馈线自动化终端注入测试法及其应用

凌万水，张磐，马杰

（1. 上海金智晟东电力科技有限公司，上海 200233；2. 国网天津市电力公司电力科学研究院，

天津 300384）

随着社会与经济的发展，用户对供电可靠性的期望值越来越高。目前，国内的配电自动化测试体系，包括型式检验、专项委托检验、通信协议测试等，一般是针对配电自动化主站、子站和终端的功能和性能进行测试[1-2]。对于馈线自动化（FA）的测试，已有的测试方法主要有2种，一是配电自动化系统在安装前，在实验室按照配电网的实际情况搭建网络，进行工厂试验，待完成试验后，再进行现场安装投运[1]。二是配电自动化系统竣工验收时，通过现场停电检测的方式进行验证[2]。但上述2种方法都存在各自缺陷。第一种方案是在实验室环境情况下进行测试的，其试验结果不能完全反应现场实际情况。第二种方法现场测试必须停电，实施难度太大，需要现场各方调试人员参与，调配人员多，测试时间长，同时影响供电可靠性[3]。当前许多专家学者从不同角度提出测试馈线自动化系统方法与手段[4-11]。文献[4]提出一种测试主站内部故障处理逻辑的主站注入测试法，但现场终端内部定值的设置，终端之间定值的配合，终端与主站之间的时序配合等问题都影响到FA的可靠性；文献[5]采用了一种在配电终端内部进行模拟故障的方法，进行FA测试，将通信系统纳入了测试范围，但仍未解决文献[4]的缺点；其他文献主要针对特定项目或测试需求的系统性概述，尚未有在当前配电自动化应用场景下通用的实际测试方案、发现问题并解决问题的应用报道。本文结合作者工作实践和典型现场，详细讨论了一种在配电终端端子上进行信号注入的终端注入测试法，并针对测试中发现的典型问题进行详细的分析，给出了解决方案。

1 终端注入测试法

所谓终端注入测试法，是相对主站注入法[4]而言的，指采用功率源与开关量输出设备，仿真配电线路上不同地点的电气数据，包括电流、电压、开关状态，并在配电终端二次端子上将这些电气数据注入，同时通过开入量的采集系统收集配电终端的控制信息，进而获取被测系统的FA动作逻辑与时序，实现不停电测试馈线自动化的目的。所以采用终端注入测试法，可以对包括配电主站、通信系统以及配电终端在内整个DAS系统进行FA功能的集成测试，而且因为测试系统与被测DAS之间的接口是模拟信号，被测配电终端、主站及其通信系统的参数都不用更改，所以通过测试后DAS系统可以投入实际运行。

如图1所示，进行现场FA功能测试时，须将配电终端与保护（以下统称IED）与现场开关的连接全部中断，并转接到FA测试仪（FA Tester，以下简称FATR）上，由FATR完全仿真现场的开关及其附属设备的数据（如PT、CT、辅助端子、操作机构、故障指示器等），1台FATR可以仿真多个开关设备的电气数据，接入的GPS保证了FATR系统时间一致性。所有FATR通过网络连接，由一个统一的测试工作站实时收集FA动作，实现对配电网络连续仿真。因为这种测试方法依赖网络，所以又称之为现场组网仿真测试法（Field Network Simulation Test Method，简称FNSTM），实现这种方法的测试系统称为现场组网仿真测试系统（Field Network Simulation Test System，简称FNSTS）。其技术特征如下：

图1 终端注入测试法系统图Fig. 1 The system diagram of the terminal injection test method

1）具有连续仿真能力：FA涉及到多个开关的动作，有的FA算法需要对一个开关动作多次，每次动作的依据是IED采集的电气数据，如电流与电压等。连续仿真实现了测试系统与被测系统的分离，与被测系统厂家、厂家FA逻辑的实现方式，通信方式无关。

2）FATR以模拟信号方式仿真电气数据注入IED，对于IED而言，如同接入实际的CT、PT一致，这有效地屏蔽不同厂家配电终端内部私有信息，突出测试FA的外部特性和动作逻辑效果是否满足要求，提高了测试系统开放性。

3）具有对现场开关设备的完整仿真能力，包括了CT、PT、辅助触点、操作机构、故障指示器等等。

4）不仅具有正常状态仿真能力，还具有各种干扰状态的仿真能力，如遥控失灵、通信故障、转供容量不足、开关异常等。

5）现场测试时，不影响用户用电。

2 现场组网仿真测试系统

FNSTS除包括了配电网运行仿真系统、建模工具、测试用例编辑工具、测试报告生成工具、多台FATR等，还包括连接FATR与测试工作站的网络系统。FNSTS的数据流图如图2所示，每台FATR都与配电网运行仿真系统实时通信，接收仿真系统传递的电气数据，并将这些数据通过端子输出给IED，同时接受现场IED系统的动作指令，回传给仿真系统，仿真系统根据动作指令以及开关动作策略改变开关状态，并重新计算整个配电网络的运行数据，再反馈给所有的FATR，测试记录由仿真系统直接生成。

图2 FNSTS组成及其数据流图Fig. 2 The composition and data flow diagrams of FNSTS

配电网运行仿真系统是系统的核心，其依赖的配电网络模型与测试方案分别由建模工具及测试用例编辑工具生成。配电网运行仿真系统自动记录测试结果，最终由测试报告生成工具输出测试报告。测试方案由一系列测试用例组成，每个测试用例包括了网络的初始运行状态、故障设置数据和系统干扰数据。网络初始运行状态包括开关、刀闸、远方就地位置等数字量的初始状态和负荷数据。故障设置数据包括一条或多条故障信息，每条故障信息包含了故障类型、故障发生的时间与地点。系统干扰数据包含了遥控失灵、通信故障、开关异常等。

FATR是FNSTS的执行器，由总控单元、功率放大器、干扰发生器、模拟量输出模块、数字量输出模块、数字量输入模块、通信控制模块、触摸屏、GPS模块、外部接口等组成。现场测试时，总控单元接收到测试工作站的指令，通过模拟量输出模块与数字量输出模块输出电气数据，通过数字量输入模块接收IED的控制指令。

3 天津生态城FA现场测试

下面以天津生态城的一个简单配电网络的FA测试为例，说明终端注入测试法的过程。如图3所示，配电网络由线路21、线路41两条馈线组成，包括3个箱变M 3、K3、M1，供电公司在箱变中配置了配电终端，并与主站通信，实现了线路上开关的“三遥”功能；主站系统通过与调度自动化系统的通信，实现对线路21与线路两个线路出口开关的“三遥”，主站通过光纤以太网与配电终端通信，由主站集中进行FA处理。

图3 示例的配电网络Fig. 3 Distribution network example

测试系统中包括3台模拟型FATR，用于仿真3个箱变中的开关电气数据；1台数字型FATR，用于仿真调度自动化系统与DAS通信；一台测试用工作站，用于配电网运行仿真系统的运行。

测试步骤及其过程如下进行：

1）网络建模及测试方案制定：在测试工作站上用建模工具建立如图3所示模型，数据点位置与实际现场完全一致，确保测试过程中配电终端与主站参数全部不更改，并制定测试方案，对待测配电网络以及FA系统的配置进行建模，制定测试方案。如表1所示，测试方案中即包括了各个区段、各条母线发生故障，也包括了系统受干扰时的故障场景。测试时须对主站以全自动模式与半自动处理模式下分别测试这些用例。

表1 测试用例列表Tab. 1 List of test cases

2）测试设备接入：2014年5月17日，测试人员携带设备到现场，进行测试设备的接入。在主站停止了21、41两条线路数据与调度自动化系统的通信，接入了数字型FATR。在现场首先将CT短路，PT断路，关闭开关电动操作机构的操作电源，然后将模拟型FATR接入配电终端，确保GPS运行正常，此时配电终端与现场开关已经完全分离，实验过程对用户用电没有任何影响。此时可以通过DAS系统进行“三遥”实验，确保“三遥”数据点完全正确。

3）测试系统联网：将所有FATR接入DAS系统的以太网，确保FATR相互之间通信正常。

4）执行测试：在FNSTS的人机界面上选择测试用例执行测试，既可以对测试用例手工逐个测试，也可以批量执行多个，甚至全部。测试过程中，FNSTS自动记录FATR收集到的FA动作记录。测试中如果发生错误，需要修改参数甚至代码时，须在逐个完成各个测试用例后，再以全自动方式测试所有测试用例。

5）测试报告生成：利用测试报告生成工具，对比测试方案，形成测试报告。

经过近4 h的测试，发现的主要问题，发生问题的原因如表2所示。

表2 测试结果汇总Tab. 2 Test results summarized

其中，没有区分不同CT的变比差异，指的是现场馈线上的配电终端过流定值都与出口断路器定值设置一致。实际上，由于配网自动化改造往往滞后于变电站改造，出口断路器的CT与馈线上的CT品牌、变比等往往不同，而过流定值一般都是定义的是二次电流值，所以需要根据变比情况进行换算。例如，出口断路器的CT是200/5，过流定值为3 A，而馈线上开关的CT变比为400/5时，则对应FTU或DTU的过流报警定值应设置为1.5 A，或略小于1.5 A。

而终端过流报警时间应小于变电站出口断路器跳闸时间，只有这样，才能在出口断路器跳闸前，成功监测到故障信号，并发出报警；终端故障遥信复归时间需要根据通信的状态与主站协商，或者索性由主站进行复归，根据各个测试现场实际经验，在光纤以太网环境下，设置30 s是一个合理的时间。

主站FA功能根据运行的需要，有时需要在半自动模式与全自动模式之间切换，测试中发现切换后，FA往往不成功，经过分析，其原因仍是主站启动FA时间，主站FA动作过程的最大时限设置不妥。主站对FA过程中开关动作成败的判断时间，终端遥信复归时间，调度员操作时间等这些时间设置，需要兼顾半自动与全自动两种方式，主要的参数修改集中在主站中完成。

环网柜母线故障时，需要跳开母线的进线开关与出线开关，同时对2个开关进行控制在控制第二个开关时往往失败。进一步分析，因电源的容量限制，配电终端在同一时刻遥控对象限制为1个。所以执行遥控操作时，配电终端的CPU会给对应继电器一高电平信号，使继电器合上从而对开关操作电源供电，该高电平信号保持的时间的长短即为继电器输出时间的长短，同时继电器线圈侧返回检测信号送回CPU（该信号在遥控执行过程中为低电平），配电终端内执行逻辑只要某一路遥控检测信号为低电平则禁止其余路执行遥控命令。若控制第一路开关的继电器仍旧维持高电平信号时，启动第二路开关的遥控，将被配电终端禁止，从而导致遥控动作失败。测试中，被测配电终端内的遥控的保持时间为2.5 s，而实际现场开关操作机构电源要求保持操作电源的保持时间为400 ms，就可以确保执行成功，最后设置为500 ms，可以解决这个问题。

4 测试效果

通过对该配电网络的现场FA测试，发现并最终解决了包括上述隐患在内的问题，这些问题，普通“三遥”测试很难发现。通过一个配电网络的测试，进而在测试前就修改其他配电网络的类似家族性错误，效果非常明显，该配电网络现场测试时间约为4 h，而另一个类似网络测试时间陡降至1.5 h，一方面是因为测试工作人员对测试系统更加熟悉，更为主要的是测试前对已知问题进行了处理，减少了现场发现问题的数量与修复问题的时间。

经过逐个测试用例的测试、发现问题并解决问题，最后，还需要通过测试系统的自动测试模式对所有的测试用例进行一次完整回归测试，只有所有测试用例都一次性通过时，这个配电网络的现场FA测试才算完成。

通过现场FA测试，在解决了现场实施中的许多问题的同时，也增强了供电公司对已测配电网络交由DAS自动处理故障的信心。巧合的是，2014年9月17日14点42分21秒，上述被测的天津生态城21线路箱变M3与K3之间发生C相接地故障。DAS系统以全自动方式成功地完成了故障定位、故障隔离和恢复非故障区供电的处理，从故障发生到故障处理完毕，共历时74 s。

5 结论

采用终端注入法进行现场FA测试的结果表明，该方法可以检测出单点“三遥”调试无法测试出问题，如配电终端、出口断路器保护及主站之间定值参数的一致性，时间参数的协调性，以及单终端多点遥控等问题，经过完整测试的线路具备了自动进行故障处理的能力。实际应用表明，FA终端注入测试法测试可以快速而全面的对DAS进行整体上的测试，协助分析出故障原因并解决问题，为馈线自动化的实用化保驾护航。

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