新一代智慧变电站冗余测控装置自动测试系统方案设计

胡明会，王彩丽，梁建涛，王 哲，李国杰

（许继电气股份有限公司，许昌461000）

随着我国电网规模的发展壮大，电网新技术、新理念也在不断与时俱进，也在从智能变电站向智慧变电站发展[1-2]。在智慧变电站的运行过程中，需要快速提出海量数据量中的数据价值[3]。为了保证供电的质量和电力系统的可靠性、经济性，电网调度中心必须准确地掌握整个系统的运行情况，及时进行分析并做出正确的判断和决策，必要时采取紧急措施，处理应急事故和异常情况，以保证电力的安全、可靠及有效供应。测控装置作为智慧变电站间隔层前端二次核心设备，可实现一次、二次设备信息采集、信息传输，接收控制命令，实现受控对象的控制以及交流量计算、同期功能等[4-5]。现阶段测控装置面临的问题是在面向系统内过程层及站控层的设备数量多、无冗余备用，一旦发生故障后设备信息采集功能失效，造成实时数据不全[6]。为了提高全站系统的可靠性，解决测控装置无冗余备用问题，一系列采用虚拟化技术的多间隔测控装置相继涌现，包括集群测控[7-9]、集中式保护测控装置[10]、冗余测控[11]，这些测控装置（本文统称为冗余后备测控）在单设备可靠且系统性能、功能不变的前提下，实现了测控装置的冗余备用，大大减少了变电站间隔层设备数量。

1 冗余测控装置自动测试难点分析

当前业界方案较为推崇是冗余后备测控装置，也即是将多个实体测控装置集中于其中一台测控装置，实现“多模块、多配置”的冗余后备测控，然而目前开发阶段会面临很多难题，主要集中在研发测试和工程调试主要依赖人工测试来完成，特别是对于“多模块、多配置”的全面性验证对于现场调试、验收等工程实践需要耗费大量精力，若采用通用的自动测试平台进行自动测试，会面临诸多实际困难：

难点一：关于冗余测控装置的自动测试用例比较欠缺，或有少量保护装置的测试用例编制初期未考虑好测试项目规划，测试用例分组简单粗暴，导致开展自动测试时分拣用例比较繁琐，且所有的测试用例只能手动设计，不能自动生成。

难点二：由于冗余测控装置中虚拟测控单元较多，如何在自动测试过程中完成每个虚拟单元间的无缝衔接，实现完全的“自动测试”还需要进行深入探索和反复验证。

难点三：各虚拟测控单元之间虽然具备独立的通信模型、配置参数等，但不同应用环境下的虚拟测控单元之间所属的应用功能、配置文件存在差异化。

现阶段国内外一些继电保护装置生产厂家相继开发研制了各类自动测试系统[12-15]，为自动测试应用提供了广阔前景，大多数自动测试系统针对“单端电气量”和“双端电气量”及“单模块、单配置”继电保护装置的自动测试成就显著[16]，其中主要侧重于保护逻辑和保护定值方面的自动测试。但对于多间隔的冗余测控装置的自动测试兼容性不强，通用性较差。因此，首先研究了冗余后备测控的特点，设计了适用于集成测控装置的自动测试用例树，基于单个应用功能的测试用例，提出了测试用例打包方案，在此基础上开发了适用于冗余后备测控的自动测试系统，通过实践应用表明，本系统相较于传统、通用的继电保护自动测试系统，能实现冗余测控各虚拟测控单元自动测试的无缝衔接，为测控类装置尤其是多间隔冗余后备测控的研发测试、现场调试和工程实践提供参考。

2 冗余测控装置架构分析

2.1 装置特点分析

传统的实体测控装置向冗余测控装置的演变过程如图1所示，其中装置中各虚拟测控单元（虚拟测控单元数N≥15）采用与智能变电站实体测控装置相同的模型、参数和配置以实现测控单元的扩充，由于每个虚拟测控单元与传统实体测控装置具有相同的功能，每个虚拟测控单元有独立的CID 和CCD 通信配置文件，具备独立的通信模型，实现冗余后备测控本体信息的上送，实现对变电站多间隔测控功能的应急后备。

装置采用基于DL/T860.92 标准的SV 采样和基于DL/T860.81 标准的GOOSE 输入输出，SV，GOOSE报文的接收配置、功能行为与所替代实体测控装置一致。当某间隔的实体测控装置故障或检修退出时，自动或手动投入冗余备用功能，通过在线感知自动切换功能，按间隔“1 对1”冗余切换，实现站内测控功能冗余与自愈。与间隔层其他实体测控装置交互的互锁信息通过站控层GOOSE 收发，装置网关采用LOOPBACK 环回接口实现互锁报文的“自发自收”，如图1所示。

2.2 装置典型配置

图1 装置冗余配置Fig.1 Device redundancy configuration

多间隔冗余后备测控装置在数字式测控程序基础上进行跨平台移植，通过过程层网络接入不少于15 个虚拟测控单元，实现测控功能的冗余备用。其中每个虚拟测控单元可配置遥测、遥信、遥控、遥调、同期、逻辑闭锁等功能。各虚拟测控单元以“四统一、四规范”数字测控装置应用分类（Q/GDW10427-2017 变电站测控装置技术规范）为基准，根据工程实际应用可进行虚拟单元数量、应用功能的灵活配置。现阶段自动测试环节按照“8+4+4”典型配置为8个间隔测控、4 个3/2 接线测控和4 个母线测控，如表1所示。

表1 装置典型配置Tab.1 Typical configuration of device

3 自动测试用例设计

3.1 自动测试用例树设计

基于虚拟测控单元的关于冗余测控装置的自动测试用例比较欠缺，或有少量保护装置的测试用例编制初期未考虑好测试项目规划，测试用例分组简单粗暴，导致开展自动测试时分拣用例比较繁琐，自动测试推广不力，且所有的测试用例只能手动设计，不能自动生成。

由于冗余测控装置中虚拟测控单元较多，如何在自动测试过程中完成每个虚拟单元间的无缝衔接，实现完全的“自动测试”还需要进行深入探索和反复验证。

各虚拟测控单元之间虽然具备独立的通信模型、配置参数等，但不同应用环境下的虚拟测控单元之间所属的应用功能、配置文件存在差异化。

自动测试用例的编制是进行自动测试的核心工作之一，编制优良的测试用例能使自动测试达到事半功倍的效果。文献[17]对“单模块、单配置”的继电保护类装置测试脚本、测试方案等进行了比较详细的阐述，分析发现其进行测试用例编制时重点关注的是保护逻辑和保护定值精度的正确性，而测控类装置与其他继电保护类产品相比，保护逻辑相对较少，但测量数据量大，测量精度要求更高，人工进行数据分析难度更大。

测试脚本编制前首先要明确某个虚拟测控单元包含的测试项目、测试范围、考核精度等。根据装置测控功能进行最大化设计的用例树，如图2所示。

3.2 自动测试用例打包方案

仅完成某个虚拟间隔测控单元的测试用例编制还不能达到冗余后备测控装置完全自动测试的目的。为了实现装置多个虚拟测控单元之间自动测试的无缝衔接，单个测试用例脚本通过工具，一键式完成若干虚拟测控单元测试用例的编制，然后分类、打包为测试用例包，构成整个装置完整的测试用例库。

测试用例打包的方法比较灵活，对单装置、双重化配置装置、多间隔测控装置均适用。两种自动测试用例打包方案如表2所示。通过对比发现，不考虑测试用例编制投入时间，第一种方案较好；从测试用例重用性考虑，第二种方案较好。文中采用较多的是第二种方案，经过应用验证，效果较好。

表2 测试用例打包方案对比Tab.2 Comparison of test case packing schemes

图2 虚拟测控单元测试用例树Fig.2 Test case tree of virtual measurement and control unit

4 自动测试应用实例

4.1 测试环境搭建

本文采用自主设计的自动测试系统，可同时加载多个虚拟测控单元，实现冗余后备测控装置自动测试。该自动测试环境如图3所示，自动测试环境所采用硬件设备包括B 码同步时钟装置、PC 机、数字式继电保护测试仪、冗余后备测控装置、千兆以太网交换机。其中PC 机上装载的自动测试系统软件包括设计的自动测试软件、IEC61850 数据库软件、测试仪控制软件，其中继电保护测试仪和冗余后备测控装置接入统一时钟信号。

图3 自动测试环境图Fig.3 Automatict environment diagram

设计的自动测试软件用于创建、维护测试用例库，且SAT-810 作为自动测试系统的核心，全面支持IEC61850 通信规约，测试用例一方面存储于IEC61850 数据库中，构建用例库，另一方面向测试仪控制软件发送控制命令，继电保护测试仪接收到控制命令后，按照测试要求编辑好的测试用例执行自动测试，自动测试过程系统将比较实际结果和预期结果是否一致，自动判别测试项目是否通过，测试结果反馈于人机界面。

4.2 测试环境配置

装置SCD 文件配置：如图4所示，通过SCD 配置工具，将冗余后备测控装置下的N 个相互独立的IED 能力描述文件（ICD）进行连线配置，通信参数配置，导出对应的IED 实例配置文件（CID）；IED二次回路实例配置文件（CCD）；全站系统配置文件（SCD），仿真主站客户端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）。

图4 冗余后备测控装置SCD 文件配置Fig.4 Configuration of SCD file for redundant measuring and controlling device

IEC61850 数据库配置：将图4 中配置完成的全站系统配置文件（scl.scd），仿真主站客户端文件（acsicfg.xml，rcbcfg.xml，groupip.xml，osicfg.xml）拷贝到远动安装目录的IEC61850 文件夹下。

测试仪配置的配置过程是首先加载装置SCD配置文件，分别导入SV，GOOSE 数据，配置通道关联、变比数、开入开出关联，然后在菜单窗口配置并存储测试仪通道对应的csg 文件，实例化装置采样通道。

5 自动测试应用及结果

结合测控装置遥测功能电压电流基本误差精度的测试等测试项目，自动测试系统在“多配置、多模块”冗余后备测控装置的整体应用流程首先是测试前准备，包括编制单个测试用例等；然后是将单个测试用例进行重复化配置，通过自动测试系统一键完成相同应用功能下的若干虚拟测控单元测试用例的编制；最后是将用例打包为一个遥测功能用例库，如图5所示，且各虚拟测控单元之间通过不同的ID 号进行区分。

图5 遥测功能库Fig.5 Telemetry library

与此同时是加载测试用例库中所需的测试用例。并使能测试用例，这样自动测试系统按照打包好的遥测功能测试用例库执行测试用例，其各环节流程如图6所示。

图6 测试流程Fig.6 Test flow chart

为了验证打包测试用例方案的可行性和自动测试系统的可靠性，依据智能变电站冗余后备测控装置检测方案等对多种配置类型的冗余后备测控装置整体功能，进行了人工测试和自动测试比对，其完成测试所需时间如表3所示。测试结果表明，该系统的设计大大提高装置的测试效率，经自动测试的装置在智能变电站优化提升项目中试点应用，运行可靠。

表3 装置整体功能测试时间对比Tab.3 Comparison of whole function test time of the device

6 结语

实践应用表明，使用本文设计的自动测试系统加载冗余后备测控装置的多个虚拟测控单元，并结合测试用例打包的方法，能实现冗余备用测控装置各虚拟测控单元自动测试的无缝衔接。与传统的人工测试方法相比，可有效解决了一系列由人工测试操作繁琐，数据分析困难、测试效率极低且容易出现漏测和误判带来的问题，充分发挥了自动测试的独特优势。在测试任务量大、周期要求紧的情况下，可以大大提高测试效率。如冗余后备测控装置全面测试项目，在未进行自动测试时一般测试员需要每天工作8 小时，连续进行30 天测试，而利用自动测试进行测试后仅需3天左右。本方案基于继电保护测试仪构建的自动测试系统，实现了各种配置类型的测控装置闭环自动测试，尤其在多间隔冗余后备测控装置中发挥极大作用，通过大量试验证明该自动测试方法可有效节省测试人员工作时间，提高测试可靠性和测试效率。对智慧变电站冗余测控装置的现场调试、验收等工程实践具有参考意义。