智能變電站二次系統的通信測試技術

魏 超

（山東黃金電力有限公司，山東 萊州 261400）

0 引 言

目前，國內外對于智能變電站的測試裝置主要是采用數字化繼電保護的測試儀器，僅能實現對各類裝置的單一測試，無法實現對不同種類自動化設備的全面集成測試。同時，實現基于人工修改參數，對不同的測試裝置進行逐一測試，這便會加大調試裝置的工作量，過程相對復雜，需要的時間比較長[1-5]。針對此種問題，相關技術人員從實際的測試需求展開分析，提出了許多對智能變電站設備通信測試的理論和原理，并且設計研發了一種集軟硬件一體的綜合測試系統，其目的是降低測試的流程和環節，提升測試的基本工作效率[6-10]。然而，隨著在測試過程中，缺乏高效統一的模板，并未對最終的測試展開相關的理論及實驗數據分析。

為了在應用過程中能夠最大限度地提升保護裝置的測試性能以及系統的測試效率，本文研究了聚焦變電站二次系統的通信測試工作，分析了在正常開展工作過程中的一般流程，并制定了相關的測試集成方案，此測試系統采用上位機和下位機結構方式，使用可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）通信語言作為數據傳輸的基本協議，搭建數據模板，能夠實時實現數據的自動保護、設置，研制變電站二次系統的測試裝置樣機，并在變電站內部進行現場的測試，進一步驗證系統的實際性能。

1 系統測試基本功能要求

1.1 功能設計

對于二次系統的通信測試，最先需要準備的是測試文件。測試文件要基于標準的配置文件描述方法變電站系統配置文件（Substation Configuration Description，SCD）來制定，同時文件要按照標準的變電站智能設備配置語言（Substation Configure Language，SCL）規范的基本要求進行配置，此文件是進行變電站之間信息傳遞的標準規范之一。SCD文件包含了站內各種需要配置的信息，為了提升在測試過程中裝置的穩定性能，在測試的首要環節便是要保障SCD文件的準確性。集成測試文件在開發過程中進行了SCD文件檢查以及相關的測試功能，在對協議進行驗證的過程中能夠實現和DL/T860協議的對接和匹配。

在完成測試文件配置之后，需要在配置文件的基礎上，對智能變電站的相關二次系統進行功能測試。集成測試系統中最重要的功能便是保障變電站功能的正常使用，集成測試系統能夠根據保護裝置實現對功能序列的基本定義，進而在具體應用過程中實現數據的自動加載。

1.2 測試流程介紹

根據上文所述，集成測試是基于XML語言進行模型的構建，從而建立強大的測試模型的數據庫。借助建立變電站的SCD文件對數據進行解析，獲取智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）的各類信息并進行數據的加載，所采集到的相關裝置信息，在系統中實現制造報文規范（Manufacturing Message Specification，MMS）相關協議，從而對測試過程中的各類裝置的數值及參數進行傳遞和分析，完成在整個測試過程中的數據傳輸。在測試過程中，其基本的數據流程如下。

（1）完成對相關裝置的型號及其他參數的采集之后，根據相關模板自動對測試項進行加載，從而構建相關的測試數據模型。

（2）在采集測試過程中的交流電流和電壓數據之后，能夠確定相關采樣是否存在數據異常，若存在采樣不正常的問題，則系統會給予采樣異常信號的預警，從而對測試環境進行預警。此種測試環境是導致測試過程中出現問題的最主要原因，必須對異常數據處理后重新啟動測試工作。

（3）對開出、入量進行數據采集，從而確定相關的開關是否處于正常工作的狀態。如果開關工作處于異常工作模式，則系統會給出開關量異常的提示，提示完成后，系統會自動結束測試工作。由于開關是否能夠正常工作影響著項目后續測試環節，因此需要對實驗過程中的相關開關進行優化和調整。

（4）軟壓板也是開展測試過程中非常重要的部件之一。在開展首次測試前需要對軟壓板進行準備，并使用微軟媒體服務器協議（Microsoft Media Server Protocol，MMS）對其保護數值進行自動加載，隨后開展相關的測試工作。若在軟壓板的動作方式不正常，則會出現信號異常信息，待異常處置完成后才可進行后續項目的測試工作。若設備在作業過程中，動作不正常，則需要對相關的設備參數和額定數值進行修改。

（5）待所有的測試項目完成之后，需要對測試項目進行關閉，最終形成項目的測試報告。最終完成測試全部流程。具體的流程如圖1所示。

圖1 測試工作的基本流程

1.3 系統的基本結構分析

根據上文所述，測試系統的結構分為上位機和下位機機構。下位機主要負責通信單元及其下位機構的系統管理，上位機系統主要負責具體的系統測試功能。從系統架構上講，上位機主要實現測試系統的硬件支撐，下位機系統主要實現對系統功能的軟件支撐。上位機和下位機主要通過通信管理的單元進行數據的傳遞和交換，交換協議支持標準的數據傳輸協議。

1.3.1 下位機

本文所使用的下位機主要選用嵌入式操作系統，其性能高，可支持大規模集成電路接口進行數據的傳輸。在傳輸過程中，各類數據接口以及外圍的芯片均可進行數據的傳遞和分析。本文所使用的下位機系統是vxWorks系統，主要負責數據的實時計算，形成數據的收發報文，最終實現數據的快速分析。同時，在實驗數據流程控制上，能夠實現對時功能，在上位機系統以及被測試的裝置中進行時鐘的同步。在下位機系統中主要使用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）開展數據的傳遞，從而與10/100 MHz的以太網進行數據通信，并且還支持Wi-Fi和上位機操作系統進行數據的交互，主要上傳的信息為，事件順序記錄（Sequence Of Event，SOE）以及故障的相關信息等。

高性能PC指處理器，作為下位機的主要CPU，其主頻能夠達到800 MHz，其中內部存在可支持浮點運算的單元模塊。此種模塊具備強大的數據運算和處理能力，能夠為系統建立起強大的數據處理單元，保障系統在測試過程中能夠健壯穩定的運行。

現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）使用模塊化的思想進行設計，主要依賴于硬件電路實現具體邏輯。其執行速度能夠達到納秒級別，從而可以將采集到的設備傳輸給下位機CPU，同時能夠對數據報文的發送時間進行控制，并將最終的數據處理結果傳輸給上位機CPU，從而實現繼電保護過程中不同格式的時間標記的轉化。FPGA和CPU之間的數據交換是使用高速串行計算機擴展總線標準（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）的協議，此種協議可實現大批量智能變電站的保護和測試。

1.3.2 上位機

作為純軟件部分，上位機是測試系統的輔助單元，能夠協助測試人員實現系統的主要功能，為用戶提供很好的人機交互界面。上位機的實現基本上是基于Windows和Linux平臺進行，上位機系統的基本結構如圖2所示。從上位機的功能模塊來看，主要分為參數配置模塊、測試模塊和通信模塊。參數配置模塊為測試和數據通信提供數據支撐，測試模塊負責結果的輸出，通信模塊負責和后臺應用進行交互。

圖2 上位機系統的基本結構

基于上文所述，上位機主要提供軟件的框架主體，為用戶提供良好的用戶體驗。支持各類擴展應用，不同擴展應用和整體框架之間采用XML語言作為通信協議。系統在開發過程中也要支持XML語言的模板搭建，并在此基礎上建立全面的數據模型庫，從而實現不同裝備廠家對系統接入的要求，為自動化測試動作提供全面的數據保障。XML語言的結構化和可兼容性的特點，使變電站和其他平臺之間能夠無縫進行數據對接，從而使得平臺能夠在很大程度上具備通用性的效果。測試模塊是測試模板的最直接組成元素。在模板配置基礎上，根據測試任務的具體要求，添加對相關參數、故障或測試點以及相應的測試報告的定義，就形成了完整的測試模塊。

2 結 論

隨著工業水平的不斷提高，工業用電數量呈現逐年增長的趨勢。傳統的變電站發電模式已經不支持高用電的要求，因此對發電機變電模式進行優化和創新勢在必行。然而，變電站相關二次系統的運行穩定性是影響變電站工作效率的最為關鍵指標因素，鑒于此本文進行了研究，介紹了在系統建設過程中對其開展測試工作的最主要環節。本文研制的智能變電站保護裝置集成測試系統分析了智能設備自動化測試流程，給出了保護裝置集成測試系統的硬件、軟件設計方案，系統的設計及實現能夠滿足設計之初的預期，測試效果能夠滿足保護設備的精度的基本要求，此裝置和系統具備一定的應用價值。