CN104020374A - 智能变电站二次设备整站仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变电站二次设备整站仿真测试系统，包括安装了智能电网仿真软件的测试工作站、I/O接口模块、无线控制主机和1套以上的无线终端；所述无线终端包括无线终端和智能终端模拟装置。测试工作站与所述无线控制主机实时双向连接，无线控制主机通过无线网络与所述各无线终端双向连接。它同时接入多个间隔相关保护、测控装置，与真实的智能变电站二次设备共同构成闭环的模拟试验系统，实现二次设备的整体测试。它将各无线终端分别布置在不同间隔的现场设备旁，就地连接，通过无线方式与测试工作站相联，不需要调试人员额外携带光纤，系统构建方便、环境适应性强。

Description

智能变电站二次设备整站仿真测试系统

技术领域

本发明涉及一种智能变电站二次设备仿真测试系统，尤其是一种智能变电站二次设备整站仿真测试系统。 

背景技术

智能变电站以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求。与常规变电站相比，智能变电站的二次系统构架发生了很大变化。首先是继电保护的分布式配置。按照国家电网公司智能站通用设计要求，220kV及以上电压等级的智能变电站间隔层保护布置在保护小室，而过程层合并单元及智能终端布置在就地智能汇控柜，设备之间采用光纤互联。其次，二次信号的传输载体和形式也发生了改变。智能站二次系统在就地将电气模拟量和开关量转换为光数字信号，利用光纤将数字信号传输给相关设备，没有长电流、电压回路，二次电缆的数量大幅减少。上述变化带来的优势是全站结构清晰紧凑，自动化水平大幅提高，不同设备间实现了无缝连接。但数字化也带来了信号不直观、不易维护等问题，智能设备升级改造困难，使得调试工作的重要性大大提升。 

随着电子式互感器、智能断路器及过程层网络的应用，智能变电站二次设备的工作性能、可靠性己不仅仅由单装置决定，通信网络及各装置间的配合同样至关重要，各装置之间的连接关系更加紧密。通过局部设备、单一功能的测试，并不能确保系统集成后整体功能的正确性和可靠性。因此智能变电站中继电保护装置等二次设备的检测已从传统的单装置检验方式转变为全站二次系统集中集成测试模式。目前，现有的智能变电站测试设备功能不完备，测试方法不成熟，测试标准不够全面，测试技术还远远不能满足现场需求，均有待进一步完善。 

基于上述原因，开展智能变电站二次设备系统级的测试和评估技术研究是十分必要的。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种智能变电站整站仿真测试系统，同时接入多个间隔相关保护、测控装置，通过模拟各种故障的智能电网状态，检验保护装置的动作逻辑，考察保护装置的动作性能、考察二次装置间的互操作性能和通信网络的性能。 

本发明所采取的技术方案是： 

一种智能变电站二次设备整站仿真测试系统，安装了智能电网仿真软件的测试工作站、无线控制主机和1台以上的无线终端；测试工作站包括实时I/O接口模块；无线控制主机包括通信模块和同步控制模块；无线终端包括通信模块、信号转换模块和智能终端模拟模块。

IO接口模块用于实现智能电网仿真软件和无线控制主机实时信息交互的接口功能。 

模拟智能终端模拟“智能终端＋实际刀闸＋实际断路器”的功能，仿真过程层一次设备的动作行为，采集断路器、刀闸的状态变位GOOSE信息，根据接收的遥控指令进行相应操作，实现保护跳合闸闭环试验以及传动工作。它也可以进行各种故障设置，模拟开关、刀闸及操作机构的正常操作和动作情况，以及开关和刀闸拒动、非全相、慢分、辅助接点不对应等各种异常、故障情况。 

测试工作站和无线控制主机布置于保护室被测保护屏柜前，无线终端布置于就地智能汇控柜旁。 

测试工作站与无线控制主机实时双向连接，无线控制主机通过无线网络与所述各无线终端双向连接。 

实时I/O接口可以作为测试工作站的一个组成模块；也可以单独作为一个独立设备，通过数据线与测试工作站双向连接。 

无线控制主机通过无线网络与各无线终端双向连接。 

无线控制主机的通信模块通过控制线与同步控制模块连接；无线终端的通信模块分别与智能终端模拟模块和智能终端通过数据线双向连接，还与通过数据线单向连接信号转换模块；信号转换模块的输出端通过数据线与合并单元的输入端连接。

同步控制模块通过IRIG-B或IEEE 1588网络接口方式实现时间同步。 

无线控制主机通过Wi-Fi网络与无线终端连接，其通信频率为2.4GHz， 传输速率为54Mbps。 

无线控制主机与无线终端交换的数据包括电流、电压和变电站二次系统的开关量。

信号转换模块先将线终端的通信模块接收的电压、电流数据转化为标准10V电压模拟小信号，再放大为100V电压、5A/1A电流量的输出信号。 

无线终端包括GPS模块及可延长接收装置，无线主机和无线终端的同步对时采用GPS直接授时＋晶振自守时方式。 

采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 

1、本发明与真实的智能变电站二次设备共同构成闭环的模拟试验系统，实现不同电压等级、不同结构和不同接口形式的智能变电站全站保护、测控、网络设备等二次设备的整体测试。它兼顾了一次设备故障和二次设备故障，实现一次设备复杂故障与二次设备故障的综合性故障仿真，以此考察综合性故障下相关保护的一系列动作情况。

2、本发明同时接入多个间隔相关保护、测控装置，考察二次装置间的互操作性能和通信网络的性能，实现了对整站二次系统的完整测试，优化了现场工作流程。 

3、本发明基于智能变电站的分布式布局考虑，将各无线终端分别布置在不同间隔的现场设备旁，就地连接，通过无线方式与测试工作站相联，不需要调试人员额外携带光纤，系统构建方便、环境适应性强。 

4、本发明采用了“无线终端＋信号转换模块”的模式，将智能电网仿真软件模拟的电压和电流数据转换为模拟信号，向合并单元输出的。这种结构从互感器根部开始测试，测试范围更加完整，能够测试除CT、PT以外的整个变电站二次系统的回路，范围涵盖MU的采样AD回路，更接近变电站实际运行工况。它直接加在MU汇控柜的端子排内侧即可，无需更改MU配置，更方便现场应用。 

5、本发明所有硬件设备采用便携式、模块化设计，便于携带组装，可广泛应用于变电站现场的安装调试试验和停运检修测试、技术性能评价。 

6、本发明用模拟智能终端模拟“智能终端＋实际刀闸＋实际断路器”的功能，仿真过程层一次设备的动作行为，实现保护跳合闸闭环试验以及传动工作，提高了工作效率，减少了断路器动作次数，延长了设备使用寿命。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是本发明的无线控制主机通信模块的电路原理框图；

图3是本发明的无线控制主机通信模块基带级电路原理图；

图4是本发明的无线控制主机通信模块射频级接收电路原理图；

图5是本发明的无线控制主机通信模块射频级发送电路原理图；

图6是本发明的无线控制主机通信模块基带级电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

如图1所示，一种智能变电站二次设备整站仿真测试系统，安装了智能电网仿真软件的测试工作站、无线控制主机和1台以上的无线终端；测试工作站包括实时I/O接口模块；无线控制主机包括通信模块和同步控制模块；无线终端包括通信模块、信号转换模块和智能终端模拟模块。 

智能电网仿真软件包含电网仿真核心单元、时间同步模块、人机接口模块三个部分。智能电网仿真核心单元基于多核多处理器并行计算技术，采用QNX实时操作系统，实现静态模拟计算和电网电磁暂态仿真，模拟正常运行和各种故障状态下的动态过程。时间同步模块实现仿真系统的时间同步，确保闭环仿真的准确性和实时性。智能变电站仿真器提供可视化的人机操作界面，可以让测试人员在仿真设备上进行简单的启停操作和各种设置。 

智能电网仿真软件实时数字系统可以完整模拟智能变电站的各种操作和故障的电磁暂态过程，仿真误操作和设备异常的暂态现象，检验整站相关保护对故障的处理能力。它实时数字系统实时仿真电网运行情况，既能提供正常运行时保护、测控装置所需的高精度电流、电压值，也能够提供电网故障时的故障电流、电压。它拥有变压器、线路、断路器、隔离开关、负荷、电容器、电抗器、电流互感器、电压互感器、避雷器等设备详细的智能电网模型和各种故障模型，并在此基础上构建更为复杂的复合故障，能够对继电保护装置的性能进行全面细致的动模测试。它将单一设备模型组合成间隔模型，如线路间隔模型由线路、开关、刀闸、CT、线路PT等模型构建，使间隔的扩充和删除易于实现。该平台具有灵活、扩展性强的特点，可以通过用户自定义建模，并可以根据测试需求对接口部分进行扩展，满足不同电压等级、不同接线形式的智能变电站测试要求。本实施例最终搭建出三种变电站典型接线形式：110kV变电站接线形式、220kV变电站接线形式和500kV变电站接线形式。 

测试工作站与无线控制主机实时双向连接，无线控制主机通过无线网络与所述各无线终端双向连接。 

无线控制主机通过无线网络与各无线终端双向连接。 

按照国家电网公司智能站通用设计要求，220kV及以上智能站间隔层保护布置在保护室内，而过程层合并单元及智能终端布置在就地一次设备旁。基于此分布式布局，测试工作站和无线控制主机布置于保护室被测保护屏柜前，无线终端布置于就地智能汇控柜旁，采用无线网络进行数据传输。无线控制主机将智能电网仿真软件模拟的电压电流量发送到指定的无线终端，接收无线终端反馈来的GOOSE报文信息，解析后上传给测试工作站的智能电网仿真软件。 

无线控制主机与无线终端交换的数据包括电流、电压和变电站二次系统的开关量，包括断路器、隔离开关、接地设备的状态。 

无线网络通信采用Wi-Fi 802.11系列无线传输标准协议，工作频段2.4GHz，发射功率20dBm（100mW），可提供54Mbps的物理层传输速率，有效覆盖半径约300m。 

无线控制主机的通信模块通过控制线与其同步控制模块连接；同步控制模块通过IRIG-B或IEEE 1588网络接口方式实现时间同步。无线终端包括GPS模块及可延长接收装置，无线控制主机和无线终端的同步对时采用GPS直接授时＋晶振自守时方式。 

无线终端的通信模块分别与智能终端模拟装置和智能终端通过数据线双向连接，还与信号转换模块通过数据线单向连接；信号转换模块的输出端通过数据线与合并单元的输入端连接。 

模拟智能终端模拟“智能终端＋实际刀闸＋实际断路器”的功能，仿真过程层一次设备的动作行为，采集断路器、刀闸的状态变位GOOSE信息，根据接收的遥控指令进行相应操作，实现保护跳合闸闭环试验以及传动工作。它也可以进行各种故障设置，模拟开关、刀闸及操作机构的正常操作和动作情况，以及开关和刀闸拒动、非全相、慢分、辅助接点不对应等各种异常、故障情况。 

信号转换模块先将线终端的通信模块接收的电压、电流数据转化为标准10V电压模拟小信号，再放大为100V电压、5A/1A电流量的输出信号。 

如图2所示，发明的无线控制主机通信模块包括射频级和基带级两部分。射频级完成模拟射频前端处理，包括滤波、放大、下变频；基带级功能包括模数转换、协议分析、通信报文制定、通信算法实现。传输的数据包括电网仿真器提供的高精度电流、电压值，以及变电站二次系统返回的开关量。各模块的工作通过软件协调，为系统提供电源、时钟，以及各种终端控制功能。 

如图3所示，发明的无线控制主机通信模块模拟前端接收电路的射频天线接收2.4kHz的射频信号经过滤波放大后，分别采用同相和正交本振信号解调，再经过低通滤波、放大和模数转换处理后得到一路同相基带信号和一路正交基带信号。 

如图4所示，发明的无线控制主机通信模块模拟前端发送电路分别采用相和正交本振信号调制同相基带信号和正交基带信号，然后叠加为一路信号，滤波后经射频天线发射。 

如图5所示，数字前端DFE包括高速A/D转换、数字下变频、采样速率转换和基带信道滤波四个部分，将基带信号转换为数字信号，数字下变频后再进行采样速率转换和基带信道滤波，输出数字基带信号。 

如图6所示，基带级MAC层和物理层全部由硬件逻辑实现。MAC层负责802.11协议选择及制定通信报文，物理层涉及较多的通信算法，如帧同步、频率同步（粗频率同步、细频率同步）、信道估计、编码解码、调制解调等。内置MCU执行USB固件程序。 

无线终端的通信模块与无线控制主机的通信模块结构相同。 

Claims (6)

1.一种智能变电站二次设备整站仿真测试系统，包括智能电网仿真软件，其特征在于：还包括安装了智能电网仿真软件的测试工作站、无线控制主机和1台以上的无线终端； 所述测试工作站包括实时I/O接口模块；所述无线控制主机包括通信模块和同步控制模块；所述无线终端包括通信模块、信号转换模块和智能终端模拟模块； 

所述测试工作站与所述无线控制主机实时双向连接，所述无线控制主机通过无线网络与所述各无线终端双向连接；

所述无线控制主机的通信模块通过控制线与同步控制模块连接；所述无线终端的通信模块分别与智能终端模拟模块和智能终端通过数据线双向连接，还与通过数据线单向连接所述信号转换模块；所述信号转换模块的输出端通过数据线与合并单元的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的智能变电站二次设备整站仿真测试系统，其特征在于所述同步控制模块通过IRIG-B或IEEE 1588网络接口方式实现时间同步。

3.根据权利要求1所述的智能变电站二次设备整站仿真测试系统，其特征在于所述无线控制主机通过Wi-Fi网络与无线终端连接，其通信频率为2.4GHz， 传输速率为54Mbps。

4.根据权利要求1所述的智能变电站二次设备整站仿真测试系统，其特征在于所述无线控制主机与无线终端交换的数据包括电流、电压和变电站二次系统的开关量。

5.根据权利要求1所述的智能变电站二次设备整站仿真测试系统，其特征在于所述信号转换模块先将所述线终端的通信模块接收的电压、电流数据转化为标准10V电压模拟小信号，再放大为100V电压、5A/1A电流量的输出信号。

6.根据权利要求1所述的智能变电站二次设备整站仿真测试系统，其特征在于所述无线终端包括GPS模块及可延长接收装置，所述无线主机和无线终端的同步对时采用GPS直接授时＋晶振自守时方式。