继电保护装置自动测试系统的研制

王军，詹荣荣

(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106，2.中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引言

继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它对保证系统安全运行起着非常重要的作用。它在系统故障时切除故障设备、对系统安全运行做出贡献，但若不正确动作(包括拒动和误动)给系统造成的危害也是巨大的［1］。近年来，随着技术发展和新标准的推广，新型保护装置大量采用了多CPU协作、智能化开入开出回路等新技术。与传统装置相比，新装置软硬件设计更为复杂，在研发及生产过程中遗留缺陷的可能性也更大。因此，全面深入地测试继电保护装置，提高装置质量，对降低装置运行过程中发生故障的几率，保证电力系统安全稳定的运行意义重大。

尽管近年来实时数字仿真系统和微机继电保护测试仪在继电保护装置测试工作中得到广泛使用，继电保护装置的测试水平、测试效率和测试质量得到大幅提高，但是测试流程却并无太大的改进，测试过程依然需要大量的人工操作，自动化程度和效率比较低。微机继电保护技术发展到今天，仅靠传统的测试方法已经远远不能满足要求，继电保护装置测试应实现自动化［2］。

1 设计目标

通过对手动测试流程和历史测试记录的分析，我们发现影响测试效率和测试结果可靠性的因素有:①测试中需频繁地改动测试接线。②测试中需人工计算并设置测试仪输出参数。③测试中需监视装置显示和指示灯。④测试人员水平及工作责任心等人员因素。

文献［3-5］提出了几种继电保护装置自动测试系统的实现方案，解决了部分上述问题，但仍存在一些不足之处:① 仅从现场测试的需求出发，没有考虑生产测试的需求。② 依然需要手动选择测试方案，存在误操作的可能。③ 受测试仪硬件接口容量的限制，测试中还需经常改变测试接线。④ 无法满足数字化保护装置的测试需求。

本文认为应充分地利用计算机系统网络化、自动化、智能化的优势，将自动测试功能和数据管理功能紧密地融合，实现整个测试过程的全自动化操作。自动测试系统需实现下述目标和功能:

(1)闭环测试能力:应支持对保护动作接点信息、保护模拟量、整组报告、开入、开出等信息的读取、分析及比较，装置的精度核对、动作事件判断、动作时间比较均由自动测试系统自动完成。

(2)良好的可重复性:对于同一测试对象，能够保证自动选择相同测试方案执行相同的测试，得到相同的结论，保证测试结果的一致性。

(3)全面的测试覆盖率:尽可能覆盖现有装置的测试点;提供足够的硬件接口，测试中基本不需改动测试接线;满足数字化保护装置的测试需求。

(4)完善的测试记录管理:自动记录详细的测试信息并妥善地存档，以备检索、统计、分析和测试报告打印所需。

(5)方便的测试方案设计:实现多级层次型的测试元件管理功能，在各个层次上支持导入、导出等复用功能;允许用户自行设计测试界面模板并编制测试逻辑脚本，实现自定义动态测试元件。

(6)用户权限可控:应实现基于用户角色的权限管理功能，能够根据当前登录用户的角色自动选择对应的运行模式，赋予用户不同的操作权限。

(7)具备良好的可扩展性，能够适应装置更新换代的需要。

2 系统总体设计

2.1 系统组成

自动测试系统采用分布式和模块化的设计思想，在硬件上由数据库、应用服务器、生产管理客户端、测试控制主机、GPS时钟和测试仪等设备组成(如图1所示)，根据功能可将整个系统分为数据管理和自动测试两个子系统。

数据管理子系统由数据库、应用服务器和生产管理客户端组成，其主要功能是:数据存储及管理(包括物料信息、条码、测试方案、测试记录等)、用户及权限的管理、数据的WEB发布。

自动测试子系统由测试控制主机、测试仪和卫星同步时钟组成，其主要功能是:根据选定的测试方案，实现对装置的闭环自动测试，生成测试记录并存档。

图1 系统的硬件组成

2.2 系统流程

通过综合考虑用户对自动测试系统的需求、自动测试系统的应用场景以及生产管理的需要，我们在设计自动测试系统时，将整个系统的流程分为三个阶段(如图2所示)。

图2 系统流程

测试方案开发阶段，由测试开发人员完成。本阶段，测试开发人员根据装置软硬件的功能和配置，依照继电保护装置出厂检验标准或现场检验规程，在测试元件库中选择合适的测试元件组成完整测试方案，完成测试方案的开发。

测试方案归档阶段，由数据管理人员完成。测试方案开发结束后，测试开发人员将测试方案及相关文档打包成测试方案包，提交给数据管理人员审核。测试方案审核通过后，通过生产管理客户端上传至数据库，建立测试方案与装置型号之间的关联关系。

自动测试阶段，由测试人员完成。通过扫描装置条码，自动测试软件依据关联关系，自动地下载、加载合适的测试方案;顺序地运行方案中的测试元件，将测试结果汇集成详细的装置测试记录，上传至数据库服务器中存档。

3 系统开发

3.1 数据管理子系统

数据管理子系统采用B/S架构实现，所有的业务逻辑均使用ASP.NET技术在应用服务器中开发运行，客户端不需要安装专用软件，仅通过浏览器即可完成对所有数据的管理功能，系统的部署、更新和维护非常方便。目前，我们已在应用服务器上实现了:物料信息的维护及查询、条码的生成及打印(客户端需浏览器插件支持)、测试方案上传功能、测试记录的查询统计分析、测试报告的生成和打印等功能。

3.2 测试仪

测试仪采用多CPU结构实现，包括液晶显示、主控单元、输出功放及各种智能化的信号输入输出接口板，其基本配置如图3所示。

为保证测试仪的实时性能和输出精度，主控单元采用基于PowerPC和DSP的双CPU架构，PowerPC用于测试仪的管理，运行实时多任务操作系统，实现测试仪的显示输出、参数配置、信息记录及上位机通信等功能;DSP则用于测试控制，实现测试波形的生成、接口板驱动等功能。双CPU之间采用高速同步串口通讯方式完成数据的交换。

所有的接口板均为配置独立单片机的智能化接口板，采用CAN总线通信方式与主控单元完成命令和数据的交换，可通过修改配置文件实现接口板之间的相互替换，具有很强的扩展能力。

图3 测试仪的配置

3.3 自动测试软件

自动测试软件运行于测试控制主机之上，是整个测试系统的核心组成部分。自动测试系统所需的测试方案开发、测试方案执行、测试仪控制、保护装置通信及测试记录的生成和上传的功能均通过本软件实现。它基于开源的QT跨平台应用程序框架(QT Cross-platform Application Framework)开发，可在 Windows、Linux操作系统上编译运行。

3.3.1 组成结构和模块功能

如图4所示，自动测试软件主要由测试界面管理、测试方案管理、自动测试控制、测试仪控制接口、装置通信接口和数据库接口组成。

图4 自动测试软件的组成

测试界面管理模块主要实现动态测试元件的加载和执行功能:当执行某一测试元件时，本模块根据测试元件的配置，解析测试界面模板文件和测试参数配置文件，动态的生成测试界面，调用测试脚本中的功能函数，完成测试参数的计算和测试命令序列的生成，供自动测试控制模块使用。

测试方案管理模块主要实现测试方案的读写和管理功能:本模块根据装置的条码信息，自动地通过数据库接口下载测试方案到本地，然后加载测试方案和测试配置文件的内容到内存中，供自动测试控制模块和测试界面管理模块使用。

自动测试控制模块是自动测试软件的核心模块，它根据由当前测试元件的测试脚本生成的测试命令序列，调用测试仪控制接口、装置通信接口和数据库接口分别控制测试仪的输出、回收装置的动作接点信息、读取装置的报文数据、生成测试记录并存档。

3.3.2 运行模式的设计和选择策略

为了更好的满足不同用户和不同测试场景的测试需求，自动测试软件专门设计了不同运行模式，根据当前系统的在线状态和当前用户的角色自动选择合适的运行模式。

研发测试模式:适用于装置研发测试和测试方案开发，须在线运行且登录用户为开发人员。此模式允许重复执行特定的测试元件，允许测试过程中修改测试参数。

生产测试模式:适用于装置的出厂测试，须在线运行且登录用户为生产测试人员。此模式按照整个测试方案的配置顺序地执行所有测试元件，自动生成测试记录并上传，不需用户干预。

现场校验模式:适用于现场调试和验收测试，须在线运行且登录用户为现场测试人员。在此模式下测试定值可选用装置运行定值，亦可选用测试方案中设置的定值。

离线现场校验模式:同样适用于现场调试和验收测试，当连接数据管理系统失败时允许用户手动选择测试方案和测试元件，测试记录暂存于本地，待重新连接数据管理系统后再进行测试记录同步操作。

3.3.3 可扩展性设计

实现闭环自动测试，测试软件不仅要读取装置的动作接点信息，还必须具备与装置通信的能力，能够读写装置定值，能够读取装置的保护动作信息、测量值、开入量、SOE等报文信息，以用于比较和检查。但是由于不同型号装置的通讯规约一般会有所不同，而且随着继电保护装置向网络化、一体化和智能化发展［6］，新的通信规约也会被逐步采用，自动测试软件必须能够方便的扩充装置通信规约，以适应未来装置发展。

图5 扩展性设计UML图

本文出于对通讯效率及编程方便性的考虑，采用QT框架提供的插件机制实现装置通信功能的扩展:将每种装置通讯规约封装成一个独立的规约插件，实现统一的初始化接口和数据读写接口。自动测试软件根据装置测试配置，调用对应的规约插件完成与装置的直接通讯功能，实现的方式如图5所示。

3.3.4 可配置装置的自动测试解决方案

可配置模式是指把装置的部分软硬件组件定义为可配置，应用时根据需要修改装置的配置文件，动态地启用或停用相应组件的设计模式，具有可灵活地满足各类用户的需求、降低装置总体开发成本和维护成本等优点，现阶段在装置设计中得到广泛地应用。但可配置模式给自动测试系统的开发带来一些问题:由于不同配置的装置在功能和接口方面并不完全一致，适用于某种配置的测试方案无法完全适用于其他配置方式;装置的配置方式众多，很难为每种配置方式单独开发测试方案;造成测试时测试方案选择困难。

通过对可配置装置实现原理的分析，我们发现无论如何配置，其配置的功能均不可能超出装置的最大设计能力。因此比较好的解决方案是:测试方案在开发时基于装置最大化配置开发，在测试时通过一种自动机制识别装置配置，自动选择所需的测试元件，完成装置整体测试。

本文采用设置测试元件的使能条件的方式实现测试元件自动选择功能。测试元件使能条件分为硬件约束和软件约束两种，硬件约束一般为装置特定插槽是否存在特定型号的板卡。软件约束则可以是装置是否配置了某项功能或某种保护元件。只有当测试元件所有已配置的约束条件都同时满足时该测试元件才会被实际的选择和执行，选择流程如图6所示。

4 结束语

继电保护装置自动测试系统已经在本公司研发和生产工作投入使用，用户反映良好:采用本系统后，完成整机测试所需的平均耗时减少到原手动测试平均耗时的1/5;通过对已有自动测试记录的统计分析，没有发现误测、漏测的现象。实践证明，继电保护装置自动测试系统的使用，在提升装置测试效率、保证装置测试的质量等方面效果显著。

［1］朱声石.高压电网继电保护原理与技术［M］.3版.北京:中国电力出版社，2005.

［2］韩士杰，胥岱遐，施玉祥，等.继电保护测试的发展方向［J］.电工电气，2011，31(12):1-4.

［3］朱忠亭，张沛超，汪可友.基于自动测试的继电保护测试软件研究［J］.继电器，2004，32(17):31-33.

［4］鲁炜，宗国萍，李祥筠.继电保护智能化检验系统的研究和实现［J］.上海电力，2010，23(6):353-356.

［5］郑新才，丁卫华，韩潇，等.基于测试模板的继电保护装置自动测试技术研究与实现［J］.电力系统保护与控制，2010，38(12):69-76.

［6］张健康.电力系统继电保护技术的现状及发展趋势［J］.装备制造技术，2011，39(2):109-110.