就地化保护工厂化测试系统技术研究及应用

国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司、武汉凯默电气有限有限公司的研究人员陈泽华、陈勇、罗建平、周坤、王义波，在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文，从就地化保护现状出发，详细阐述就地化保护测试接口数量不足、保护装置定值无法管理、测试效率低等问题，通过对就地化保护装置的菜单建模及通信方式进行研究，设计一种就地化保护工厂化测试系统，对不同类型不同电压等级的就地化保护装置进行一键式自动测试，并结合工程应用实例，验证本测试系统可有效缩短变电站运维检修周期，提高工作效率，保障电网安全稳定运行。

就地化保护通过靠近站内一次设备就地布置相关保护装置，采用电缆直接采样、直接跳闸的方式，减少合并单元、智能终端等中间传输环节，提升保护装置的可靠性与速动性；根据标准化接口设计，采用标准航空插头进行插接，实现就地化保护装置的即插即用、模块化安装、工厂化调试和更换式检修，从而减少停电时间，提升工作质量和效率；采用一体化设计，将单间隔功能纵向集成，实现保护装置外观小型化、功能集成化，减少设备种类和数量，大幅度降低站内设备缺陷率。

为了考验就地化保护装置耐受极端天气的能力，已在新疆吐鲁番、黑龙江漠河、浙江舟山等8个典型特殊气候地区挂网运行。在湖北地区，目前已在500kV玉贤变、110kV宋山变等典型变电站进行挂网试运行，装置运行至今经受住了考验，正确发挥了保护功能。

2018年，国网公司总部科技项目《就地化保护构建方案及关键技术研究》立项成功，国家标准《就地化继电保护装置技术规范》立项成功，标志着就地化保护的研究和发展走向了新的一步。就地化保护的整站实施方案正在进一步扩充和完善；变压器保护的集中式和分布式运行模式，母线保护的积木式运行模式[6]正在深入推演和论证；基于三网合一的保护专网方案首次应用在继电保护系统中，具体实施细节和相关管理方案仍在积极研究和探索过程中。

这些研究和试点工作使得就地化保护的技术细节不断完善，技术方案不断成熟，相关标准、规范逐渐成型，装置和配套系统得到更加有力的推广应用。在多地域、多时段的试点中，从方案本身到管理措施以及运行维护策略，都得到了长足的发展。

但是，伴随着就地化保护技术的不断发展，尚缺乏专门针对就地化保护特点的测试手段和测试装置，不利于未来就地化保护大面积推广后的现场运维和专业检修工作。

目前，就地化保护测试存在以下问题：

1）传统测试仪输出模拟量、开关量数量不足，管理平台软件性能有限，难以满足母差保护、主变保护等多间隔保护自动化测试的要求，测试过程中必须人工改变配置、频繁换线，测试人员必须在具有足够专业背景的前提下充分理解就地化新模式。

2）就地化保护装置本体并未配置人机界面，需要测试仪通过保护专网口进行定值的下装和相关状态的管理，而传统测试仪并未配备三网合一网络模块，无法进行相关操作。

3）就地化保护系统采用“工厂化调试”和“更换式检修”新模式，目前在现场和更换式检修中心均没有成熟的测试设备和测试方案可供使用，低效率的手工连接、人工加量是目前惟一测试方法，不满足就地化保护减少人员承载压力的初衷。

综上所述，现有的模拟量测试仪、数字式测试仪以及数模一体测试仪均无法满足就地化保护测试的实际需求，现有测试方案对试验软、硬件设备以及测试人员专业水平有极高要求。伴随着就地化保护的飞速发展，亟需一套足以满足就地化保护测试需求的就地化保护工厂化测试系统。

1  就地化保护工厂化测试系统的开发

1.1  测试系统架构设计

本文从就地化保护测试[需求出发，研究三网合一保护专网技术，开发智能化、自动化、界面友好的测试系统，从而完善测试项目和测试流程。考察不同类型、不同电压等级的就地化保护采用的标准连接器接口，取其接口“最大集”，即连接器接口数量最多（集中式主变连接器接口数量最多为6个），各连接器接口插针芯数最多（开入+电源21芯、开出37芯、光纤16芯、交流24芯），作为本测试系统的标准航插转接区；输出模拟量电压至少24路，输出模拟量电流至少27路；开入量至少128路，开出量至少64路。测试系统架构设计如图1所示。

图1  测试系统架构图

就地化保护工厂化测试系统主要包括电压电流功放、开入开出量、光耦（DI/DO）、DA转换器、标准航插转接区、光以太网口、对时口、工控机、嵌入式32位CPU以及高性能现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）组成，可实现无航插模式和有航插模式两种方式测试。

无航插模式：测试系统通过16位DA转换器对外输出模拟量电压和电流，通过开入量接收位置信号，开出量控制位置的闭合与断开，测试系统可直接与就地化保护装置的端子排连接进行测试。

有航插模式：测试系统的标准航插转接区与就地化保护航插相连，另一端线头散开，通过标签标识等方式告知线头定义，指导用户与端子排接线。

整个测试可实现测试环境配置、测试用例管理和自动测试过程管理的功能，满足多种就地化保护类型的测试需求。

1.2  测试系统软件架构

就地化保护工厂化测试系统软件架构如图2所示，由虚拟仿真、一键测试、全站仿真、通信分析四大功能模块和系统配置、数据总线、数据采集服务等公共服务组件构成，实现了系统的数据共享和高度集成。

图2  软件架构图

四大模块提供了制造报文规范（manufacturing message specification, MMS）标准数据源、一键下载及备份、变电站配置描述（substation configuration description, SCD）可视化、虚对实仿真、虚对虚仿真、保护信息监测、测试过程自动控制、测试报告自动生成、通信监视、专网检测等功能，极大地丰富了就地化保护测试的高级应用。

数据采集服务采集相关数据，并通过数据总线将数据提供给各个功能模块进行业务应用，利用数据总线各个线程之间的互斥性保证数据的完整性以及惟一性。测试系统采用统一的配置功能，例如基本设置、SCD设置、智能电子设备（intelligent electronic device, IED）模型映射、参数设置等，四大功能模块共用同一套配置，缩短配置时间，提高配置效率。

2  就地化保护检修模式

就地化保护采用“工厂化调试”和“更换式检修”新模式。新型检修模式的采用对于就地化保护装置的测试提出了新的要求。根据《就地化保护运维技术导则》征求意见稿，以及《继电保护十年发展纲要》的要求，就地化保护的检验流程如图3所示。

在就地化保护“工厂化调试”的新模式下，工厂化调试依托工厂化调试中心，主要负责新建、改（扩）建工程的就地化保护装置集中调试，通过搭建仿真测试环境，完成系统组态配置、就地化保护装置单体检验和全站就地化保护装置检验，并出具测试合格报告。

如图4所示为就地化保护更换式检修检验流程，在就地化保护“更换式检修”的新模式下，更换式检修采用“先调试、后更换”的原则，依托更换式检修中心，主要负责就地化保护装置的运维、检修、管理，通过采用更换方式替换故障或异常设备，出具更换式检修测试合格报告，并进行故障跟踪。

图3  就地化保护工厂化调试检验流程

图4  就地化保护更换式检修检验流程

3  就地化保护装置的菜单建模与通信

就地化保护装置由于其工作环境比较恶劣，不适宜在装置中添加人机接口（human machine interface, HMI），相应的菜单功能通过IEC 61850方式（建模、通信服务）实现，这给运维工作带来了诸多不便。为了解决此问题，向就地化保护装置添加了远程管理功能，将人机接口功能建模为一个独立的逻辑设备，包含装置所支持的所有远

程界面显示信息的建模。就地化保护装置模型文件的菜单及其所包含的数据信息，遵循Q/GDW 1161—2013的规定，通过在模型文件中远程管理逻辑设备（logic device, LD）下定义对应的数据集和数据集成员的方式实现，数据集成员与菜单下的数据对象具有一一对应关系，数据集成员可以引用本LD下的数据对象，也可以跨LD引用数据对象。相关模型如图5所示。

图5  通信与功能模型

就地化保护工厂化测试系统提供了人机交互功能，通过IEC 61850连接就地化保护装置，实现就地化保护装置的远程管理功能。并通过代理服务模式实现与就地化保护的通信，进行查看保护装置参数、查看保护装置定值、修改保护装置定值、投退软压板等操作，菜单功能与模型逻辑设备管理单元（manager, MGR）中描述的数据集一一对应。

将就地化保护模型导入到本地数据库中，从而建立界面菜单与模型中的数据集的对应关系。例如，一级菜单“信息查看”下面的“SV状态”菜单显示的数据集是dsMgrSVStat中的数据，“告警信息”菜单显示的数据集是dsMgrAlarm中的数据。

4  一键式自动测试原理

就地化保护装置在定值、型号、接口、通信规约、保护配置方案上统一定义，有着高度的一致性，为一键式自动测试的测试模板在不同厂家和型号之间的复用提供了技术基础。

在测试系统软件内根据内置的就地化保护装置测试功能模块编辑生成一键式自动测试模板，通过电以太网接口与MMS网相连，与被测IED进行MMS报文交互，召唤并远程进行修改就地化保护装置的压板、定值、控制字等信息，实现单独对保护子机功能进行测试；实现保护装置的采样精度、虚端子正确性、保护动作定值和动作时间的自动测试。

实现母线保护、主变保护等跨间隔保护主机和子机的整体测试，实现基于测试方案的输入信号自动模拟、输出信息验证、测试过程自动记录等功能。测试报告项目齐全，包含“是否合格”的结论性清单列表，且支持全部或部分报告打印。

测试过程顺序执行检验项目，检验项目之间可间隔一定的时间；每一条试验项目，逐一执行各类操作，每类操作具有各自的执行判断；每一条试验项目结束后，自动记录相关结果信息。测试结束后，测试系统自动将检验记录按照模板格式生成检验报告，包含装置信息、检验项目、检验结果及结果判定信息。

测试流程整体示意图如图6所示。测试软件可以自动记录保护装置的硬件信息、软件版本信息，自动统计并记录保护动作值及动作时间，测试人员可以专注于技术分析，减少不必要的劳动。

5  工程应用实例

现以湖北省某220kV就地化变电站为例简要说明就地化保护工厂化测试系统的工程应用情况。

图6  一键式自动测试流程示意图

就地化保护工厂化测试系统可通过有航插或无航插模式与被测就地化保护连接，测试前在测试系统软件内根据内置的保护测试功能模块编辑生成一键式测试模板，如图7所示。一键式测试模板的编写采用图形化、模块化等用户友好的方式，即使是一般用户也可根据自身的测试需求简单完成模板的编写，也可以采取形成测试用例数据库，每次测试前从库中调取测试用例的方式。

测试人员仅需要编写一键式测试模板或从数据库中调取测试模板，并在测试系统和被测就地化保护之间做好必要的连线，即可一键式完成所需的测试项目，实现测试全过程实时监视，并能自动生成测试报告，如图8所示。

图7  测试软件界面

图8  自动生成测试报告

6  结论

就地化保护装置基于标准化接口设计，采用标准航空插头进行插接，实现各个保护厂家同种类型装置的互换，提高了就地化保护装置的安装效率。标准化航空插头接口实现“即插即用”，操作简易高效，减少了停电时间，提高了作业安全性。

通过对就地化保护工厂化测试系统技术及应用的研究，可实现“工厂化调试”和“更换式检修”。现场检修时，可仅进行整机更换，替换下的装置利用测试系统进行批量、自动化测试，从而提升运维效率，减少后期测试的时间和人员投入，提升就地化保护装置整体测试调试效率，进一步提高变电站安全稳定运行的可靠性。

本文编自2020年第8期《电气技术》，标题为“就地化保护工厂化测试系统技术研究及应用”，作者为陈泽华、陈勇、罗建平、周坤、王义波。