CN102072996A

CN102072996A - 一种数字保护自动、闭环动模检测系统

Info

Publication number: CN102072996A
Application number: CN2010105439356A
Authority: CN
Inventors: 唐宝锋; 范辉
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd; Hebei Electric Power Construction Adjustment Test Institute
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: CN102072996B

Abstract

本发明涉及一种实现数字继电保护自动、闭环动模试验的系统。本发明包括用于处理信息和能够给实时仿真转换装置配置设置的上位计算机、网络连接设备、实时仿真转换装置和电力系统数字仿真装置，所述实时仿真转换装置通过网络连接设备连接上位计算机，电力系统数字仿真装置和实时仿真转换装置连接，所述网络连接设备和转换装置分别连接待测继电保护装置；所述实时仿真转换装置，包括：主控制板、A/D采集板、开入、开出量板和电源板、同步接口板、FT3板、以太网接口和光纤接口。本发明解决了数字继电保护装置动模检测问题，并提供了一种方便、高效的测试方法。

Description

一种数字保护自动、闭环动模检测系统

技术领域

本发明专利属于电力系统数字继电保护动模检测领域，具体涉及一种实现数字继电保护自动、闭环动模试验的系统。

背景技术

随着智能化开关、光电式电流/电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术的日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有变电站自动化技术产生深刻影响，使得建立全数字化的变电站自动化系统成为可能。

IEC61850标准是国际电工委员会（IEC）发布的变电站自动化标准。中国已从标准研究阶段过渡到工程应用阶段，并已有多个基于IEC61850标准的变电站投入使用。IEC61850标准代表了变电站自动化技术的发展方向。

在电力系统中，对继电保护装置的测试分为静态试验和动态试验。静态试验采用单独的继电保护测试仪即可实现；动态试验需要模拟系统的各种复杂运行工况，包括转换性故障、发展性故障、功率倒向、CT饱和等。所有继电保护设备在入网前，均需要通过动态试验检测。

中国电力科学研究院研制的电力系统全数字仿真装置（简称ADPSS），是中国首套完全拥有自主知识产权的大型仿真装置，是世界上首套可模拟大规模复杂交直流电力系统的实时仿真装置，可以进行1000台机组、15000个节点的大系统交直流电力系统机电暂态仿真和机电、电磁暂态的混合仿真研究。仿真系统可以进行继电保护及安全自动装置、发电机励磁调节装置、柔性交流输电装置的实时仿真测试。

ADPSS输出的是模拟量，无法直接和数字化保护和测控装置连接，更无法对其进行测试。

国内外查新发现，目前只有一个研发类似产品的报道专利号为200910076086.5，该专利发明了一种将加拿大曼尼托巴RTDS公司研发的RTDS（Real Time Digital Simulator）输出的模拟量转换为数字量的电力仿真转换装置,但其存在许多不足主要包括：1）只将RTDS输出的模拟量转换为符合IEC61850-9-1/ IEC61850-9-2协议的报文，硬件上没有接口支持协议为IEC60044-7/8的数字信号输出，无法对符合该协议的数字保护进行测试；2)装置上的物理模拟通道和IEC61850-9-1/ IEC61850-9-2协议的数据集通道是固定的，无法自由配置；3）发送的采样值报文通道数目无法自由设置，只能固定为12个通道，而国内数字保护现状是通道数目是可以自由配置的，在使用上具有局限性；4）发送采样值报文每个通道功能没有灵活定义5）3个光以太网接口功能不能灵活定义，固定A\B口输出采样值、C口接收/发送GOOSE信息，给测试某些采样值、GOOSE组网的数字保护装置带来了困难；6）采样值、GOOSE参数只能手动配置；7）同步接口只能接收GPS信号，不能接收光B码信号，而目前保护装置同步接口大部分为光B码接口使得装换装置和保护装置同步存在问题。

发明内容

本发明的目的在于研制一种主要利用基于IEC61850的实时仿真转换装置功能的数字继电保护自动、闭环动模试验系统，其解决了目前仿真转换装置在测试数字保护装置方面存在的不足，主要特征包括：1）不仅能将仿真装置输出的模拟量转换为符合IEC61850-9-1/ IEC61850-9-2协议的报文，而且增加硬件模块支持协议为IEC60044-7/8的数字信号输出；2)该转换装置的物理模拟通道和IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-7/8协议数据集通道可自由关联；3）发送的采样值报文通道数目可根据被测保护装置的配置自由设置；4）发送的采样值报文每个通道功能（保护电流、测量电流、电压）可灵活定义；5）3个光以太网接口功能可灵活定义为采样值发送口或GOOSE发布/订阅口；6）采样值、GOOSE参数可自动配置：通过解析SCL文件或和保护装置通讯，读取保护装置的数据模型来获得采样值或GOOSE的基本参数；7）同步接口不但能接收GPS信号，而且可接收光B码信号。采用本发明后，可测试目前所有光数字保护设备，并大大提高了测试效率。

本发明的技术方案为：

本发明一种数字保护自动、闭环动模检测系统，其特征在于：该系统包括用于处理信息和能够给实时仿真转换装置配置设置的上位计算机、网络连接设备、实时仿真转换装置和电力系统数字仿真装置，所述实时仿真转换装置通过网络连接设备连接上位计算机，电力系统数字仿真装置和实时仿真转换装置连接，所述网络连接设备和转换装置分别连接待测继电保护装置；

所述网络连接设备连接待测继电保护装置的以太网端口，用于获取跳闸/合闸报告，所述跳闸/合闸报告由计算机处理；

所述实时仿真转换装置包括：主控制板、A/D采集板、开入量板、开出量板和电源板、GPS接口、光B码接口、FT3板、以太网接口和光纤接口；所述转换装置主控制板由实现以太网通信功能的32位嵌入式ARM处理器和具有高效快速的数据处理功能的数字信号DSP处理器构成；所述A/D采集板的输出端口连接主控制板的A/D 输入端口，其通过运放电路将输入的峰值最大±10V的模拟量转换成符合主控板 A/D 输入端要求的模拟量，并把该模拟量转换为数字量，所述所述A/D采集板设置为能同时对电力系统实时仿真装置输出的12路模拟量信号进行A/D转换，即可以达到同时模拟两组CT及两组PT的规模；所述用于和转换装置的输入关联的开入量板通过数据总线连接主控制板；所述用于和转换装置的输出关联的开出量板通过数据总线连接主控制板；所述用于转换装置和继电保护装置及上位机间的数据通信的以太网接口和光纤接口分别连接主控制板，用于所述转换装置和继电保护装置及上位机间的数据通信；所述FT3板通过数据总线连接到主控制板，FT3板配设有用以实现装置间的同步的光B码接口用于接收光B码信号，FT3板上配设有用于发送符合IEC60044-7/8协议的采样值报文的的光纤接口；所述GPS接口连接主控制板用于接收PPS秒脉冲信号；所述主控制板上设置的光纤接口用于发送符合IEC61850-9-1和或IEC61850-9-2协议的采样值或用于订阅/发布GOOSE信息，设置为3个以上，光口功能设置为可灵活定义。

本发明中所述数字保护自动、闭环动模检测系统的设备通过软件设置实现自动进行12路模拟通道零漂检查并自动获取零漂系数；所述数字保护自动、闭环动模检测系统的设备通过软件设置实现自动进行采样值、GOOSE参数的配置。

实时仿真转换装置能够自动解析SCL文件获得保护装置GOOSE发布/订阅信息，所述信息包括GOOSE基本参数和GOOSE数据集及其每个数据的描述信息，所述基本参数包括目的地址、GoCBRef、GoID和APPID；上位机根据GOOSE数据的描述信息将GOOSE数据和实时仿真转换装置的开入量或开出量进行关联；实时仿真转换装置发布GOOSE时，GOOSE的数据集结构由测试系统软件自动生成，所述数据结构包括数据个数、每个数据的数据类型、数据默认值；所述的自动配置GOOSE参数还包括：和保护装置通讯读取保护装置的GOOSE模型，获得其GOOSE发布/订阅信息；所述的自动进行采样值参数的配置包括解析SCL文件获得保护装置的采样值配置信息，包括MAC地址、采样率、ASDU数目、APPID、LDName（IEC61850-9-1协议）、SVID（IEC61850-9-1协议）。

本发明中所述电力系统实时仿真装置可以同时外接多个数据转换装置，模拟多个合并单元，实现对多台数字继电保护设备、母差保护、变压器保护、光纤纵差保护测试。

本发明的有益效果为：

本发明中所述该转换装置的硬件系统主要包括：主控制板、A/D采集板、开入、开出量板和电源板、FT3板、GPS接口、光B码接收接口、以太网接口、3路光以太网接口、3路光串口等。A/D采集板、3路光以太网接口连接于主控制板，A/D采集板通过运放电路将输入的模拟量（峰值最大±10v）转换成符合 A/D 输入端要求的模拟量，并把该模拟量转换为数字量，主控制板把该数字量进行整理，打包为为符合IEC61850-9-1/IEC61850-9-2协议的报文通过3路光口（FiberA、FiberB、FiberC）发送出去； FT3板同主控制板连接，3路光串口同FT3板连接，FT3板把主控制板发送的符合IEC60044-7/8协议的报文按照曼彻斯特编码通过3路光串口（CH1、CH2、CH3）发送出去；FT3板上增加了光B码接收电路，通过连接于FT3板上的光B码接口接收同步源发送的光B码信号获得秒信号以实现多台转换装置的同步或转换装置同保护装置的同步；开入板连接于主控制板，开入板外接8个开入接口，开入接口接收的硬接点信息通过主控制板转换为GOOSE报文通过上述光口（FiberA、FiberB、FiberC）发送出去；开出板连接于主控制板，开出板外接8个开出接口，上述光口（FiberA、FiberB、FiberC）接收的GOOSE报文通过主控制解析转换为接点信息通过开出接口发送出去。

而本发明其软件系统的设计，主要实现了一套完整的自动、闭环测试。解决了目前仿真转换装置在软件功能上灵活性差、自动化水平低的缺陷。

该测试系统主要包括以下几个部分：

1.系统设置，系统设置部分既要做到灵活（目的是能满足目前国内外所有数字保护装置的测试），又要提高设置的自动化水平，因为人工配置IEC61850接口参数比较容易出错，软件自动配置可以提高测试效率。包括以下几个部分：

1）通讯接口设置

可设置通讯接口的类型：IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-7/8，涵盖了国际上已投入使用的所有数字继电保护装置接口类型。

2)IEC61850-9-1、IEC61850-9-2设置

可通过导入SCL文件进行设置，自动获得采样率、ASDU数目、APPID等关键参数。

3）通道设置

设置扩展协议的输出格式；设置采样值通道数目；设置该转换装置的物理模拟通道和采样值通道的关联关系；设置通道功能（保护电流、测量电流、电压）；设置每个光口的功能（输出采样值或GOOSE订阅/发布接口）。

4）GOOSE订阅/发布设置

通过导入SCL文件获得GOOSE的基本参数、数据集数据类型、每个数据的描述信息，然后同开入或开出进行关联实现GOOSE参数的自动配置。

另外也可以通过和保护装置实时通讯，获得保护装置的数据模型，查看GOOSE订阅/发布的信息。

5）自动进行12路模拟通道零漂检查并自动获取零漂系数，对采样值通道自动修正，提高采样值发送精度。

2、仿真实验，在电力系统实时仿真装置上仿真系统故障，根据上述1系统设置的要求输出符合IEC61850采样值数据给保护装置，接收保护装置发出的GOOSE信号（比如：跳闸信号）按照上述1设置的要求转换为硬接点信号发送给模拟断路器，接收模拟断路器的位置信息反馈给电力系统实时仿真装置，形成闭环测试系统。

3、检查保护装置动作报告的正确性

上述2可检查保护装置的逻辑功能是否正确。另外还需要检查保护装置的动作行为是否和上传的保护动作报告一致。该软件实现了解析MMS报文的功能，在获得保护动作结果的同时，也可通过保护装置以太网口（该网口为同监控后台连接接口）获得保护装置的动作报告。

本发明实现了实时仿真装置对数字保护装置进行动模检测这一技术难题，可检测的数字保护装置不仅仅局限于只支持IEC61850-9-1/IEC61850-9-2协议，不但可完成保护装置的逻辑功能测试，而且可检测其通讯功能；具有同步接口（光B码接口、GPS接口）可方便实现数字保护装置和仿真装换装置以及多台仿真装置间的同步，使得仿真测试纵差保护、变压器保护、母差保护搭建的系统更符合变电站设备的实际运行状况。从而可大大提高数字保护装置运行的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明再做进一步详细的说明。

图 1 为本发明中实时仿真转换装置的硬件系统构成示意图；

图2为本发明所述的检测系统用来测试保护装置的动作逻辑设备连接示意图；

图3为本发明所述的检测系统用来测试保护的动作逻辑及通讯功能的设备连接示意图；

图4为本发明实时仿真转换装置之间及仿真转换装置同保护装置间同步的设备连接示意图；

图5为本发明一实施例中，利用ADPSS仿真装置建立的电磁仿真模型；

图6为图5所示测试环境下，模拟线路保护区内I段单相接地故障时，PCS-931型线路保护装置的动作情况；

图7为图5所示测试环境下，模拟线路保护区内I段相间金属性短路时，PCS-931型线路保护装置的动作情况。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和测试系统更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明以ADPSS仿真装置为例，具体说明基于IEC61850的数字继电保护设备检测的实现方法及具体功能，但本发明并不局限于此，可以推广应用到其它仿真装置上。

如图1所示为本发明实时仿真转换装置的硬件系统结构图，该转换装置的硬件系统主要有以下几个部分组成：主控制板、A/D采集板、开入、开出量板和电源板、FT3板、GPS接口、光B码接收接口、以太网接口、3路光以太网接口、3路光口等。A/D采集板、3路光以太网接口连接于主控制板，A/D采集板通过运放电路将输入的模拟量（峰值最大±10V）转换成符合 A/D 输入端要求的模拟量，并把该模拟量转换为数字量，主控制板把该数字量进行整理，打包为符合IEC61850-9-1/IEC61850-9-2协议的报文通过3路光口（FiberA、FiberB、FiberC）发送出去； FT3板同主控制板连接，3路光口同FT3板连接，FT3板把主控制板发送的符合IEC60044-7/8协议的报文按照曼彻斯特编码通过另外3路光口（CH1、CH2、CH3）发送出去；FT3板上增加了光B码接收电路，通过连接于FT3板上的光B码接口接收同步源发送的光B码信号获得秒信号以实现多台转换装置的同步或转换装置同保护装置的同步；开入板连接于主控制板，开入板外接8个开入接口，开入接口接收的硬接点信息通过主控制板转换为GOOSE报文通过上述光口（FiberA、FiberB、FiberC）发送出去；开出板连接于主控制板，开出板外接8个开出接口，上述光口（FiberA、FiberB、FiberC）接收的GOOSE报文通过主控制解析转换为接点信息通过开出接口发送出去。

图2是本发明所述的检测系统用来测试保护装置的动作逻辑链接关系示意图。如图所示，数据装换装置耦接于ADPSS，接收ADPSS输出的电流、电压模拟量信号，并将模拟信号转换成符合IEC61850-9-1/2、IEC60044-7/8协议的采样值报文并输出；数字继电保护设备耦接于仿真装换装置，接收仿真转换装置发送的IEC61850采样值报文。同时，仿真装换装置接收数字继电保护设备发送的GOOSE动作报文并解析，将其转换为模拟开关量信号，发送至ADPSS中。

图3 是本发明所述的检测系统用来测试保护的动作逻辑及通讯功能的链接图。图3和图2的区别是图3搭建的测试系统不但可测试保护的动作逻辑而且可测试其通讯功能。通过HUB把PC机、数字保护装置、仿真装换装置连接在一起，PC机上运行了测试软件。该测试软件可读取数字保护装置的数据模型获得GOOSE订阅/发布的信息用以实现GOOSE参数的配置，另外也可以获得保护装置的定值信息。保护动作后其动作结果可发送到PC机，另外自动获取保护装置的动作报告，二者进行比较既可判断保护装置的遥信通讯功能是否正确。仿真装换装置的功能及装换过程同图2描述的一致。

图4描述了仿真装换装置之间及仿真装换装置同保护装置间的同步。检测母差保护、变压器保护、纵联差动保护时，为了仿真系统的实际运行状况需要几台独立的仿真装换装置输出采样值信号给保护装置，这就需要解决仿真装换装置的同步采样问题，同步采样是这样实现的：每个仿真转换装置都接收同步源发送的时钟信号，当查询到秒脉冲到来时，把采样记录序号清零。另外在检测纵联差动保护时需要保护装置和仿真装换装置同步，否则保护装置会闭锁。目前我们采用两种方式（GPS接口、光B码接口）解决了同步问题。

图5为本发明一实施例中，利用ADPSS仿真装置建立的电磁仿真模型。保护装置安装在N-K1开关上，采集流经N-K1开关的三相电流及母线N的三相电压。

图6为图5所示测试环境下，模拟线路保护区内I段BUS-32母线上模拟A相金属性接地故障，被测装置PCS-931型线路保护装置的动作情况。从故障录波图中可以看出，保护装置在故障发生后25.55ms动作，跳开A相开关，保护装置动作正确。

图7为图5所示测试环境下，模拟线路保护区内I段相间BUS-32母线上模拟AB相相间故障。被测装置PCS-931型线路保护装置的动作情况。从故障录波图中可以看出，保护装置在故障发生后25.19ms动作，跳开三相开关，保护装置动作正确。

Claims

1.一种数字保护自动、闭环动模检测系统，其特征在于,该系统包括用于处理信息和能够给实时仿真转换装置配置设置的上位计算机、网络连接设备、实时仿真转换装置和电力系统数字仿真装置，所述实时仿真转换装置通过网络连接设备连接上位计算机，电力系统数字仿真装置和实时仿真转换装置连接，所述网络连接设备和转换装置分别连接待测继电保护装置；

所述网络连接设备连接待测继电保护装置的以太网端口用于获取跳闸/合闸报告，所述跳闸/合闸报告由计算机处理；

所述实时仿真转换装置为基于IEC61850的实时仿真转换装置，其包括主控制板、A/D采集板、开入量板、开出量板和电源板、GPS接口、光B码接口、FT3板、以太网接口和光纤接口；

所述基于IEC61850的实时仿真转换装置的主控制板由实现以太网通信功能的32位嵌入式ARM处理器和具有高效快速的数据处理功能的数字信号DSP处理器构成；所述A/D采集板的输出端口连接主控制板的A/D 输入端口，其通过运放电路将输入的峰值最大±10V的模拟量转换成符合主控板 A/D 输入端要求的模拟量，并把该模拟量转换为数字量，所述A/D采集板设置为能同时对电力系统实时仿真装置输出的12路模拟量信号进行A/D转换，即可以达到同时模拟两组CT及两组PT的规模；所述用于和转换装置的输入关联的开入量板通过数据总线连接主控制板；所述用于和转换装置的输出关联的开出量板通过数据总线连接主控制板；所述用于转换装置和继电保护装置及上位机间的数据通信的以太网接口和光纤接口分别连接主控制板，用于所述转换装置和继电保护装置及上位机间的数据通信；所述FT3板通过数据总线连接到主控制板，FT3板配设有用以实现装置间的同步的光B码接口用于接收光B码信号，FT3板上配设有用于发送符合IEC60044-7/8协议的采样值报文的的光纤接口；所述GPS接口连接主控制板用于接收PPS秒脉冲信号；所述主控制板上设置的光纤接口用于发送符合IEC61850-9-1和或IEC61850-9-2协议的采样值或用于订阅/发布GOOSE信息，设置为3个以上，光口功能设置为可灵活定义。

2.根据权利要求1所述的一种数字保护自动、闭环动模检测系统，其特征在于，所述数字保护自动、闭环动模检测系统的设备通过软件设置实现自动进行12路模拟通道零漂检查并自动获取零漂系数；所述数字保护自动、闭环动模检测系统的设备通过软件设置实现自动进行采样值、GOOSE参数的配置。

3.根据权利要求1所述的一种数字保护自动、闭环动模检测系统，其特征在于：实时仿真转换装置能够自动解析SCL文件并获得保护装置GOOSE发布/订阅信息，所述信息包括GOOSE基本参数和GOOSE数据集及其每个数据的描述信息，所述基本参数包括目的地址、GoCBRef、GoID和APPID；上位机根据GOOSE数据的描述信息将GOOSE数据和实时仿真转换装置的开入量或开出量进行关联；实时仿真转换装置发布GOOSE时，GOOSE的数据集结构由软件自动生成，所述数据结构包括数据个数、每个数据的数据类型、数据默认值；所述的自动配置GOOSE参数还包括：和保护装置通讯读取保护装置的GOOSE模型，获得其GOOSE发布/订阅信息；所述的自动进行采样值参数的配置包括解析SCL文件获得保护装置的采样值配置信息，包括MAC地址、采样率、ASDU数目、APPID、LDName（IEC61850-9-1协议）、SVID（IEC61850-9-1协议）。