0 引言
隨著智能變電站的推廣和應(yīng)用，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)承擔(dān)越來(lái)越重要的角色，促進(jìn)了智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展[1-2]。智能變電站繼電保護(hù)裝置在模擬量采樣和保護(hù)跳閘方式的改變，直接影響到繼電保護(hù)裝置的研發(fā)、生產(chǎn)、調(diào)試和運(yùn)行等多個(gè)環(huán)節(jié)[3-4]。
基于 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置信息交互標(biāo)準(zhǔn)化為繼電保護(hù)測(cè)試及校驗(yàn)帶來(lái)便利的條件，同時(shí)對(duì)新測(cè)試仿真設(shè)備提出了特殊的要求[5-6]。數(shù)字化測(cè)試儀的出現(xiàn)滿足其測(cè)試基本要求，同時(shí)非電氣量的故障數(shù)據(jù)仿真方式提高了測(cè)試設(shè)備電力故障仿真的精度，利于自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用。
基于 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)成為各方關(guān)注焦點(diǎn)之一，數(shù)字化測(cè)試設(shè)備廠家開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)因存在對(duì)繼電保護(hù)裝置信息模型認(rèn)識(shí)所限[7-8]，可適用的被測(cè)對(duì)象有限，測(cè)試腳本易用性、重用性較低，需進(jìn)一步改進(jìn)和提高。本文提出以數(shù)字化測(cè)試儀為故障仿真設(shè)備，設(shè)計(jì)一套基于分布式結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，定義一套完整而準(zhǔn)確描述的語(yǔ)言，通過(guò)信息模型的特征化和測(cè)試腳本的實(shí)例化，提高了測(cè)試腳本的重用性。
1 系統(tǒng)原理及功能
與傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置相比，智能變電站繼電保護(hù)裝置雖然在采樣和跳閘方式有所變化，但其在電力系統(tǒng)中的作用以及繼電保護(hù)裝置檢測(cè)方法沒(méi)有發(fā)生根本的變化[9-10]。作為智能變電站繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，其測(cè)試原理必須遵循繼電保護(hù)裝置使用要求和相關(guān)規(guī)程的要求，其測(cè)試原理沒(méi)有發(fā)生變化。
由于智能變電站繼電保護(hù)裝置采樣環(huán)節(jié)的變化，簡(jiǎn)化了數(shù)字化測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)，提高了電力故障仿真數(shù)據(jù)精度和仿真模型數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，這對(duì)豐富自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)功能有極大幫助。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)除了電力系統(tǒng)故障仿真功能外，基于 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)還應(yīng)包含以下功能。
① 具備 IEC61850-9-1、IEC61850-9-2 和 FT3格式報(bào)文輸出能力。
② 具備閉環(huán)測(cè)試能力。
③ 具備IEC61850信息解析功能。
④ 測(cè)試腳本重用性。測(cè)試腳本以保護(hù)功能為對(duì)象，允許同一測(cè)試腳本可在不同類(lèi)型裝置同類(lèi)保護(hù)測(cè)試共用。
⑤ 繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的測(cè)試。
⑥ 測(cè)試過(guò)程透明化。
為了從更廣的角度檢測(cè)繼電保護(hù)裝置的性能，增加通過(guò)繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生的錄波數(shù)據(jù)的分析，判斷繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間及動(dòng)作量是否符合規(guī)程及設(shè)計(jì)要求。
2 系統(tǒng)整體框架
根據(jù)繼電保護(hù)裝置測(cè)試的原理，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。系統(tǒng)中使用數(shù)字測(cè)試儀將電力系統(tǒng)故障仿真數(shù)據(jù)上送給繼電保護(hù)裝置模擬量采用數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化條件下的電力系統(tǒng)的故障仿真功能。
自動(dòng)測(cè)試主機(jī)任務(wù)為控制數(shù)字測(cè)試儀故障輸出，通過(guò) IEC61850 服務(wù)模型，實(shí)行對(duì)裝置定值和功能壓板的控制，并負(fù)責(zé)收集保護(hù)裝置發(fā)出跳閘報(bào)(GOOSE)時(shí)間檢測(cè)。
考慮到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可擴(kuò)展性以及軟件可維護(hù)性，將自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件劃分4個(gè)部分來(lái)設(shè)計(jì)。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟件包括以下4個(gè)部分。
① 自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)。負(fù)責(zé)自動(dòng)測(cè)試環(huán)境定制、測(cè)試任務(wù)的生成、執(zhí)行和管理工作，是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的控制中心。
② 測(cè)試模型構(gòu)建模塊。負(fù)責(zé)測(cè)試腳本的編輯、修改和生成，并將測(cè)試腳本以文件方式保存。
③ 裝置信息解析模塊。負(fù)責(zé)裝置IEC61850 的通信以及實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置信息解析和控制，并將相關(guān)信息提供給自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)使用。
④ 數(shù)字化測(cè)試儀控制模塊。其任務(wù)是控制數(shù)字化測(cè)試儀輸出并獲取數(shù)字化測(cè)試儀的測(cè)試返回結(jié)果，提供自動(dòng)測(cè)試控制平臺(tái)使用。
3 測(cè)試腳本的設(shè)計(jì)
測(cè)試腳本是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型的載體和測(cè)試過(guò)程中判據(jù)的來(lái)源，測(cè)試腳本的內(nèi)容與測(cè)試邏輯密切相關(guān)。測(cè)試腳本的重用性高低決定了測(cè)試腳本的價(jià)值，也是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)劣關(guān)鍵衡量指標(biāo)。
基于測(cè)試腳本的可靠性和可讀性的考慮，測(cè)試腳本采用文本文件描述，以數(shù)據(jù)特征字典和功能特征符結(jié)合描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)測(cè)試邏輯指令和測(cè)試數(shù)據(jù)的描述。通過(guò)特征邏輯符和特定的語(yǔ)法規(guī)則而生成的測(cè)試腳本，可以實(shí)現(xiàn)需要的測(cè)試邏輯描述。在測(cè)試執(zhí)行時(shí)通過(guò)測(cè)試腳本的數(shù)據(jù)特征字典由虛擬化信息轉(zhuǎn)變成實(shí)例化的裝置信息，保證測(cè)試腳本重用性的實(shí)現(xiàn)。
3.1 測(cè)試腳本語(yǔ)言規(guī)則
為了描述測(cè)試腳本中測(cè)試數(shù)據(jù)模型和測(cè)試邏輯，對(duì)測(cè)試腳本中相關(guān)的特征進(jìn)行約定，具體約定如表1。
除了對(duì)基本特征符號(hào)進(jìn)行語(yǔ)義約定，還規(guī)定一定語(yǔ)法規(guī)則，通過(guò)語(yǔ)義和語(yǔ)法規(guī)則的相結(jié)合，可豐富地表達(dá)測(cè)試腳本中基本操作語(yǔ)句和測(cè)試判據(jù)語(yǔ)句，從而為測(cè)試腳本的執(zhí)行奠定基礎(chǔ)。語(yǔ)句類(lèi)型如表2。
在語(yǔ)法規(guī)則上，約定測(cè)試腳本一行文本代表測(cè)試腳本一個(gè)條件操作或一個(gè)測(cè)試判決?！癧定值整定]DZ:電流I段定值=1.3(A)”語(yǔ)意為：定值整定操作，定值：電流I段定值設(shè)置為1.3 A。“[保護(hù)出口]YX：過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作=出口，OpTim=20~30(ms)”語(yǔ)意為：動(dòng)作出口判據(jù)，遙信：過(guò)流I段保護(hù)狀態(tài)出口，且出口動(dòng)作時(shí)間范圍20~30 ms。
測(cè)試腳本的類(lèi)型和測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)，并與測(cè)試內(nèi)容相關(guān)，表2列出系統(tǒng)使用到的測(cè)試語(yǔ)句類(lèi)型及含義。
語(yǔ)句類(lèi)型的定義要遵循一定原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些原則包括：
① 操作語(yǔ)句僅一個(gè)執(zhí)行對(duì)象。
② 判據(jù)語(yǔ)句僅一個(gè)判據(jù)來(lái)源對(duì)象。
③ 語(yǔ)句表達(dá)要完整準(zhǔn)確。操作語(yǔ)句的因果關(guān)系完整，判據(jù)語(yǔ)句要準(zhǔn)確而完整。
基于此考慮，測(cè)試腳本應(yīng)由專(zhuān)門(mén)工具編輯生成，腳本編輯工具設(shè)計(jì)必須充分滿足3個(gè)基本要求。另外，考慮到基于字符串描述的測(cè)試腳本，雖然很容易被解釋和理解，但如果在測(cè)試腳本編輯工具不進(jìn)行約束和控制，其編寫(xiě)出腳本差異性較大，且可能存在無(wú)法被測(cè)試腳本解析器識(shí)別的情況，因此，在測(cè)試腳本編輯工具中，所有的字符串不采用輸入法直接生成，而采用在選擇項(xiàng)目中進(jìn)行指定方式，有效避免測(cè)試腳本無(wú)規(guī)則生成，保證測(cè)試腳本解析器正常工作，為測(cè)試腳本到測(cè)試數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化奠定必要的基礎(chǔ)。
3.2 虛擬測(cè)試腳本的實(shí)例化
通過(guò)測(cè)試腳本編輯工具生成的測(cè)試腳本，從測(cè)試腳本中有關(guān)描述信息無(wú)法確定測(cè)試腳本真實(shí)**的信息，即測(cè)試腳本中數(shù)據(jù)是虛擬化的，需要將測(cè)試腳本中所涉及的特征信息實(shí)例化到具體設(shè)備對(duì)象和相應(yīng)信息模型上，虛擬化測(cè)試腳本才具備指導(dǎo)測(cè)試過(guò)程功能。
從繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試原理角度看，測(cè)試腳本應(yīng)該包括以下幾個(gè)相關(guān)設(shè)備相關(guān)信息：
① 被測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置；
② 數(shù)字化測(cè)試儀；
③ 其他可擴(kuò)展的設(shè)備控制對(duì)象。
其中①和②是繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基本設(shè)備，而其他可擴(kuò)展設(shè)備由于沒(méi)有明確的功能，暫不可以考慮。因此，虛擬測(cè)試腳本的實(shí)例化主要包括被測(cè)繼電保護(hù)裝置的特征信息和數(shù)字化測(cè)試儀特征信息的實(shí)例化兩方面的內(nèi)容。
3.2.1繼電保護(hù)裝置特征信息實(shí)例化
通過(guò)專(zhuān)用測(cè)試腳本編輯工具生成的測(cè)試腳本，在語(yǔ)句表達(dá)上完整且準(zhǔn)確，但由于沒(méi)有和被測(cè)裝置信息模型建立任何的聯(lián)系，此時(shí)測(cè)試腳本中數(shù)據(jù)是虛擬且無(wú)意義，無(wú)法作為指令集的載體提供給測(cè)試腳本執(zhí)行程序?qū)嶋H執(zhí)行。因此，將虛擬化測(cè)試腳本實(shí)例化是測(cè)試腳本執(zhí)行的關(guān)鍵步驟。
基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置與信息解析主站采用MMS報(bào)文方式，作為信息解析主站，保護(hù)裝置信息模型可以直接從SCD進(jìn)行導(dǎo)入生成，但在信息解析主站內(nèi)存中裝置的信息是以數(shù)據(jù)條目方式存在，當(dāng)然這種數(shù)據(jù)條目的數(shù)據(jù)與裝置信息模型的索引之間存在一對(duì)一映射關(guān)系。數(shù)據(jù)條目方式下裝置單個(gè)信息點(diǎn)就可以追加一個(gè)特征字或數(shù)據(jù)字典描述方式，這在信息解析主站的配置工具上是可以實(shí)現(xiàn)的。
虛擬化測(cè)試腳本中與裝置相關(guān)信息是特征字?jǐn)?shù)據(jù)字典，數(shù)據(jù)字典定義是按照保護(hù)功能為對(duì)象的，其覆蓋裝置信息模型的多個(gè)方面，如遙信、遙控、保護(hù)事件等。在單個(gè)裝置信息模型中，通過(guò)準(zhǔn)確信息類(lèi)型以及**數(shù)據(jù)字典，可在裝置信息模型中直接檢索到**對(duì)應(yīng)信息。
測(cè)試腳本加載時(shí)，先由腳本解析器讀取測(cè)試腳本，并根據(jù)被測(cè)裝置數(shù)據(jù)模型，由數(shù)據(jù)字典信息描述模型轉(zhuǎn)變含有具體保護(hù)裝置信息的測(cè)試數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)虛擬化測(cè)試腳本的實(shí)例化過(guò)程。實(shí)例化后的測(cè)試腳本含有被測(cè)裝置信息模型中的具體信息，為測(cè)試過(guò)程中測(cè)試操作和測(cè)試判據(jù)提供準(zhǔn)確信息模型數(shù)據(jù)，保證測(cè)試腳本作為測(cè)試指令集載體功能的實(shí)現(xiàn)。
圖3是虛擬化測(cè)試腳本實(shí)例化的過(guò)程。通過(guò)虛擬化測(cè)試腳本的設(shè)計(jì)，一是可以保證測(cè)試腳本是基于保護(hù)功能為對(duì)象實(shí)現(xiàn)；二是測(cè)試腳本關(guān)聯(lián)不是繼電保護(hù)裝置的具體信息，而是數(shù)據(jù)字典特征信息，可重用性好；三是通過(guò)測(cè)試腳本中試驗(yàn)條件可根據(jù)裝置模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，而測(cè)試判據(jù)不允許簡(jiǎn)化，可大大增強(qiáng)測(cè)試腳本面臨不同繼電保護(hù)裝置信息模型時(shí)的靈活性和原則性。
3.2.2 數(shù)字化測(cè)試儀關(guān)鍵信息實(shí)例化
在繼電保護(hù)裝置的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，數(shù)字化測(cè)試儀主要承擔(dān)兩個(gè)任務(wù)，即故障仿真輸出和保護(hù)裝置跳閘節(jié)點(diǎn)或GOOSE跳閘信號(hào)檢測(cè)，前者為測(cè)試操作條件，后者為測(cè)試判決。
為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試腳本跨裝置的使用，將與被測(cè)試裝置相關(guān)的配置信息和實(shí)際仿真數(shù)據(jù)隔離，配置信息僅在測(cè)試開(kāi)始進(jìn)行一次性加載，而故障數(shù)據(jù)只有在配置進(jìn)行加載完畢后，在測(cè)試過(guò)程中加載和使用。數(shù)字化測(cè)試儀故障仿真是以光信號(hào)方式輸出數(shù)字量，因存在多個(gè)通道同時(shí)輸出且受制于硬件的約束，其輸出的通道數(shù)量是有限的，因此數(shù)字化測(cè)試儀輸出時(shí)除了仿真數(shù)據(jù)，還存在輸出通道配置信息，而通道配置信息與被測(cè)裝置對(duì)象密切相關(guān)。測(cè)試腳本的跨裝置的使用，要求將數(shù)字化測(cè)試儀的輸出故障數(shù)據(jù)和通道配置信息隔離開(kāi)，測(cè)試腳本只包括與輸出故障有關(guān)的信息，而通道配置信息可在測(cè)試開(kāi)始時(shí)選擇裝置對(duì)象時(shí)進(jìn)行通道配置文件的關(guān)聯(lián)。
故障輸出數(shù)據(jù)可采用故障模板和故障數(shù)據(jù)相結(jié)合模式，故障模板指定故障輸出數(shù)據(jù)格式和基本數(shù)據(jù)，而故障數(shù)據(jù)則用來(lái)調(diào)整故障模板關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化測(cè)試儀故障數(shù)據(jù)控制的靈活性，減少故障仿真數(shù)據(jù)信息的大小。
GOOSE 相關(guān)其他配置也可配置信息中，這些配置信息和裝置模式配置是密切相關(guān)的，被測(cè)裝置一旦確定，配置信息無(wú)法進(jìn)行修改和調(diào)整，故在測(cè)試時(shí)進(jìn)行一次性加載即可，而GOOSE跳閘對(duì)象也采用特征描述，使用時(shí)進(jìn)行實(shí)例化處理方式。
3.3 測(cè)試腳本執(zhí)行流程
測(cè)試腳本的執(zhí)行流程是繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試邏輯實(shí)現(xiàn)流程。完整的測(cè)試腳本的執(zhí)行流程應(yīng)包括兩個(gè)階段。
1) 測(cè)試環(huán)境定制。測(cè)試環(huán)境定制包括3個(gè)部分內(nèi)容。
① 測(cè)試平臺(tái)的定制。繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)基于測(cè)試分布式設(shè)計(jì)思想而設(shè)計(jì)，自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)子模塊是可擴(kuò)充的，一方面測(cè)試子模塊個(gè)數(shù)需要根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要進(jìn)行配置，另一方面測(cè)試主模塊和各從模塊之間數(shù)據(jù)信息的交換需要合適配置參數(shù)，以保證測(cè)試過(guò)程中主模塊與從模塊信息交互的正確性。
② 子模塊配置參數(shù)。各子模塊的啟動(dòng)也需要配置一定的參數(shù)，如裝置信息解析模塊需要配置裝置數(shù)據(jù)庫(kù)信息，盡管這些裝置數(shù)據(jù)庫(kù)信息可以通過(guò)SCD文件導(dǎo)入而生成。信息解析模塊數(shù)據(jù)庫(kù)是虛擬測(cè)試案例實(shí)例化過(guò)程中關(guān)鍵步驟所需的信息。
③ 選擇被測(cè)裝置對(duì)象和數(shù)字化測(cè)試儀器通道配置信息。被測(cè)裝置對(duì)象是測(cè)試環(huán)境定制中子模塊配置參數(shù)中以SCD導(dǎo)入方式而完成，而數(shù)字化測(cè)試通道配置信息與被測(cè)裝置密切相關(guān)。
2) 測(cè)試腳本的執(zhí)行
① 加載測(cè)試腳本。加載測(cè)試腳本本質(zhì)上通過(guò)語(yǔ)法規(guī)則的定義，將解析測(cè)試腳本全部信息解析到內(nèi)存中。
② 測(cè)試腳本實(shí)例化。通過(guò)被加載測(cè)試腳本的特征信息，以一定的規(guī)則和被選擇測(cè)試裝置對(duì)象和數(shù)字化測(cè)試儀配置參數(shù)進(jìn)行檢索匹配，生成具有實(shí)際指定信息模型的實(shí)例化測(cè)試腳本。實(shí)例化測(cè)試腳本是指導(dǎo)后續(xù)測(cè)試過(guò)程的關(guān)鍵信息和命令集。
③ 測(cè)試腳本執(zhí)行。測(cè)試腳本的執(zhí)行是指主模塊將有關(guān)執(zhí)行命令傳遞給從模塊進(jìn)行執(zhí)行，同時(shí)通過(guò)從模塊中獲取反饋信息。測(cè)試腳本在完成實(shí)例后進(jìn)行測(cè)試邏輯控制和流程控制，執(zhí)行過(guò)程就是對(duì)測(cè)試中操作步驟按照前后邏輯關(guān)系進(jìn)行執(zhí)行，并在測(cè)試操作完成后進(jìn)行測(cè)試判據(jù)的檢查，并給出相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)或測(cè)試結(jié)果。
4 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)智能變電站繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)和測(cè)試要求的分析，提出以數(shù)字化測(cè)試儀為平臺(tái)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套基于智能變電站繼電保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯功能測(cè)試的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
