基于测试数据深度解耦共享的继电保护测试系统研究

王治国，于哲，笃峻，黄辉，李兴建，舒海莲

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

继电保护是构成我国智能电网的重要组成部分，在保障电网安全稳定运行中发挥着极其重要作用[1-2]。 如今伴随着数字化保护的推广，就地化保护紧锣密鼓地试验验证、挂网试运行[3]，加上继电保护呈现多类型并存、多技术嵌套的格局，从而使其研发过程测试日渐复杂。

但继电保护基本测试要求并没有改变[1]，对其全生命周期测试技术的研究依然是当前研究的热点问题之一。文献[4-5]采用分布式系统和模块化设计思想，利用Python脚本语言构建装置闭环测试系统，实现回归测试；但利用Python脚本语言实现测试繁琐且难于掌握，不利于全员推广。文献[6]基于继电保护统一建模思想提出了生产测试阶段的自动化测试系统，有效提高了生产测试效率。文献[7-9]分别针对低压保护、就地化保护、特殊罩式配电网终端装置(feeder terminal unit,FTU)，提出了生产自动检测方案，有效提高了生产测试效率。文献[10-11]分析了智能变电站二次系统测试方法，提出了系统级测试平台方案，为智能变电站运维和故障检修提供了新方法。文献[12-15]提出了智能变电站测试平台，为智能变电站现场系统测试提供了测试解决方案。文献[16-18]讨论了继电保护测试用例生成方法，通过模版或测试用例智能生成技术，为继电保护功能自动测试提供了新思路。以上研究可以看出，对继电保护研发过程测试的研究相对较少，其高效协同测试并未得到有效挖掘。

继电保护研发过程测试的需求主要取决于以下2点：①不同研发阶段对测试工具要求不同，如单元测试和系统测试，但快捷测试和装置级逻辑功能连续测试是其基本需求。②对于开发时间紧的新产品、新装置，协同开发装置级测试用例需要有相应工具支撑。但目前商用继电保护测试仪仅能实现单项功能测试，协同快速开发和高效复用测试用例具有一定难度，传统网络文件共享可以让测试用例发挥一定作用，但多级测试数据文件在数量巨大的情况下，很难做到有效管控，而近几年快速发展的云技术可以有效解决这一难题。基于商用云技术提供的云共享服务为测试用例文件分类管理、权限管理、海量数据文件高速检索及上传下载等功能提供了高效解决方案。

本文针对继电保护研发测试特点，通过底层测试数据解耦，使继电保护研发过程测试所需的装置数据和测试数据趋向独立，从而形成低耦合测试数据文件，即装置配置数据和装置测试数据；再通过映射技术实现了模拟量、开关量和装置定值数据的高效复用；最后，基于云共享实现装置配置数据和测试数据的自由导入导出，并完成连续测试流程的自由控制。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

如图1所示，继电保护测试系统有上位机软件和测试终端构成。前者负责测试数据编辑、管理、监视与测试流程控制等；后者负责解释命令数据并按要求进行模拟量和开关量的同步输出等。本文提出的测试系统有位于最下层的测试层、位于中间层的数据共享层及位于最上层的数据分析层组成。

图1 测试系统层次结构Fig.1 Hierarchical structure of test system

在图1中，测试层有若干测试个体组成。每个测试个体有测试终端和被测继电保护组成，实现物理信号对接，并构建闭环测试环境。

利用商用云业务构建研发级继电保护测试平台，实现测试资源整合与高效共享，该共享不仅局限于传统测试业务网络分享，更重要的是基于云业务特点，通过一系列底层和顶层设计将测试数据解耦，实现业务相关数据的高效利用。数据共享层有基于研发测试“4要素”设计的装置配置、装置测试数据、装置测试工程和装置测试报告相关云数据组成。系统通过云端数据快速构建装置测试用例，进行装置级逻辑功能的全自动回归测试和系统级测试。测试数据云共享真正实现了研发测试数据的高效创建与快速测试。

数据分析层是建立在数据共享层上的高级应用。根据实时测试报告数据云，建立继电保护产品研发质量跟踪、控制和考核体系，实现研发过程产品质量的透明控制。限于篇幅，本文不做探讨。

1.2 测试系统组成

继电保护测试系统上位机软件，由装置配置数据编辑模块和装置测试数据编辑模块组成的编辑子系统，云端工程管理模块和本地工程管理模块组成的工程管理子系统、测试流程控制子系统，IEC 103通信模块与IEC 61850通信模块及测试终端通信模块组成的通信子系统构成，如图2所示。测试终端采用基于统一建模的继电保护测试仪HELP 9000。该测试仪硬件配置灵活，输入输出点数不受限制，能对各类继电保护实现真正闭环测试[3]。

图2中的装置配置数据模块主要由图3所示的信息功能模块组成。为了快速构建测试用例，系统支持从智能站全站系统配置文件(substation configuration description,SCD)和描述智能电子装置(intelligent electronic device，IED)能力文件，一键转换为具有面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)输入输出配置及采样测量值(sampled measured value，SMV)输入输出配置的通用GOOSE数据文件。针对合并单元和录波装置的特殊应用，系统开发了GOOSE文件输入和输出数据转化功能。基于通用GOOSE数据文件，系统提供IEC 61850中SMV 9-2和GOOSE开关量的各种参数设置；同时提供IEC 60044-8 数字量和小信号模拟量(可带功放，实现二次值输出)通道参数的编辑设置。

图2 继电保护系统装置方向测试系统构成Fig.2 Composition of device direction test system of relay protection system

测试流程控制模块可以实现对IEC 61850-SV、IEC 60044-8两种数字量和小信号模拟量的同时测试控制，该功能实现了对常规保护、数字化保护及数字采样常规出口继电保护的自由灵活测试。

图3 装置配置编辑模块组成Fig.3 Composition of edit modules for device configuration

图3中装置测试数据编辑模块实现了对试验故障类型数据文件的读取、显示、编辑及保存功能。本模块开发了手动试验、递变试验、光伏试验等试验测试类型。递变试验开发了基于递增、阶梯、脉冲和谐波的模拟量输出控制模式；手动试验开发了自动步长和脉冲递变的模拟量输出控制模式。基于开关量触发和时间触发的递变试验适应于继电保护研发过程中的系统集成测试和回归测试；而手动试验可以作为研发过程中的快捷测试手段，用于研发过程逻辑功能的日常调试。

2 系统软件核心设计

研发过程测试“4要素”：①建立装置配置文件。读取装置数据模型，进行模拟量通道设置。②设计测试数据文件。基于装置配置文件设置模拟量通道输出参数、开关量输出参数及监视数据等。③执行测试过程。进行快捷测试或对装置进行全功能系统级测试。④搜集测试报告。系统根据每个测试用例的测试情况，产生测试报告，并实时上传云端。“4要素”中核心设计是实现配置文件和测试数据文件的解耦，2个数据文件密切联系，但各自修改又互不影响；而对于系统集成测试，测试数据文件少则几十个，多则上千个，往往测试数据的改变，会带来一系列数据修改，改动工作量十分庞大。本文将通过以下技术解决研发测试所存在的快速创建、协同开发、批量修改等诸多问题。

2.1 云端与本地工程管理技术

云端与本地工程管理技术主要解决研发过程测试中测试用例的创建与操作。图4中云端与本地工程管理中设计了装置配置数据、装置测试工程、装置测试数据和装置测试报告共4类数据类型，实现本地与云端的相互传输。

图4 工程管理设计Fig.4 Engineering management design

在本地工程管理上，利用Python的简单、易扩展、边解释边执行且能完成复杂测试任务等特点[19-21]，通过PythonQt脚本引擎，实现QT与Python脚本之间通信，将界面执行数据返回给Python， Python再将计算结果返回给QT。通过QT和Python混合编程技术实现测试用例的灵活创建，即通过界面创建测试用例，或通过执行Python脚本进行测试用例的批量创建。

基于HTTP协议开发本地与云端接口访问功能，实现本地文件和云端文件的上传下载。云端工程管理实现了按照时间或文件名模糊检索的功能。 位于云端的装置配置数据、测试用例数据或测试工程数据，均可一键下载到本地并执行测试。

2.2 大间隔数据映射技术

变电站实际物理间隔具备模拟量、开关量、装置定值、动作报文等特征数据，而大间隔数据映射技术就是基于该特征数据形成的一种高效操作方案。模拟量可以用测试终端数据模型中的 SV9-2数字量、IEC 60044-8数字量或常规小信号模拟量进行映射；装置定值和事件顺序记录(sequence of event，SOE)可以用装置IEC 103或IEC 61850数据模型定值和SOE进行映射；装置开入、开出可以用测试终端模型数据映射，还可以用继电保护背板数据模型映射。大间隔数据集映射技术使测试数据文件和装置配置文件解耦，多种数据源选择使创建测试数据文件更加容易，同时间隔间的切换也轻而易举，且对于测试间隔较多的母线、元件等保护装置尤其便利。

2.3 模拟量、开关量数据映射技术

模拟量间隔切换主要解决超过1个间隔的测试数据快速构建问题。基于大间隔数据映射的操作设计为模拟量间隔快捷切换提供了技术支撑，这也使得测试数据文件中的数据和装置配置数据信息解耦。在图5中，基于配置数据建立的过流测试任务集合一级管理文件夹中建立公共数据文件pubData.xml，该文件记录了创建该集合二级文件夹下测试用例所用到的间隔字符串指针。当创建测试任务管理文件时，所有测试数据文件都引用该字符指针。如实现各间隔快速切换，通过鼠标右键复制该工程，并改变pubData.xml文件中间隔指针的指向。

图5 测试任务管理设计Fig.5 Design of test task management

针对装置开入、开出、定值、SOE这4类数据，本文采用测试数据内部短地址进行统一管理，并提供这4类数据重映射功能。默认公共短地址均以CaseGroup开头，中间根据信号类型设置默认字符。图6中，左侧是二级管理文件夹中若干测试用例数据及原始信号映射数据，右侧是pubData.xml保存的内部短地址。当创建左侧测试数据文件时，系统自动为这些数据创建如CaseGroup.BI.BI1式的全局唯一内部短地址，并指向该实际数据，同时将这些数据保存在pubData.xml文件中；测试数据文件仅保存信号内部短地址及测试属性数据。当执行测试用例时，通过搜索信号数据库获取实际输出信号。

图6 内部短地址映射设计示意图Fig.6 Design of internal short address mapping

从图6可以看出，CaseGroup.BI.BI1内部短地址映射到N个测试用例文件中，如果改变N个测试文件中的装置开入，例如BI1，仅需改变该短地址指向信号输出终端的开出实例数据即可。本系统采用图形化界面，通过快速拖拽4类原始数据，实现一级测试用例管理文件夹下所有测试用例的快速重映射功能。

3 典型应用及效果

系统可选择IEC 103或IEC 61850通信规约与装置进行通信，对常规装置或数字化装置均能兼容不同厂家装置。在功能上，系统支持8个状态模拟量输出测试，并提供对时输出从而保证测试系统与继电保护接点时标的一致性，使建立在以模拟量输出时刻为时间基准点的各种动作逻辑判断有效可信。业务上，系统涵盖了光伏、主变压器、线路、母线、低压、稳控等系列装置的研发测试。

下面以线路保护功能测试用例为例，来简要说明系统其中一个优越性能。PCS-9611有多种继电器元件构成，实现如过流、接地(零序过流保护)、过负荷、过流加速、零序加速、低周减载、重合闸保护等功能。要高效测试该保护装置，研发工程师首先在云端搜索该装置测试工程文件，如存在，直接按照现有装置进行数据重映射；如不存在，再搜索该装置测试配置文件。多个研发人员可以根据相关保护功能协同开发测试用例，最后一键导入测试系统。图7显示了本地工程与云端工程的快速转换，及相应快捷处理功能入口，其中左图显示本地工程数据，右图显示的是云端工程数据。研发人员利用系统的该项功能，实现测试用例的高效开发。

图7 本地工程与云端工程快捷转换截图Fig.7 Screenshot of shortcut conversion of local project and cloud project

通过以上方法，快速建立装置全部功能测试用例。该系统同时实现装置全部逻辑功能一键测试功能，并给出带有时标的PDF测试报告，测试流程如图8所示，连续试验测试过程及测试结果截图如图9所示。

图8 连续试验测试流程Fig.8 Continuous test flowchart

图9 连续试验测试状态及结果分析Fig.9 Continuous test process and result analysis

在试验功能验证方面，本文采用递变试验阶梯递变模式。设定好开始值、结束值、变化步长、步进时间，在2个状态中实现模拟量输出，分别由小到大再由大到小，并且分别在相应状态中检验装置的过流动作值和复归值，以及继电器出口动作时间。系统设置不同的循环试验次数验证装置相关性能，测试结果数据见表1和表2(取循环测试前3次试验数据)。该数据按照系统设置，同时产生不同的PDF测试报告，便于查验。

表1 模拟量动作值循环测试试验结果
Tab. 1 Cycle test results of analog action values

试验次数通道描述设定值/A实际值/A允许误差/A绝对误差/A结果1IA动作值0.4000.4030.010.003正确IA返回值0.3800.3820.010.002正确2IA动作值0.4000.4030.010.003正确IA返回值0.3800.3820.010.002正确3IA动作值0.4000.4030.010.003正确IA返回值0.3800.3820.010.002正确

表2 继电器出口动作时间循环测试试验结果
Tab.2 Cycle test results of relay operation action time

试验次数理论值/ms动作值/ms允许误差/ms绝对误差/ms结果13 0003 0123512正确23 0003 0143514正确33 0003 0123512正确

目前，该系统已在实际继电保护研发过程测试中应用，与传统商用继电保护测试仪相比具有以下优点和效果：

a) 测试数据云端共享功能使继电保护测试用例开发更快捷，为复杂继电保护协同测试提供了技术支撑。研发人员协助开发测试用例或通过云端共享测试用例，使新装置测试效率提高3倍以上。

b) 测试数据自动上传云端且带有时标的测试报告，有效解决了研发人员没有进行测试就匆忙归档而导致的问题，规范了研发测试流程，同时为长期分析产品研发质量提供了必要数据。

c) 内部短地址设计及重映射技术为测试信号大批量替换提供了技术解决方案。修改数百个测试用例仅用几分钟时间，而以往需要几天时间进行调整，测试用例编辑效率大幅度提高。

d) 装置级全功能逻辑一键测试成为继电保护系统和回归测试的必要补充。实行一键测试，方便快捷，详见图8；同时系统生成的不可更改的带有时标的PDF测试报告，使整个测试行为也更加可信。

e) 基于递增、阶梯、脉冲3种模拟量控制模式的开关量反馈递变试验为精准校验保护动作值提供了技术支撑。比如校验过流临界动作值和返回值，系统分别通过递增、阶梯、脉冲3种方式逐步逼近动作值，从测试终端侧计算动作值，而不是仅从保护装置录波来确定动作值。

4 结束语

本文通过对继电保护研发过程测试进行长期跟踪，并对其特点及需求进行深入分析，在继电保护测试系统上位机软件侧，实现测试底层数据解耦，进而建立企业级共享数据云；通过顶层和底层系统设计提出了继电保护测试核心解决方案，并开发了上位机测试系统软件。该系统解放了研发人员，使其更加专注产品研发，提高了研发过程测试效率；同时该方案在继电保护全生命周期测试的其他环节，均具有一定借鉴意义。