智能变电站测控装置自动测试系统开发与应用
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
辽宁省送变电工程公司、南京能云电力科技有限公司、东南大学的研究人员窦会光、李俊庆、周宏军等，在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对智能变电站现场提高调试效率和工程质量，缩短调试工期的需求，提出一套自动测试系统，采用模块接口标准化的设计思路，将测试过程分层分类，实现高效的闭环自动测试。
系统运用开放式结构，提供针对站内测控装置测试方案的检测方案管理系统，同时根据SCD、ICD、CID等模型文件提取装置输入输出相关信息，智能生成被测测控装置的总测试模板，测试完成后能自动形成标准格式的测试报告，极大的提高了工作的效率和可靠性。该系统已运用于多个现场测试，在应用中取得了良好的效果。
随着智能变电站技术的成熟应用，智能变电站也逐渐由试点转向常规化应用。智能变电站的实现建立在智能设备信息的数字化采集、网络化通信和标准化共享等功能的基础上，并遵循IEC61850标准的“三层两网”构建变电站通信体系，这给不同厂家装置采用同一套通讯模板完成全部测试带来了可能[2]。同时随着超高压远距离输电以及大电网技术的出现，整个电力系统对变电站的可靠、高效运行提出了更高的要求。
但目前，站内测控装置的测试环节仍然停留在传统的方式下，特别是现场对点的工作存在量大繁琐的特点，人工对点效率低且极易出错。如果不进行技术改造，必然会影响我国电力系统的安全、稳定运行。
本文主要对数字测控装置的智能化自动测试系统的开发与应用进行了深入研究，能实现在数字测控装置、数字测试仪、监控后台等应用层面建立统一的信息交换模型，高度利用了智能化二次设备之间的互操作性能[3-6]。
该系统主要采用模块接口标准化的设计思路，提出了专门针对站内数字测控装置的通用化、实用化的的高效率闭环自动测试方案，并采用开放式可扩展的结构，为不同种类的测控装置的测试提供测控基础模板库、测控子模板库。
该智能化自动测试系统能够克服现场测控装置测试中测试工作效率低、过分依赖人工、测试数据格式不统一等局限性，达到提高测试工作效率、降低人工干预要求以及规范数据格式的目的。
1 自动测试系统整体架构设计
本文根据长期以来各厂家测控装置现场调试经验，提炼出标准的自动测试流程和测试方法，总结出测控装置的自动化测试系统必须满足以下基本条件：测试流程规范化、系统各模块接口标准化、测试的闭环性、测试报告格式的标准化以及测试系统必须具备良好的可扩展性等。
整体架构分别体现为硬件设计和软件设计两部分，硬件架构体现了测控装置自动测试平台的闭环自动测试硬件网络环境布局，实现测试控制端与数字测试仪、数字测控装置的测试链路的搭建[7-8]。
本测试系统硬件构成主要包括测试主机、交换机、数字测试仪、数字测控装置（见图1），在测试主机上安装数字化智能自动测试系统软件平台，因此所有自动测试的控制均在测试主机上完成，测试主机与测试仪、数字测控装置经由交换机形成闭环测试的通讯链路，数字测试仪和被测数字测控装置之间通过光纤连接，其他回路通过电信号的网络线连接。
图１数字测控装置自动测试平台结构图
2 自动测试系统的软件架构
自动测试软件系统是实现测控装置自动测试的核心组成部分，软件系统在设计上需要充分考虑如下几点：1）支持与不同测试仪厂家测试仪的通讯，实现对测试仪的输出的控制；2）支持与测控装置的通讯，实现读取并解析上送的动作报文、发出遥控命令、修改定值、投退压板等；3）相同的测控装置，在不同的变电站，测试内容可能不一样，因此测试系统需要和描述整站设备数据模型信息的模型文件进行关联。
综合这三个方面的原因，软件系统结构设计如下：
图2 数字测控装置自动测试系统软件框架图
2.1数字测试仪控制模块设计
本自动测试系统的设计要求能驱动不同厂家的测试仪以适应不同应用场合的测控装置的自动测试，为解决这一问题，对不同厂家的数字测试仪进行抽象分析，归纳出测试仪控制的通用方法，建立测试仪控制的标准化抽象方法和标准测试功能集合，形成测试仪接口的规范标准[9-11]。
根据测试仪接口规范标准设计测试仪控制模块，模块开放标准外部访问接口函数供自动测试控制模块调用，接口函数包括连接测试仪、断开测试仪连接、开始测试、停止测试、获取测试报告数据、获取测试异常信息等函数。开始测试函数实现数字测控装置的各项功能测试。测试仪控制模块使用消息来通知自动测试控制模块测试施加激励量状态的变化，如连机成功、开始测试、测试完成、测试异常信息上送等。
2.2 61850通讯模块设计
要实现测控装置的自动测试，必须与被测数字测控装置进行直接通讯，因此设计61850通讯模块。61850通讯模块的功能设计如下：1）支持MMS规范，实现与数字测控装置通讯；2）规范化外部程序访问接口，实现不同程序对它的统一规范使用。
此接口包括读写访问子模块、信息查看子模块。读写访问子模块包括定值、控制字、压板等的读取和修改、联闭锁信号的读取和修改、测量值的读取、装置参数的读取和修改；信息查看子模块实现读取被测数字测控装置的各类SOE信息等。
自动测试模块与61850通讯模块的交互流程设计如下：
第一步：自动测试控制模块发送通讯命令和通讯数据给61850通讯模块；第二步：61850通讯模块收到通讯命令和通讯数据后，与数字测控装置进行通讯，执行通讯命令；第三步：通讯命令执行完毕，发送执行结果给自动测试控制模块；第四步：自动测试控制模块从模块中读取结果数据，根据结果数据进行结果判断，填写结果数据到报告模板中。
测试过程中如出现异常，自动测试控制模块根据异常的严重程度自动进行测试流程的调整，比如将通讯命令重复执行、停止测试并发出提示信息等。
2.3 自动测试控制模块设计
自动测试控制模块是软件系统的核心，自动测试控制模块加载测控装置的测试模板，根据模板定义的测试流程完成各项功能的测试。测试时的功能设计如下：
1）自动测试控制模块调用测试仪控制模块与数字测试仪通讯，施加激励量给测控装置，同时也可控制测试仪发布、订阅GOOSE报文；2）自动测试控制模块也能按照模板要求，控制61850通讯模块完成与数字测控装置的通讯；3）根据测试仪的测试结果和与测控装置的通讯结果，综合判断测试是否合格，并填写标准格式的测试报告。
2.4 装置模板智能生成模块设计
现场运行的测控装置种类繁多，各种类的型号也有区别，相同型号的测控装置在不同变电站的测试项目也不尽相同，因此要实现测控装置的自动测试，必须解决这个问题，研究装置模板智能生成的方法[12-14]。
装置模板智能生成方法的原理设计为：根据整站模型文件中对应的测控装置IED信息，生成装置测试模板。装置模板智能生成模块由模型文件解析模块、遥测模板智能生成模块、遥信模板智能生成模块、遥控模板智能生成模块、其他功能模板智能生成模块、装置模板拼接模块组成。
智能生成的工作流程设计如下：第一步：测试前由基础模板编辑模块编辑生成测控基础测试功能模板库、子模板库；第二步：解析整站模型文件，提取测控装置IED信息，智能分析IED信息，根据分析结果智能选择对应的模块并智能生成功能测试模板，最后通过拼接模块生成整套测控装置的总测试模板。
3 装置测试模板智能生成技术设计
智能生成技术研究根据整站模型文件，生成测控装置的测试模板，智能生成技术包括模型文件智能提取技术、遥测模板智能生成技术、遥信模板智能生成技术、遥控模板智能生成技术、其他功能模板智能生成技术、模板拼接技术等。
3.1 模型文件智能提取技术
模型文件解析模块可以解析整站SCD文件，提取测控装置相关联的IED信息，保存为测控装置信息文件（图3），也可跟据连线信息直接解析对应IED的ICD、CID文件，从中提取本测控IED所需信息，保存为测控装置信息文件。信息文件为W3C的XML格式，文件内容数据建模概要如下：
1）SVIN：记录测控装置的SV输入信息，包括控制块的MAC地址、APPID、SVID等信息；以及控制块的通道详细信息，包括通道的外部通道路径、外部通道描述、内部通道路径、内部通道描述等；
2）GOOSEIN：记录测控装置的GOOSE输入信息，包括关联的外部GOOSE输出控制块的MAC地址、APPID、所在IED名称、数据集名称、控制块索引、GOOSE标识等；以及GOOSE通道信息，包括通道数据类型、外部路径、外部信号描述、外部IED、内部路径、内部信号描述等；
3）GOOSEOUT：记录测控装置的GOOSE输出信息，包括控制块的MAC地址、APPID、数据集名称、控制块索引、GOOSE标识等；以及虚端子的通道信息，包括内部通道描述、外部IED、外部端子地址、外部端子描述等；
4）数据模型：描述测控装置的逻辑设备、数据集的详细定义，以及各数据集的数据对象详细定义。
测控装置信息文件描述了与测试相关的全部信息，信息文件作为智能生成模块的输入，主要用于两个方面：1）测试仪的IEC61850配置：映射测试仪接口的SV输出、GOOSE订阅和GOOSE发布；2）作为装置测试模板智能生成的数据依据。
图3 SCD文件智能提取框架图
3.2遥测模板智能生成技术
测控装置的遥测测试包括电压、电流、频率、功率等测试，不同的电压、电流通道数量决定了不同的测试项目和报告格式。遥测模板智能生成技术框图见图4，遥测模板智能生成包括遥测模板库的建立和遥测模板智能生成算法的设计两个部分。
遥测模板库的建立：根据不同测控装置中遥测量电压、电流数量的不同，遥测基础模板库包含了各种电压通道类型、各种电流通道类型、功率因素、频率等多个基础测试模板。单个基础测试模板实现了单类型的测控装置相关测试功能的测试方法。
以4电压通道遥测模板为例，模板定义的测试流程和测试项目为：1）遥测模板的数据接口：模板中用到的各测试量定义；2）测试前准备：读取装置参数、启动遥测报告控制块；3）功能测试：根据检验规范定义的各种额定值比例的测试项目，控制测试仪输出对应值的测试量，读取测控装置遥测值进行结果判断；4）测试恢复：停止遥测报告控制块。
智能生成算法以及实现流程设计如下：1）智能分析测控装置信息文件的SVIN信息数据，根据分析结果智能选择对应的电压通道数、电流通道数的基础测试模板；2）智能分析SVIN信息数据和dsAin数据集中的数据，建立SVIN信息数据对象与dsAin数据对象的一对一映射关系；3）将映射关系传入基础模板的数据接口定义，实例化智能生成装置遥测总测试模板。
图4 遥测总模板生成流程图
3.3遥信模板智能生成技术
遥信测试根据具体遥信信号数据类型的不同，可分为单点类型、双点类型，故其智能生成技术设计如下（图5）。
遥信模板库的建立：遥信测试模板包括两个测试模板，遥信单点基础测试模板、遥信双点基础测试模板，单点测试模板实现装置GOOSE开入信号置“0”、“1”两个状态进行测试，双点测试模板实现装置GOOSE开入信号置“00”、“01”、“10”、“11”四个状态进行测试，每次测试读取保护装置遥信状态进行结果的判断。
智能生成算法以及实现流程设计如下：1）智能分析测控装置信息文件GOOSEIN数据定义和数据模型的dsDin数据集数据，根据分析结果建立两者的一一映射关系；2）遍历第一步的映射关系，根据GOOSEIN数据的数据类型（单点/双点）选择遥信测试模板；3）将映射关系传入基础模板的数据接口定义，实例化智能生成装置遥信总测试模板。
图5 遥信总模板生成流程图
3.4 遥控模板智能生成技术
遥控测试智能生成框图参见图6。智能生成技术设计如下：遥控模板库的建立：遥控测试只有一个子模板，定义了遥控测试的过程和方法。设置遥控命令分别“断开”、“闭合”对应断路器、隔离刀闸、接地刀闸的“遥分”、“遥合”命令，通过测试仪读取装置输出的GOOSE变位报文，根据变位报文判断测试结果是否正确。
智能生成算法以及实现流程设计如下：1）智能分析测控装置信息文件GOOSEOUT数据定义和数据模型中的dsDout数据集数据，根据分析结果建立两者的一一映射关系；2）遍历第一步的映射关系，将映射关系传入遥控基础模板的数据接口定义，实例化智能生成装置遥控总测试模板。
图6 遥控总模板生成流程图
3.5 其他功能模板智能生成技术
测控装置的其他功能包括SOE分辨率校验、同期功能校验等，这些功能模板的智能生成技术框图参见图7，智能生成技术的设计如下：功能模板库的建立：模板库包括SOE分辨率测试基础模板和同期功能基础模板两个部分，模板开发了与功能相关的数据接口。
1）SOE分辨率测试基础模板：实现下载GOOSE虚端子配置，控制测试仪发出4个相隔30ms的GOOSE虚端子输出，通过检查这些开入的SOE时间记录相差值来测试SOE分辨率。
2）同期功能基础模板：实现投入功能压板、控制字，通过测试仪控制模块控制测试仪完成同期的各项功能测试。
智能生成算法以及实现流程设计如下：1）智能分析测控装置信息文件中的定值、压板、装置参数、动作信息等数据集数据；2）根据分析结果与模板的数据接口建立映射关系，生成SOE分辨率和同期测试模板。
图7 其他功能总模板生成流程图
3.6 测试仪配置及模板拼接技术
上述模板中都用到测试仪发送或接收相关报文，故在调用测控装置信息文件生成总模板的同时，软件系统会根据实际模板中测试仪的输入输出要求，自动完成测试仪配置文件的生成，且与对应模板一一关联。
整个装置模板的生成，需要将遥测总模板、遥信总模板、遥控总模板、SOE分辨率总模板以及同期功能总模版进行智能拼接。整个过程需要提取每个子模板中的公共参数，将相同的部分进行处理合并，差异部分如通讯前延时、通讯后延时，可统一按最大值整定，对于不能整合的差异则需要插入对应功能模板中进行部分合并处理。拼接完成后，将所有测试项目按树形结构展开，依次测试，测试完成后自动生成整个装置所有项目的标准化设计报告[15]。
4 测试实例分析
以500kV鹤乡智能变电站220kV线路测控装置现场单体调试为例，具体涉及了采样值精度检查、遥信开入校验、遥控功能校验、SOE分辨率校验、同期功能校验等。其中同期功能中又包括了检同期压差闭锁定值、检同期角差闭锁定值、检同期频差闭锁定值、检无压无压闭锁定值等。
调试准备阶段，需要根据电压等级和装置类型选择相关的国标、行标和企标，以此为依据完成调试方案的确定。根据方案要求，修改确认测控基础模板库、测控子模板库中对测试结果脚本绝对误差、相对误差的判断要求，一般除标准修订或特殊应用场合，此处确认即可，不需要修改。
对于同期功能的整定值，按现场实际定值修改基础模板。在测试模板自动生成阶段，导入整站SCD文件或相关ICD、CID文件提取生成对应测控装置信息文件，通过装置模板智能生成模块自动生成整装置全项目功能测试总模板。
实际现场调试阶段，只需搭好测试物理环境，保证测试主机与测试仪及测控装置的链路通讯正确、畅通，然后点击“开始测试”，便可一键完成整套测控装置的现场调试，总计只需要2小时左右。调试时，根据现场实际情况自动填入装置型号、软件版本及校验码、软件生成时间、制造厂家、装置唯一性编码、调试日期等信息。
5 结论
本文针对智能变电站数字测控装置领域的测试问题，提出一套数字测控装置的自动测试系统，同时跳出了自动测试领域人工编辑测试模板的常规思路，首次提出智能生成测试模板新技术，将高度重复的遥测、遥信、遥控等功能测试模板编辑任务交给测试系统自动生成，极大地极高了模板生成效率。
同时该智能化自动测试系统还克服了现场测控装置测试中测试工作效率低、过分依赖人工、测试数据格式不统一等局限性，达到提高测试工作效率、降低人工干预要求以及规范数据格式的目的。自动测试系统必然会成为测控装置测试领域未来的发展趋势。