新一代智慧變電站冗余測控裝置自動測試系統方案設計

胡明會，王彩麗，梁建濤，王 哲，李國杰

（許繼電氣股份有限公司，許昌461000）

隨著我國電網規模的發展壯大，電網新技術、新理念也在不斷與時俱進，也在從智能變電站向智慧變電站發展[1-2]。在智慧變電站的運行過程中，需要快速提出海量數據量中的數據價值[3]。為了保證供電的質量和電力系統的可靠性、經濟性，電網調度中心必須準確地掌握整個系統的運行情況，及時進行分析并做出正確的判斷和決策，必要時采取緊急措施，處理應急事故和異常情況，以保證電力的安全、可靠及有效供應。測控裝置作為智慧變電站間隔層前端二次核心設備，可實現一次、二次設備信息采集、信息傳輸，接收控制命令，實現受控對象的控制以及交流量計算、同期功能等[4-5]?，F階段測控裝置面臨的問題是在面向系統內過程層及站控層的設備數量多、無冗余備用，一旦發生故障后設備信息采集功能失效，造成實時數據不全[6]。為了提高全站系統的可靠性，解決測控裝置無冗余備用問題，一系列采用虛擬化技術的多間隔測控裝置相繼涌現，包括集群測控[7-9]、集中式保護測控裝置[10]、冗余測控[11]，這些測控裝置（本文統稱為冗余后備測控）在單設備可靠且系統性能、功能不變的前提下，實現了測控裝置的冗余備用，大大減少了變電站間隔層設備數量。

1 冗余測控裝置自動測試難點分析

當前業界方案較為推崇是冗余后備測控裝置，也即是將多個實體測控裝置集中于其中一臺測控裝置，實現“多模塊、多配置”的冗余后備測控，然而目前開發階段會面臨很多難題，主要集中在研發測試和工程調試主要依賴人工測試來完成，特別是對于“多模塊、多配置”的全面性驗證對于現場調試、驗收等工程實踐需要耗費大量精力，若采用通用的自動測試平臺進行自動測試，會面臨諸多實際困難：

難點一：關于冗余測控裝置的自動測試用例比較欠缺，或有少量保護裝置的測試用例編制初期未考慮好測試項目規劃，測試用例分組簡單粗暴，導致開展自動測試時分揀用例比較繁瑣，且所有的測試用例只能手動設計，不能自動生成。

難點二：由于冗余測控裝置中虛擬測控單元較多，如何在自動測試過程中完成每個虛擬單元間的無縫銜接，實現完全的“自動測試”還需要進行深入探索和反復驗證。

難點三：各虛擬測控單元之間雖然具備獨立的通信模型、配置參數等，但不同應用環境下的虛擬測控單元之間所屬的應用功能、配置文件存在差異化。

現階段國內外一些繼電保護裝置生產廠家相繼開發研制了各類自動測試系統[12-15]，為自動測試應用提供了廣闊前景，大多數自動測試系統針對“單端電氣量”和“雙端電氣量”及“單模塊、單配置”繼電保護裝置的自動測試成就顯著[16]，其中主要側重于保護邏輯和保護定值方面的自動測試。但對于多間隔的冗余測控裝置的自動測試兼容性不強，通用性較差。因此，首先研究了冗余后備測控的特點，設計了適用于集成測控裝置的自動測試用例樹，基于單個應用功能的測試用例，提出了測試用例打包方案，在此基礎上開發了適用于冗余后備測控的自動測試系統，通過實踐應用表明，本系統相較于傳統、通用的繼電保護自動測試系統，能實現冗余測控各虛擬測控單元自動測試的無縫銜接，為測控類裝置尤其是多間隔冗余后備測控的研發測試、現場調試和工程實踐提供參考。

2 冗余測控裝置架構分析

2.1 裝置特點分析

傳統的實體測控裝置向冗余測控裝置的演變過程如圖1所示，其中裝置中各虛擬測控單元（虛擬測控單元數N≥15）采用與智能變電站實體測控裝置相同的模型、參數和配置以實現測控單元的擴充，由于每個虛擬測控單元與傳統實體測控裝置具有相同的功能，每個虛擬測控單元有獨立的CID 和CCD 通信配置文件，具備獨立的通信模型，實現冗余后備測控本體信息的上送，實現對變電站多間隔測控功能的應急后備。

裝置采用基于DL/T860.92 標準的SV 采樣和基于DL/T860.81 標準的GOOSE 輸入輸出，SV，GOOSE報文的接收配置、功能行為與所替代實體測控裝置一致。當某間隔的實體測控裝置故障或檢修退出時，自動或手動投入冗余備用功能，通過在線感知自動切換功能，按間隔“1 對1”冗余切換，實現站內測控功能冗余與自愈。與間隔層其他實體測控裝置交互的互鎖信息通過站控層GOOSE 收發，裝置網關采用LOOPBACK 環回接口實現互鎖報文的“自發自收”，如圖1所示。

2.2 裝置典型配置

圖1 裝置冗余配置Fig.1 Device redundancy configuration

多間隔冗余后備測控裝置在數字式測控程序基礎上進行跨平臺移植，通過過程層網絡接入不少于15 個虛擬測控單元，實現測控功能的冗余備用。其中每個虛擬測控單元可配置遙測、遙信、遙控、遙調、同期、邏輯閉鎖等功能。各虛擬測控單元以“四統一、四規范”數字測控裝置應用分類（Q/GDW10427-2017 變電站測控裝置技術規范）為基準，根據工程實際應用可進行虛擬單元數量、應用功能的靈活配置?，F階段自動測試環節按照“8+4+4”典型配置為8個間隔測控、4 個3/2 接線測控和4 個母線測控，如表1所示。

表1 裝置典型配置Tab.1 Typical configuration of device

3 自動測試用例設計

3.1 自動測試用例樹設計

基于虛擬測控單元的關于冗余測控裝置的自動測試用例比較欠缺，或有少量保護裝置的測試用例編制初期未考慮好測試項目規劃，測試用例分組簡單粗暴，導致開展自動測試時分揀用例比較繁瑣，自動測試推廣不力，且所有的測試用例只能手動設計，不能自動生成。

由于冗余測控裝置中虛擬測控單元較多，如何在自動測試過程中完成每個虛擬單元間的無縫銜接，實現完全的“自動測試”還需要進行深入探索和反復驗證。

各虛擬測控單元之間雖然具備獨立的通信模型、配置參數等，但不同應用環境下的虛擬測控單元之間所屬的應用功能、配置文件存在差異化。

自動測試用例的編制是進行自動測試的核心工作之一，編制優良的測試用例能使自動測試達到事半功倍的效果。文獻[17]對“單模塊、單配置”的繼電保護類裝置測試腳本、測試方案等進行了比較詳細的闡述，分析發現其進行測試用例編制時重點關注的是保護邏輯和保護定值精度的正確性，而測控類裝置與其他繼電保護類產品相比，保護邏輯相對較少，但測量數據量大，測量精度要求更高，人工進行數據分析難度更大。

測試腳本編制前首先要明確某個虛擬測控單元包含的測試項目、測試范圍、考核精度等。根據裝置測控功能進行最大化設計的用例樹，如圖2所示。

3.2 自動測試用例打包方案

僅完成某個虛擬間隔測控單元的測試用例編制還不能達到冗余后備測控裝置完全自動測試的目的。為了實現裝置多個虛擬測控單元之間自動測試的無縫銜接，單個測試用例腳本通過工具，一鍵式完成若干虛擬測控單元測試用例的編制，然后分類、打包為測試用例包，構成整個裝置完整的測試用例庫。

測試用例打包的方法比較靈活，對單裝置、雙重化配置裝置、多間隔測控裝置均適用。兩種自動測試用例打包方案如表2所示。通過對比發現，不考慮測試用例編制投入時間，第一種方案較好；從測試用例重用性考慮，第二種方案較好。文中采用較多的是第二種方案，經過應用驗證，效果較好。

表2 測試用例打包方案對比Tab.2 Comparison of test case packing schemes

圖2 虛擬測控單元測試用例樹Fig.2 Test case tree of virtual measurement and control unit

4 自動測試應用實例

4.1 測試環境搭建

本文采用自主設計的自動測試系統，可同時加載多個虛擬測控單元，實現冗余后備測控裝置自動測試。該自動測試環境如圖3所示，自動測試環境所采用硬件設備包括B 碼同步時鐘裝置、PC 機、數字式繼電保護測試儀、冗余后備測控裝置、千兆以太網交換機。其中PC 機上裝載的自動測試系統軟件包括設計的自動測試軟件、IEC61850 數據庫軟件、測試儀控制軟件，其中繼電保護測試儀和冗余后備測控裝置接入統一時鐘信號。

圖3 自動測試環境圖Fig.3 Automatict environment diagram

設計的自動測試軟件用于創建、維護測試用例庫，且SAT-810 作為自動測試系統的核心，全面支持IEC61850 通信規約，測試用例一方面存儲于IEC61850 數據庫中，構建用例庫，另一方面向測試儀控制軟件發送控制命令，繼電保護測試儀接收到控制命令后，按照測試要求編輯好的測試用例執行自動測試，自動測試過程系統將比較實際結果和預期結果是否一致，自動判別測試項目是否通過，測試結果反饋于人機界面。

4.2 測試環境配置

裝置SCD 文件配置：如圖4所示，通過SCD 配置工具，將冗余后備測控裝置下的N 個相互獨立的IED 能力描述文件（ICD）進行連線配置，通信參數配置，導出對應的IED 實例配置文件（CID）；IED二次回路實例配置文件（CCD）；全站系統配置文件（SCD），仿真主站客戶端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）。

圖4 冗余后備測控裝置SCD 文件配置Fig.4 Configuration of SCD file for redundant measuring and controlling device

IEC61850 數據庫配置：將圖4 中配置完成的全站系統配置文件（scl.scd），仿真主站客戶端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）拷貝到遠動安裝目錄的IEC61850 文件夾下。

測試儀配置的配置過程是首先加載裝置SCD配置文件，分別導入SV，GOOSE 數據，配置通道關聯、變比數、開入開出關聯，然后在菜單窗口配置并存儲測試儀通道對應的csg 文件，實例化裝置采樣通道。

5 自動測試應用及結果

結合測控裝置遙測功能電壓電流基本誤差精度的測試等測試項目，自動測試系統在“多配置、多模塊”冗余后備測控裝置的整體應用流程首先是測試前準備，包括編制單個測試用例等；然后是將單個測試用例進行重復化配置，通過自動測試系統一鍵完成相同應用功能下的若干虛擬測控單元測試用例的編制；最后是將用例打包為一個遙測功能用例庫，如圖5所示，且各虛擬測控單元之間通過不同的ID 號進行區分。

圖5 遙測功能庫Fig.5 Telemetry library

與此同時是加載測試用例庫中所需的測試用例。并使能測試用例，這樣自動測試系統按照打包好的遙測功能測試用例庫執行測試用例，其各環節流程如圖6所示。

圖6 測試流程Fig.6 Test flow chart

為了驗證打包測試用例方案的可行性和自動測試系統的可靠性，依據智能變電站冗余后備測控裝置檢測方案等對多種配置類型的冗余后備測控裝置整體功能，進行了人工測試和自動測試比對，其完成測試所需時間如表3所示。測試結果表明，該系統的設計大大提高裝置的測試效率，經自動測試的裝置在智能變電站優化提升項目中試點應用，運行可靠。

表3 裝置整體功能測試時間對比Tab.3 Comparison of whole function test time of the device

6 結語

實踐應用表明，使用本文設計的自動測試系統加載冗余后備測控裝置的多個虛擬測控單元，并結合測試用例打包的方法，能實現冗余備用測控裝置各虛擬測控單元自動測試的無縫銜接。與傳統的人工測試方法相比，可有效解決了一系列由人工測試操作繁瑣，數據分析困難、測試效率極低且容易出現漏測和誤判帶來的問題，充分發揮了自動測試的獨特優勢。在測試任務量大、周期要求緊的情況下，可以大大提高測試效率。如冗余后備測控裝置全面測試項目，在未進行自動測試時一般測試員需要每天工作8 小時，連續進行30 天測試，而利用自動測試進行測試后僅需3天左右。本方案基于繼電保護測試儀構建的自動測試系統，實現了各種配置類型的測控裝置閉環自動測試，尤其在多間隔冗余后備測控裝置中發揮極大作用，通過大量試驗證明該自動測試方法可有效節省測試人員工作時間，提高測試可靠性和測試效率。對智慧變電站冗余測控裝置的現場調試、驗收等工程實踐具有參考意義。