繼電保護裝置是電力系統(tǒng)*重要的二次設(shè)備之一， 對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著重要的作用［1］。 近年來，國際形勢日趨雜，中美競爭情況日益嚴峻。 為解決國產(chǎn)繼電保護裝置對國外廠商的依賴問題， 國內(nèi)二次設(shè)備頭部廠家推出新一代自主可控繼電保護裝置，全部采用國產(chǎn)芯片軟件，同時也避免了繼電保護裝置中進口芯片和軟件的潛在信息安全隱患。 新一代自主可控繼電保護裝置采用了國產(chǎn)化的站控層通訊協(xié)議 （CMS 協(xié) 議：Communication Message Specification）［2］， 完成與繼電保護裝置通訊，取代了原有的 MMS 協(xié)議，在遵循電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域全球通用標準（IEC61850）的前提下，實現(xiàn)變電站站控層與間隔層設(shè)備之間的通信服務(wù)協(xié)議國產(chǎn)化。
然而自主可控繼電保護裝置是否安全可靠， 性能能否達標亟待驗證，傳統(tǒng)的人工測試方法效率低，同時耗費大量的人力物力和時間成本。 目前對繼電保護裝置的自動測試大都局限于基于 MMS 協(xié)議的智能變電站繼電保護裝置的測試。因此本文提出了一種支持自主可控繼電保護裝置自動測試的方法和系統(tǒng)， 并且解決了傳統(tǒng)變電站繼電保護裝置模擬量采樣自動測試不能自動換線的問題。
1 繼電保護裝置測試方法研究
繼電保護裝置是保障電力設(shè)備安全和防止電力系統(tǒng)長時間大面積停電*有效的手段。 隨著電力系統(tǒng)向特高壓、超大機組、現(xiàn)代化大電網(wǎng)的發(fā)展及微處理技術(shù)、通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對繼電保護裝置的需求在傳統(tǒng)的可靠新、選擇性、速動性、靈敏性要求的基礎(chǔ)上向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面延伸。 在繼電保護裝置的新產(chǎn)品開發(fā)和老產(chǎn)品改造完善過程中， 采用各種方法和技術(shù)對其軟硬件進行**、系統(tǒng)的測試和實驗尤為重要。
從功能角度區(qū)分， 繼電保護裝置測試又可以分為基本功能測試和故障模擬測試。 其中正常功能測試又包含遙信、遙測、遙控、模擬量采集功能等測試。 故障模擬測試主要是模擬各類電氣故障進行測試。 本文主要從功能角度對繼電保護裝置的自動測試開展設(shè)計和研究。
2 自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
自動測試系統(tǒng)應(yīng)保證有效的測試閉環(huán)，測試流程的標準化，測試模塊信息標準精細，測試過程可視化透明化，寬松的測試擴展性，嚴謹?shù)臏y試結(jié)果判據(jù)。 自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計分別體現(xiàn)為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。 自動測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要有 PC 機、PLC 換線及 IO 模塊、測 試 儀（模 擬 量 OMICRON、數(shù)字量 PNF800）、交換機、被測裝置，如圖 1 所示：
測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包含：主程序處理程序、主站通訊模塊、測試儀模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、界面處理模塊、用例設(shè)計處理模塊、測試信息處理模塊。 本文主要介紹測試儀模塊和主站通訊模塊的設(shè)計。
自動測試系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮測試的可靠性， 保證測試的有效性，排除軟件系統(tǒng)干擾。 因此自動測試系統(tǒng)設(shè)計針對主站、測試儀、數(shù)據(jù)流、界面顯示、用例設(shè)計等模塊采用高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計方式，使系統(tǒng)框架簡潔高效可靠，降低復(fù)雜因素對測試結(jié)果的干擾，保證測試結(jié)果可靠可信。 同時高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計方式，也實現(xiàn)了自動測試系統(tǒng)*小測試功能塊的自由拆分組合，實現(xiàn)了自動測試系統(tǒng)測試良好的擴展性， 并且通過*小功能塊的自由組合，自動測試每一個過程都可以有效判別，使測試結(jié)果更加嚴謹可信，模塊設(shè)計見表 1：
其中主站通訊模塊各類服務(wù)又細分執(zhí)行、 確認等*小功能塊。 測試過程中自動獲取繼電保護裝置的錄波文件和動作報告，與測試用例匹配關(guān)聯(lián)，便于保護動作行為分析；自動抓取記錄測試過程中裝置與自動測試系統(tǒng)的通訊報文， 做到測試過程全記錄，便于小概率問題的分析定位，形成有效的測試閉環(huán)。
3 測試儀模塊設(shè)計
目前繼電保護裝置采樣主要有傳統(tǒng)采樣、 數(shù)字采樣兩種方式。 傳統(tǒng)變電站采用電磁式互感器，輸出的模擬量采樣值經(jīng)電纜直接接入二次設(shè)備， 由繼電保護裝置完成多路模擬量的同步采樣，即模數(shù)轉(zhuǎn)換。 而在數(shù)字化變電站中，電子式互感器代替了傳統(tǒng)的電磁式互感器，交流采樣由合并單元（MU）完成，通過通信口傳遞至數(shù)字化保護裝置， 保護的數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換由外部的電子式互感器和合并單元來完成， 保護裝置只接收經(jīng) MU 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)［3］。
因此，自動測試系統(tǒng)采用了，用于傳統(tǒng)變電站的模擬量測試儀 （OMICRON）， 以及用于智能變電站的數(shù)字量測試儀（PNF800），以滿足自動測試的需求。 自動測試系統(tǒng)抽象設(shè)計了測試儀配置文件、模擬量設(shè)置文件的用例編輯選項，用以不同測試用例執(zhí)行不同配置模擬量和輸出端口等配置。 測試儀模塊執(zhí)行流程見圖 2。
由于傳統(tǒng)變電站保護裝置模擬量接口通道過多， 以發(fā)電機保 護 裝 置 為 例 ， 模擬量接口*大有 84 個， 而 測 試 儀 （OMICRON）加上放大器也不過 24 個模擬量出口。 但是測試時并不是需要所有接口同時接收數(shù)據(jù)， 因此不同的測試用例需要人工反復(fù)更改測試儀輸出與裝置輸入連接線，過程復(fù)雜易出錯，為此自動測試系統(tǒng)采用 PLC 控制繼電器實現(xiàn)了自動換線功能，解決了由于人工換線導(dǎo)致的測試效率降低問題。
依據(jù)測試儀*大模擬量出口 24 個，PLC 換線模塊分成 24組每一組測試儀出口對應(yīng) 4 個換線出口， 根據(jù)不同的配置選擇不同的換線出口， 統(tǒng)一由 PLC 控制。 PLC 對 24 組換線單元編號，每一組換線單元又有三個繼電器，并依次編號，每個繼電器位置有分為 0、1，如圖 3 所示。
根據(jù)不同的編號 PC 端就可以通過指令報文對各個換線單元進行精準控制，實現(xiàn)自動換線功能。 例如換線單元 1 中繼電器位置如圖 3 所示，換線單元 當 前 狀 態(tài) 為“01001”，其 中 01 表 示換線單元編號，001 分別表示繼電器 1、2、3 的位置信息。 至此我們就可以根據(jù)報文信息實時監(jiān)控或控制測試儀出口換線。
自動測試時， 測試儀模塊持續(xù)輸出模擬量時， 占用時間較長，為保證自動測試系統(tǒng)有效實時響應(yīng)其他模塊處理請求，測試儀模塊采用獨立線程處理執(zhí)行，使用互斥鎖與主程序同步數(shù)據(jù)。
4 主站通訊模塊設(shè)計
主站通訊模塊主要功能是采用自主可控 IEC61850 站控層CMS 服務(wù)協(xié)議，實現(xiàn)遠程控制裝置壓板投退、定值讀寫，以及保護動作、模擬量、SOE 等報告的存儲解析功能。自主可控新一代變電站通信報文規(guī)范 CMS 協(xié)議， 是基于IEC 61850 站控層服務(wù)協(xié)議，在通信服務(wù)映射實現(xiàn)上，協(xié)議直接將抽象通信服務(wù)接口映射至 TCP/IP 協(xié)議棧， 以提升服務(wù)的性能。 協(xié)議基于 IEC 61850-7-2 標準化抽象通信服務(wù)接口語法定義，同時擴展了關(guān)聯(lián)、遠程調(diào)用等服務(wù)接口，保證了客戶端和服務(wù)端雙方通信安全，彌補了服務(wù)端對主站的支撐服務(wù)［4］。
主站通訊模塊采用自主可控 IEC61850 站 控 層 CMS 協(xié)議， 通過加載被測保護裝置 SCD 文件建模， 解析 SCD 中各個LD、LN、DO、DA 等數(shù)據(jù)，提取對象數(shù)據(jù)參引保存?zhèn)溆茫?］。 當主程序下發(fā)命令時，在保存的數(shù)據(jù)中檢索與其匹配的參引，以 CMS協(xié)議格式下發(fā)裝置執(zhí)行， 并實時監(jiān)聽裝置上傳報告通過參引解析對應(yīng)事件保存并發(fā)給主程序處理。
作為自主可控保護裝置功能部分， 通信報文一致性檢測也是自動測試重點考察內(nèi)容［6］。 其中控制服務(wù)、定值服務(wù)、報告服務(wù)等下行發(fā)送請求，以及保護裝置（服務(wù)端）響應(yīng)，需要一一辨別區(qū)分響應(yīng)的正確性，以及失敗響應(yīng)時錯誤分析問題定位。 在本文中**節(jié)所述高內(nèi)聚低耦合的自動測試系統(tǒng)可以對執(zhí)行的每一個過程，和每一種結(jié)果自由組合判據(jù)。 以控制服務(wù)為例，根據(jù)不同的情況可以選擇不同的判據(jù)組合：①遙控軟壓板。 遙控選擇，選擇確認；遙控執(zhí)行，執(zhí)行確認，遙信上送確認；②遙控斷路器。遙 控 選 擇，選 擇 確 認；遙 控 執(zhí) 行，執(zhí) 行 確 認，測試儀開入確認，PLC 開入監(jiān)視確認。 同樣的控制服務(wù)測試自動測試系統(tǒng)可以根據(jù)不同的測試情況編輯結(jié)果判別項，詳見表 2：
5 自動測試示例
目前自動測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)的測試有：保護動作邏輯、電流（電壓、阻抗、功率、靈敏角、頻率等）定值精度、動作時間、壓板和控制字有效性、開入有效性、開出有效性、采樣值、通信報文一致性檢測［7］。
我們以數(shù)字化測試儀測試保護動作邏輯為例詳細介紹整個自動測試環(huán)境搭建、用 例 生 成、條 件 準 備、執(zhí) 行、結(jié) 果 判 別 的 流程。 自動測試環(huán)境主要包含有 PC 端自動測試系統(tǒng)軟件工具、數(shù)字化測試儀（PNF800）、PLC 換線及 IO 模塊、交換機、被測保護裝置。 環(huán)境搭建可參照圖 1。
自動測試系統(tǒng)通過 SCD 文件（保護裝置配置文件）讀取對應(yīng)被測裝置數(shù)據(jù)， 測試儀配置等信息供自動測試工具組建測試用例。 測試用例包含被測裝置壓板狀態(tài)、定值數(shù)值、裝置連線信息、測試儀配置信息、模擬量狀態(tài)序列等輸入信息；還應(yīng)包含遙控執(zhí)行信息、讀寫定值信息、測試儀出口信息、PLC 模塊開入開出監(jiān)視狀態(tài)等結(jié)果判斷信息。
條件準備階段，設(shè)置用例時間，重置裝置壓板、定值等初始值狀態(tài)。 條件準備完畢后開始執(zhí)行測試用例，按照測試用例設(shè)計順序執(zhí)行。 用例執(zhí)行時，同步收集遙控執(zhí)行響應(yīng)信息、讀寫定值響應(yīng)信息、 測試儀出口信息、PLC 模塊開入開出監(jiān)視狀態(tài)等結(jié)果判斷信息。 用例執(zhí)行完畢，對測試過程判別。 無論測試成功或失敗，整個測試執(zhí)行過程中，測試系統(tǒng)會自動獲取繼電保護裝置的錄波文件和動作報告，并與測試用例匹配關(guān)聯(lián)，便于保護動作行為分析；自動抓取記錄測試過程中裝置與自動測試系統(tǒng)的通訊報文，做到測試過程全記錄，方便問題查找定位。 用例及結(jié)果判斷見圖 4。
6 結(jié)束語
自主可控新一代變電站繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)， 實現(xiàn)了自主可控保護裝置的自動測試。 自動測試系統(tǒng)通過 PLC 實現(xiàn)自動換線功能， 解決了部分傳統(tǒng)模擬量采樣繼電保護裝置人工換線效率低、易出錯的問題；通過模塊化的設(shè)計，各功能塊條件判據(jù)自由組合，實現(xiàn)了良好的測試擴展性，拓展了測試范圍，保障了測試質(zhì)量，有效地提高了測試效率，并且在實際應(yīng)用中得到了驗證。
