測試方式則難免會存在疏漏。隨著智能變電站發(fā)展，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則先后頒布，在IEC 61850基礎(chǔ)上的智能變電站能夠?qū)崿F(xiàn)輸入、輸出信息化和數(shù)字化，保護(hù)裝置對外接口、軟壓板等方面規(guī)范化，使得繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)自動化測試成為了可能。

為了適應(yīng)智能變電站及繼電保護(hù)裝置快速發(fā)展，國內(nèi)許多廠家和學(xué)者先后研制了多種自動檢測方案，其中有的通過分析SCD 文件生成測試方案進(jìn)行測試，并綜合GOOSE 跳閘信息和SOE 信息進(jìn)行測試結(jié)果分析［1-5］；有的對測試方案和裝置配置進(jìn)行了數(shù)據(jù)解耦，并將測試方案存于云服務(wù)器，通過WIFI將裝置信息傳到云服務(wù)器查找相對應(yīng)的測試方案［6-8］；還有的對多臺繼電保護(hù)裝置并行測試進(jìn)行了研究［9］。但是上述方案存在以下不足：一方面大部分測試方案均需復(fù)雜的測試腳本，在實(shí)用性方面仍有較大的提升空間，雖然有些自動測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測試方案的導(dǎo)入/導(dǎo)出，但不同測試人員開發(fā)的測試方案無法快速有效地替換，定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，在通用性方面存在一定的缺陷；另一方面上述幾種方案僅針對標(biāo)準(zhǔn)智能變電站繼電保護(hù)的自動測試，自動測試系統(tǒng)必須接入網(wǎng)絡(luò)，不完全適用于傳統(tǒng)變電站及智能化改造后的變電站，其推廣具有一定的困難。

1 新型繼電保護(hù)測試系統(tǒng)研究

在深入研究多種自動檢測方案的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合傳統(tǒng)繼電保護(hù)測試技術(shù)和現(xiàn)有智能變電站自動檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于5G通信和圖像識別技術(shù)的新型繼電保護(hù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能適應(yīng)傳統(tǒng)變電站到智能變電站過渡階段的各類繼電保護(hù)裝置，適用范圍廣。

引入5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測試方案的在線下載及測試數(shù)據(jù)上傳。在智能電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程中，傳統(tǒng)通信方式難以滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需要，5G通信作為目前最先進(jìn)的通信技術(shù)，以其大帶寬、高可靠、低延時(shí)、廣連接、泛在網(wǎng)等諸多優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)配電自動化、負(fù)荷控制等方面得到廣泛應(yīng)用。在新型繼電保護(hù)測試系統(tǒng)中利用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，解決自動測試平臺與云端服務(wù)器的通信問題，大大提高測試平臺的便捷性。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，繼電保護(hù)裝置要求越來越高，保護(hù)屏柜的壓板數(shù)量成倍增加。在對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)校驗(yàn)過程中需要根據(jù)不同的保護(hù)功能投退相應(yīng)的壓板，一旦壓板狀態(tài)投退不正確則無法準(zhǔn)確校驗(yàn)保護(hù)裝置。目前大部分變電站還是需要通過人工來投切壓板，本文根據(jù)繼電保護(hù)裝置校驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)際情況并結(jié)合圖像識別技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出保護(hù)裝置壓板狀態(tài)智能識別模塊，并應(yīng)用到繼電保護(hù)自動測試系統(tǒng)中，以提高工作效率。

新型繼電保護(hù)測試系統(tǒng)采用模塊化思路，根據(jù)測試需求，通過關(guān)鍵字搜尋測試方案數(shù)據(jù)庫，智能組合生成測試方案，加載并執(zhí)行，并將測試結(jié)果上送至云端數(shù)據(jù)庫。測試平臺利用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和手機(jī)應(yīng)用程序相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與分布式測試，通過自動化測試，極大地簡化了檢測流程，減輕工作強(qiáng)度，提高檢測精度和可靠性。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于浙江省部分新建智能變電站驗(yàn)收作業(yè)，能完成全部檢測項(xiàng)目并在時(shí)間及人員上優(yōu)化配置，解決了繼電保護(hù)裝置功能及邏輯測試工作量大、任務(wù)繁瑣等問題。

2 測試系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)由GPS 終端、云端服務(wù)器、自動測試平臺和手機(jī)終端組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。GPS終端負(fù)責(zé)接收GPS信號提供給測試儀，5G通信模塊負(fù)責(zé)和云端服務(wù)器建立連接，自動測試平臺負(fù)責(zé)根據(jù)測試項(xiàng)目參數(shù)輸出模擬波形/SV 送至被測保護(hù)裝置，并從保護(hù)裝置接收跳閘信息/GOOSE和動作報(bào)文等，手機(jī)終端負(fù)責(zé)控制測試儀進(jìn)行測試并接收測試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。自動測試平臺由5G模塊、工控機(jī)、ARM、DSP、FPGA、功放模塊、保護(hù)壓板智能識別模塊、SV/GOOSE數(shù)字處理模塊、數(shù)字板以及開入/開出模塊組成。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)由手機(jī)端應(yīng)用程序、云服務(wù)程序、測試方案數(shù)據(jù)庫、自動測試控制程序、測試方案編輯程序、壓板圖像識別程序、測試儀服務(wù)程序和保護(hù)通信服務(wù)程序構(gòu)成，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1）手機(jī)端應(yīng)用程序用于監(jiān)控自動測試過程，并從云端獲取測試方案控制測試硬件實(shí)現(xiàn)自動測試功能。

2）云服務(wù)程序用于信息中轉(zhuǎn)與服務(wù)提供，并為測試方案數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。

3）自動測試控制程序用于測試方案的解析與執(zhí)行，一方面調(diào)用繼電保護(hù)測試儀服務(wù)程序，驅(qū)動測試儀硬件設(shè)備完成具體保護(hù)邏輯測試，另一方面負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)測試過程的記錄跟蹤。

4）測試方案編輯程序用于測試項(xiàng)目的增減、測試參數(shù)的調(diào)整、測試結(jié)果的評判、測試報(bào)告的生成、UI（用戶界面）接口的修改等。

5）壓板圖像識別程序用于保護(hù)壓板狀態(tài)識別。

6）測試儀服務(wù)程序用于提供測試服務(wù)。

7）保護(hù)通信服務(wù)程序用于提供接收、讀取、修改保護(hù)信息，如定值、控制字、軟壓板等保護(hù)設(shè)備參數(shù)信息，同時(shí)接收保護(hù)裝置的動作報(bào)文和斷路器變位報(bào)文，便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)校驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)測試。

上述軟件架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，各模塊遵循高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)原則，各模塊間通過數(shù)據(jù)耦合方式，在面向服務(wù)框架保持不變的情況下［10］，對于提供設(shè)備控制接口模塊，需根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)互換性的特點(diǎn)，通過更換不同的設(shè)備控制模塊，能夠達(dá)到相同的測試效果，具有很好的兼容性和靈活性。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 測試方案智能生成技術(shù)

繼電保護(hù)裝置按照測試方案中的測試項(xiàng)目序列順序或選擇性進(jìn)行測試，但測試方案編寫、調(diào)試相當(dāng)繁瑣，存在重復(fù)性工作，且待測保護(hù)裝置CID 配置文件修改后需重新調(diào)整測試方案。為提高自動測試方案的通用性，減少配置工作量，根據(jù)測試要求和被測裝置的設(shè)備數(shù)據(jù)模型文件智能生成相應(yīng)的測試方案，具體過程如圖3所示。對于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下編制的作業(yè)指導(dǎo)書（表單），其文檔中測試內(nèi)容的編排與測試項(xiàng)目格式基本一致，本文針對各種電壓等級或保護(hù)類型的作業(yè)指導(dǎo)書中指定的測試項(xiàng)目，通過解析SCD/ICD文件或者通過MMS直接從保護(hù)裝置召喚設(shè)備數(shù)據(jù)模型CID文件并解析其內(nèi)容，然后對其中的關(guān)鍵字（如定值、控制字、軟壓板等）進(jìn)行識別，檢索已開發(fā)并調(diào)試的測試方案數(shù)據(jù)庫，匹配出對應(yīng)的測試方案文件，同時(shí)，加載用戶自定義的word 格式標(biāo)準(zhǔn)測試報(bào)告。上述測試方案采用XML語言描述，應(yīng)用時(shí)需指定待測保護(hù)裝置，將方案中通用設(shè)備數(shù)據(jù)模型與待測保護(hù)裝置的設(shè)備數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)映射匹配，通過MMS協(xié)議自動讀取保護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的試驗(yàn)參數(shù)適配，從而完成保護(hù)測試。

圖3 測試方案的智能生成過程

為實(shí)現(xiàn)上述測試方案的智能生成，需具備以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型以國家電網(wǎng)兩個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)［11-12］，結(jié)合國內(nèi)幾大廠家按保護(hù)對象劃分出統(tǒng)一的設(shè)備信息作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型，如保護(hù)遙測、定值、控制字、軟壓板、遙信遙控以及裝置參數(shù)。

2）測試方案數(shù)據(jù)庫：測試方案數(shù)據(jù)庫中由測試原子方案構(gòu)成，測試原子方案為某一保護(hù)邏輯功能且不可再細(xì)分的測試項(xiàng)目，通過導(dǎo)出功能形成用戶自定義的測試方案數(shù)據(jù)庫，通過導(dǎo)入功能創(chuàng)建用戶自定義的測試業(yè)務(wù)流程，如測試過流1.05倍定值原子方案是測試儀參數(shù)關(guān)聯(lián)過流保護(hù)I段定值動作情況，不可再拆分，再拆分則無法完成一個(gè)測試。目前，已針對不同廠家及不同型號的裝置開發(fā)了大量的原子方案，以滿足繼電保護(hù)裝置的測試需求。

3）關(guān)鍵字匹配算法：關(guān)鍵字匹配算法是將繼電保護(hù)裝置中保護(hù)遙測、定值、控制字、軟壓板、遙信遙控及裝置參數(shù)等關(guān)鍵字段通過定義的數(shù)據(jù)字典及匹配規(guī)則同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型中同類型的參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，建立保護(hù)數(shù)據(jù)模型、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型和保護(hù)參數(shù)映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動測試。

4）硬件控制接口：由測試儀控制接口和保護(hù)通信控制接口構(gòu)成。其中，測試儀控制接口功能包含啟動測試、停止測試、讀取數(shù)據(jù)、異常信息的接收和處理［13］；保護(hù)通信控制接口包括讀取保護(hù)參數(shù)、修改保護(hù)參數(shù)等功能。通過控制接口控制測試儀，在測試業(yè)務(wù)流程中對保護(hù)裝置進(jìn)行相關(guān)操作［14］。

3.2 虛端子自動配置技術(shù)

在IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議基礎(chǔ)上，根據(jù)測試需求，通過導(dǎo)入SCD 模型文件并解析，提取保護(hù)裝置的IED信息，自動配置SMV、GOOSEIN/OUT控制塊，將控制塊中的各虛端子與測試儀接口模擬量輸出、開入/開出接點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射。若導(dǎo)入SCD 文件命名或描述不規(guī)范時(shí)，通過設(shè)置數(shù)據(jù)字典來匹配虛端子映射，同時(shí)利用人工映射記錄并添加至數(shù)據(jù)字典，實(shí)現(xiàn)虛端子SMV、GOOSEIN/OUT配置，上述方式可以通過顏色區(qū)分自動配置還是數(shù)字字典配置，采用人工確認(rèn)方式提高虛端子自動配置匹配成功率及可靠性，具體流程如圖4所示。

圖4 虛端子關(guān)聯(lián)映射流程

3.3 保護(hù)壓板狀態(tài)智能識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)是計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別不同目標(biāo)和對像的技術(shù)。圖像識別過程通常包括圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取和判斷匹配。在繼電保護(hù)自動測試過程中，必須快速準(zhǔn)確獲取保護(hù)壓板的狀態(tài)，本文提出一種基于圖像識別的保護(hù)壓板狀態(tài)智能識別技術(shù)，通過圖像識別把保護(hù)壓板狀態(tài)傳送至測試平臺并進(jìn)行比對：如果壓板狀態(tài)符合測試要求，即進(jìn)入下一個(gè)步驟；如果壓板狀態(tài)有誤，則提示現(xiàn)場操作人員手動更正。

保護(hù)壓板狀態(tài)智能識別模塊硬件由攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)組成。圖像識別過程主要由圖像采集、圖像處理與壓板狀態(tài)識別、壓板狀態(tài)對比、輸出結(jié)果4個(gè)步驟組成，如圖5所示。下文將著重介紹基于圖像識別的保護(hù)壓板狀態(tài)識別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。

圖5 保護(hù)壓板智能識別過程

1）圖像采集：利用固定支架的相機(jī)采集目標(biāo)斷路器所在的電氣控制柜保護(hù)壓板圖片，若相機(jī)所在位置高度、角度和亮度不符合要求，則系統(tǒng)提示相應(yīng)的調(diào)整方式。

2）圖像處理與壓板狀態(tài)識別：采集到控制屏的圖像不僅包含了壓板狀態(tài)，還有按鍵、顯示器件等其他電氣柜部件，因此需要利用視覺算法進(jìn)行預(yù)處理?？刹捎媚繕?biāo)壓板狀態(tài)的定位算法和目標(biāo)壓板狀態(tài)算法，先檢測圖像中壓板的位置并進(jìn)行圖形分割，然后再提取目標(biāo)壓板的圖形特征，最后識別壓板類型、壓板的狀態(tài)。

3）壓板狀態(tài)對比：經(jīng)過圖像識別的壓板狀態(tài)需要與正確的壓板狀態(tài)進(jìn)行比對，如果壓板狀態(tài)不相符，則系統(tǒng)提示投入或退出相應(yīng)壓板。

4）輸出結(jié)果：通過圖像識別快速獲取壓板狀態(tài)，并把結(jié)果傳輸?shù)綔y試儀，以便進(jìn)入下一個(gè)檢測程序。

4 系統(tǒng)測試流程

自動測試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，自動加載并解析測試方案，提取測試項(xiàng)目序列，根據(jù)測試項(xiàng)目中的相關(guān)描述確定不同的測試執(zhí)行過程，具體包括以下步驟。

1）完成保護(hù)定值的召喚。

2）執(zhí)行初始化，實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯測試項(xiàng)目中的試驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)備。

3）控制測試儀輸出電壓、電流等信號到保護(hù)裝置，完成保護(hù)的邏輯功能測試。

4）監(jiān)視保護(hù)動作事件報(bào)文，記錄測試結(jié)果；執(zhí)行測試結(jié)果處理腳本。

5）根據(jù)報(bào)告映射描述填寫測試報(bào)告。

對于需要人工檢查或干預(yù)的操作，自動測試系統(tǒng)通過彈出提示界面、播放聲音等方式提示作業(yè)人員需要操作的內(nèi)容及方法；每一個(gè)測試過程完成后，根據(jù)測試方案中已設(shè)定的評判信息，測試系統(tǒng)對測試結(jié)果進(jìn)行智能評估，并記錄整個(gè)測試執(zhí)行過程和執(zhí)行結(jié)果，通過日志欄分類顯示：測試信息、保護(hù)事件、不合格項(xiàng)目記錄；測試結(jié)果經(jīng)書簽映射自動填寫至作業(yè)表單中；全部項(xiàng)目測試完畢后，測試人員確認(rèn)，并提交作業(yè)表單，完成本次定檢測試任務(wù)，具體流程如圖6所示。

圖6 測試執(zhí)行流程

為滿足無人值守智能站驗(yàn)收檢測以及日常定檢需求，需在上述測試過程基礎(chǔ)上，增加5G技術(shù)和手機(jī)終端，利用5G網(wǎng)絡(luò)將手機(jī)應(yīng)用程序與云服務(wù)連接可以實(shí)現(xiàn)智能站遠(yuǎn)程監(jiān)控及測試，提高作業(yè)人員測試效率，具體實(shí)現(xiàn)過程為：手機(jī)應(yīng)用程序通過5G網(wǎng)絡(luò)連接云服務(wù)器，從云服務(wù)器下載測試方案至測試儀。通過手機(jī)應(yīng)用程序控制測試儀開始進(jìn)行測試。測試儀通過外接的5G模塊發(fā)送測試數(shù)據(jù)至云服務(wù)器，通過推送方式將云服務(wù)器的測試數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)應(yīng)用程序以便作業(yè)人員監(jiān)控整個(gè)測試過程。

5 應(yīng)用實(shí)例

本文以PCS931線路保護(hù)裝置為例，保護(hù)投縱差、距離Ⅰ段/Ⅱ段/Ⅲ段、零序過流Ⅱ段/Ⅲ段、工頻變化量距離、三跳三重；試驗(yàn)方式為單臺裝置自環(huán)測試，以220 kV線路定檢校驗(yàn)報(bào)告為標(biāo)準(zhǔn)。正常人工調(diào)試一臺需資深調(diào)試人員緊張工作4 h；使用自動測試系統(tǒng)，調(diào)試一臺僅需約2 h，單臺調(diào)試效率提升50%，系統(tǒng)自動計(jì)算參數(shù)、填寫報(bào)告且可以多臺同時(shí)進(jìn)行測試。而且本系統(tǒng)具備手機(jī)端應(yīng)用程序，可利用手機(jī)端應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與測試。圖7為電壓、電流模塊測試界面，可對零序過流Ⅱ段保護(hù)測試作出評價(jià)。

圖7 電壓、電流模塊測試界面

6 結(jié)語

本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于杭州500 kV 蕭圍變電站和220 kV 綠汀變電站驗(yàn)收工作的保護(hù)元件調(diào)試和整組試驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)。

1）測試方案智能生成，節(jié)省現(xiàn)場測試的時(shí)間，將原本數(shù)天的工作量壓縮至數(shù)小時(shí)，提高了作業(yè)效率。

2）5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)終端遠(yuǎn)程監(jiān)控及協(xié)調(diào)測試。

3）虛端子自動配置考慮SCD 描述不規(guī)范情況，加入了數(shù)據(jù)字典，提高匹配映射的成功率，節(jié)省現(xiàn)場人員進(jìn)行虛端子映射的時(shí)間。

4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測試報(bào)告數(shù)據(jù)的擴(kuò)展接口，基于XML 協(xié)議將測試報(bào)告文件存儲至云端數(shù)據(jù)庫，可以對測試關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析、對比，找出測試數(shù)據(jù)趨于不合格的裝置；也可對保護(hù)裝置的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對保護(hù)裝置的質(zhì)量進(jìn)行評估，為后續(xù)新建智能變電站保護(hù)裝置招標(biāo)提供有價(jià)值的依據(jù)。