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CN105814761A - 变电站自动化系统的测试 - Google Patents

变电站自动化系统的测试 Download PDF

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Abstract

本发明支持和促进涉及运行的变电站的SA系统中的媒介逻辑节点(LN)的变电站自动化(SA)功能的测试，特别是具有对变电站和/或SA系统的最小化影响，并且不必将变电站的整个部分完全停用或隔离。测试通过定义至少一个其中测试场景的输入信号将被应用的输入LN，以及通过确定其中预期输出值将被观测的输出LN而建立。基于如系统配置描述(SCD)文件中定义的LN之间的数据流，测试准备工具自动确定逻辑布置在这些输入和输出LN之间所有媒介LN。由该功能测试影响的媒介LN和IED被识别，并随后被标记为“测试”或“模拟”模式。

Description

变电站自动化系统的测试
技术领域
本发明涉及以标准化配置表示的变电站自动化系统的测试的领域，特别涉及在高电压和中电压功率网中运行变电站的变电站自动化系统的测试。
发明背景
高电压和中电压功率网中的变电站包含一次装置，例如电缆、线路、汇流条、开关、功率变换器和仪表变换器，其通常布置在开关场和/或间隔(bay)中。这些一次装置经由变电站自动化(SA)系统以自动化方式运行。SA系统包括二次装置，所谓智能电子装置(IED)，负责保护、控制和监测一次装置。IED可以被分配到分级层，即站层(stationlevel)、间隔层和过程层，后者通过所谓过程接口与间隔层分开。SA系统的站层包含操作员工作站(OWS)，其具有到网络控制中心(NCC)的网关和人机接口(HMI)。间隔层上的IED，也称为间隔单元，经由主要服务交换命令和状态信息的目的的内间隔总线或站总线依次相互连接，以及与站层上的IED连接。过程层上的IED包括用于电压(VT)、电流(CT)，以及气体密度测量的电子传感器、用于感测开关和变换器抽头切换开关位置的接触探针，和/或用于控制开关设备如电路断路器或隔离开关的智能致动器(I/O)。示范过程层IED，例如非常规的电流或电压变换器，包括用于采样模拟信号的模数(AD)转换器。过程层IED经由过程总线连接到间隔单元，其能够被认为是替代常规硬接线过程接口的过程接口。
用于变电站的二次装置之间通信的通信标准已经由国际电工委员会(IEC)作为题为“变电站中通信网络和系统”的标准IEC61850的一部分引入。对于非时间临界消息，IEC61850-8-1基于简化的开放系统互连(OSI)协议栈规定了制造消息规范(MMS，ISO/IEC9506)协议，该协议栈分别在传输网络层具有传输控制协议(TCP)和英特网协议(IP)栈，且以太网作为物理媒介。对于时间临界基于事件的消息，IEC61850-8-1直接在在通信栈的以太网链路层上规定了面向通用对象的变电站事件(GOOSE)。对于在过程层的非常快速周期性变化的信号，例如所测量的模拟电压或电流，IEC61850-9-2规定了采样值(SV)服务，其像GOOSE一样直接建立在以太网链路层上。因此，该标准定义了公布的格式，如在工业以太网上的组播信息、过程层上的基于事件消息和来自电流或电压传感器的数字化测量数据。SV和GOOSE消息在过程总线上传输。
基于IEC61850的SA系统通过称为系统配置描述(SCD)的标准化配置表示或正式系统描述配置和描述。SCD文件包括IED之间的基于消息类型或数据集即针对每个消息源为基础的逻辑数据流，目标站或接收器IED的列表，按照数据集定义的消息大小，以及对于像GOOSE、SV和完整性报告的所有周期性通信量的消息发送速率。SCD文件同样包括IED之间的关系以及IED代表变电站过程或开关场运行的功能。
IEC61850不仅规定了数据传送的方法，而且定义了服务器的过程数据。为了那个目的，IEC61850使用具有作为核心对象的逻辑节点(LN)的面向对象的方法，逻辑节点能够分组于不同的逻辑装置(LD)下。LN是具有对应属性的数据的功能分组并且表示可在个别IED中独立实现，或通过个别IED托管的最小实体。示例是包含在逻辑节点XCBR中的电路断路器的所有数据或包含在逻辑节点PTOC中的定时过流保护的所有数据。存在用于与LD(LLN0)相关的数据/功能和用于物理装置(LPHD)的常用装置性质的LN。
SA系统包括用于保护、控制或监测变电站的多个基本SA功能，所述功能涉及一次设备的个别块，或者涉及整个变电站部分例如间隔、电压等级或汇流条。在保护的示范上下文中典型的这类功能是距离保护、线路保护、断路器故障保护和差动保护。另外，提供更高级别的应用，这可能涉及一次设备的多于一个块，以及其包括站层联锁、站层和间隔层开关时序、变换器并行控制、变换器自动关闭功能、以及任何其它类型负荷转移和/或卸载。
标准IEC61850定义了能够用于分布式系统内设置功能和性能测试的基本特征，特别是用于具有到过程的串行或过程总线连接的SA系统。因为即使为了测试具体保护功能的目的，并且由此停用共享过程总线段所有其它的功能的过程总线的分段方式隔离对于操作或活动(live)的系统是不可接受的，已经引入了具体的运行模式。例如，如由LN的“Beh”数据对象的值编码并且在其所有的其它数据对象的“q”属性中指示的只有“测试”模式中的逻辑节点接收具有输入信号的质量属性“测试”的测试信号。这些测试信号包含存储在主机装置上的预先配置或预定义的测试数据。在错过测试信号的情况下，“测试”模式中的LN还接收从实际操作过程中获得的活动数据。另一方面，“如由在IED的LPHD内的“Sim”属性编码的“模拟”模式的IED允许IED经由如通过相应的GOOSE或SV的消息首部的对应标记编码的模拟GOOSE或SV数据集来开关至专门接收的模拟数据。
因此，这些模式确定输入信号测试质量如何与LN模式一起工作。在测试概念内的另外特征包含用于去激硬件输出信号因而防止一次设备级上的动作的“测试封锁”模式，和与输出信号相关的在所有过程的动作“镜像回(mirrorback)”信号(opRcvd，opOk)。
然而，上述概念忽略了只对最基本的功能，所涉及的LN和托管的IED的整体是容易可辨认的事实。事实上，任何稍微更复杂的功能性可能涉及逻辑互连于测试仪控制下的输入LN及输出LN之间的一个或若干媒介LN。在保守的方法中，操作系统上的任何测试要求可能由测试关注的变电站的所有部分，即间隔、电压等级或汇流条段直接且完全的去激，以防止一次设备的块的任何不受控制，更不用说不利操作。
专利申请EP2203754涉及有变电站的操作，其中保护、控制和测量在数据网络，例如按IEC标准61850，IED交换操作数据。在维护、调试及故障情况期间，在一个或若干IED是不可操作的时，这些IED将已产生的数据被取代以确保变电站的可用性。为此，专门的替代装置被永久地安装，其能够承担任何错过的IED的角色，并且被自动在描述SA系统的SCD文件外配置。模拟操作数据可包括分配给一次变电站设备的未表示块且替代由连接到一次设备的块的传感器确定的实际数据的状态信息或过程值。
在专利申请EP2362577中，评估被配置用于横跨PC或SA系统的基于以太网切换的通信网络从发送器到接收器IED的传输的每一个网络消息，以及生成和显示与所涉及的每个IED的操作方面相关的过程的相应图形表示。从逻辑数据流描述，其是PC或SA系统的正式配置表示的一部分，取回或确定发送器IED和接收器IED。同样地，为每个IED从正式配置描述取回该过程的多个操作方面之外的单一的操作方面。生成系统的图形表示包含形成具有相同操作方面的IED的组。对于IED的每个组，以标签或标记符的形式，连同该组一起或以其他方式链接该组，指示或显示相应操作方面。因此，用户可以容易地通过观察所生成的图形表示分析系统的通信配置，并且一目了然地确定在其它IED上和/或在所受控制和所受保护的过程上的IED故障或工程错误的后果。
WO2009/135512涉及一种方法，用于检查用于电能供应网络的自动化系统的现场装置之间的通信连接。使第一现场装置作为测试装置通过属于待测试的通信连接的通信网络而发布测试数据电文给至少一个其它现场装置。至少一个其它现场装置在接收测试数据电文之后向测试装置发送确认电文，并且测试装置显示接收的所有确认电文的收据作为对测试数据电文的反应。
下面的发明的原则和方法决不限于变电站自动化中的使用，而是同样可适用于以正式的系统描述的其它过程控制系统。尤其是，必须要注意的是，IEC61850也是水电站、风力发电系统和分布式能源(DER)所接受的标准。
发明内容
本发明的目的是支持和促进涉及运行变电站的SA系统中的媒介逻辑节点(LN)的变电站自动化(SA)功能的测试，特别是在变电站和/或SA系统上以最小影响，并且无需完全去激或隔离变电站的整个部分。该目的通过根据独立权利要求测试功能性的方法来实现。进一步优选的实施例从属专利权利要求是明显的。
根据本发明，测试通过定义至少一个输入LN(其中将应用测试场景(testscenario)输入信号)和通过确定输出LN(其中将观测预期的输出值)来建立。基于如系统配置描述(SCD)文件或关于功能架构的一些知识中定义的LN之间的数据流，测试准备工具或装置自动确定所有媒介或中间LN，其逻辑布置在这些输入和输出LN之间。具体地说，来自可用于IED数据模型中的数据对象、来自逻辑装置(LD)结构以及来自输入LN和输出LN之间的数据流，由功能测试影响的媒介LN和IED被识别并随后被标记用于“测试”或“模拟”模式。因此，测试数据流将通过不在测试模式中的媒介LN不被封锁(blocked)在输入和输出LN之间，并且因此不接受具有测试质量的引入数据。适当的模式被设置在以合适的粒度级别的所有中间LN处，并在测试结束时自动复位到正常运行。
具体地说，本发明涉及一种运行的SA系统，其包含连接到通信网络的多个智能电子装置IED，其中SA系统在功率传输或分配网络中使变电站自动化，即保护、控制和监测变电站，并且其中SA系统由根据IEC61850的SCD文件描述或表示，包含LN作为独立的数据实体或功能数据分组分配给个别IED并在该个别IED上实现/实例化。测试功能性然后包括以下步骤：
-由测试人员指示待测试的SA功能的输入逻辑节点LN(PDIS)和输出LN(XCBR)，
-基于SCD描述以自动方式识别从输入LN接收数据并且向输出LN提供数据的媒介LN(PTRC)，不论是直接或经由其它LN，并且优选通过共享过程总线，
-以自动方式将中间LN的运行模式设置为测试模式，并且将末尾LN的运行模式设置为测试封锁模式；以及
-执行SA功能的测试。
通用功能测试场景根据IEC61850-6(2009)/IEC81346以具有功能名称的功能术语定义输入和输出LN，连同待设的输入信号值和待观测的输出信号值。此外，作为经由GOOSE/SV消息传递给输入LN的测试数据的模拟电流/电压值可以是通用测试场景的一部分，因而其可能包含：
输入LN：例如PDIS1，PDIS2，PDIS3
输入(模拟/测试)信号(TVTR.SvVolt，TCTR.ScAmp)
输出LN：XCBR
所监控的输出信号(XCBR.Pos.OpOk，XCBR.Pos，OpRcvd)
具体的测试场景另外包含涉及在功能中的的明确的变电站部分、例如变电站间隔的指示。功能术语的分级结构(根据电压等级、间隔、设备)允许通用测试场景容易和快速适应这个和/或使用相同功能的其他开关场结构中。描述真实SA系统的SCD文件能够用于自动地将功能名称翻译成IED相关名称，并且因而识别由测试影响的物理IED上的LN实例。相同通用测试场景能够自动适应于具有或不具有过程总线的系统。
本发明实现在运行变电站自动化系统中以最小的干扰，修改或添加系统的功能或者系统部件的进行测试，例如在维护或改造试验期间。在根据IEC61850模式设置测试和模拟模式中，本发明支持测试者在几个步骤中用于特定的功能测试，包含识别全部LN，对于所述LN所述模式需要修改，并且描绘或列出共享中间LN的所有其它功能以便验证不发生意外副作用。经核准的测试配置最终释放到自动配置过程，其确定测试/测试封锁模式是否可按照每个LN个别设置或仅设置用于整个LD或甚至是IED。在这个配置过程之后，能够执行不同的测试用例，并在测试结束时将所测试系统部分内的整体测试配置设置返回到正常运行模式。
本发明提供了一种用于运行系统内的功能测试的动态设置。此功能的一部分还能够基于IED内的工作通信链路或编程信号连接而测试LN之间的信号电平连接。根据本发明的方法还能够用于仅有一个IED。换言之，该待测功能部分能够是在一个IED上或跨几个IED分布。采用工具，该待测功能部分能够被定义，包括任何介入LN，该LN可能在介入的IED上。本发明还实现了基于以信号电平配置的数据流限定介入LN的简单方法。定义功能部分之后，通过将所有有关的LN(不一定是IED)设置为测试模式并将功能输入信号切换为测试输入信号，能够将测试自动设置在一个IED或多个IED上。
根据本发明的方法不需要任何确认电文。为了测试的监控，测试装置只是订阅或明确读取来自功能的标准输出信号。IED之间的特殊测试电文也不是必需的。替代那个，能够使用“正常”电文，特别是，仅仅用于根据IEC61850现在标有质量“测试”的测试有效的那些信号。
附图说明
本发明的主题将在下面的文本中参考优选示范实施例更详细地解释，在附图中图示优选示范实施例，其中：
图1描绘了示范的测试架构，以及
图2列出了根据IEC61850的SCD的IED部分的摘录。
具体实施方式
图1描绘用于测试变电站自动化(SA)系统的距离保护功能的示范的测试架构或设置，而无需真正将实际的并且运行的变电站的断路器(CBR)跳闸。包括信号或命令的消息由箭头表示，并且在过程总线(未描绘)传送。测试工具是测试环境的一部分，并且提供包括电压和电流值的模拟的IEC61850-9-2LE数据集到如在EP2203754中描述的输入逻辑节点(LN)。输入LN是PDIS类的逻辑节点(保护距离)的第一实例，其存在于第一逻辑装置(未描绘)上并由该第一逻辑装置运行。输出LN具有XCBR(X断路器)类LN，其又由过程层装置实现，该过程层装置具有用于致动断路器CBR或将断路器CBR跳闸的硬件输出。该LNPTRC(保护跳闸调节)是一个媒介或介入LN，其从PDIS到PTRC和从PTRC到XCBR(例如，通过PTRC中的数据对象InRef1(PTRC.Tr)，InRef2(PDIS.Str)和XCBR中的数据对象InRef1(PTRC.Tr))的配置的信号数据流识别。
期望输出LN证明它将会正确跳闸，但实际上无需使断路器CBR运行该指令。因此，输出LN被设置为测试封锁模式，禁止硬件输出激活。另一方面，由测试工具选择输出LNXCBR的“Pos”数据对象进行评估，提供属性Pos.opOk和Pos.opRcvd以判断跳闸是否已经运行。LNPTRC还需要设置成测试模式以将任何PDIS操作下传到XCBR。
该LNPTRC是输入的可编程组合，适当合并来自其它类型的LN以及PDIS的几个实例#1，#2的操作请求。逻辑节点PTRC具有代表跳闸输出的数据对象Tr，该跳闸输出用于操作断路器。PTRC还具有代表跳闸状态的数据对象Op，该数据对象Op被发送到RREC自动重合闸LN，该RREC自动重合闸LN又负责协调重合闸动作。如从图1中是显而易见的，当执行测试而不是被设置成测试模式时，PDIS#2和RREC也同样被影响，其中RREC不接受具有测试质量的PTRC.Op输入。
实现本发明特征的以测试准备工具的示范测试设置包括以下几个方面：
1.测试者选择测试输入逻辑节点(LN)和/或逻辑装置(LD)，即他希望将测试输入应用到的那些逻辑节点/逻辑装置。SCD文件在变电站部分向LN提供分层功能图，其可另外通过所述LN类过滤。
2.基于SCD文件中定义的数据流，工具选择和提供将要被模拟的可能输入信号的列表，作为代表输入LN的测试输入信号。可能输入信号包括：单测试输入信号，例如在具有定义的测试信号源存在的情况下的InRef数据对象，允许取代值的源输入信号，或者具有需要被测试工具模拟或提供的数据集的值的引入的GOOSE/SV消息。
3.测试者选择信号或GOOSE/SV数据集，其中测试者想要为测试给出模拟输入。
4.工具调查有关的LN/LD/IED的LN模式管理结构，以根据IED的能力找出测试模式需要设置的位置，以及模拟模式必须设置以能够接收模拟数据集作为输入的位置。例如如EP2362577中所述，在基于系统的数据流程图的IED/LD/LN内部，结果被显示给测试者，使得测试者能够评估对测试期间仍在运行的系统的影响。
5.测试者选择测试输出LN，即，最终信号应从LN被观测以判断测试结果的那些LN。这里，测试者还决定HW输出是否需要通过将LN设置为测试封锁模式或仅测试模式而被封锁或允许。
6.基于所选的输出LN，工具向测试者建议可供选择的将被观测或记录的输出信号的列表。
7.基于此，该工具为输出信号选择现有数据通信定义(数据集，控制块)，并预定它们，如果由相关IED需要和允许，动态地将它们定义到IED上，或在测试过程中的正确点处设置读取程序。
8.使用SCD数据流的定义，该工具确定从输入LN到输出LN的路径，并标记所有中间LN作为测试。这将允许一组完整的将被测试的LN，而没有由不在测试模式并且因此不接受具有测试质量的引入数据的LN封锁输入和输出之间的测试数据流。如在步骤4中所述，该结果被再次呈现给测试者。
9.测试者检查设置，根据需要进行修改，并从发现的中间LN中识别用于记录的附加信号。然后将测试定义释放到系统。
10.工具根据要求设置所有测试/测试封锁模式，根据需要提供模拟输入消息和被取代的输入信号，使用实际过程值作为默认值。
11.测试者选择测试输入值，并通过手动或从一些脚本将这些带到被识别的输入信号中，测试被实际执行，并且被直接显示的所有被选输出信号和/或其任何改变被记录。该工具将这些结果与已经提供的期望结果比较，或者将其留给测试者来判断结果。
12.当测试者完成具有不同的值集的测试时，他结束测试。该工具自动将所有LN设置回到正常运行模式，以输出LN开始，并且然后背离(goingbackagainst)数据流进行，直到它达到输入LN并最终达到任何替代的输入值。
手动测试运行可能被记录，从而供以后的自动测试运行定义测试描述。通过再次使用SCD文件将IED相关名称翻译成功能名称，这种记录与功能相关信号识别一起完成。这允许使用也用于其它变电站/在相同变电站的其它间隔的存储的测试场景以及其它IED配置(例如具有/不具有过程总线)用于测试相同或类似的功能。
LN之间的数据流定义能够被提供在InRef/BlkRef数据对象内，对于每个LN，其包含引入信号的名称。用于数据流定义的纯SCL选项包括：
1.在每个信息控制块(GOOSE/SV/报告)处的目标列表。这可以定义目标IED或目标LN。这是从测试输入LN向另外(媒介或输出)LN找到“原始(raw)”路径的第一步，然而它常常仅在IED层处。
2.SCL内的输入/ExtRef部分。这包含每个LD甚至每个LN的引入信号(对这个LD上的所有LN有效)。这允许在LN层设置详细路径，即基于第一步的“原始”定义的细粒度的定义。这也用于定义IED内的详细信号层的数据流。
3.InRef/BlkRef和具有CDCORG的其它数据对象在功能上类似于输入/ExtRef部分，但是参考值也可见于在线IED并能够从那里被读取。
图2列出了根据IEC61850的变电站配置描述SCD的IED部分的摘录。SCD在IED部分中为每个控制块指定接收器IED，即逻辑数据流，至少被描述在IED层，可能被下传到逻辑节点层。图2的第一段定义：对于示范的IED“AA1C1Q01A1”并被分配到逻辑装置“LD0”，用于分布式联锁的数据集“InterlockingA”，以及与分布式联锁相关的数据流，具有IED“AA1C1Q01A1”作为相应GOOSE消息(例如，“gcb_A”到IED“AAIC1Q07A1”和“AA1C1Q05A1”)。这构成了用于根据上面的选项1的目标IED(路径的向前参考)的数据流的示例。第二逻辑装置“SES_1”具有输入部分，该输入部分定义了来自其它IED(例如IED“AA1C1Q05A1”)的信号被确定为作为接收器(sink)的这个IED“AA1C1Q01A1”。这构成了根据上面的选项2的由输入部分和引入信号(路径中向后参考)定义的数据流的示例。
虽然本发明已在附图和前面的描述中被图示并详细地描述，但是本发明不限于所公开的实施例。从附图、描述和所附权利要求的研究中本领域技术人员能够理解和实现其它实施例并且实施要求保护的发明。在权利要求中，单词“包括”或“包含”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可以实现权利要求中陈述的若干项的功能。仅有某些特征记载在不同的从属权利要求陈述的的事实并不指示这些特征的组合不能被有利地使用，具体地，所选择的从属权利要求不排除其它有意义权利要求的组合。个别权利要求内的方法步骤的顺序是优选的，但不一定是唯一的顺序。

Claims (4)

1.一种测试运行的变电站自动化SA系统中的功能性的方法，所述SA系统包含多个智能电子装置IED，所述IED连接到通信网络，其中所述SA系统在功率网络中正使变电站自动化，并且其中所述SA系统由根据IEC61850的系统配置描述SCD描述，并且所述SA系统包含作为分配给个别IED的数据实体的逻辑节点LN，所述方法包括：
-由测试人员指示待测试的所述功能性的输入逻辑节点LN(PDIS)和输出LN(XCBR)，
-基于所述SCD描述，识别从所述输入LN接收数据并且向所述输出LN提供数据的媒介LN(PTRC)，
-将所述中间LN的运行模式设置为测试模式；以及
-执行所述测试。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，指示输入LN和输出LN的步骤包括：
-指定涉及待测试的功能中的明确的变电站部分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括：
-识别托管所述媒介LN的IED，以及
-将所识别的IED的运行模式设置为模拟模式。
4.根据权利要求2所述的方法，包括
-根据所述SA的功能结构，存储测试场景作为具有适当的输入和输出信号和功能名称的输入LN和输出LN的集合，以及
-通过SCD文件将所述测试场景适用于不同的物理系统架构或具有类似结构的其它变电站部分。
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