摘要：为了提高智能变电站各设备测试效率，实现自动集成的一体化测试，本文分析了智能变电站一体化测试项目并提出了相应的平台设计方案。首先，分析了智能变电站的架构特点，从可能造成较大风险的薄弱环节梳理了智能变电站设备脆弱点以及回路脆弱点。然后，针对故障脆弱点提出了智能变电站一体化测试方法，包括设备的测试方法以及回路的测试方法。最后，开发了相应的一体化测试平台，并从硬件和软件需求两方面分析一体化测试平台的具体方案。
关键词：智能变电站；运维；一体化测试；测试平台
Abstract: In order to improve the testing efficiency of smart substation equipment, and automatically realize integrated testing, this paper analyzes the smart substation integration test project and proposes a corresponding platform design scheme. Firstly, the characteristics of the intelligent substations are analyzed, and the weak points of the smart substation equipment and the vulnerable points are combed from the weaknesses that may cause great risks. Then, an intelligent substation integration test method was proposed for failure vulnerability points, including equipment testing methods and circuit testing methods. Finally, a corresponding integrated test platform was developed, and the specific scheme of the integrated test platform was analyzed from both hardware and software requirements.
Key words: smart substation, operation and maintenance, integrated testing, testing platform
1 引言
智能变电站以全站信息数字化，通信平台网络化以及信息共享标准化为基本特征，其架构体系、功能实现、运行维护等方面与常规变电站相比均发生了巨大的变化[1]。测试作为变电站运维工作的一项重要内容，是保证相关功能正常发挥作用，保障系统安全稳定的重要环节。与常规变电站测试相比，智能变电站的测试技术还需要适应智能变电站技术的特点。当前智能变电站的测试基本仍沿用常规变电站测试方法，即分装置单体测试。分装置单体测试以单一装置为测试对象，并配置对应的测试工具，根据测试对象的功能进行针对性验证[2]。这种方法操作复杂且效率低下，其弊端日益凸显，针对这个问题，一体化测试方法应运而生。一体化测试将多种变电站设备作为整体进行完整测试，其测试工具集合多种设备功能校验的功能，不仅简化了测试工具还具备测试系统级功能的优势，可以有效利用智能变电站设备间信息互联的技术特点。
文献[3]提出了一种无需插拔光纤与变更保护定值的“非侵入式”测试技术，展现了智能变电站运维测试的独特优势。文献[4]开发了一种智能变电站系统级测试平台，并提出了设备单体测试与设备间联合测试的方法。文献[5]提出了协同测试的概念并研制了一种能够等值智能变电站继电保护设备外部特性，并同时兼容不同变电站配置文件的软件系统，以此来测试智能变电站继电保护设备之间的配合情况。文献[6]和[7]提出了系统级测试的概念，并提出了一系列测试方法。文献[8]-[12]则主要从硬件测试工具的角度研究一体化测试方法的可行性。
为了自动、集成地实现智能变电站各设备的测试，提高测试效率，本文首先分析了智能变电站的架构特点与故障脆弱点，针对故障脆弱点提出了智能变电站一体化测试方法，最后开发了相应的一体化测试平台。
2 智能变电站故障脆弱点分析
2.1智能变电站架构分析
智能变电站采用“三层两网”架构（如图1），设备按照部署位置可以划分为过程层设备、间隔层设备和站控层设备，过程层设备包括合并单元、智能终端等，间隔层设备包括保护IED (智能电子设备，intelligent electronic device) 等，站控层设备包括保信子站服务器、故障录波IED、网络分析仪等。设备之间以光纤互联方式取代常规变电站中电缆点对点连接方式[13]。
图1 智能变电站架构示意图
不同层之间的设备通过交换机搭建的通信网络实现数据传输共享。网络可以划分为过程层网络和站控层网络，分别承载以SV、GOOSE报文为主的过程层信息和以MMS报文为主的站控层信息。
智能变电站的故障脆弱点指的是在运行过程中智能变电站内更易发生故障或发生故障后风险更大的环节或部位。针对故障脆弱点进行管控可以更有效地提高智能变电站可靠性。根据图1所示的智能变电站架构体系，本文将智能变电站的故障脆弱点分为设备故障脆弱点和回路故障脆弱点，下文根据这两点展开叙述。
2.2设备故障脆弱点
本节根据智能变电站的基本设备列举主要的设备故障脆弱点，如下表所示：
表1 智能变电站主要设备故障脆弱点
表2 智能变电站主要回路故障脆弱点
2.3回路故障脆弱点
智能变电站中各设备之间主要通过光纤互联的通信网络实现数据交互，因此构成智能变电站回路的主要为光纤、交换机以及通信网络。如下表2所示为智能变电站主要回路故障脆弱点。
3 基于故障脆弱点的一体化测试项目分析
根据2.2和2.3小节的分析，可以提出针对上述故障脆弱点的智能变电站测试内容，为一体化测试工具提供内容基础。下面从针对设备和回路两类故障脆弱点两个方面展开分析智能变电站一体化测试的项目分析。
3.1针对设备故障脆弱点的测试项目分析
（1）合并单元
对于合并单元的测试，测试工具应能具备如下的功能：能自动测试采样值幅值、相位、频率，复合误差；能自动完成绝对延时测试、对时性能测试；能完成报文时间均匀性统计及测试。
（2）智能终端
对于智能终端测试，测试工具应能进行智能GOOSE传输延时测试。
（3）保护IED
根据传统定期检验的项目，对于保护IED的测试应能模拟间隔一次设备上的故障点，在网络背景下测试保护IED是否存在误动、拒动、越级动作等异常动作行为，从而能测试保护IED的故障分析和动作性能。
（4）故障录波IED
对于故障录波装置的测试，测试工具应能完成通道采样精度输出校验、开入开出来量校验，并具备自动回采数据的功能。
（5）网络分析仪
对于网络分析仪的测试方法，测试工具应能模拟输出各种报文，如GOOSE、SV、PTP报文，能分别加保护、测量电流、电压，回采网分的采样值，进行精度测试；测试装置发布动作报文，回采网分保护动作报文及开关变位信息。测试装置发布遥信变位报文，回采网分遥信变位报文及报警报文。
3.2针对回路故障脆弱点的测试项目分析
对于回路故障脆弱点而言，测试工具应能实现吞吐量测试、时延测试、丢帧率测试、错误帧测试、VLAN测试。以上各种测试的需求分析如下：
（1）吞吐量测试：
1)测试工具应能设置测试时间、帧长度，并能选择标准帧长；
2)测试工具支持端口一对一、多对多、全网状测试模式；
3)测试工具支持步长递变搜索方式和二分法搜索方式；
4)支持图形化显示结果。
（2）时延测试：
1)测试工具可设置测试时间、帧长度、测试速率，并可选择标准帧长；
2)测试工具支持存储转发模式和直通交换模式；
3)时延结果应包含最大时延、最小时延、平均时延、最大时延抖动、最小时延抖动、平均时延抖动；
4)支持图形化显示结果。
（3）丢帧率测试：
1)测试工具可设置测试时间、帧长度、测试速率，并可选择标准帧长；
2)支持图形化显示结果。
（4）错误帧测试功能：
1)设置超短帧范围40字节至63字节；
2)设置超长帧范围1519字节至2000字节；
3)结果应包含发送帧统计和接收帧统计。
（5）VLAN测试：
1)设置DUT设备端口数量，VLAN搜索范围（1至4094）；
2)支持图形化显示结果。
4 智能变电站一体化测试平台设计
4.1平台设计
根据本文内容，研发了一套智能变电站一体化测试平台，平台架构如图2所示。测试平台分为接口层、通信模块以及软件层。
4.2硬件设计
测试平台除了要满足3.1和3.2节测试功能的需求外，其硬件设计也应当适应智能变电站一体化测试的需求，具体如下：
（1）测试模块应适应多样化设备类型
为了满足合并单元、智能终端、保护IED、故障录波IED、网络分析仪、交换机等多种类设备的测试功能，测试工具的测试模块应能按控制台方式组合成各个分功能的测试模块，并通过控制台来启动分功能的测试模块，测试模块可根据测试对象命名，例如：对于保护测控IED、合并单元、智能终端的测试模块，在启动页面中可命名为“继保测试”。
图2 智能变电站一体化测试平台架构示意图
（2）测试工具应具备多样化接口
智能变电站的各类设备接口多样，为了实现一体化测试，测试工具应具备多样化接口。
目前智能变电站220kV过程层的保护IED模拟量采用电缆直接接入，110kV保护IED可采用SV组网或模拟量电缆直接接入，保护IED的跳闸均采用GOOSE组网。此外，稳控装置、录波装置等均采用SV、GOOSE组网方式。为满足智能变电站各种组网方式的测试要求，测试工具需具备如下表3所示的接口：
表3 智能变电站一体化测试工具接口
（3）测试案例应具备标准化功能原理
一体化测试不仅能实现分装置单体测试，还能实现多装置组合测试。智能变电站各种设备的功能原理、校验方法不尽相同，因此测试工具应实现存储好各类设备的标准化测试案例，案例中具备各类设备的标准化功能原理。
（4）测试软件应适应多样化通讯协议
智能变电站内不仅有采用IEC 61850通信规约的智能电子设备，还可能有一些采用IEC 101、IEC 103或IEC 104规约的传统装置。因此，测试工具的软件需具备多样通信规约才能满足测试的需求。
图3 智能变电站一体化测试平台软件架构图
4.3软件设计
测试平台的软件架构分为以下三个模块：插件管理模块、计算模块以及通信模块，如图3所示。
（1）插件管理模块
插件管理模块主要负责加载系统的所有元件、创建系统图形元件及属性，并对外提供所有注册的元件。这里的“元件”是对智能变电站中各种一次设备与二次设备的抽象表征。
（2）计算模块
计算模块负责获取当前视图中所有元件的连接状态，根据设置更新电压等级。计算模块需要校验图形中的模型是否符合潮流计算要求，只有满足计算要求才能够通过检查，进入与下位机通讯的模块。
（3）通信模块
通信模块负责把图形转换成XML，并通过TCP协议发送给下位机。并接收下位机的回复。
5 结论
为了提高智能变电站各设备测试效率，实现自动集成的一体化测试，本文首先分析了智能变电站的架构特点，从可能造成较大风险的薄弱环节梳理了智能变电站设备脆弱点以及回路脆弱点。针对故障脆弱点提出了智能变电站一体化测试方法，包括设备的测试方法以及回路的测试方法。根据本文内容，开发了相应的一体化测试平台，并从硬件和软件需求两方面分析一体化测试平台的具体方案，为智能变电站一体化测试提供了可借鉴的思路，能有效提高智能变电站测试效率。
本文受广东电网科技项目“变电站一体化测试工具研制”(031900KK52160077)资助。
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作者简介
苏华锋（1983-），男，博士，高级工程师，主要从事电力系统稳定控制，继电保护方面的研究工作。
论文作者:苏华锋,郭志军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
标签：测试论文; 变电站论文; 智能论文; 设备论文; 故障论文; 脆弱论文; 测试工具论文; 《电力设备》2019年第16期论文;