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)試和運行等多個環(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)測試及校驗帶來便利的條件，同時對新測試仿真設(shè)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(shè)備電力故障仿真的精度，利于自動化測試技術(shù)的應(yīng)用。

基于 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)自動測試系統(tǒng)成為各方關(guān)注焦點之一，數(shù)字化測試設(shè)備廠家開發(fā)自動測試系統(tǒng)因存在對繼電保護(hù)裝置信息模型認(rèn)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(jìn)一步改進(jìn)和提高。本文提出以數(shù)字化測試儀為故障仿真設(shè)備，設(shè)計一套基于分布式結(jié)構(gòu)的自動化測試平臺，定義一套完整而準(zhǔn)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(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(hù)裝置的自動測試平臺，其測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，其測試原理沒有發(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，簡化了數(shù)字化測試儀硬件結(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(biāo)準(zhǔn)繼電保護(hù)裝置的自動測試系統(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(hù)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(hù)測試共用。

⑤ 繼電保護(hù)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(hù)裝置的性能，增加通過繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生的錄波數(shù)據(jù)的分析，判斷繼電保護(hù)動作時間及動作量是否符合規(guī)程及設(shè)計要求。

2   系統(tǒng)整體框架

根據(jù)繼電保護(hù)裝置測試的原理，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(jī)任務(wù)為控制數(shù)字測試儀故障輸出，通過 IEC61850 服務(wù)模型，實行對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(GOOSE)時間檢測。

考慮到自動測試系統(tǒng)可擴(kuò)展性以及軟件可維護(hù)性，將自動測試系統(tǒng)的軟件劃分4個部分來設(shè)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(fù)責(zé)自動測試環(huán)境定制、測試任務(wù)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(gòu)建模塊。負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)裝置IEC61850 的通信以及實現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置信息解析和控制，并將相關(guān)信息提供給自動測試控制平臺使用。

④ 數(shù)字化測試儀控制模塊。其任務(wù)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(shè)計

測試腳本是自動測試系統(tǒng)業(yè)務(wù)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(guān)。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(guān)鍵衡量指標(biāo)。

   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(guān)的特征進(jìn)行約定，具體約定如表1。

除了對基本特征符號進(jìn)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(dá)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(chǔ)。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。“[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(shè)置為1.3 A?！癧保護(hù)出口]YX：過流I段保護(hù)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(hù)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(gòu)相關(guān)，并與測試內(nèi)容相關(guān)，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(jìn)行設(shè)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(dá)要完整準(zhǔn)確。操作語句的因果關(guān)系完整，判據(jù)語句要準(zhǔn)確而完整。

基于此考慮，測試腳本應(yīng)由專門工具編輯生成，腳本編輯工具設(shè)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(jìn)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(jìn)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(chǔ)。

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(guān)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(shè)備對象和相應(yīng)信息模型上，虛擬化測試腳本才具備指導(dǎo)測試過程功能。

從繼電保護(hù)裝置自動測試原理角度看，測試腳本應(yīng)該包括以下幾個相關(guān)設(shè)備相關(guān)信息：

① 被測試?yán)^電保護(hù)裝置；

② 數(shù)字化測試儀；

③ 其他可擴(kuò)展的設(shè)備控制對象。  

其中①和②是繼電保護(hù)裝置自動測試系統(tǒng)的基本設(shè)備，而其他可擴(kuò)展設(shè)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(hù)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(hù)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(dá)上完整且準(zhǔn)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(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一映射關(guān)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(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)功能為對象的，其覆蓋裝置信息模型的多個方面，如遙信、遙控、保護(hù)事件等。在單個裝置信息模型中，通過準(zhǔn)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(yīng)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(hù)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(zhǔn)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(shè)計，一是可以保證測試腳本是基于保護(hù)功能為對象實現(xiàn)；二是測試腳本關(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；三是通過測試腳本中試驗條件可根據(jù)裝置模型進(jìn)行簡化，而測試判據(jù)不允許簡化，可大大增強(qiáng)測試腳本面臨不同繼電保護(hù)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(guān)鍵信息實例化

在繼電保護(hù)裝置的自動測試系統(tǒng)中，數(shù)字化測試儀主要承擔(dān)兩個任務(wù)，即故障仿真輸出和保護(hù)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(guān)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(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(guān)。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(guān)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(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)則用來調(diào)整故障模板關(guān)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(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，被測裝置一旦確定，配置信息無法進(jìn)行修改和調(diào)整，故在測試時進(jìn)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(jìn)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(hù)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(yīng)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(hù)裝置自動測試平臺基于測試分布式設(shè)計思想而設(shè)計，自動測試平臺子模塊是可擴(kuò)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(jìn)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(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(guān)。

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(jìn)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(dǎo)后續(xù)測試過程的關(guān)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(guān)執(zhí)行命令傳遞給從模塊進(jìn)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(jìn)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(guān)系進(jìn)行執(zhí)行，并在測試操作完成后進(jìn)行測試判據(jù)的檢查，并給出相應(yīng)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(hù)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(shè)計了一套基于智能變電站繼電保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯功能測試的自動測試系統(tǒng)。