一种多点同步纵联差动保护方向测试系统及方法与流程

1.本公开涉及电力工程技术领域，特别涉及一种多点同步纵联差动保护方向测试系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.电力线路纵联保护、母线及变压器差动保护、距离保护及方向保护在新设备投运或者电流回路有变动时均需要验证接线正确性。
4.发明人发现，现有的电压电流发生装置针对某一个开关或某一个点位进行验证，且无法对远端的开关机断路器的保护系统进行验证，变电站内不同开关距离约几十米，变电站开关与负载端开关距离约几十公里，距离较远，普通的连线方式同步无法满足要求，需要设计新型的无线通讯方式实现多个电压电流发生装置之间的同步启动。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种多点同步纵联差动保护方向测试系统及方法，能够解决纵联差动保护因电网方式调整困难、合环潮流小、保护ct变比大或单电源进线变电站负荷轻无法完成测方向的问题，能够验证纵联差动保护电流二次回路接线正确性。
6.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
7.本公开第一方面提供了一种多点同步纵联差动保护方向测试系统。
8.一种多点同步纵联差动保护方向测试系统，包括：集中接收器、中央控制器和至少两个测试子单元，各个测试子单元通集中控制器与中央控制器通信；
9.各个测试子单元接收到计算单元的命令后，在特定时刻同步产生特定幅值和相位的电压电流信号，验证变电站开关断路器的保护系统的接线正确性；
10.各个测试子单元将测试得到的同步电网信息发送到中央控制器，中央控制器通过比较各个测试子单元采集的同步电网数据信息对纵联差动保护方向进行计算识别。
11.作为可能的一些实现方式，测试子单元包括时间同步模块，时间同步模块内配置有兼容gps和北斗授时功能的授时芯片，独立为系统提供时钟或接受站内irig
‑
b的时钟信号或通过网络授时技术进行时钟校时为测试子单元提供时间节点。
12.作为可能的一些实现方式，测试子单元包括控制器模块、模拟量采集模块和数字量采集模块，模拟量采集模块用于对电压电流进行带有时标的采集，数字量采集模块用于采集遥信数据；
13.控制器模块被配置为收集各模拟量采集模块和数字量采集模块采集到的数据信息，对数据进行计算、分析和处理，同时将有效数据进行转发和存储。
14.作为进一步的限定，控制器模块采用fpga架构，保持测试子单元内的时间标准，对gps秒脉冲信号实施精细拆分生成同步采集脉冲，采用恒温晶振为fpga提供时钟。
15.作为进一步的限定，控制器模块以设备编号顺序向各相量测量模块和数字量模块下发报到命令，若对应的设备编号的设备存在则返回相应数据，控制器模块根据返回的数据识别设备的属性及状态，待所有设备完成报到后在控制器模块内生成设备表，为后续模块轮询提供设备信息。
16.作为更进一步的限定，模拟量采集模块每次轮询时传输的内容为一个轮询间隔内的波形数据及对应的时标信息，计算出的相量信息在每周期的设定轮询次数跟随波形数据进行发送；
17.对于数字量采集模块在轮询间隔内时若开关存在变位则上传对应通道变位后的状态及变位时间。
18.作为进一步的限定，模拟量采集模块包括fpga和ad转换器，fpga负责完成ad转换器的控制工作，fpga收到gps的时钟信号后进行分频处理后用来触发ad转换器。
19.作为更进一步的限定，模拟量采集模块的fpga根据ad转换器的数据进行傅里叶变换的运算，求出各通道的相角信息，同时将计算结果和波形文件通过将数据发送给控制器模块。
20.作为可能的一些实现方式，测试子单元包括电压电流发生模块，用于进行电压电流输出灵活组合，具有标准四相电压三相电流输出，通过各种组合输出实现各种类型保护试验。
21.本公开第二方面提供了一种多点同步纵联差动保护方向测试方法，利用本公开第一方面所述的多点同步纵联差动保护方向测试系统，包括以下步骤：
22.各个测试子单元接收到计算单元的命令后，将电压电流发生模块输出的电流加载在电流互感器一次侧，检验电流互感器二次回路接线的正确性；
23.各个测试子单元通过无线通讯将测试得到的同步电网信息发送到中央控制器，中央控制器通过比较各个测试子单元采集的同步电网数据信息对纵联差动保护方向进行计算识别。
24.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
25.1、本公开能够解决纵联差动保护因电网方式调整困难、合环潮流小、保护ct变比大或单电源进线变电站负荷轻无法完成测方向的问题，能够验证纵联差动保护电流二次回路接线正确性。
26.2、本公开解决了现有的继电保护测试仪都只能单机运行的实际问题，能够同时针对多个开关或多个点位进行测试，可以开展实施针对远端开关及断路器保护系统的异地验证。
27.3、本公开解决了现场继电保护运维人员的劳动强度，提升了运维效率，促进了电网纵联差动保护工作的顺利实施。
附图说明
28.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
29.图1为本本公开实施例提供的系统架构示意图。
30.图2为本本公开实施例提供的测试子单元硬件结构图。
31.图3为本本公开实施例提供的控制器模块硬件结构图。
32.图4为本本公开实施例提供的模拟量采集模块硬件结构图。
33.图5为本本公开实施例提供的数字量采集模块硬件结构图。
34.图6为本本公开实施例提供的远控模块硬件结构图。
35.图7为本本公开实施例提供的电流电压发生模块硬件结构图。
36.图8为本本公开实施例提供的测试系统通讯框架结构图。
具体实施方式
37.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.实施例1：
42.传统变电站继电保护系统采取的是单一节点排除的检验方式，它的检验方法较为简单，主要是利用继电保护测试仪，将电压电流测试线与变电站的继电保护装置进行连接，而后向继电保护装置中输入模拟量的电压电流，以此来检测变电站继电保护系统的运行效果，该检测方式可以检测出继电保护装置的技术性能，以及二次回路的逻辑完整。
43.供电公司新建的变电站在投运前需要验证变电站继电保护系统的接线正确性，现有的继电保护测试仪都只能单机运行，针对某一个开关或某一个点位进行验证，且无法对远端的开关机断路器的保护系统进行验证。变电站内不同开关距离约几十米，变电站开关与负载端开关距离约几十公里，距离较远。普通的连线方式同步无法满足要求，需要设计新型的无线通讯方式实现多个继电保护测试设备之间的同步启动。
44.为解决此问题，设计了一种能够多机并联运行的纵联差动保护方向测试系统，系统架构如图1所示。系统内多个测试子单元装置能够受同一中央控制器控制，同时同刻产生指定幅值、指定相位的电压电流信号，对所在位置的开关断路器的保护系统进行验证。
45.如图1所示，整个系统包括中央控制器、集中接收器、测试子单元。
46.中央控制器，包括通讯单元和计算单元，通讯单元为集中接收器与计算单元的数据交换提供通道，并支撑整个系统的数据安全基本防护，计算单元定时接收测试子单元的同步电网数据信息并将数据保存到计算单元数据库当中。
47.集中接收器包括4g(或者5g)模块和通讯服务器，所有测试子单元通过内置4g(或者5g)模块将采集到的同步电网数据发送到集中接收器服务器，集中接收器中的通讯服务器通过internet网络将数据传输至中央控制器进行分析，集中接收器根据计算单元指令要求向测试子单元发送需要产生的电压电流信号幅值，相位及产生时刻，测试子单元接收计算单元的命令，产生符合要求的电压电流信号，控制器与电压电流发生模块之间采用4g(或
者5g)网络通讯。
48.测试子单元包括多个测试子单元，测试子单元硬件架构如图2所示，其包括：控制器模块、时间同步模块、模拟量采集模块、数字量采集模块、电流电压发生模块。
49.其中时间同步模块配置高精度授时芯片，内有兼容gps和北斗授时功能的授时芯片，独立为系统提供时钟，或接受站内irig
‑
b的时钟信号或通过网络授时技术进行时钟校时为测试子单元提供精准的时间节点。
50.控制器模块被配置为收集各模拟量采集模块和数字量采集模块采集到的数据信息，对数据进行计算、分析和处理，同时将有效数据进行转发和存储等；控制器模块采用fpga架构，如图3所示，其作用是保持测试子单元内的时间标准，对gps秒脉冲信号实施精细拆分生成同步采集脉冲的同时，在由于特殊情况丢失时间标准信号时保证测试子单元的时间标准不丢失，为保证时间标准的精确度，子单元采用恒温晶振为fpga提供稳定的时钟，控制器模块以id编号顺序向各相量测量模块和数字量模块下发报到命令，若对应的id编号的设备存在则返回相应数据，控制器根据返回的数据识别设备的属性及状态，待所有设备完成报到后在控制器模块内生成设备表，为后续模块轮询提供设备信息。
51.模拟量采集模块负责对电压电流进行带有准确时标的高精度采集，由于其模数转换器可以直接通过外部精确时钟信号进行触发，从硬件结构上规避了ad转换延时、数据传输延时、数据计算延时等误差量的引入因素，充分保证相量测量的准确性，硬件架构图如图4所示。
52.数字量采集模块，负责采集遥信数据。数字量采集模块主要用于检测外部开关的位置及准确的动作时刻，通过总线可以获取准确时标信息，硬件架构图如图5所示。
53.远控模块根据控制命令输出控制动作，通过总线可以获取准确时标信息。测试子单元采用模块化设计，各功能模块可以灵活配置，其中模拟量采集模块、数字量采集模块、远控模块用户可以灵活配置，满足用户不同采集的需求。各模块之间通过插槽进行连接，省去外部接线工作。
54.所述测试子单元之间依靠时间同步模块进行时间同步，测试子单元内含4g(或者5g)通讯模块向集中接收器进行登记备案，各个测试子单元接收到计算单元的命令后，开始执行命令，在特定时刻同步产生指定幅值、指定相位的电压电流信号，验证变电站开关断路器的保护系统的接线正确性。各个测试子单元通过4g(或者5g)无线通讯方式将测试得到的同步电网信息发送到计算单元，计算单元通过比较各个测试子单元采集的同步电网数据信息对纵联差动保护方向进行计算识别。
55.测试子单元将电压电流发生模块输出的电流加载在电流互感器一次侧，检验电流互感器二次回路接线的正确性，其通过自身4g(或者5g)模块向远端集中接收器服务器进行登记备案，中央控制器计算单元定时向测试子单元查询同步电网数据信息，并在内存中对同步数据信息进行缓存，同时将同步数据信息存储至服务器中。
56.测试子单元将电流电压输出接口、采集端口、卫星天线正确连接，打开移动终端(如笔记本电脑、手机等)的无线热点功能后测试子单元会自行连接该无线热点。操作员通过终端web浏览器打开测试子单元的操作界面选择相应的测试线路。测试子单元通过时间同步模块实施gps或者北斗精准校时，并在中央控制器的命令下，在同一时刻，通过电流电压发生模块向待测节点发出测试信号，对应测试子单元在同一时刻通过4g(或者5g)无线网
络向计算单元传输采集得到的实时同步电网数据，并将结果展示到web界面中，提供给操作员作为差动保护识别参考。
57.所述测试子单元装设于待检测元件保护各支路出线侧。布置于不同地域的两套测试子单元应能够根据所接收到的北斗或gps对时信号，实现同步的正弦波信号源输出，并且两端测试子单元所输出的正弦波信号源在相位上相差不得大于50s，经功率放大器放大后的正弦波电流输出在相位上相差不得大于100s，其有效值输出相差不得超过5a，调节精度、步长小于1a。
58.测试系统便捷使用，可灵活的部署在各个测量点，并具有准确的时钟信号，测量点两端的信息能够流畅的交互，并且信息交互没有距离限制，同时具有良好的人机交互界面。
59.在测试子单元的授时方面，考虑到现场安装的方便、灵活、稳定的要求，采用卫星授时方式。测试子单元通过gps/北斗卫星的授时方式可以达到20纳秒的授时精度，完全满足差动保护测量的时钟要求，此种方式安装方便，不受其他外部设备的限制，只要卫星天线能够正常接收卫星信号即可完成授时要求。
60.在测试子单元与集中接收器通信传输方面，采用4g(或者5g)无线网络传输。依据现有的4g(或者5g)网络实现数据传输，其优点是信号覆盖范围广、可利用基站多。考虑到装置会为每个采样点加入准确的时标信号，因此，网络本身的延时不会影响测试子单元的正常运行。由于测试子单元本身具有存储功能，网络中断时可将临时数据存入内置存储器中，待网络恢复正常时将数据打包发送给集中接收器服务器，4g(或者5g)网络中断时间一般比较短，不会对差动保护工作带来障碍。
61.该系统在使用时需要进行必要的参数配置，使测试信息与实际测量值的信息吻合，最终的测试结果也需要通过交互界面展示给用户。利用web界面可以给用户展示丰富的信息量。此外，web界面具有良好的兼容性，用户可以通过电脑、手机、平板等终端直接连接读取数据，不需要专用的显示器件，可以大幅度降低装置的硬件成本，利用web方式利于实现历史数据的存储、分析等工作。因此该系统选用web的人机交互界面。
62.模拟量采集模块主要完成对电压电流量的采集工作，主要有fpga和高精度ad转换器组成。fpga负责完成ad芯片的控制工作，fpga收到gps的时钟信号后可以进行分频处理后用来触发ad。充分保证ad转换时间的精准度，减小相角计算的误差，使用16位的差分信号输入ad转换器，该ad转换器可以对8路模拟信号进行同步采样保持，从芯片结构上避免了多相采集的时间延迟问题。采集到ad转换数据后fpga可以继续进行高速快速傅里叶变换的运算工作，求出各通道的相角信息，同时将计算结果和波形文件通过mlvds总线将数据发送给控制器。为保证瞬时数据的传输要求，模拟量采集模块设计有smv接口，可以高效、快速的将波形数据进行外传，减小数据传输的延时时间。采集模块具有8个模拟量通道，每个通道都可以配置为电流通道或电压通道，其中电流通道的输入电流范围为0～1a或0～5a，电压通道的输入电压范围为0～100v或0～220v。其中fpga的主要功能为：控制ad转换、计算相角和幅值、数据暂存、数据发送等。
63.数字量采集模块主要用来检测数字量信息和执行遥控动作，每个模块具有16路无源输入节点，由于该模块的时钟信息也是通过时钟单元获取，因此可以将记录开关动作的时间精确的微秒级别，可以真实的反应各开关的动作的先后次序，便于故障的分析；软件去抖时间可以灵活的通过控制器进行配置。数字量信息数据通过iec104规约上传到信息平
台，针对高速遥信soe信息，装置通过本地goose接口对外提供，充分保证遥数据的传输时效性。数字量模块的工作由fpga完成控制。遥信通道主要用于检测开关的状态信号，对控制过程有着极为重要的影响，因此该部分电路必须具有快速、准确、可靠的特点。由于测试子单元需要在强电场和强磁场的环境中工作，为了避免相互干扰，设计中采用光电耦合电路实现干扰信号的隔离。为避免信号的抖动干扰，在光耦输出需要增加施密特触发器，充分保证信号的准确可靠。在抖动处理方面除了硬件的防止措施外，可通过程序设置相应的消抖参数保证遥信通道的安全可靠。
64.远控模块主要用来操作为外部开关执行控制命令，每个模块带有8路220v/5a的继电器常开输出节点，硬件结构图如图6所示。为加强遥控动作出口的安全性和可靠性，这里加入全局继电器电源使能控制继电器、预遥控继电器、执行继电器。测试子单元上电通过自检后，电源使能继电器闭合为控制继电器提供控制电源。执行出口控制动作时，首先对预远控继电器进行控制，在保证继电器正确动作后，控制继电器执行最终出口动作。远控输出用于控制断路器、重合器、继电器等重要装置，因此需要保证遥控输出准确无误，具有很高的可靠性。同时处于对遥控输出本身保护的要求，在输出电流过大时具有自我保护功能，设计时增加了电源压板电路，增加了动作的准确性。
65.电压电流发生模块可以做到电压电流输出灵活组合，具有标准4相电压3相电流输出，可方便地进行各种组合输出进行各种类型保护试验，硬件结构图如图7所示。每相电压可输出120v，电流三并可输出120a。输出部分采用fpga控制，运算速度快，实时数字信号处理能力强，传输频带宽，控制高分辨率d/a转换。输出波形精度高，失真小线性好。采用了大量先进技术和精密元器件材料，并进行了专业化的结构设计，因而装置体积小、重量轻、功能全、携带方便，开机即可工作，流动试验非常方便。电压电流发生模块相电流、电压采用高性能线性放大器输出方式，使电流、电压源可直接输出从直流到含各种频率成份的波形，如方波、各次谐波叠加的组合波形，故障暂态波形等，并且输出波形干净平滑，对邻近设备无高频辐射干扰，可以较好地模拟各种差动保护动作时的电流、电压特征。
66.模块间通讯按照如下机制进行，模拟量采集模块、数字量采集模块采集到的数据发送给控制器模块，硬件结构采用mlvds总线实现一对多的通信方式，采用高速spi的通信时序。数据总线包括mlvds总线、485总线、通用io、同步信号、usb总线、电源线等六部分组成。
67.测试子单元各采集模块与控制器模块的通信流程采用轮询的方式，由控制器下发回传指令，测量模块收到对应的指令后，与本机设备号进行对比，若指令码与本机设备号相同则将本机数据进行回传；若数字量采集模块因状态变化需要上传数据时，将上传请求信号线拉低，待读完当前设备数据后再去响应该设备。
68.测试子单元上电后控制器模块以设备编号顺序向各模拟量采集模块、数字量采集模块、远控模块下发报到命令，若对应的设备编号的设备存在则返回相应数据，控制器根据返回的数据识别设备的属性及状态。待所有设备完成报到后在控制器内生成设备表，为后续模块轮询提供设备信息。
69.模块线程间数据通信采用全局数据缓冲区实现。采样值数据通过采样值缓冲区进行数据传递，测控计算线程等计算得出的有效值、开关量状态等数据通过测控实时工具进行数据传递。测试子单元程序中通信框架包含：发送表初始化、站总单元初始化、ether网卡
配置初始化、通信服务对象初始化、客户端socket、读取ied配置参数信息、平台通讯维护线程等，通讯框架如图8所示。
70.本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
71.本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
72.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
73.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
74.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
75.以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。