CN101432633B - 用于变电站自动化系统的系统级测试 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及系统级功能性的测试，包括变电站自动化(SA)系统的复数个保护、控制和测量(PCM)智能电子设备(IED)，用于符合IEC61850的变电站。通过在测试设备中对至少一个IED进行仿真，扩展的SA系统的所有可以想到的控制或保护功能/应用的扩展的测试得以改进，该扩展的SA系统包括大量的具有多种配置的IED。因此，只有数量有限的IED作为单个设备物理地存在于测试环境中，由具有合适的数据处理装置的专用测试设备对至少一个更进一步的IED的行为进行仿真。通过变电站通信网络，测试设备根据其通信配置和设备配置，向物理上存在的要进行测试的IED发送表示所仿真的IED的行为的网络消息。然后，通过对被测设备在其模拟输出和数字输出方面的响应进行分析，以及通过对通信网络上的该被测设备的响应进行分析，验证所配置的IED功能的正确工作，即，由测试设备触发的预期的正确动作。优选地对用于SA系统测试的装备自动地进行检测和配置。

Description

用于变电站自动化系统的系统级测试
技术领域
本发明涉及高压电网和中压电网中用于变电站的变电站自动化(SA)系统的领域。更具体地，本发明是关于对涉及SA系统的两个智能电子设备(IED)的系统级功能的测试。
背景技术
电力系统包括将地理上分隔的地区互联的输电网和/或配电网，以及电网的节点处的复数个变电站。变电站包括用于变压和切换电网各线路之间连接的设备。发电和到用户的潮流由中央能量管理系统(EMS)进行管理和/或由位于网络控制中心(NCC)的监控与数据采集(SCADA)系统进行监视。
高压电网和中压电网中的变电站包括一次设备，如通常布置在开关站中和/或开关架中的电缆、电线、母线、开关(断路器或隔离开关)、电力变压器和互感器。通过负责变电站的控制、保护、测量和监控的变电站自动化(SA)系统，这些一次设备自动进行工作。SA系统包括二次设备，即所谓的数字继电器，该数字继电器互联到SA通信网络中，并通过过程接口与一次设备交互。这些设备通常被分配到三个层次中的一个层次，这三个层次是：(a)变电站层，包括具有人机接口(HMI)的操作员工作站(OWS)以及到网络控制中心(NCC)的网关，(b)开关架层，其设备用于保护、控制和测量，以及(c)过程层，例如，包括用于电压测量、电流测量和气体密度测量的电子传感器，以及用于感应开关位置和变压器抽头变换器位置的接触式探头，以及控制开关或抽头变换器的驱动的致动器。在过程层，智能致动器可以集成在各一次设备中，并通过串行链路或光过程母线连接到开关架单元。开关架单元之间彼此连接，并通过开关架互联母线或变电站母线连接到变电站层上的设备。
当今的SA系统需要所有变电站设备之间的互操作性，无论该变电站设备的制造商是谁。为此，日内瓦的国际电工委员会推出了国际上接受的通信标准用于变电站的二次设备之间的通信，名为IEC61850“communication networks and systems in substation”。所有符合IEC61850并连接到SA网络的设备都叫做智能电子设备(IED)。
IEC61850为符合标准的变电站定义了抽象对象模型，并定义了如何通过网络访问这些对象的方法。这使得诸如OWS的特定于变电站的应用采用标准的对象进行工作，而变电站中的实际的对象会根据不同制造商的IED以不同方式来实现。根据上述标准的抽象对象模型通过逻辑设备内的逻辑节点来表示SA功能性，该逻辑设备是作为物理设备分配给IED的。对于IED之间实际的通信的处理，对于非时间关键的消息，通过构建于OSI/TCP/IP/Ethernet上的MMS通信栈来进行，或者，对于时间关键的消息，通过直接构建于通信栈的以太网链路层上的所谓的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)来进行。诸如跳闸命令的过程层的非常时间关键的信号以及模拟电压或模拟电流使用被称为SV(采样值)的GOOSE的简化变量，该简化变量也直接构建于以太网链路层上。
如所提到的，上述互操作性需求的一个后果是：来自不同供应商的IED可以合并到一个SA系统中。由于IED最初是在设计阶段配置的，因此，不同供应商的相应的专用设计工具或SA配置工具，如ABB的IET(集成设计工具)或ABB的CAP(配置和程序设计)工具，必须能够交换有关IED的信息。为此，必须规定具有SA系统的所有一次设备、IED和通信链路的完整的SA系统采用计算机可读形式。这是通过综合的基于XML的变电站配置语言(SCL)来实现的，该变电站配置语言是IEC61850标准的一部分。简而言之，IEC61850SCL语言提供了一次设备、具有PCM功能的二次设备、通信系统逻辑结构以及IED和一次设备之间的关系的标准化描述，从而可以进行通信的自动配置和IED的自动配置。
SCL语言用来描述IED性能描述(ICD)文件中特定IED的性能或特定IED类型的性能，该文件列出了物理设备的应用功能，例如，所实现的保护功能性。配置的IED描述(CID)进一步包括IED的通信特性，例如，该IED的唯一的IP地址。对于特定的变电站，SCL语言中的变电站配置描述(SCD)文件描述一次对象、在每个IED中以逻辑节点的方式实现的功能以及通信连接。因此，SCD文件包括：(1)开关站命名与拓扑描述，(2)IED配置描述，(3)开关站元件和IED功能之间的关系，以及(4)通信网络描述。相应地，如果在SA系统内使用特定的IED，则将该IED类型的对象实例插入到对应的SCD文件中。然后，SCL语言允许为实例所携带的、与特定的IED相关的数据属性规定典型的值或各自的值，例如，用于配置属性的值以及设置参数的值。通过向一次设备的元件分配或附加逻辑节点，在SCL语言中对电力过程和SA系统之间的连接进行描述。通常，开关控制逻辑节点被附加到开关设备，而测量逻辑节点被分配给互感器。通过逻辑节点类型或逻辑节点分类并结合其所分配到的开关站和/或开关架，确定该SA系统内的功能的语义含义。
在变电站设计过程中，SA配置(拓扑、IED配置和通信装备)从用户需求得出并存储在特定于项目的SCD文件中。对于实际安装或试运行，需要将全部的或部分的先前设计的配置信息传送给物理设备，并且IED本身需要被正确地配置。根据SCD文件给不同的IED加载特定于变电站的配置数据，将该IED投入使用。此外，可以通过来自不同制造商的IED自身特有的配置工具对这些IED分别进行加载。此过程的一部分是自动化的，但多数步骤仍需要通过试运行或测试工程师来进行人工交互。此过程是易于出错的。SCD文件和单个IED的实际配置之间的不一致性的额外的来源来自于所使用的SCL文件的不同的版本，或来自于以下事实：IED允许在本地对该IED的配置进行更改，即在设备本身上进行更改或通过特定于设备的配置工具进行更改。
鉴于上述的不一致性的来源，以及为了识别并有可能消除许多其他潜在的问题及消除与用户具体需求的偏差，对有关于定制的SA系统的任何项目来说，需要进行系统验证和系统确认。尽管测试作为所有验证和确认行为的一部分不能保证不存在任何错误，但SA系统的供应商的目标是证实所有部分在最有可能和重要的应用方案中正确的协调的工作，以及预期的质量或性能，如吞吐量、可用性以及高负荷状态下也及时的响应。
主要地，在所谓的类型测试或制造验收测试中测试变电站PCM IED是否符合其需求规格，这包括设备的基本操作和在负荷下的行为。通常通过应用模拟信号对被测设备进行测试，该模拟信号对仿真的电力系统情况下的设备所见的二次电流波形和二次电压波形进行仿真。此外，在仿真的电力系统故障期间，与一次器件以及其他逻辑信号和控制信号相关的状态信息通过数字通信链路或数据网络被传输到设备中。用于生成所提到的模拟信号的装置或测试设备包括模拟信号发生器，而数字信号发生器对电路断路器或其他器件的工作进行仿真。专利申请US2002/0173927公开了基于数据交换的PCM IED的测试，该数据交换使用测试系统和被测IED之间的数字通信。
然而，特定PCM IED的工作还有赖于由其他PCM IED生成的信号，例如为了联锁的目的。因此，为了再现所有预期的开关状态，也必须对这种信号进行处理，并设计了更大范围的测试，该测试允许作用于由其他IED生成的信号，以下将该测试叫做“系统级测试”。在被称为工厂验收测试(FAT)的示范性的系统级测试中，对于特定的变电站项目，进行检查以验证包括了正确的设备，以及还验证已经正确实现了保护功能。在被称为系统验证测试的进一步的系统级测试中，对能够支持的所有可能的设备配置进行测试，以测试符合对应于最大扩展的假设的变电站项目的最坏情况的系统配置。上述的系统级测试通常在安装有若干IED的测试环境或测试试验室中进行。然而，由于需要更加复杂的测试用具的IED的绝对数量，以及由于成本和空间限制，并不为FAT安装特定变电站的所有的IED，更不用说系统验证测试中可能的最大的变电站所需的巨大数量的IED。相应地，测试配置的范围以及上述信号模式的复杂性是有限的。
发明内容
因此，本发明的目的是对涉及变电站自动化(SA)系统的复数个保护、控制和测量(PCM)智能电子设备(IED)的系统级功能性测试进行改进。该目的通过如权利要求1和权利要求6分别所述的执行变电站自动化(SA)系统级测试的方法和用于变电站自动化系统级测试的测试环境来实现。通过从属权利要求，进一步的优选实施例将变得明显。
根据本发明，通过在测试设备中对至少一个IED进行仿真，扩展的SA系统的所有可以想到的PCM功能或应用的扩展的测试得以改进，该扩展的SA系统包括大量的具有多种配置的IED。因此，只有数量有限的IED作为单个设备物理地存在于测试环境中，由具有合适的数据处理装置的专用测试设备对至少一个更进一步的IED的行为进行仿真。通过诸如局域网(LAN)的变电站通信网络，测试设备根据其通信配置和设备配置，向物理上存在的被测IED发送表示所仿真的IED的行为的网络消息。后者可以是单独的单个的IED，如操作员工作站(OWS)、日志设备或到网络控制中心(NCC)的通信网关，或者，也可以是属于特定开关架的复数个IED的任何一个PCM设备，该特定开关架是将由SA系统控制的变电站的特定开关架。然后，通过对被测设备在其模拟输出和数字输出方面的响应进行分析，以及通过对通信网络上的该被测设备的响应进行分析，验证所配置的设备功能或所分配的逻辑节点的正确工作，即，由测试设备触发的预期的正确动作。
本发明利用已实现的设备功能或性能的标准化描述以及变电站的标准化变电站配置描述(SCD)，包括IED的SA系统是用于该变电站的。相应地，通过解析对应的SCL文件、读取数据对象以及提取对应于每个IED的配置信息，测试设备获取所有与要进行仿真的IED有关的所需信息。
在本发明的优选实施例中，扩展的SA系统的所有IED的一小部分物理地存在于测试环境中，这些IED由测试设备自动进行检测。这是通过检查通信网络并设法连接到SA系统的所有IED来完成的，即，通过浏览通信网络以浏览根据标准IEC61850配置的IED。将那些在变电站的SCD文件中提到但是当测试设备对其进行呼叫时未响应的IED，总结为从测试环境中缺失。因此，通过比较来自SCL文件的信息(如所设计的那样)和上述的响应，识别为变电站设计但是没有物理地安装在测试环境中的IED，随后可以在测试设备中对这些IED进行仿真，用于对被测的实际的IED进行正确的测试。
在有益的变型中，包括人机接口以及用于事件记录的组件的操作员工作站(OWS)被视为IED的特殊情形，借助于用测试设备对该OWS所属的SA系统的IED进行仿真，对该OWS的操作进行测试。换句话说，除了被用作用于对PCM IED进行测试的测试设备之外，OWS本身可以是被测设备。通过监控由OWS生成的消息，可以在设计过程的早期对事件报告以及数据格式和时钟格式进行验证，无需为了激励被测OWS的目的而对任何物理的IED实际进行安装。
在本发明的进一步的优选实施例中，通过脚本语言引入测试序列或测试方案，测试设备或仿真器能够读取脚本文件以便以自动化的方式运行方案，特别是无需手工地移动开关或控制电压发生器。脚本可以响应于外部事件而得以触发，例如响应于来自OWS的命令或请求，或者响应于IED内的自发的变化。优选地，将被测设备的所监控的响应与根据测试方案的预期的值进行比较，以验证被测设备的正确的工作。例如，这可以通过采用OWS的OPC接口对该OWS的状态进行检查来完成，或通过对过程信号进行测量来完成。
由于运行仿真器的硬件的处理能力是有限的，因此，通过提供复数个测试设备作为同步仿真器，可以对根据本发明的测试环境有益地进行改善，特别是用于同时对复数个IED进行仿真。此外，如果后者独立地连接到SA通信网络，例如，通过它们的专用的连接到网络中的不同的交换机的以太网控制器，可以以更真实的方式生成变电站中的很大的通信流量。同样，也可以减轻由于一个具有有限的容量的单独的以太网控制器对最邻近的流量进行过滤和/或生成不真实的网络流量所导致的问题。
在测试环境的进一步的变型中，通过测试设备或仿真器直接将仿真处理信号应用于被测IED的模拟输入和/或二进制输入，或者由远离仿真器并连接到该仿真器的附加的信号发生器来产生该仿真测试信号。因此，该信号发生器不需要符合标准，可以是常规类型的。
本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于控制测试设备的一个或更多个处理器的计算机程序代码装置，该测试设备连接到变电站自动化系统的通信网络，该计算机程序代码装置被配置成用于执行读取IED已实现的功能的标准化描述以及发送网络消息的步骤，具体来说，该计算机程序产品包括含有计算机程序代码装置的计算机可读介质。
附图说明
在下面的内容中，将参考附图中所示的优选示范性实施例，更详细地对本发明的实质内容进行说明，其中：
图1示出了变电站的单线图的片段，
图2示出了基本的测试配置，
图3示出了具有两个测试设备的测试配置，以及
图4示出了具有远离测试设备的附加的过程信号发生器的测试配置。
附图中所使用的附图标记及这些附图标记的含义在附图标记的列表中以总结的形式列出。原则上，图中相同的部分使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1显示了示范性变电站的部分或片段的单线图，还包括一些通信链路以及SA或二次器件，例如，假定该变电站的电压电平为110kV。单线级的开关站的模型包含一次器件之间的拓扑的各个电连接。变电站包括具有两个母线10、10′的双母线配置，这两个母线中的每个都通过断路器QB1到QB4向两个开关架11、11′馈电。每个开关架都包括电路断路器QA1、隔离开关QC1和接地开关QE1。变电站自动化系统的相应部分以粗线描述了通信网络20和两个IED21、22，这两个IED均为分类CSWI(开关控制)的主(host)逻辑节点。如图1中点划线所示，每个逻辑节点被分配给上述电路断路器QA1中的一个。
图2示出了根据本发明的测试环境或测试装备以及被测的第一IED21。第一IDE21连接到SA通信网络20，操作员工作站12、到网络控制中心13的网关，以及具有专用处理装置的测试设备30也连接到该SA通信网络20。根据变电站的SCL描述(SCD)和IED的SCL描述(ICD)23，测试设备30对没有物理地存在于测试环境中的第二IED22进行仿真或模拟。
通过将测试脚本或测试序列31读入脚本解释器32中，将该测试脚本或序列传给工厂仿真器33以产生仿真的工厂状态34，来进行测试。基于此，所仿真的第二IED22生成网络消息，该网络消息通过SA通信网络20传输到被测的第一IED21。由模拟信号分析器或二进制信号分析器35对第一IED21的响应进行监控，并在比较器36中结合由IED21生成的网络流量以及来自仿真的工厂状态34的信息对该响应进行评估，以总结该IED21是否如预期的那样工作。
详细来说，从而，测试设备30加载SCD文件和/或ICD文件，测试序列开始。然后，浏览测试环境的通信网络20以浏览IED，该测试环境安装了被测IED(DUT)。例如，这包括指出IP范围(从10.41.24.200到10.41.24.214)或子网(10.41.24.XYZ)，并发出ping命令。然后必须对没有作出响应的那些IED进行仿真。另一方面，对于出现在通信网络20上但在SCD文件中没有全部地或部分地对其进行描述的IED，可以由测试设备30将该IED作为真实的设备进行集成。
图3示出了具有两个测试设备30a、30b的测试环境，这两个测试设备通过专用的以太网交换机24独立地连接到网络20。OWS12、通信网关或遥控接口13以及开关架的第一IED21也通过它们自己的交换机24连接到网络20。
图4示出了具有测试设备30的测试环境，该测试设备30对多种IED22进行仿真，这些IED22通过通信网络30连接到被测IED21。此外，测试设备30通过遥控单元41和测试器网络40连接到被遥控的信号发生器42。被遥控的信号发生器42生成表示电流变压器或电压变压器的模拟信号以及表示传感器或状态信息的二进制信号，使用在信号发生器42内部或外部的放大器43将这些仿真的过程信号施加到被测IED21的模拟输入和/或二进制输入。
对于要仿真的IED类型，唯一的先决条件是设备类型的模型的可用性，该模型显示在什么情况下生成和接收多少网络流量。相应地，过时的设备及其他技术上落伍的器件、网关、遥控链路以及日志设备同样适合进行仿真。
在理想情况下，仿真的IED后的逻辑被尽可能准确地再现，即，当对仿真的IED的响应进行准备时观察关于一次设备的信息。作为实例，开关-接触式探头在下发命令之后仅30ms就报告“开关关闭”，因此这种延迟也必须通过任何实际的仿真器来再现。此外，优选地在仿真器中实施与嵌入到真实的IED中的算法相同的算法。一般来说，仿真器必须再现具有毫秒的响应的变电站的行为，以及必须能够根据拓扑信息来执行联锁。此外，还必须对错误情况进行仿真，如开关没有正确地打开或关闭、一次设备和二次设备同时故障或者具有几十个开关的母线短路同时打开。仿真器必须同样能够通过向被测的IED每秒发送诸如10′000帧来真实地再现压力情况，因此仿真器需要合适的处理能力。
优选地，根据本发明的功能模块分别作为程序化软件模块或程序来实现；然而，本领域技术人员会理解的是，该功能模块可以完全地或部分地在硬件中来实现。程序化软件模块的计算机程序代码存储在计算机程序产品中，例如，存储在计算机可读介质中，可以存储在集成于测试设备30中的存储器中，也可以存储在可以插入到测试设备30中的数据载体上。
名称列表
10  母线
11  开关架
12  操作员工作站(OWS)
13  网关
20  通信网络
21  第一智能电子设备(IED)
22  第二IED
23  SCD文件
24  以太网交换机
30  测试设备
31  测试脚本
32  脚本解释器
33  工厂仿真器
34  仿真的工厂状态
35  信号分析器
36  比较器
40  测试器网络
41  遥控单元
42  被遥控的信号发生器
43  放大器

Claims (10)

1.一种用于对变电站自动化SA系统的第一智能电子设备IED(21)执行系统级测试的方法，该测试中，基于由第一IED(21)通过通信网络(20)接收的网络消息，对涉及第一IED(21)和第二IED(22)的SA系统的系统级功能进行测试，所述方法包括：
-将不同于第二IED(22)的测试设备(30)连接到通信网络(20)，
-由测试设备(30)读取第二IED(22)的已实现的设备功能的标准化描述，
-由测试设备(30)根据所述系统级功能，通过通信网络(20)将用于表示第二IED(22)的行为的网络消息发送给第一IED(21)，以及
-对第一IED(21)响应于所述网络消息的行为进行监控。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：
在测试环境中安装SA系统的全部IED的一部分，
由测试设备(30)检测安装在所述测试环境中的IED，
识别没有安装在所述测试环境中的SA系统的IED，以及
由所述测试设备(30)发送用于表示没有安装在所述测试环境中的SA系统的IED的行为的网络消息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：
-提供操作员工作站(12)作为被测的第一IED。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：
-由所述测试设备(30)运行测试序列或测试方案。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法包括
-将第一IED(21)的响应与测试方案进行比较。
6.一种用于第一智能电子设备IED(21)的变电站自动化SA系统级测试的测试系统，该测试中，基于由第一IED(21)通过通信网络(20)接收的网络消息，对涉及第一IED(21)和第二IED(22)的SA系统的系统级功能进行测试，所述测试系统包括：
不同于第二IED(22)的第一测试设备(30)，该第一测试设备(30)连接到通信网络，能够读取第二IED(22)的已实现的设备功能的标准化描述，并能够根据所述系统级功能，通过通信网络(20)将用于表示第二IED(22)的行为的网络消息发送给第一IED(21)。
7.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统包括用于存储和执行测试脚本(31)的装置(32)。
8.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，要测试的第一IED是SA系统的操作员工作站(12)。
9.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，该测试系统包括：
-连接到通信网络(20)的第二测试设备(30b)，该第二测试设备(30b)独立于第一测试设备，并能够根据所述系统级功能，发送表示第三IED的行为的网络消息。
10.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，该测试系统包括由第一测试设备(30)控制的并用于将仿真的处理信号应用于第一IED(21)的模拟输入和二进制输入的远程信号发生器(42)。
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