基于5G通信和图像识别技术的新型继电保护测试系统

王俊康，吴继顺，汪卫东，赵军毅，王涛涛，罗 巍

（1.浙江省送变电工程有限公司，杭州 310020；2.广东昂立电气自动化有限公司，广州 511400）

0 引言

继电保护装置是变电站的二次核心设备，对电力系统的安全稳定运行起到重要的作用。当电力系统发生故障时，要求继电保护装置能够快速、准确地切除故障设备和线路，防止故障进一步扩大，因此继电保护装置初次投入运行或者定期检修时必须对其检测校验，确保继电保护装置正常动作。

当前继电保护装置型号、通信方式和接口等差异，限制了自动测试的应用，针对继电保护装置的调试和校验主要是人工测试，但是校验过程操作繁琐，效率低下，容易造成错漏，尤其是应急检修等紧急情况下，时间窗口小，任务紧，若采用完备性测试则时间和人员安排比较多，若采用其他测试方式则难免会存在疏漏。随着智能变电站发展，相关标准和导则先后颁布，在IEC 61850基础上的智能变电站能够实现输入、输出信息化和数字化，保护装置对外接口、软压板等方面规范化，使得继电保护装置实现自动化测试成为了可能。

为了适应智能变电站及继电保护装置快速发展，国内许多厂家和学者先后研制了多种自动检测方案，其中有的通过分析SCD 文件生成测试方案进行测试，并综合GOOSE 跳闸信息和SOE 信息进行测试结果分析［1-5］；有的对测试方案和装置配置进行了数据解耦，并将测试方案存于云服务器，通过WIFI将装置信息传到云服务器查找相对应的测试方案［6-8］；还有的对多台继电保护装置并行测试进行了研究［9］。但是上述方案存在以下不足：一方面大部分测试方案均需复杂的测试脚本，在实用性方面仍有较大的提升空间，虽然有些自动测试系统能够实现测试方案的导入/导出，但不同测试人员开发的测试方案无法快速有效地替换，定义的数据结构不统一，在通用性方面存在一定的缺陷；另一方面上述几种方案仅针对标准智能变电站继电保护的自动测试，自动测试系统必须接入网络，不完全适用于传统变电站及智能化改造后的变电站，其推广具有一定的困难。

1 新型继电保护测试系统研究

在深入研究多种自动检测方案的基础上，本文结合传统继电保护测试技术和现有智能变电站自动检测技术的优点，提出一种基于5G通信和图像识别技术的新型继电保护测试系统，该系统能适应传统变电站到智能变电站过渡阶段的各类继电保护装置，适用范围广。

引入5G网络技术，实现测试方案的在线下载及测试数据上传。在智能电网发展进程中，传统通信方式难以满足智能电网的发展需要，5G通信作为目前最先进的通信技术，以其大带宽、高可靠、低延时、广连接、泛在网等诸多优势，在智能电网配电自动化、负荷控制等方面得到广泛应用。在新型继电保护测试系统中利用5G网络技术优势，解决自动测试平台与云端服务器的通信问题，大大提高测试平台的便捷性。

随着电力系统规模不断增大，继电保护装置要求越来越高，保护屏柜的压板数量成倍增加。在对继电保护装置进行保护校验过程中需要根据不同的保护功能投退相应的压板，一旦压板状态投退不正确则无法准确校验保护装置。目前大部分变电站还是需要通过人工来投切压板，本文根据继电保护装置校验现场实际情况并结合图像识别技术的优势，设计出保护装置压板状态智能识别模块，并应用到继电保护自动测试系统中，以提高工作效率。

新型继电保护测试系统采用模块化思路，根据测试需求，通过关键字搜寻测试方案数据库，智能组合生成测试方案，加载并执行，并将测试结果上送至云端数据库。测试平台利用5G网络技术进行远程通信和手机应用程序相结合，能够实现远程监控与分布式测试，通过自动化测试，极大地简化了检测流程，减轻工作强度，提高检测精度和可靠性。该系统已成功应用于浙江省部分新建智能变电站验收作业，能完成全部检测项目并在时间及人员上优化配置，解决了继电保护装置功能及逻辑测试工作量大、任务繁琐等问题。

2 测试系统架构

2.1 系统硬件架构

系统硬件架构由GPS 终端、云端服务器、自动测试平台和手机终端组成，其结构如图1 所示。GPS终端负责接收GPS信号提供给测试仪，5G通信模块负责和云端服务器建立连接，自动测试平台负责根据测试项目参数输出模拟波形/SV 送至被测保护装置，并从保护装置接收跳闸信息/GOOSE和动作报文等，手机终端负责控制测试仪进行测试并接收测试过程中产生的数据。自动测试平台由5G模块、工控机、ARM、DSP、FPGA、功放模块、保护压板智能识别模块、SV/GOOSE数字处理模块、数字板以及开入/开出模块组成。

图1 系统硬件架构

2.2 系统软件架构

系统软件架构由手机端应用程序、云服务程序、测试方案数据库、自动测试控制程序、测试方案编辑程序、压板图像识别程序、测试仪服务程序和保护通信服务程序构成，具体如图2所示。

图2 系统软件架构

1）手机端应用程序用于监控自动测试过程，并从云端获取测试方案控制测试硬件实现自动测试功能。

2）云服务程序用于信息中转与服务提供，并为测试方案数据库提供统一的服务接口。

3）自动测试控制程序用于测试方案的解析与执行，一方面调用继电保护测试仪服务程序，驱动测试仪硬件设备完成具体保护逻辑测试，另一方面负责实现测试过程的记录跟踪。

4）测试方案编辑程序用于测试项目的增减、测试参数的调整、测试结果的评判、测试报告的生成、UI（用户界面）接口的修改等。

5）压板图像识别程序用于保护压板状态识别。

6）测试仪服务程序用于提供测试服务。

7）保护通信服务程序用于提供接收、读取、修改保护信息，如定值、控制字、软压板等保护设备参数信息，同时接收保护装置的动作报文和断路器变位报文，便于实现整个校验系统的闭环测试。

上述软件架构采用模块化设计思路，各模块遵循高内聚低耦合的设计原则，各模块间通过数据耦合方式，在面向服务框架保持不变的情况下［10］，对于提供设备控制接口模块，需根据模块化设计互换性的特点，通过更换不同的设备控制模块，能够达到相同的测试效果，具有很好的兼容性和灵活性。

3 系统关键技术及功能实现

3.1 测试方案智能生成技术

继电保护装置按照测试方案中的测试项目序列顺序或选择性进行测试，但测试方案编写、调试相当繁琐，存在重复性工作，且待测保护装置CID 配置文件修改后需重新调整测试方案。为提高自动测试方案的通用性，减少配置工作量，根据测试要求和被测装置的设备数据模型文件智能生成相应的测试方案，具体过程如图3所示。对于统一标准下编制的作业指导书（表单），其文档中测试内容的编排与测试项目格式基本一致，本文针对各种电压等级或保护类型的作业指导书中指定的测试项目，通过解析SCD/ICD文件或者通过MMS直接从保护装置召唤设备数据模型CID文件并解析其内容，然后对其中的关键字（如定值、控制字、软压板等）进行识别，检索已开发并调试的测试方案数据库，匹配出对应的测试方案文件，同时，加载用户自定义的word 格式标准测试报告。上述测试方案采用XML语言描述，应用时需指定待测保护装置，将方案中通用设备数据模型与待测保护装置的设备数据模型进行数据映射匹配，通过MMS协议自动读取保护参数，实现动态的试验参数适配，从而完成保护测试。

图3 测试方案的智能生成过程

为实现上述测试方案的智能生成，需具备以下几个关键技术。

1）标准设备模型：标准设备模型以国家电网两个企业标准为依据［11-12］，结合国内几大厂家按保护对象划分出统一的设备信息作为标准设备模型，如保护遥测、定值、控制字、软压板、遥信遥控以及装置参数。

2）测试方案数据库：测试方案数据库中由测试原子方案构成，测试原子方案为某一保护逻辑功能且不可再细分的测试项目，通过导出功能形成用户自定义的测试方案数据库，通过导入功能创建用户自定义的测试业务流程，如测试过流1.05倍定值原子方案是测试仪参数关联过流保护I段定值动作情况，不可再拆分，再拆分则无法完成一个测试。目前，已针对不同厂家及不同型号的装置开发了大量的原子方案，以满足继电保护装置的测试需求。

3）关键字匹配算法：关键字匹配算法是将继电保护装置中保护遥测、定值、控制字、软压板、遥信遥控及装置参数等关键字段通过定义的数据字典及匹配规则同标准设备模型中同类型的参数关联起来，建立保护数据模型、标准设备模型和保护参数映射关系，从而实现闭环自动测试。

4）硬件控制接口：由测试仪控制接口和保护通信控制接口构成。其中，测试仪控制接口功能包含启动测试、停止测试、读取数据、异常信息的接收和处理［13］；保护通信控制接口包括读取保护参数、修改保护参数等功能。通过控制接口控制测试仪，在测试业务流程中对保护装置进行相关操作［14］。

3.2 虚端子自动配置技术

在IEC 61850 标准协议基础上，根据测试需求，通过导入SCD 模型文件并解析，提取保护装置的IED信息，自动配置SMV、GOOSEIN/OUT控制块，将控制块中的各虚端子与测试仪接口模拟量输出、开入/开出接点进行关联映射。若导入SCD 文件命名或描述不规范时，通过设置数据字典来匹配虚端子映射，同时利用人工映射记录并添加至数据字典，实现虚端子SMV、GOOSEIN/OUT配置，上述方式可以通过颜色区分自动配置还是数字字典配置，采用人工确认方式提高虚端子自动配置匹配成功率及可靠性，具体流程如图4所示。

图4 虚端子关联映射流程

3.3 保护压板状态智能识别技术

图像识别技术是计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别不同目标和对像的技术。图像识别过程通常包括图像预处理、图像分割、特征提取和判断匹配。在继电保护自动测试过程中，必须快速准确获取保护压板的状态，本文提出一种基于图像识别的保护压板状态智能识别技术，通过图像识别把保护压板状态传送至测试平台并进行比对：如果压板状态符合测试要求，即进入下一个步骤；如果压板状态有误，则提示现场操作人员手动更正。

保护压板状态智能识别模块硬件由摄像机、图像采集卡、计算机组成。图像识别过程主要由图像采集、图像处理与压板状态识别、压板状态对比、输出结果4个步骤组成，如图5所示。下文将着重介绍基于图像识别的保护压板状态识别技术的实现过程。

图5 保护压板智能识别过程

1）图像采集：利用固定支架的相机采集目标断路器所在的电气控制柜保护压板图片，若相机所在位置高度、角度和亮度不符合要求，则系统提示相应的调整方式。

2）图像处理与压板状态识别：采集到控制屏的图像不仅包含了压板状态，还有按键、显示器件等其他电气柜部件，因此需要利用视觉算法进行预处理。可采用目标压板状态的定位算法和目标压板状态算法，先检测图像中压板的位置并进行图形分割，然后再提取目标压板的图形特征，最后识别压板类型、压板的状态。

3）压板状态对比：经过图像识别的压板状态需要与正确的压板状态进行比对，如果压板状态不相符，则系统提示投入或退出相应压板。

4）输出结果：通过图像识别快速获取压板状态，并把结果传输到测试仪，以便进入下一个检测程序。

4 系统测试流程

自动测试系统运行时，自动加载并解析测试方案，提取测试项目序列，根据测试项目中的相关描述确定不同的测试执行过程，具体包括以下步骤。

1）完成保护定值的召唤。

2）执行初始化，实现保护逻辑测试项目中的试验参数准备。

3）控制测试仪输出电压、电流等信号到保护装置，完成保护的逻辑功能测试。

4）监视保护动作事件报文，记录测试结果；执行测试结果处理脚本。

5）根据报告映射描述填写测试报告。

对于需要人工检查或干预的操作，自动测试系统通过弹出提示界面、播放声音等方式提示作业人员需要操作的内容及方法；每一个测试过程完成后，根据测试方案中已设定的评判信息，测试系统对测试结果进行智能评估，并记录整个测试执行过程和执行结果，通过日志栏分类显示：测试信息、保护事件、不合格项目记录；测试结果经书签映射自动填写至作业表单中；全部项目测试完毕后，测试人员确认，并提交作业表单，完成本次定检测试任务，具体流程如图6所示。

图6 测试执行流程

为满足无人值守智能站验收检测以及日常定检需求，需在上述测试过程基础上，增加5G技术和手机终端，利用5G网络将手机应用程序与云服务连接可以实现智能站远程监控及测试，提高作业人员测试效率，具体实现过程为：手机应用程序通过5G网络连接云服务器，从云服务器下载测试方案至测试仪。通过手机应用程序控制测试仪开始进行测试。测试仪通过外接的5G模块发送测试数据至云服务器，通过推送方式将云服务器的测试数据发送给手机应用程序以便作业人员监控整个测试过程。

5 应用实例

本文以PCS931线路保护装置为例，保护投纵差、距离Ⅰ段/Ⅱ段/Ⅲ段、零序过流Ⅱ段/Ⅲ段、工频变化量距离、三跳三重；试验方式为单台装置自环测试，以220 kV线路定检校验报告为标准。正常人工调试一台需资深调试人员紧张工作4 h；使用自动测试系统，调试一台仅需约2 h，单台调试效率提升50%，系统自动计算参数、填写报告且可以多台同时进行测试。而且本系统具备手机端应用程序，可利用手机端应用程序进行远程监控与测试。图7为电压、电流模块测试界面，可对零序过流Ⅱ段保护测试作出评价。

图7 电压、电流模块测试界面

6 结语

本系统已成功应用于杭州500 kV 萧围变电站和220 kV 绿汀变电站验收工作的保护元件调试和整组试验，其优点在于以下几点。

1）测试方案智能生成，节省现场测试的时间，将原本数天的工作量压缩至数小时，提高了作业效率。

2）5G网络技术的引入能够实现手机终端远程监控及协调测试。

3）虚端子自动配置考虑SCD 描述不规范情况，加入了数据字典，提高匹配映射的成功率，节省现场人员进行虚端子映射的时间。

4）系统设计了测试报告数据的扩展接口，基于XML 协议将测试报告文件存储至云端数据库，可以对测试关键数据的变化规律进行分析、对比，找出测试数据趋于不合格的装置；也可对保护装置的测试数据进行综合分析，对保护装置的质量进行评估，为后续新建智能变电站保护装置招标提供有价值的依据。