CN101252281A - 电压无功综合控制功能的测试方法与测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压无功综合控制功能VQC综合测试方法。测试过程对VQC控制出口做出明确响应，包括模拟量与数字量改变，形成闭环测试过程。可针对VQC的特殊测试要求，有针对性地获取测量数据；提取控制过程，计算控制效果，即原始控制效果；在测量数据中去除累计的原始控制效果，得出原始数据；以原始数据作为仿真波形的基础数据，在检测到VQC装置的控制出口时，计算装置控制效果，在原始数据中加入累计的装置控制效果，作为当前仿真数据，输出仿真信号；测试系统同步记录VQC装置各出口的动作次数及被控量)的越限情况，作为本次测试的测试结果。本发明还公开了该测试系统的硬、软件实施方案。

Description

电压无功综合控制功能的测试方法与测试系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统自动控制或调节过程的测试技术，具体涉及一种电压无功综合控制功能的测试技术，属于电力系统控制技术领域。

背景技术

为了验证各种自动装置的正确性，人们有针对性地建立了各种测试系统。如：针对继电保护装置的故障再现系统，针对故障录波装置的信号模拟系统等。目前，这些测试系统已经比较成熟，达到实用要求。

为了更好地理解本发明，现在对本申请中出现和使用的下述名词进行定义和说明：

测试系统——为了验证被测试装置动作正确性的系统。

保护类装置(产品)——在本发明中，保护类装置是指电力系统继电保护装置及故障测距装置。这两类装置的测试系统有许多共通之处。

在对保护类产品进行测试时，完整、有效的试验用例必不可少，每个试验用例都是对故障过程的“真实”再现。故障的波形数据可以从现场采集，也可以通过仿真得到。

被测试的对象——是指一个正在被检测正确性的系统。

试验用例——一个上层的概念，为了特定对象所设置的一系列输入、预制执行条件和期望结果，如：为了验证特定的程序分支而建立的特定条件。

试验系列——(也被称作试验用例集合，)一个上层的概念，为了测试同一个被测试的对象而建立起来的一系列试验用例的集合。

目前，国际上已经研发出了大量的仿真软件/系统。《电力系统数字仿真技术的现状与发展》(汤涌电力系统自动化2002，(9)17。P66～P70)中提出的仿真程序/系统包括：EMTP、EMTPE、EMTDC(PSCAD)、MicroTran、NETOMAC、PSASP、BPA、PSS/E、ETMSP、SYMPOW、EUROSTAG、LTSP、EXTAB、MODES等。《全数字实时仿真器——HYPERSIM》(周保荣，房大中，Laurence A.Snider等电力系统自动化2003，(10)19。P79～P82)中提出的HYPERSIM仿真程序。《仿真软件MATLAB PSB与PSASP模型及仿真分析》(陆超，唐义良，谢小荣等电力系统自动化2000，(5)9。P23～P27)提及的MATLAB(，PSASP已在前面提出)。

上述的仿真软件/系统中，可以对继电保护系统、故障测距系统、励磁系统、稳定控制系统及稳定判断等方面的功能进行完整的仿真、测试。但在各种测试系统中，没有可以全面测试变电站电压无功综合控制装置/功能(以下简称VQC)的测试系统。上述各种仿真系统的最长仿真过程可达几个小时，但VQC装置的一个完整测试周期至少要24小时。同时，各种仿真系统的功能过于庞大、复杂，针对VQC装置的测试过程完全可以另辟蹊径。现在，已有的(使用中的)各种VQC装置的测试系统，多是各生产厂家或电力公司自行建立的阶段性测试平台。所有的测试过程都是针对某种特定的控制过程而设计的，如：针对主变上调档而特别降低电压、减少无功。我们称之为阶段性测试过程。

需要特别指出，在《电压无功综合控制装置测试仪的研发及改进》(江阳华北电力技术2004，2。P12～P15)及《电压无功综合控制装置调试仪的研发及改进》(江阳电力设备2004，(3)3。P41～44)中提出了一种适用于电压无功综合控制装置(VQC)的测试仪器。文中着重提出测试仪器的硬件实现过程，其中提及的测试(调试)仪器，可以实现阶段性测试过程，或使阶段性测试过程更容易。但文中并没有提及如何实现有效的试验用例。通过文中对测试(调试)仪器硬件描述可以看出，该仪器无法实现本发明中所描述的测试过程。从本质上讲，该测试(调试)仪器是当前已有阶段性测试平台中比较先进的一种。

阶段性的过程测试，无法体现VQC装置的综合控制水平，主要表现在以下几个方面：

1、VQC装置控制过程关联性强，分步测试结果与连续测试结果差异较大。

2、VQC装置的控制周期长，一个基本测试周期为24小时。阶段性测试过程不完整。

3、验证结果不准确，VQC装置需要累计动作次数及电压、无功的越限时间。阶段性测试过程短，无法得出累计数据。

4、控制出口的反馈过程不够精确。VQC测试系统的反馈算法复杂，包括模拟量反馈及数字量反馈，反馈信息对连续测试过程影响很大。已有阶段性测试平台的反馈过程粗糙。

发明内容

鉴于以上的不足，目前已有的VQC测试系统，即：文中所述的阶段性测试平台，无法得出被测试VQC的综合性能，缺乏实用性。本发明的目的在于提出一套解决方法，可以确切描述出VQC装置的控制反馈信息，包括数字反馈信息及模拟反馈信息。从而反映出VQC装置的实际使用效果。其典型的试验用例是24小时的连续仿真测试，使VQC测试系统达到实用要求。以本套测试方法为基础，建立一套完整的硬、软件测试系统。

首先，对本发明中的技术术语和概念说明如下：

无功设备——在本发明中，无功设备泛指可以对电压及无功分布产生影响的设备。主要指变电站的有载调压变压器、并补电容器和并补电抗器。

测量数据——也称作测量曲线。即：VQC装置所安装处实际可以测量到的运行数据。如：在VQC装置所安装(将安装)的变电站连续测量电压、功率、谐波及开关位置等信号量。

受控量——控制系统中被控制的目标量(也称：目标量或目标值)，指电压无功综合控制系统中的受控电压或受控无功功率。通常，受控电压是主变低压侧电压；受控无功是主变高压侧的注入无功功率。

原始控制效果——无功设备动作对各状态量所产生的实际影响。可以通过比较各状态量在无功设备动作前后的改变情况，得出本次无功设备动作的原始控制效果。

原始数据——也称作原始曲线。在变电站中不对无功设备进行控制的测量曲线。通常情况下，原始数据可以近似为测量数据减去累计的原始控制效果。

装置控制效果——一种近似的计算值。在仿真测试过程中，对VQC装置控制出口应产生的控制效果的仿真计算值。

仿真波形——也称作仿真曲线。实际仿真过程中使用的波形数据。仿真曲线可以指仿真波形曲线，也指可以直接得出仿真波形的基础数据曲线。如：通过功率、电压直接计算出当前电压、电流的幅值和角度。在本发明中，指仿真波形的基础数据，仿真波形的基础数据中包括模拟量数据和数字量数据。

本发明的技术方案包括变电站电压无功综合控制功能的测试方法和测试系统：所述变电站电压无功综合控制功能的测试方法，其步骤包括计算原始数据：根据电压无功综合控制装置VQC的测试要求，获取测量数据，由测量数据计算无功设备的动作过程和无功设备的原始控制效果，得出在变电站中不对无功设备进行控制的测量数据，即原始数据；计算VQC控制效果：在VQC控制出口时，计算VQC控制过程的反馈量即控制效果，所述反馈量包括模拟信号反馈量和数字信号反馈量；仿真信号的发生与VQC控制出口的测量：在原始数据中加入累计的装置控制效果，作为当前仿真数据，通过模拟信号输出单元向VQC输出模拟量仿真信号，通过数字信号输出单元向VQC输出数字量仿真信号，通过数字信号测量单元对VQC控制出口进行测量；记录测试结果：将输出受控量的累计越限时间和VQC控制出口的动作次数作为本次测试的测试结果。

根据上述测量方法的变电站电压无功综合控制功能的测试系统，该测试系统包括：核心控制单元、模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元和通信总线，核心控制单元与模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元之间通过通信总线实现通信；

所述核心控制单元用于保存原始数据、进行装置控制效果计算、计算仿真曲线、获取数字反馈量，解读VQC控制指令、控制通讯进程、记录控制过程、记录控制结果；所述模拟信号输出单元接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出电压、电流量，作为VQC的模拟量输入；所述数字信号输出单元接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出数字信号，作为VQC的遥信信号输入；所述数字信号测量单元测量VQC控制出口，向核心控制单元发送数据，告知当前读出的VQC控制出口动作情况。

在本发明的实现方案中，集中体现了四个基本过程：

①不含控制过程的原始数据的获取过程。

②VQC控制过程反馈量(装置控制效果)的计算方法。

③仿真信号的发生与控制出口的测量过程。

④测试结果的记录方法。

在满足基本功能的前提下，可以将VQC装置与测试系统经通讯总线互联，进一步实现加速仿真过程和减速(包括单步)仿真过程。即：可实现变速仿真过程。

本发明所述的测试系统具备以下特点：

①本测试系统可以检测VQC装置的综合性能，能够正确反映VQC装置的实际运行情况，具有实用性。

②本系统从测试功能上完全兼容已有的阶段性测试平台，测试过程更简单、更精确。

③测试周期可达24小时(甚至更长)，仿真过程完整。

④在进行模拟仿真的同时，记录装置的动作情况。在仿真结束时提交测试结果。

⑤通过信号再现，比较不同VQC装置的控制效果。

⑥通过信号再现，验证VQC装置的改进效果。

⑦提供时钟加速验证功能，提高测试效率、缩短验证时间。

⑧提供时钟延缓功能，包含单步执行功能，便于研发人员详细分析控制过程。

附图说明

图1：电压无功综合控制功能测试系统结构图。

其中核心控制单元(1)、通讯总线(2)、模拟信号输出单元(3)、数字信号输出单元(4)、数字信号测量单元(5)；

图2：电压无功综合控制功能测试方案的核心控制流程。

图2中参数、变量说明如下：

t——测试时钟，测试开始时t＝0。

T(t)——仿真曲线；

O(t)——原始测量曲线；

n——VQC装置控制次数；

Aa(n)——第n次无功设备动作的动作影响，即：第n次VQC控制影响；

∑Aa(n)——累计到第n次无功设备动作的总影响量，包括第n次无功设备动作影响；

dt——测量周期；

dt1——单步仿真周期，常规测试过程中dt1＝dt；

t()——循环程序入口时刻，t(m)第m次仿真循环程序入口时刻；

t1()——测量时刻，t1(m)表示第m个测点的测量时刻。

图3：仿真测试示例——测量数据采样现场变电站一次系统接线图。

图3中参数、变量说明如下：

Q——主变高压侧注入无功功率；

U——主变低压侧的电压幅值；

Tn——第n台主变(有载调压变压器)；

Cm——第m台电容器；

实心断路器为合闸位置；空心断路器为分闸位置。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

本发明的变电站电压无功综合控制功能的测试方法，具体包括以下步骤：

1、原始数据的获取

测量数据包括模拟测量数据和数字测量数据。测量数据可以直接在变电站中测量得出，如：可以利用变电站录波器中的记录数据。也可以人工设置或通过潮流计算得出，获取的数据曲线需具备实用性。

在正常的运行过程中，为了维持变电站的电压与无功，通常需要人工(或通过遥控功能)对无功设备进行控制。如：在电压低时进行主变升档控制。因此，在测量数据中通常都包括了多次控制过程。也不排除测量数据中没有任何控制过程的情况发生，此时的测量数据等同与原始数据。

针对一些简单的控制过程，也可以人工设置原始数据，如：针对主变升、降档过程，人工设置电压、无功曲线。这种设置方法可以实现现有的阶段性过程测试。

利用现场测量数据获取原始数据的过程可以分成四步。

①获取测量数据

利用变电站的记录波形，将其转换为VQC装置测试用的测量数据。VQC装置对波形的要求不高，只需提取记录波形的电压、功率、频率及谐波的幅值即可。连续两点模拟测量数据的时间间隔可以适当放宽，可取0.1s-1s，我们称之为采样周期。以同样的采样周期同步记录无功设备相关的遥信信号(即数字测量数据)，如：各开关位置信号、刀闸位置信号、主变档位位置信号、异常信号等。

同时，需要记录采样的起始时间，我们称之为起始时标。

其中，采样周期将被作为日后的常规仿真核心程序的循环周期。即：等同于单步仿真周期。

测量数据的连续记录时间，即为本试验用例的测试时间，一个完整的试验用例需要连续记录24小时。

②计算出各无功设备的动作过程

利用测得的遥信信号量(数字信号量)，结合测量数据(如：利用主变的电流、电压判断主变是否运行)，得出各无功设备的运行状态，运行状态的改变反映了无功设备的动作过程。如：利用主变的档位遥信信号，可以得出各时刻的主变档位，档位的变化反映了主变的调档过程；利用电容器接入母线的开关位置，得出电容器的投/退情况。

③利用测量数据计算原始控制效果

无功设备动作后，会对受控量产生一定影响。利用无功设备动作前后受控量的变化情况，可以得出本次无功设备动作的控制效果。如：电容器投入会使系统无功降低，系统无功降低的幅值，即是本电容器投入对系统无功的控制效果。

Ao(t₀)＝M(t₀₊)-M(t_0-)    (1)

公式1中，Ao(t₀)表示t₀时刻的原始控制效果；M(t₀₊)表示t₀时刻后受控量的测量值；M(t_0-)表示t₀时刻前受控量的测量值。

在本计算过程中，需要注意以下事项：

(1)需要判断动作有效性。如：主变调档会对电压产生一定的影响，利用电压的改变情况，判断本次调档动作影响的有效性。(如果电压没有变化，认为主变未发生调档)

(2)动作影响要取几个连续测量点的平均值，以降低噪声干扰。

(3)计算出的原始控制效果还将用于计算装置控制效果。

(4)除受控量以外，通常还要考虑无功设备对有功功率的控制效果，仿真过程更精确。

④得出原始数据

在测量曲线中，减去原始控制效果，即可得出原始数据。无功设备动作后，其动作影响始终存在，需要对原始控制效果进行累加。公式表示如下：

$O\left(t\right)=M\left(t\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}1\left(t_n\right)*{\mathrm{Ao}}_n\left(t\right)---\left(2\right)$

公式(1)中，O(t)表示原始曲线；M(t)表示测量曲线；1(t_n)为阶跃函数。其中，

1(t_n)＝0(t＜t_n)    (3-1)

1(t_n)＝1(t≥t_n)    (3-2)

Ao_n(t)为第n次原始控制的控制效果。

每次无功设备动作后，会始终对系统电压、功率产生影响。具体的影响力随系统状态的变化而变化，如：主变升一档后，对系统电压的影响始终存在，通过潮流分析可知，这种影响与高压侧电压有关、与实时负荷有关、与负荷特性有关、与网络结构有关。这些量都随时间的变化而变化(是时间的函数)。

因此，要实现精确计算控制影响十分困难。可以简单认为其影响量以动作时刻值为准，保持不变。即：

Ao_n(t)≡Ao_n        (4)

公式(4)中，Ao_n是第n次无功设备动作的实时动作影响值。≡：恒等于，始终等于一个常量。

2.VQC控制过程反馈量(即控制效果)的计算方法

测试系统必须对VQC装置的控制出口做出反馈。反馈信息包括模拟信号和数字信号的改变。

模拟信号反馈量：模拟信号的改变情况，反映出本次VQC装置出口的控制效果。在测试系统接收到VQC装置(功能)的控制出口时，解读控制指令，有多种控制效果的计算方法。常用的方法是：①常量设定法。默认每台无功设备对各状态量(电压、功率)的控制效果是恒定值。如：默认主变调一档引发电压变动1％。但此方法比较粗糙。②自适应计算方法。利用VQC装置控制时刻的状态数据，在线实时计算控制效果。可以使用智能神经元算法和线性逼近法。这里只介绍线性逼近法，设定控制效果的计算公式为：

Aa_n＝Aa₀+k_p*P(t_n)+k_q*Q(t_n)+k_u*U(t_n)      (5)

上式中，Aa_n为第n次无功设备动作(对某一受控量)的影响值；Aa₀为动作影响值的基本量；k_p为有功影响系数(灵敏系数)；P(t_n)为t_n时刻的有功功率；k_q为无功影响系数(灵敏系数)；Q(t_n)为t_n时刻的无功功率；k_u为电压影响系数(灵敏系数)；U(t_n)为t_n时刻的系统电压。

公式(5)中，Aa₀、k_p、k_q和k_u是待定的系数。

仿真曲线为原始曲线加上累计的装置控制效果。

$T\left(t\right)=O\left(t\right)+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}1\left(t_n\right)*{\mathrm{Aa}}_n---\left(6\right)$

公式(6)中，T(t)为仿真曲线；O(t)为原始曲线；Aa_n为第n次控制的装置控制效果；1(t_n)为阶跃函数，其定义见公式(3)；

为累计的装置控制效果。

与原始控制效果相同，装置控制效果随时间变化(是时间的函数)。这里同样认为装置控制效果恒定不变，以装置动作时刻的控制效果作为装置控制效果。

公式(5)体现了一个基本定义过程，必须列出每个状态量对每个无功设备动作影响的计算公式。至少包括以下状态量——系统电压、无功功率和有功功率。如：主变低压侧电压、高压侧无功是受控量。必须列出高压侧无功、高压侧有功及低压侧电压对每台主变、电容器、电抗器动作的动作影响公式，即上述的公式(5)。

利用公式(5)计算动作影响，需要确定大量参数。针对同一个测试模型(即变电站)，原始控制效果也满足公式(5)。可以利用原始控制效果及其动作时刻的状态量，利用公式(1)的计算结果，推算出上述系数。

给出一种简化方法。将所有无功设备分做两类——调档类(指主变)及无功注入类(电容器、电抗器)。不同容量的电容器、电抗器的影响值与其容量成正比(电容器的注入无功为负、电抗器注入的无功为正)。这样，每个状态量只需针对两类(调档类和无功注入类)元件列出两个控制效果公式(公式5)即可，以减少系数个数。可以采用最小二乘法，也可以采用逐次逼近的计算方法求取待定系数。

有多种自适应计算方法可以实现上述功能。已提及的智能神经元算法同样使用原始控制效果作为反馈计算数据。在系统参数充分时，还可以使用稳态潮流计算得出精确的控制效果，但必须注意负荷模型的描述。

数字信号反馈量：遥信信号与无功设备的当前状态一、一对应，当无功设备的状态发生改变时，对应的遥信信号也发生相应改变。以主变档位为例，17档主变以8421码接入，8档时遥信状态为01000；降一档后为7档，遥信状态为00111。要反映数字量的影响，必须在接收到主变降档命令后，将主变档位遥信信号从01000改为00111。可以预先将各遥信信号所对应的无功设备状态输入到计算机中，在发生无功设备状态改变时，调出对应的遥信信号状态，并将数字量输出信号转变为当前遥信信号状态。

电容器、电抗器的遥信值主要针对位置信号，投入电容器时将开关位置遥信(合位)从0变为1即可。

3.仿真信号的发生与控制出口的测量过程

本过程是整个测试过程的核心，涉及到如何建立测试系统及测试过程的具体实施过程。

测试系统的结构如图1所示，主要由五部分组成：核心控制单元、模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元和通讯总线构成。各部分的功能及实现示例如下：

核心控制单元：保存原始数据、进行装置控制效果计算、计算仿真曲线、获取数字反馈量，解读VQC控制指令、控制通讯进程、记录控制过程、记录控制结果。可以利用计算机作为核心控制单元。

模拟信号输出单元：具备对外通讯功能，可以接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出电压、电流量。可以使用AVO公司的PULSER试验仪作为模拟信号输出单元。目前国内的大多保护试验仪也具备同等功能。

数字信号输出单元：具备对外通讯功能，可以接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出数字信号。可以利用单片机控制保持继电器实现数字信号输出功能，也可以使用NARI公司的NSD500测控装置作为数字信号输出单元。国内多数保护试验仪也可以输出数字信号，但数量太少。

正常情况下，需使用多台NSD500测控装置，才可满足所需数字输出信号；

使用NSD500测控装置时，需外接信号保持继电器，可以满足数字信号的持续变位。

数字信号测量单元：测量电压无功综合控制装置的控制出口，具备对外通讯功能，可以向核心控制单元发送数据，告知当前读出的数字信号状态。可以使用NARI公司的NSD500测控装置作为数字信号测量单元。国内多数保护试验仪也具备数字信号测量功能，但数量较少，通常并不适用。

通讯总线：本发明中主要针对各智能设备的互联方式。如：核心控制单元与数字信号测量单元的通讯方式。包括：通讯介质(以太网、串口通讯总线)、通讯规约(COMTRADE、103)等。

其中，核心控制单元必须具备强大的通讯控制功能，与核心控制单元互联的设备(包括后面可能互联的VQC装置)可能使用不同的通讯介质、不同的通讯规约、不同的通讯机制。各种通讯处理过程都在核心控制单元中完成。

上述的系统划分过程，以功能划分为准，并不代表实际的使用设备。

也可以将VQC设备直接与核心控制单元经通讯总线互联，进行虚拟测试。此时模拟信号输出单元、数字信号输出单元和数字信号测量单元不再是必需设备。

上述的实现方法仅为一个可行示例，具体实现方式不限。

测量系统与VQC装置的接口连接过程：

①定义测试系统的硬件接口，定义各模拟输出信号的接口含义。如：定义输出Ua为主变1的高压侧电压Ua；定义各数字输出信号的接口含义。如：定义数字输出17为主变的档位1遥信，定义数字输出5为主变低压侧开关位置；定义各数字输入信号的接口含义。如：定义输入信号1为主变1升档命令，定义输入信号2为主变1降档命令。

②将定义信息配置到核心控制单元。核心控制单元可以按照此配置确定模拟信号输出；确定各种无功设备运行状态下的数字输出信号状态；正确解释VQC控制出口指令含义。

③将已定义的接口与VQC互联。模拟输出端口接VQC装置的模拟量输入；数字输出端口接VQC装置的遥信输入；数字测量端口接VQC装置的控制输出。

注意：接口连接必须与定义信息一致。

VQC测试的具体实现过程：

①核心控制单元对每个受控量建立越限时钟。可以建立两个(双向单记)时钟，也可以建立一个(双向合记)时钟。对每个控制出口建立一个动作次数计数器。测试前所有的时钟和计数器清零。本步骤为以后记录测试结果做准备。

②测试初始阶段，核心控制单元以原始数据作为仿真曲线，将其转化为模拟量输出信息，如：将记录的功率、电压幅值转换为电压、电流的幅值、角度等。将其按照模拟信号输出单元的通讯规约下发。模拟信号输出单元接收到指令后，输出对应的模拟波形。

③与此同时，核心控制单元利用仿真数据的数字量状态，将其转化为数字输出信息，如：将主变档位信息转化为数字输出信号。将其按照数字信号输出单元的通讯规约下发指令。数字信号输出单元接收到指令后，将输出的数字信号设定到指定的状态。

④在下一个单步仿真周期，重新读取仿真曲线，VQC装置无控制出口时，返回测试阶段②。

VQC装置在测量到模拟输入信号后，判断系统运行状态，在需要调节时给出控制出口。测试过程用来模拟现场的实际运行情况，必要时需将VQC内部时钟和测试用例的数据测量时间对时，如：测试用例的波形记录时间为8:00到次日的8:00，即前述的起始时标为8:00，VQC起始测试时的时钟也应当调整到8:00。

⑤数字信号测量单元在测量出VQC装置的控制出口后，将测量到的信息发送给核心控制单元。

⑥核心控制单元利用数字测量信号端口定义，可以解释出VQC控制指令的具体含义。如：是主变上调档或是投入电容器。按照此指令含义，计算当前状态下相应控制过程的控制效果，将其累加到装置控制效果中。将原始数据加上累加的装置控制效果，生成仿真曲线。(仿真曲线中包括模拟信号的改变及数字信号的改变。)返回测试阶段②。

⑦当受控量越限时，越限时钟走(计时)。VQC装置给出控制出口时，相应控制出口计数器加1。必要情况下需记录两次控制过程的时间间隔。

⑧在试验用例模拟完毕或人工退出时，将越限时钟累计时间和控制出口计数器值作为最终测试结果，退出测试过程。

具体测试流程如图2所示。

从图2中可以看出，测试系统的输出、输入信号，每dt1周期变更、记录一次，在一个dt1周期内，测试系统的输出、输入信号保持不变。本发明中称dt1为单步仿真周期。

4.测试结果的记录过程

在上述的测试过程中，已经提到测试结果的记录过程。为每个受控量建立越限时钟变量；为每个控制出口建立计数器变量。在试验前将时钟变量和计数器变量清零。

在测试过程中，受控量越限时，相应的越限时钟走(计时)；受控量合格时，越限时钟停。测量到VQC的控制出口时，对应的控制出口计数器加1。必要时，要记录两次控制出口的时间间隔。

测试结果为受控量的累计越限时间及控制出口的计数值。

说明：两次反向控制出口的时间间隔不应太低，如：电容器退出后不可短期内投入。记录控制出口次数时，需计算两次控制出口的时间间隔，用于判别其合理性。两次控制出口的时间间隔可以作为测试结果的辅助信息。

变速测试过程的实现原理：

图2中，程序段【循环条件】用来控制整个测试进度。图中dt是前文提到的采样周期，常规测试过程中，【循环条件】中的dt1与dt相同，测试时钟正常运行。当dt1＜dt时，可进行快速测试；当dt1＞dt时，可以进行慢速测试。要求VQC装置必须同步调整时钟。下面给出一种有效的虚拟测试过程。

虚拟测试过程：将核心控制单元与VQC装置互联，建立通讯规约。在VQC装置内部预定义单步仿真周期，核心控制单元将一个单步仿真周期内的模拟输出信号和数字输出信号发送到VQC装置；VQC装置以读取的模拟输出信号和数字输出信号作为当前的测量信号，调节运行时钟，即运行时钟加一个单步仿真周期，执行控制过程，将控制结果发送到核心控制单元；核心控制单元以接收的数据作为装置控制出口信息，解读VQC的控制出口指令，计算控制效果，生成仿真曲线。VQC装置发送的信息也可以用作握手信号(当无控制出口时可以发送“空控制出口”信息)，在核心控制单元接收到VQC装置的握手信号后，发送下一个单步仿真周期的仿真数据，如此循环往复，实现虚拟测试过程。

在虚拟测试过程中，由VQC装置视需要控制仿真进程。当VQC的握手周期小于测试周期时，可以进行快速测试；当VQC的握手周期大于测试周期时，可以进行慢速测试。当VQC装置逐次发送发握手信号时，可以实现单步测试过程。

根据上述测试方法的变电站电压无功综合控制功能的测试系统，其结构如图1所示，主要由五部分组成：核心控制单元、模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元和通讯总线构成。各部分的功能及实现示例如下：

核心控制单元：保存原始数据、进行装置控制效果计算、计算仿真曲线、获取数字反馈量，解读VQC控制指令、控制通讯进程、记录控制过程、记录控制结果。可以利用计算机作为核心控制单元。

模拟信号输出单元：具备对外通讯功能，可以接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出电压、电流量。可以使用AVO公司的PULSER试验仪作为模拟信号输出单元。目前国内的大多保护试验仪也具备同等功能。

数字信号输出单元：具备对外通讯功能，可以接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出数字信号。可以利用单片机控制保持继电器实现数字信号输出功能，也可以使用NARI公司的NSD500测控装置作为数字信号输出单元。国内多数保护试验仪也可以输出数字信号，但数量太少。正常情况下，需使用多台NSD500测控装置，才可满足所需数字输出信号；

使用NSD500测控装置时，需外接信号保持继电器，可以满足数字信号的持续变位。

数字信号测量单元：具备对外通讯功能，可以向核心控制单元发送数据，告知当前读出的数字信号状态。可以使用NARI公司的NSD500测控装置作为数字信号测量单元。国内多数保护试验仪也具备数字信号测量功能，但数量较少，通常并不适用。

通讯总线：本发明中主要针对各智能设备的互联方式。如：核心控制单元与数字信号测量单元的通讯方式。包括：通讯介质(以太网、串口通讯总线)、通讯规约(COMTRADE、103)等。

其中，核心控制单元必须具备强大的通讯控制功能，与核心控制单元互联的设备(包括后面可能互联的VQC装置)可能使用不同的通讯介质、不同的通讯规约、不同的通讯机制。各种通讯处理过程都在核心控制单元中完成。

上述的系统划分过程，以功能划分为准，并不代表实际的使用设备。

也可以将VQC设备直接与核心控制单元经通讯总线互联，进行虚拟测试。此时模拟信号输出单元、数字信号输出单元和数字信号测量单元不再是必需设备。

测量系统与VQC装置的接口连接过程：

(1)定义测试系统的硬件接口，定义各模拟输出信号的接口含义。如：定义输出Ua为主变1的高压侧电压Ua；定义各数字输出信号的接口含义。如：定义数字输出17为主变的档位1遥信，定义数字输出5为主变低压侧开关位置；定义各数字输入信号的接口含义。如：定义输入信号1为主变1升档命令，定义输入信号2为主变1降档命令。

(2)将定义信息配置到核心控制单元。核心控制单元可以按照此配置确定模拟信号输出；确定各种无功设备运行状态下的数字输出信号状态；正确解释VQC控制出口指令含义。

(3)将已定义的接口与VQC互联。模拟输出端口接VQC装置的模拟量输入；数字输出端口接VQC装置的遥信输入；数字测量端口接VQC装置的控制输出。

注意：接口连接必须与定义信息一致。

VQC测试的具体实现过程：

(1)核心控制单元对每个受控量建立越限时钟。可以建立两个(双向单记)时钟，也可以建立一个(双向合记)时钟。对每个控制出口建立一个动作次数计数器。测试前所有的时钟和计数器清零。本步骤为以后记录测试结果做准备。

(2)测试初始阶段，核心控制单元以原始数据作为仿真曲线，将其转化为模拟量输出信息，如：将记录的功率、电压幅值转换为电压、电流的幅值、角度等。将其按照模拟信号输出单元的通讯规约下发。模拟信号输出单元接收到指令后，输出对应的模拟波形。

(3)与此同时，核心控制单元利用仿真数据的数字量状态，将其转化为数字输出信息，如：将主变档位信息转化为数字输出信号。将其按照数字信号输出单元的通讯规约下发指令。数字信号输出单元接收到指令后，将输出的数字信号设定到指定的状态。

(4)在下一个单步仿真周期，重新读取仿真曲线，VQC装置无控制出口时，返回测试阶段②。

VQC装置在测量到模拟、数字输入信号后，判断系统运行状态，在需要调节时给出控制出口。测试过程用来模拟现场的实际运行情况，必要时需将VQC内部时钟和测试用例的数据测量时间对时，如：测试用例的波形记录时间为8:00到次日的8:00，即前述的起始时标为8:00，VQC起始测试时的时钟也应当调整到8:00。

(5)数字信号测量单元在测量出VQC装置的控制出口后，将测量到的信息发送给核心控制单元。

(6)核心控制单元利用数字测量信号端口定义，可以解释出VQC控制指令的具体含义。如：是主变上调档或是投入电容器。按照此指令含义，计算当前状态下相应控制过程的控制效果，将其累加到装置控制效果中。将原始数据加上累加的装置控制效果，生成仿真曲线。(仿真曲线中包括模拟信号的改变及数字信号的改变。)返回测试阶段②。

(7)当受控量越限时，越限时钟走(计时)。VQC装置给出控制出口时，控制出口计数器加1。必要情况下需记录两次控制过程的时间间隔。两次反向控制出口的时间间隔不应太低，如：电容器退出后不可短期内投入。记录控制出口次数时，需计算两次控制出口的时间间隔，用于判别其合理性。两次控制出口的时间间隔可以作为测试结果的辅助信息。

(8)在试验用例模拟完毕或人工退出时，将越限时钟累计时间和控制出口计数器值作为最终测试结果，退出测试过程。

具体测试流程如图2所示。

从图2中可以看出，测试系统的输出、输入信号，每dt1周期变更、记录一次，在一个dt1周期内，测试系统的输出、输入信号保持不变。本发明中称dt1为单步仿真周期。

下面以一台主变、三台电容器的变电站为例具体说明本发明的电压无功综合控制功能的测试方法和测试系统。变电站运行方式如图3所示。受控量为主变低压侧电压U和高压侧的注入无功功率Q。

步骤1：通过变电站的录波器，记录一天的测量数据。解读记录数据，提取测量信息，测量信息的提取频率为0.5秒/点，记录信息包括：U(t)、P(t)、Q(t)和各时刻开关的位置信号及各时刻主变的档位信号。即系统采样周期为0.5秒。

说明：U(t)包括主变高压侧电压和低压侧电压。

步骤2：利用各时刻开关位置信号及各时刻主变的档位信号，计算出电容器的投/退过程，及主变升档、降档过程。

步骤3：利用每次电容器的投/退及主变的升/降档过程，得出每次无功设备动作的原始动作影响。

步骤4：按照数值逼近算法建立控制效果模型，如公式(5)。利用记录数据中的多次原始控制效果值，计算受控量对各无功设备动作影响的公式系数。具体动作影响为：每MVar无功注入对电压、有功功率及无功功率的影响系数及分接头调节一档对电压、有功功率及无功功率的影响系数。

步骤5：利用测量数据曲线及原始动作影响，得出原始数据曲线。即测量数据减去累计的原始动作影响。

步骤6：本试验系统中，用计算机作为核心控制单元；用保护试验仪作模拟信号输出单元；用单片机控制保持继电器作为数字信号输出单元；用NSD500装置作为数字信号测量单元；通讯总线包括以太网总线和串口总线。定义保护试验仪的端口、定义单片机单元保持继电器出口、定义NSD500装置的遥信输入端口。将原始数据曲线、起始测试时刻、初始的遥信状态、主变档位遥信表、各电容器的位置遥信等参数输入到计算机中，将计算机与保护试验仪、单片机单元、NSD500装置互联。保护试验仪的电压、电流输出与VQC装置的模拟输入互联；单片机单元的保持继电器输出与VQC装置的遥信输入互联；VQC装置的控制出口与NSD500装置的遥信输入互联。具体的位置对应关系必须与定义信息一致。

步骤7：计算机以原始数据曲线为基础，在测量到VQC控制出口时，计算VQC的控制影响(装置控制效果)，在原始数据曲线中累加各次VQC控制的装置控制效果，作为仿真数据。利用仿真数据算出当前模拟输出量值和数字输出量值，通过保护试验仪及单片机单元实现仿真信号的输出。

步骤8：建立四个越限时钟，分别针对电压越上限、电压越下限、无功越上限和无功越下限；建立四个控制次数计数器，主变调档计数器、电容器1动作计数器、电容器2动作计数器、电容器3动作计数器。当仿真数据发生越限时，越限时钟走(计时)；在测量到VQC控制出口时，相应控制次数计数器加1。

在进行仿真测试前，先将所有的越限时钟清零、所有的控制计数器清零。在仿真结束时，累计越限时间及控制次数计数器值即为最终的仿真结果。

本测试系统所建立的试验用例，来自现场的测量数据，具有很好的实用性。被测试的VQC能够通过一种典型特征的试验用例，并不能保证此VQC也可以通过其他的试验用例。以钢厂为主要负荷的变电站与以轨道交通为主要负荷的变电站，其试验用例的特征明显不同。可以按VQC的实际安装地点，选择相应的试验用例。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.电压无功综合控制功能测试方法，其特征在于，该方法在测量到电压无功综合控制装置的控制出口后，给出确定的控制效果，控制效果包括数字量的变化及模拟量的变化，数字量的变化情况反映为主变档位遥信的改变或开关位置遥信的改变；模拟量的变化体现为受控量的变化方向及变化幅度，控制效果对仿真曲线的影响始终存在，每一时刻的仿真数据都是原始数据与累计控制效果的叠加；其特征在于，该方法包括步骤：

(1)获取原始数据：根据电压无功综合控制装置VQC的测试要求，得出不对无功设备进行控制的测量数据，即试验用例的原始数据；

(2)计算VQC控制效果：设置VQC控制效果与实时状态数据的对应关系，在VQC控制出口时，依照此对应关系，计算VQC控制过程的反馈量即装置控制效果，所述反馈量包括模拟信号反馈量和数字信号反馈量；

(3)仿真信号的发生与VQC控制出口的测量：在原始数据中加入累计的装置控制效果，作为当前仿真数据，通过模拟信号输出单元向VQC输出模拟量仿真信号，通过数字信号输出单元向VQC输出数字量仿真信号，通过数字信号测量单元对VQC控制出口进行测量；

(4)记录测试结果：将输出的受控量的累计越限时间和VQC控制出口的计数值作为本次测试的测试结果。

2、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，所述测量数据包括模拟量测量数据和数字量测量数据，测量数据可以直接在变电站中测量得出，也可以人工设置或通过潮流计算得出，其中，数字量测量数据是指无功设备相关的遥信信号，模拟量测量数据为：电压、电流、有功、无功、频率、谐波幅值中的相关数据。

3、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，以固定的采样周期进行模拟量数据和数字量数据的记录，所述连续记录时间可达24小时或24小时以上。

4、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，根据所述数字量数据和模拟量数据得出各无功设备的运行状态，所述无功设备的动作过程即为各无功设备运行状态的改变；通过无功设备动作前后受控量的变化得到所述的无功设备的原始控制效果；将测量数据减去累计的原始控制效果得到所述的原始数据。

5、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，控制效果与控制时刻的系统状态数据有关，包括系统电压、系统有功功率、系统无功功率及控制时间，建立控制效果与状态量的数学模型，利用现场测量的实际数据，计算出实际控制过程的控制效果，以实际控制效果作为基础数据，推算出数学模型中的待定系数，利用建立的数学模型及计算出的系数，计算出VQC控制过程的装置控制效果。

6、根据权利要求5所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，所述装置控制效果中的数字信号反馈量反应无功设备状态发生改变，该数字信号反馈量对应于无功设备的遥信信号状态。

7、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，在仿真信号的发生与VQC控制出口的测量中，核心控制单元对每个受控量建立越限时钟，对每个控制出口建立一个动作次数计数器，在测试前将所有越限时钟和动作次数计数器置零，在电压无功综合控制功能的测试过程中，累计受控量越限时间，累加控制出口次数，以此作为VQC的最终测试结果。

8、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，缩短单步仿真周期，使其小于采样周期，并同步改变电压无功综合控制装置的时钟，以此形成加速仿真测试功能。

9、根据权利要求1所述的电压无功综合控制功能的测试方法，其特征在于，延长单步仿真周期，使其大于采样周期，并同步改变电压无功综合控制装置的时钟，以此形成慢速仿真测试功能。

10、电压无功综合控制功能的测试系统，该测试系统包括：核心控制单元、模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元和通信总线，其特征为，核心控制单元与模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元之间通过通信总线实现通信；

所述核心控制单元用于保存原始数据、进行装置控制效果计算、计算仿真曲线、获取数字反馈量，解读VQC控制指令、控制通讯进程、记录控制过程、记录控制结果；

所述模拟信号输出单元接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出电压、电流量，作为VQC的模拟量输入；

所述数字信号输出单元接收核心控制单元的指令，按照核心控制单元的指令输出数字信号，作为VQC的遥信信号输入；

所述数字信号测量单元测量VQC的控制出口，向核心控制单元发送数据，告知当前读出的VQC数字信号状态。

11、根据权利要求10所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征为，以计算机作为核心控制单元，使用AVO公司的PULSER试验仪作为模拟量信号输出单元，使用单片机控制继电器作为数字信号输出单元，使用NARI公司的NSD500测控装置作为数字信号测量单元。

12、根据权利要求10所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征为，所述核心控制单元与所述模拟信号输出单元、数字信号输出单元、数字信号测量单元之间的通信，可以使用不同的通信介质、不同的通信规约、不同的通信机制，核心控制单元具备对各互联单元的通信处理能力。

13、根据权利要求10所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征在于，测试系统以原始测量数据作为基础数据，计算并发生仿真波形，同时测量VQC的控制出口，在接收到控制出口信号时，解读VQC控制指令，计算并累计控制效果，调整仿真输出信号形成闭环测试过程。

14、根据权利要求10所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征在于，将核心控制单元与VQC装置经通讯总线互联，建立通讯规约，核心控制单元将模拟输出信号和数字输出信号通过数据总线以报文形式发送到VQC装置；VQC装置以读取的模拟输出信号和数字输出信号作为当前的测量信号，执行控制过程，并将控制结果以报文形式发送到核心控制单元，以此实现虚拟测试过程。

15、根据权利要求14所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征在于，将核心控制单元与VQC装置经通讯总线互联，建立通讯规约，VQC装置中预设仿真数据的单步仿真周期，核心控制单元将一个单步仿真周期内的模拟输出信号和数字输出信号通过数据总线以报文形式发送到VQC装置；VQC装置以读取的模拟输出信号和数字输出信号作为当前的测量信号，调节运行时间，执行控制过程，将控制结果以报文形式发送到核心控制单元；核心控制单元以接收的数据作为装置控制出口信息；VQC装置发送的控制出口信息也可用作握手信号，在无控制出口时可以发送“空控制出口”信息，在核心控制单元接收到VQC装置的握手信号后，发送下一个单步仿真周期的仿真数据，如此循环往复，实现虚拟测试过程。

16、根据权利要求15所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征在于，在所述虚拟仿真测试系统中由VQC装置控制测试进度，当单步仿真周期低于实际的测量周期时，实现快速仿真模拟；当单步仿真周期大于实际的测量周期时，实现慢速仿真模拟过程；当VQC装置逐次执行单步测试周期时，实现单步仿真过程。

17、根据权利要求10所述的电压无功综合控制功能的测试系统，其特征在于，针对各受控量和控制出口，设置对应的受控量越限时钟变量和控制出口计数器变量，在测试初期将所有变量清零，测试过程中发生受控量越限时，受控量越限时钟计时；测量到VQC控制出口时，控制出口计数器加1，测试结束时以受控量越限时钟的累计时间和控制出口计数器值作为最终测试结果。

Images