0  引言

隨著智能變電站的推廣和應用，基于IEC61850標準的繼電保護裝置在電力系統(tǒng)承擔越來越重要的角色，促進了智能電網(wǎng)的建設和發(fā)展[1-2]。智能變電站繼電保護裝置在模擬量采樣和保護跳閘方式的改變，直接影響到繼電保護裝置的研發(fā)、生產(chǎn)、調(diào)試和運行等多個環(huán)節(jié)[3-4]。

基于 IEC61850 標準的繼電保護裝置信息交互標準化為繼電保護測試及校驗帶來便利的條件，同時對新測試仿真設備提出了特殊的要求[5-6]。數(shù)字化測試儀的出現(xiàn)滿足其測試基本要求，同時非電氣量的故障數(shù)據(jù)仿真方式提高了測試設備電力故障仿真的精度，利于自動化測試技術的應用。

基于 IEC61850 標準的繼電保護自動測試系統(tǒng)成為各方關注焦點之一，數(shù)字化測試設備廠家開發(fā)自動測試系統(tǒng)因存在對繼電保護裝置信息模型認識所限[7-8]，可適用的被測對象有限，測試腳本易用性、重用性較低，需進一步改進和提高。本文提出以數(shù)字化測試儀為故障仿真設備，設計一套基于分布式結(jié)構的自動化測試平臺，定義一套完整而準確描述的語言，通過信息模型的特征化和測試腳本的實例化，提高了測試腳本的重用性。

1  系統(tǒng)原理及功能

與傳統(tǒng)繼電保護裝置相比，智能變電站繼電保護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裝置檢測方法沒有發(fā)生根本的變化[9-10]。作為智能變電站繼電保護裝置的自動測試平臺，其測試原理必須遵循繼電保護裝置使用要求和相關規(guī)程的要求，其測試原理沒有發(fā)生變化。

由于智能變電站繼電保護裝置采樣環(huán)節(jié)的變化，簡化了數(shù)字化測試儀硬件結(jié)構，提高了電力故障仿真數(shù)據(jù)精度和仿真模型數(shù)據(jù)的復雜性，這對豐富自動測試平臺功能有極大幫助。

自動測試系統(tǒng)除了電力系統(tǒng)故障仿真功能外，基于 IEC61850 標準繼電保護裝置的自動測試系統(tǒng)還應包含以下功能。

① 具備 IEC61850-9-1、IEC61850-9-2 和 FT3格式報文輸出能力。

② 具備閉環(huán)測試能力。

③ 具備IEC61850信息解析功能。

④ 測試腳本重用性。測試腳本以保護功能為對象，允許同一測試腳本可在不同類型裝置同類保護測試共用。

⑤ 繼電保護動作時間的測試。

⑥ 測試過程透明化。

為了從更廣的角度檢測繼電保護裝置的性能，增加通過繼電保護裝置產(chǎn)生的錄波數(shù)據(jù)的分析，判斷繼電保護動作時間及動作量是否符合規(guī)程及設計要求。

2   系統(tǒng)整體框架

根據(jù)繼電保護裝置測試的原理，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構框架如圖1所示。系統(tǒng)中使用數(shù)字測試儀將電力系統(tǒng)故障仿真數(shù)據(jù)上送給繼電保護裝置模擬量采用數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)數(shù)字化條件下的電力系統(tǒng)的故障仿真功能。

自動測試主機任務為控制數(shù)字測試儀故障輸出，通過 IEC61850 服務模型，實行對裝置定值和功能壓板的控制，并負責收集保護裝置發(fā)出跳閘報(GOOSE)時間檢測。

考慮到自動測試系統(tǒng)可擴展性以及軟件可維護性，將自動測試系統(tǒng)的軟件劃分4個部分來設計。

自動測試系統(tǒng)的軟件包括以下4個部分。

① 自動測試控制平臺。負責自動測試環(huán)境定制、測試任務的生成、執(zhí)行和管理工作，是自動測試系統(tǒng)的控制中心。

② 測試模型構建模塊。負責測試腳本的編輯、修改和生成，并將測試腳本以文件方式保存。

③ 裝置信息解析模塊。負責裝置IEC61850 的通信以及實現(xiàn)對繼電保護裝置信息解析和控制，并將相關信息提供給自動測試控制平臺使用。

④ 數(shù)字化測試儀控制模塊。其任務是控制數(shù)字化測試儀輸出并獲取數(shù)字化測試儀的測試返回結(jié)果，提供自動測試控制平臺使用。

3  測試腳本的設計

測試腳本是自動測試系統(tǒng)業(yè)務模型的載體和測試過程中判據(jù)的來源，測試腳本的內(nèi)容與測試邏輯密切相關。測試腳本的重用性高低決定了測試腳本的價值，也是自動測試系統(tǒng)優(yōu)劣關鍵衡量指標。

   基于測試腳本的可靠性和可讀性的考慮，測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)合描述語言，實現(xiàn)測試邏輯指令和測試數(shù)據(jù)的描述。通過特征邏輯符和特定的語法規(guī)則而生成的測試腳本，可以實現(xiàn)需要的測試邏輯描述。在測試執(zhí)行時通過測試腳本的數(shù)據(jù)特征字典由虛擬化信息轉(zhuǎn)變成實例化的裝置信息，保證測試腳本重用性的實現(xiàn)。

3.1 測試腳本語言規(guī)則  

為了描述測試腳本中測試數(shù)據(jù)模型和測試邏輯，對測試腳本中相關的特征進行約定，具體約定如表1。

除了對基本特征符號進行語義約定，還規(guī)定一定語法規(guī)則，通過語義和語法規(guī)則的相結(jié)合，可豐富地表達測試腳本中基本操作語句和測試判據(jù)語句，從而為測試腳本的執(zhí)行奠定基礎。語句類型如表2。

在語法規(guī)則上，約定測試腳本一行文本代表測試腳本一個條件操作或一個測試判決?！癧定值整定]DZ:電流I段定值=1.3(A)”語意為：定值整定操作，定值：電流I段定值設置為1.3 A?！癧保護出口]YX：過流I段保護動作=出口，OpTim=20~30(ms)”語意為：動作出口判據(jù)，遙信：過流I段保護狀態(tài)出口，且出口動作時間范圍20~30 ms。

測試腳本的類型和測試系統(tǒng)結(jié)構相關，并與測試內(nèi)容相關，表2列出系統(tǒng)使用到的測試語句類型及含義。

語句類型的定義要遵循一定原則進行設計，這些原則包括：

① 操作語句僅一個執(zhí)行對象。

② 判據(jù)語句僅一個判據(jù)來源對象。

③ 語句表達要完整準確。操作語句的因果關系完整，判據(jù)語句要準確而完整。

基于此考慮，測試腳本應由專門工具編輯生成，腳本編輯工具設計必須充分滿足3個基本要求。另外，考慮到基于字符串描述的測試腳本，雖然很容易被解釋和理解，但如果在測試腳本編輯工具不進行約束和控制，其編寫出腳本差異性較大，且可能存在無法被測試腳本解析器識別的情況，因此，在測試腳本編輯工具中，所有的字符串不采用輸入法直接生成，而采用在選擇項目中進行指定方式，有效避免測試腳本無規(guī)則生成，保證測試腳本解析器正常工作，為測試腳本到測試數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化奠定必要的基礎。

3.2 虛擬測試腳本的實例化

通過測試腳本編輯工具生成的測試腳本，從測試腳本中有關描述信息無法確定測試腳本真實**的信息，即測試腳本中數(shù)據(jù)是虛擬化的，需要將測試腳本中所涉及的特征信息實例化到具體設備對象和相應信息模型上，虛擬化測試腳本才具備指導測試過程功能。

從繼電保護裝置自動測試原理角度看，測試腳本應該包括以下幾個相關設備相關信息：

① 被測試繼電保護裝置；

② 數(shù)字化測試儀；

③ 其他可擴展的設備控制對象。  

其中①和②是繼電保護裝置自動測試系統(tǒng)的基本設備，而其他可擴展設備由于沒有明確的功能，暫不可以考慮。因此，虛擬測試腳本的實例化主要包括被測繼電保護裝置的特征信息和數(shù)字化測試儀特征信息的實例化兩方面的內(nèi)容。

3.2.1繼電保護裝置特征信息實例化

通過專用測試腳本編輯工具生成的測試腳本，在語句表達上完整且準確，但由于沒有和被測裝置信息模型建立任何的聯(lián)系，此時測試腳本中數(shù)據(jù)是虛擬且無意義，無法作為指令集的載體提供給測試腳本執(zhí)行程序?qū)嶋H執(zhí)行。因此，將虛擬化測試腳本實例化是測試腳本執(zhí)行的關鍵步驟。

基于IEC61850標準的繼電保護裝置與信息解析主站采用MMS報文方式，作為信息解析主站，保護裝置信息模型可以直接從SCD進行導入生成，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一映射關系。數(shù)據(jù)條目方式下裝置單個信息點就可以追加一個特征字或數(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現(xiàn)的。

虛擬化測試腳本中與裝置相關信息是特征字數(shù)據(jù)字典，數(shù)據(jù)字典定義是按照保護功能為對象的，其覆蓋裝置信息模型的多個方面，如遙信、遙控、保護事件等。在單個裝置信息模型中，通過準確信息類型以及**數(shù)據(jù)字典，可在裝置信息模型中直接檢索到**對應信息。

測試腳本加載時，先由腳本解析器讀取測試腳本，并根據(jù)被測裝置數(shù)據(jù)模型，由數(shù)據(jù)字典信息描述模型轉(zhuǎn)變含有具體保護裝置信息的測試數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)虛擬化測試腳本的實例化過程。實例化后的測試腳本含有被測裝置信息模型中的具體信息，為測試過程中測試操作和測試判據(jù)提供準確信息模型數(shù)據(jù)，保證測試腳本作為測試指令集載體功能的實現(xiàn)。

圖3是虛擬化測試腳本實例化的過程。通過虛擬化測試腳本的設計，一是可以保證測試腳本是基于保護功能為對象實現(xiàn)；二是測試腳本關聯(lián)不是繼電保護裝置的具體信息，而是數(shù)據(jù)字典特征信息，可重用性好；三是通過測試腳本中試驗條件可根據(jù)裝置模型進行簡化，而測試判據(jù)不允許簡化，可大大增強測試腳本面臨不同繼電保護裝置信息模型時的靈活性和原則性。

3.2.2 數(shù)字化測試儀關鍵信息實例化

在繼電保護裝置的自動測試系統(tǒng)中，數(shù)字化測試儀主要承擔兩個任務，即故障仿真輸出和保護裝置跳閘節(jié)點或GOOSE跳閘信號檢測，前者為測試操作條件，后者為測試判決。

為了實現(xiàn)測試腳本跨裝置的使用，將與被測試裝置相關的配置信息和實際仿真數(shù)據(jù)隔離，配置信息僅在測試開始進行一次性加載，而故障數(shù)據(jù)只有在配置進行加載完畢后，在測試過程中加載和使用。數(shù)字化測試儀故障仿真是以光信號方式輸出數(shù)字量，因存在多個通道同時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)字化測試儀輸出時除了仿真數(shù)據(jù)，還存在輸出通道配置信息，而通道配置信息與被測裝置對象密切相關。測試腳本的跨裝置的使用，要求將數(shù)字化測試儀的輸出故障數(shù)據(jù)和通道配置信息隔離開，測試腳本只包括與輸出故障有關的信息，而通道配置信息可在測試開始時選擇裝置對象時進行通道配置文件的關聯(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)則用來調(diào)整故障模板關鍵數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對數(shù)字化測試儀故障數(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的，被測裝置一旦確定，配置信息無法進行修改和調(diào)整，故在測試時進行一次性加載即可，而GOOSE跳閘對象也采用特征描述，使用時進行實例化處理方式。

3.3 測試腳本執(zhí)行流程

測試腳本的執(zhí)行流程是繼電保護裝置自動測試邏輯實現(xiàn)流程。完整的測試腳本的執(zhí)行流程應包括兩個階段。

1) 測試環(huán)境定制。測試環(huán)境定制包括3個部分內(nèi)容。

① 測試平臺的定制。繼電保護裝置自動測試平臺基于測試分布式設計思想而設計，自動測試平臺子模塊是可擴充的，一方面測試子模塊個數(shù)需要根據(jù)實際測試需要進行配置，另一方面測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)，以保證測試過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)庫信息，盡管這些裝置數(shù)據(jù)庫信息可以通過SCD文件導入而生成。信息解析模塊數(shù)據(jù)庫是虛擬測試案例實例化過程中關鍵步驟所需的信息。

③ 選擇被測裝置對象和數(shù)字化測試儀器通道配置信息。被測裝置對象是測試環(huán)境定制中子模塊配置參數(shù)中以SCD導入方式而完成，而數(shù)字化測試通道配置信息與被測裝置密切相關。

2) 測試腳本的執(zhí)行

① 加載測試腳本。加載測試腳本本質(zhì)上通過語法規(guī)則的定義，將解析測試腳本全部信息解析到內(nèi)存中。

② 測試腳本實例化。通過被加載測試腳本的特征信息，以一定的規(guī)則和被選擇測試裝置對象和數(shù)字化測試儀配置參數(shù)進行檢索匹配，生成具有實際指定信息模型的實例化測試腳本。實例化測試腳本是指導后續(xù)測試過程的關鍵信息和命令集。

③ 測試腳本執(zhí)行。測試腳本的執(zhí)行是指主模塊將有關執(zhí)行命令傳遞給從模塊進行執(zhí)行，同時通過從模塊中獲取反饋信息。測試腳本在完成實例后進行測試邏輯控制和流程控制，執(zhí)行過程就是對測試中操作步驟按照前后邏輯關系進行執(zhí)行，并在測試操作完成后進行測試判據(jù)的檢查，并給出相應測試數(shù)據(jù)或測試結(jié)果。

4  結(jié)論

本文通過對智能變電站繼電保護裝置的特點和測試要求的分析，提出以數(shù)字化測試儀為平臺的自動測試系統(tǒng)，設計了一套基于智能變電站繼電保護裝置的保護邏輯功能測試的自動測試系統(tǒng)。