注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

节能改变生活-专业节能博客

为用电企业提供专业的能源诊断,并提供整体节能解决方案!节电率15-40%.

 
 
 

日志

 
 
关于我

主要业务:1、第6批发改委备案节能服务公司咨询服务! 2、本博代朋友收购发改委备案的节能服务公司 3、申请EMC节能资金、循环经济资金、金太阳资金。 4、企业整体节电10% 邮箱:abc65ch@163.com 手机:18611678987 QQ群:节电改变生活(175700399)

网易考拉推荐

基于IEC61850的配电自动化系统功能测试  

2016-11-07 10:41:28|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

基于IEC61850的配电自动化系统功能测试对于保证系统在实际工况下的正确运行起到重要作用。但功能测试也面临很多挑战,尤其是配电自动化系统的组成部分在地理上分布很广泛。文章首先介绍了IEC61850Ed2.0中定义的与测试相关的特性;然后讨论了各种功能测试的方法;最后提出了一些专门的测试类型。这些测试可保证配电自动化系统作为整体在有通信延时的实际工况下满足功能要求。

配电自动化应用

  0?引言

  对于保护与控制系统,功能和应用测试已是被广泛采用的测试技术了。为保证在各种不同系统条件下,尤其当分布式能源(DER)接入配电系统时,配电自动化系统(DAS)都能按照设计运行,功能和应用测试对配电自动化系统也是需要的。

  本文讨论配电自动化系统中设备和分布式功能的功能测试详细需求,并提出系统测试方法和类型。当配电网发生事故时,配电自动化系统对于保证供电质量起到重要作用。它们在地理上覆盖大小不同的很多区域,使用高速通信将多功能保护智能电子设备(PIED)连接起来执行各种功能。

  DAS在需要动作时拒动或非故障条件下误动都会对系统供电质量造成很大影响或造成不必要的负荷切除,这些都会造成经济损失。这就是为什么需要通过合适的测试方法与技术确保DAS正确性的原因。

  在一个复杂的DAS中,需要使用标准通信协议来集成不同的多功能设备,以通过广域网高速可靠地实现保护和配电自动化功能。IEC61850就是满足这种需求的标准,一方面能够对DAS的组成部分进行建模;另一方面可以提供用于实现信息交换所需的服务。

  如图1所示,处于DAS底层、基于IEC61850的PIED可执行各种不同的功能,如检测配电系统拓扑改变、检测配电系统负荷改变、检测故障、清除故障,以及重构配电系统。这些功能使用IEC61850-7-4所定义的各种逻辑节点进行建模。PIED的保护逻辑设备PROT的简化对象模型见图2。

保护与控制系统

图1DAS结构

图2保护功能的IEC61850对象模型

  逻辑节点PIOC和PTOC可用于检测故障和清除故障,RREC可用于自动重合闸。IEC61850Ed2.0定义了允许图2所示模型的嵌入逻辑设备。由于继承了内部嵌套结构的行为,因此这对DAS的测试产生很大影响。

  如图3所示,可通过监测系统参数瞬时值在模拟量死区附近的变化量来实现对配电系统负荷变化的监测。例如,被MMXU所描述的电流,任何时刻只要其值超出了死区,最新的数值就以模拟量GOOSE上报。

图3模拟量GOOSE的死区

  模拟量死区会随着最新上送量移动,直到当监测量下次超越死区。利用对开关或刀闸辅助节点的监测,通过XCBR和XSWI可实现对配电系统网络拓扑改变的监测,这些逻辑节点也可用于清除故障和重构配电系统。

  在DAS测试中,有一个假设就是所选用设备都是符合IEC61850Ed2.0,来自不同厂家的设备是可以互操作的。本文讨论DAS中所用设备和分布式功能的功能测试详细需求。按照下列顺序测试系统组件,提出系统测试方法。

  测试顺序为:①系统中所使用的各IED的功能测试;②变电站中分布式功能的功能测试;③变电站间分布式功能的功能测试;④整个DAS功能测试;⑤DAS端对端测试。

  系统组件及整个系统的测试方法为:①黑盒测试;②白盒测试;③自顶向下测试;④自底向上测试。

  本文讨论上述每种方法的应用场合,提出针对单独设备以及分布式功能的详细方案。一旦DAS投入运行,需要确保即使系统中的任何组件出现问题,也不能错误动作。

1?IEC61850Ed2.0与测试相关的特性

  前文描述的测试方法主要用于型式试验、验收测试、竣工测试、出厂验收及现场验收测试。为支持在投运变电站中对IEC61850系统组件进行测试,IEC61850Ed1.0定义了一些可用于测试的特性。这些特性包括:

  1)可将功能(function,F)或功能元素(functionelement,FE)(逻辑设备或逻辑节点)设置为测试模式;

  2)可将GOOSE报文标记为测试目的;

  3)可将控制模型标记为测试目的;

  4)可将服务器发出的任何数据的品质标识设置为测试目的。

  但是,IEC61850Ed1.0并未详细说明如何使用上述特性,于是这些特性并未被所有厂商支持,互操作无法得到保证。IEC61850Ed2.0对此进行了改进,除了对现有特性如何使用进行详细规范外,还增加了一些新特性。

  1.1?功能测试模式

  通过逻辑节点或LLN0的数据对象Mod,可将一个逻辑节点或逻辑设备设置为测试模式。被控制模式(Mod)所定义的行为(见表1)可用于继承图4所示的功能模式结构。图5、图6对此进一步解释。

保护与控制系统

图4模型继承

  如图5所示,一个用于执行的命令可以通过控制执行发出也可以通过订阅的GOOSE报文实现,GOOSE报文中的数据可作为控制目的使用。如果发出命令的测试标志为FALSE,并且功能(逻辑节点或逻辑设备)为“ON”,命令将被执行。如果设备被设置为测试模式,命令将不被执行。

图5带有Test=FALSE的命令

如图6所示,如果发出命令的测试标志为TRUE,并且功能为“ON”,命令将不被执行。如果功能设置为“TEST”,命令将被执行并产生一个接线输出(如向断路器发一个跳闸信号)。如果功能被设置为“TEST-BLOCKED”,命令将被处理,所有的反应都会产生(发一个命令确认),但不激活接线输出。“TEST-BLOCKED”模式对于在已运行变电站中进行测试工作非常有用。

图6 图5带有Test=TRUE的命令

  1.2报文仿真

  IEC61850Ed2.0中增加的另一特性是可以从仿真或测试设备订阅GOOSE或SV报文。如图7所示,GOOSE或SV报文都有一个指示标志,表示该报文是原始报文还是由仿真系统产生的报文。此外,IED在逻辑节点LPHD(物理设备或IED的逻辑节点)中也有一个数据对象,用于规定该设备是否接受原始GOOSE、SV报文或仿真报文。如果数据对象Sim设置为TRUE,IED将接收所有订阅的仿真标志设置为TRUE的GOOSE报文。如果一个特定GOOSE报文不存在仿真报文,则继续接收原始报文。该特性只能用于整个IED,这是因为IED既能接收仿真报文又能接收原始报文。

图7GOOSE报文仿真

  1.3?控制信息镜像

  IEC61850Ed2.0增加的第3个特性是控制信息镜像,该特性可在设备接入系统的条件下测试和评价控制操作的性能。

  如图8所示,控制命令作用于一个可控的数据对象。收到控制命令后,设备激活数据属性opRcvd,然后设备处理控制命令。如果命令被接受,数据属性opOk将以与接线输出相同的时间(如脉冲持续时间)被激活,数据属性tOpOK与接线输出和opOk具有相同的时标。

图8控制信息镜像

  如果功能处于“TEST-BLOCKED”模式,接线输出将无法生成。但是无论接线输出是否产生,这些数据属性都可以独立生成。这样就可在不产生输出的情况下,对其性能和功能进行评估。

  1.4?系统中设备的隔离与测试

  将前文所述机制综合在一起,就可以对与系统相连的设备进行测试了。假设要对主保护1进行性能测试,主保护1从一个合并单元接收采样值。在主保护1的逻辑节点LPHD中,应将数据对象Sim设置为TRUE,将保护功能的逻辑设备设置为“TEST”模式,将与断路器接口的逻辑节点XCBR设置为“TEST-BLOCKED”。测试设备发送正常的采样值数据给保护设备,这些采样值报文的仿真标志被设置为TRUE。

  这时保护装置就会收到来自测试设备的采样值报文,并且执行跳闸命令。XCBR会接收并处理跳闸命令,然而并不产生输出。输出情况可以通过数据属性XCBR.Pos.opOK来进行确认,其时序可通过测量数据属性XCBR.Pos.tOpOk来确认。

1.5?高级仿真的可能性

  如图9所示,还有一些可用于功能测试的增强型高级仿真特性。如前所述,在IEC61850Ed2.0中增加了对逻辑节点输入引用的描述。具体是通过公用数据类ORG的数据对象InRef的多实例来实现的。该数据对象有2个数据属性可供对象引用:一个用于正常的输入,另一个用于测试输入。通过激活数据属性tstEna,该逻辑节点将利用测试输入而不是正常输入来实现其功能。

保护与控制

图9仿真输入

  利用该特性,可测试具有互锁特性的逻辑功能。例如,逻辑节点CILO可从逻辑节点GGIO获取输入,而不必使用实际开关的不同位置作为输入。这样测试软件可以很容易地修改GGIO的数据对象来模拟需要验证的测试模式。逻辑节点可以是外部的(数据对象通过GOOSE报文接收),也可以是在IED中建立的。

  对于上述方法,单个仿真输入的详细功能测试可以采用,但其对于性能测试来说却不是必需的。因为单个输入是可切换的,因此为了接收新的输入,可能会改变与GOOSE报文有关的场景,这样动态行为也可能会改变。

  2?功能测试方法

  功能测试方法可分为几大类。它们既与分层系统中各层所使用的每个设备功能的复杂度有关,也与所实现的分布式功能类型有关。从这一角度,可分为如下常用测试:①功能元素测试;②集成测试;③功能测试;④系统测试。

  这里所说的“功能”可以看做是一个带有不同等级复杂度的子系统,比如监测系统功能。无论被测对象是什么,它们都必须满足可测性要求。这是一个使系统或其子系统的状态(可操作、不可操作、降级)能够被及时确定的设计特性。可测性能够使系统方便地检测和隔离影响系统性能的故障。按可测试性观点,DAS中的一个功能元素就是一个可被测试的单元,因为它是DAS中能够独立存在并可与其他单元进行信息交换的最小单元。

  另一个需要考虑的是测试的目的和需求,区分其是针对新产品或新功能(如系统监测器或处理控制器)的验收测试,还是变电站组件的工程调试测试,或是整个DAS及其维护测试。据此,即使针对同一功能元素或同一功能的测试,也可能采用不同的测试方法。例如,在用户验收阶段测试系统监测功能,可采用搜索测试方法测试测量单元的特性。而在投运过程中,则使用暂态仿真方法进行不同系统条件的模拟。被测对象的内部行为、逻辑或执行的算法决定了测试如何进行。

  系统组件及整个系统的测试方法有以下几种:①黑盒测试;②白盒测试;③自顶向下测试;④自底向上测试。其中最常用的测试方法为黑盒测试和白盒测试。在测试中需要考虑的一个重要问题就是实现不同DAS功能的备用设备的可用性。

  2.1?黑盒测试

  黑盒测试是一种将被测试对象视做黑盒的广泛使用的测试方法,这意味着测试系统不关心被测功能的内部行为和结构,只关心在给定条件下被测对象的表现是否满足相关规范。测试数据只从相关规范获得,并不利用该功能的内部结构。具体见图10。

图10黑盒测试

  黑盒测试主要用于功能元素测试、DAS出厂验收、DAS现场验收测试。由于功能元素被定义为能够独立存在的且可测试的最小单元。显然,黑盒测试是唯一能够对功能元素进行测试的方法。测试对象对仿真信号的响应可通过对物理输出、通信报文或报告的操作而由测试系统监测得到。

2.2?白盒测试

  白盒测试是一种既关心在测试条件下被测对象运行情况,也关心其内部行为与结构的测试方法,见图11。在DAS中,白盒测试既可以按照功能边界监测系统运行情况,也能监测系统不同组件间的信号交换。这种测试策略能检测到测试对象的内部结构,这对于分析测试对象的内部行为非常有用,尤其是当测试失败的时候。使用此策略,测试系统在不忽略技术规范需求的情况下,通过检测测试对象的逻辑而获得测试数据。白盒测试方法的目的是通过检测一个复杂功能的不同组件的运行情况以及组件间信号或报文交换情况,来获得更高的测试覆盖率。IEC61850为白盒测试提供了良好环境。如果系统做了适当的工程配置,所有被逻辑节点表示的功能元素的状态在GOOSE报文中都是可见的。

图11白盒测试

  当测试基于不同逻辑接口的分布式功能时,白盒测试是非常有用的。测试系统通过监视测试对象各组件间交换的报文来实现对子功能(sub-function,SF)或功能行为的观察。白盒测试场景可以与黑盒测试场景相同。

  2.3?自顶向下测试

  自顶向下测试在DAS中,尤其在现场验收中是广泛使用的测试方法。在这种情况下,系统的所有组件都可以被配置和测试。自顶向下测试可通过黑盒测试和白盒测试方法实现。测试从整个系统开始,之后是功能或子功能测试,如必要可进行功能元素测试。

  在出厂验收中,如果系统或子系统的所有组件不全部可用,那么测试系统则有必要模拟其在预期测试场景下的运行情况,这样测试系统就为不具备的功能或子功能创建了所谓的“仿真单元”。测试的“仿真单元”是指能够模拟测试所涉及模块操作的模块,可代替实际的模块(如一条线路监测设备)来实现测试目的。当系统增加了额外的下层单元时,自顶向下的方法会导致高层单元的重测。有时一些单元会同时增加,这些单元将作为每个功能元素测试的测试背景。

  采用自顶向下测试策略,每个功能元素都将按照功能元素测试计划进行测试。如果考虑对实现IEC61850的DAS采用自顶向下的测试方式,则需要从定义功能边界开始。当特定测试失败时,需要对系统功能的单个组件进行测试。每个测试的功能边界都是不同的,而且需要一系列来自测试系统的激励,以及利用不同的信号或通信报文对功能元素行为进行的监测。例如,如果对被监测线路的检测出现故障时,将按照图12所示的功能等级执行进一步测试,如果仍失败,将继续做底层的测试,包括对一些监测功能元素的测试,如对配电网馈线电流或由逻辑节点MMXU所代表的有功功率的测量。

图12对配电自动化系统自顶向下测试

  2.4?自底向上测试

  自底向上测试是一种从底层功能开始测试的方法,通常用于系统中功能元素的测试。该方法适用于制造商的型式试验或用户的验收测试。当测试复杂的多层功能或系统时,必须为不可用部分创建驱动功能元素。当执行测试(如进行出厂验收)时,测试系统必须能够仿真系统中任何缺失的组件。

  自底向上与自顶向下测试方法相比,两者具有很多相似之处,其主要差异在于测试顺序和需要测试的数量。

  3?DAS的功能测试

  对很多机构、组织而言,了解一个复杂系统中哪些功能已被测试,哪些功能还未被测试,依然是一个很大的挑战。因此为确保质量,所需要投入的测试时间日渐成为保证DAS成功运行的重要因素之一。

  工程、调试和运行维护人员将功能需求转换为可执行的测试案例,并通过这些测试案例来证明DAS在给定时刻或在任何特定条件下都是满足需求的。为了建立能够定义和区分功能要求的可执行测试方案,需要制定测试计划来更加快速、客观地评估被测功能的性能。应经常执行这些测试,以确保功能修改或固件升级后不会影响之前已测试过的功能。一个有效的功能测试过程会定义一系列指南,来有效指导测试技术的使用。然后这些指南的实现和集成将被融入资产管理系统中。

  为进行有效的系统测试,用户或制造商不仅要定义测试过程,还要实现该过程,并将该过程集成到工程过程中不断地、经常地使用。功能测试应成为DAS设计的一部分。DAS每个单独单元的功能在设计时,就必须考虑如何对其进行测试。

  下文讨论了DAS功能测试的不同方法以及可以作为被执行测试某种功能的独立组件,包括某些对功能和应用测试的类型和方法的定义。如果要测试一个复杂DAS,就需要使用系统测试的方法和工具。

  系统测试是指对一个完整、集成的系统进行测试,以确认该系统满足特定的要求。系统测试的一个准则就是所有被集成的组件都应通过集成测试,软件系统也应与应用硬件相集成。系统测试实际上是依照功能需求规范(FRS)和/或系统需求规范(SRS)对全系统进行的测试。此外,系统测试还是一个测试阶段,不仅关注设计,而且关注DAS的行为和预期性能,也可能涉及需求规范之外的一些内容。本节不讨论单个PIED的测试,假定它们被选择用在DAS中时,在验收测试中已被详细测试过了。

3.1?集成测试

  集成测试不仅可以确保系统的单个组件能够正确互操作,也能满足DAS开发规范所规定的性能要求。集成测试需要测试通信链路两端的设备,见图13。测试方法和工具在端对端及子系统测试中已经描述了。

图13集成测试

  3.2?DAS出厂验收

  出厂验收是对特定设计和应用的DAS进行经用户同意的的功能测试。它是最终用户和系统集成商之间的一项协议,可以让潜在问题在项目早期暴露出来,易于问题处理且费用较低。

  出厂验收应按照测试计划所描述的测试场景,采用自顶向下方式进行。这些测试场景作为系统设计工作的一部分,当系统出现故障时,黑盒测试方法可用于特定测试,白盒测试方法用于确定测试失败的原因。出厂验收的一个特点在于不是系统的所有组件都可用,这就要求测试系统能够模拟DAS中那些缺失的设备;出厂验收的另一个特点是系统已有的组件都按照实际系统的应用要求进行了配置和设置。

  出厂验收是基于IEC61850SCD文件对所有设备进行配置的。如图14所示,出厂验收也要求使用基于系统模型的暂态仿真对配电系统行为进行模拟。在测试中,配电系统每一个配置多功能IED的位置都被测试设备模拟,这些测试设备由运行在测试计算机上的测试软件控制。

图14用于故障条件下暂态仿真的配网系统模型

  测试软件执行如下功能组:

  1)对所有IED布置的位置提供特定故障条件的仿真;

  2)对每个IED布置位置的测试设备进行控制,以同步方式模拟开关设备状态以及所涉及的电流和电压;

  3)发布与集中式配电自动化系统信号所对应的,或出厂验收系统中不可用的IED信号所对应的IEC61850GOOSE报文;

  4)监视配电自动化系统中所涉及的IED输出继电器状态改变;

  5)从配电自动化系统所涉及的所有IED订阅IEC61850GOOSE报文;

  6)分析并评估配电自动化系统所有组件的性能。

  工程验收测试的执行需要考虑所有预先设想的故障或其他异常工况,包括:

  1)测试IED故障的影响;

  2)测试通信设备故障的影响;

  3)测试互感器故障的影响。

  测试计划中的测试用例应包括正向测试和反向测试。图15所示为一个配电自动化系统的出厂验收现场。

通信设备

图15一个配电自动化系统出厂验收

3.3?DAS验收测试(DASAT)

  DAS验收测试与变电站保护、自动化和控制系统的常规现场验收测试(SAT)相对应,但包含了分布在多个地点的DAS的完整测试。这种测试不仅是对系统单一组件的数据和控点正确性的确认,也包括了不同地点间的通信。现场验收测试是DAS投入实际运行的前提条件。

  DAS验收测试与出厂验收类似,都是针对特定的变电站保护、自动化及控制系统,对安装于变电站的整个系统进行由用户认可的功能测试。从测试计划内容以及参与方职责看,DAS验收测试也是最终用户与系统集成商之间的一个协议。至于什么内容应该包含在DAS验收测试中并没有特别的指南来进行规范,因此开发这种指南对于行业发展将有很大帮助,可以确保测试过程的完整性,降低系统投入运行后失败的概率。

  现场验收测试应基于测试计划采用自顶向下的策略执行,测试计划包含系统设计所定义的各种测试场景。当出现系统测试失败时,可使用黑盒测试方法,而白盒测试方法可用于确定测试失败原因。现场测试的主要特点是系统的所有组件都可用。这就要求测试系统具备模拟所需要的模拟量、开关量或其他信号的能力,用以测试实际系统需要处理的任何变电站或电力系统状况。现场验收测试应基于对设备的配置进行,所以应对所有在工程中采用SCD文件的设备进行配置。

  DAS测试中很重要的一项内容是测试通信延迟,用以确定最大的传输时间,这对于无线信道尤其重要。DAS现场验收测试的最后阶段是进行端对端测试,确保过程层与设备接线的正确性,设备包括变电站的保护、自动化和控制系统。DAS验收测试的测试范围见图16。

图16DAS验收测试

  出厂验收不在设备装配的现场进行,因此需要在设备离开工厂前证明整个系统能够满足用户与制造商所签订合同规定的系统特性。不同于此,DAS现场验收测试则是确保在系统投运之前满足合同的各项要求。为了使所有场地的测试设备同步,配电自动化功能的端对端测试有必要使用GPS时间同步技术。

  4?结语

  配电自动化系统的测试需要对系统结构和功能有很好的理解。可使用不同的方法来测试自动化组件以及分布式的子功能和功能。自底向上测试用于系统研发和应用的初始阶段,特别是应用于系统监测和过程控制层的IED验收。黑盒测试及自顶向下测试用于过程及现场验收阶段。端对端测试用于DAS投运前的最终验收测试。DAS测试需要专用软件,这些软件应能够基于可以反映继电器输出变化的IEC61850GOOSE报文模拟配电自动化系统的异常工况,控制多个有GPS同步的测试设备,监测配电自动化系统中所有IED的运行情况。

  评论这张
 
阅读(7)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017