CN104601220B - 一种lte无线通信智能变电站测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LTE无线通信智能变电站测试装置，包括仿真主站、第一LET无线收发模块、第二LET无线收发模块和分布式数据终端；其有益效果是：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；将近端的实验设备分别布置在不同间隔的现场设备旁，通过LTE无线局域专网方式与远端设备相联，不需要调试人员额外携带光纤；可以准确模拟大部分电力系统的运行状态，考察保护、测控等二次设备的工作情况；同时接入多个间隔相关保护、测控装置，实现了对整站二次系统的完整测试，优化了现场工作流程。
Description
技术领域
本发明属于智能变电站测试技术领域，涉及一种LTE无线通信智能变电站测试装置。
背景技术
智能变电站基于DL860标准（IEC61850标准），采用数字化采样、智能一次设备和光纤以太网等先进技术，具有数字化、网络化和全站信息共享的特点，在提高变电站智能化水平的同时也给变电站的检测、调试和试验提出了更高的要求。
智能变电站测试是确保智能变电站顺利投运的关键环节，智能变电站二次设备及系统功能的可靠性、有效性都依赖于测试技术的保证。智能变电站二次设备的测试不仅应包括合并单元、智能终端、数字化保护等设备的单元检测，还需要对设备之间的通信、互操作以及组成系统进行全面的系统级测试，因此需要建立完备的智能变电站二次设备试验、测试系统，实现包括继电保护、测控等全面功能的集成测试。
目前，受测试模型、数据传输通道、终端及接口等方面技术水平的影响，现有的针对智能变电站二次设备的测试工具无法良好应用于变电站现场测试环境，实现多个间隔、多种类型设备的协同测试。主要问题包括以下几个方面：
1）智能变电站具有通信数字化、网络化和全站信息共享的特点，传统的二次设备测试工具通常只能收发固定格式的测试数据，完成特定设备、单一功能的单独测试，无法确保构成系统后整体功能的可靠性和有效性；
2）在运行的智能变电站二次系统配置模式多样，二次设备生产厂家繁杂，设备组网方式、采用的通信规约存在较大的差异，目前尚没有一种测试工具可以通用于不同类型智能变电站的测试任务；
3）目前智能变电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就地分散布置；鉴于此分布式布局，受空间距离以及环境影响，变电站现场的间隔整组通流通压及功能传动等难以实现，给变电站的安全稳定运行带来了一定的隐患；
4）无法在安装前对二次设备进行全面的性能检测，只能将这部分工作安排在现场调试环节进行，使调试工作异常繁重。
综上所述，随着我国智能站建设的蓬勃开展，需要一种新型的适用于智能变电站现场的二次设备测试手段。通过更加灵活的数据传输及终端接入模式，实现测试主站无缝接入智能站二次系统，构建典型智能站复杂故障、发展性故障以及设备缺陷、人员误操作等高级测试应用，对智能变电站二次系统的性能进行全面深入的评估。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实现多个间隔、多种类型设备的协同测试且可在安装前对二次设备进行全面性能检测的LTE无线通信智能变电站测试装置。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种LTE无线通信智能变电站测试装置，包括仿真主站、第一LTE无线收发模块、第二LTE无线收发模块和分布式数据终端；所述仿真主站与所述第一LTE无线收发模块的相应端口双向连接；所述第一LTE无线收发模块与第二LTE无线收发模块无线连接；所述第二LTE无线收发模块接所述分布式数据终端的相应端口；所述分布式数据终端接智能变电站的相应端口。
所述分布式数据终端包括FPGA模块、第一至第二以太网收发模块、无线单向广播模块、无线双向广播模块、GPS定时模块、GPS天线、DA转换电路、驱动模块、以太网光纤接口模块和第一至第二4路光纤接口；所述FPGA模块包括SV接收模块、SV处理模块、GOOSE收发模块、GOOSE转发模块、时钟模块、时钟恢复模块和DA处理模块；
所述无线单向广播模块的输入端接所述第二LTE无线收发模块的采样值信号输出端；所述无线单向广播模块的输出端经所述第一以太网收发模块接所述SV接收模块的输入端；所述SV接收模块的输出端接所述SV处理模块的相应输入端；
所述DA处理模块和驱动模块的输入端分别接所述SV处理模块的相应输出端；
所述DA处理模块的输出端接所述DA转换电路的输入端；
所述第二LTE无线收发模块的开关量信号端口与所述无线双向广播模块的相应端口双向连接；所述无线双向广播模块经所述第二以太网收发模块与所述GOOSE收发模块的相应端口双向连接；所述GOOSE收发模块与所述GOOSE转发模块的相应端口双向连接；
所述GOOSE转发模块与所述驱动模块的相应端口双向连接；
所述第一4路光纤接口接所述驱动模块的相应输出端；
所述第二4路光纤接口与所述驱动模块的相应端口双向连接；
所述GPS天线经所述GPS定时模块与所述时钟模块的相应端口双向连接；
所述时钟模块接所述SV处理模块的相应输入端；
所述时钟模块、SV处理模块和以太网光纤接口模块分别与所述时钟恢复模块的相应端口双向连接；
所述DA转换电路的输出端接智能变电站的实际间隔合并单元；
所述第一4路光纤接口的输出端接智能变电站的间隔层保护测控装置采样输入端；
所述第二4路光纤接口的相应端口与智能变电站的间隔层保护测控装置GOOSE输入/输出端双向连接；
所述以太网光纤接口模块与智能变电站的光B码对时屏双向连接。
所述FPGA模块的型号为Cyclone IV EP4CE2217I7N；所述第一至第二以太网收发模块的型号均为DB83640；所述无线单向广播模块和无线双向广播模块均为信马无线网桥；所述GPS定时模块的型号为TIME-M3339；所述驱动模块的型号为BCM5248；所述以太网光纤接口模块的型号为HFBR-2412TZ；所述第一至第二4路光纤接口的型号均为OCM3825-54。
所述DA转换电路是由DAC8562芯片及其外围电路构成。
本发明的有益效果是：
1）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。
2）本发明基于智能变电站的分布式布局考虑，将近端的实验设备分别布置在不同间隔的现场设备旁，就地连接，通过LTE无线局域专网方式与远端设备相联，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。
3）本发明可以准确模拟大部分电力系统的运行状态，考察保护、测控等二次设备的工作情况，对现场装置进行更加全面的闭环测试。
4）较以往的单装置检测调试手段，本发明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电磁暂态状态，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，实现了对整站二次系统的完整测试，优化了现场工作流程。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为智能变电站合并单元模拟接入模式原理图。
图3为智能变电站智能终端模拟接入模式原理图。
图4为智能变电站互感器模拟接入模式原理图。
具体实施方式
由图1-4所示的实施例可知，它包括仿真主站、第一LTE无线收发模块、第二LTE无线收发模块和分布式数据终端；所述仿真主站与所述第一LTE无线收发模块的相应端口双向连接；所述第一LTE无线收发模块与第二LTE无线收发模块无线连接；所述第二LTE无线收发模块接所述分布式数据终端的相应端口；所述分布式数据终端接智能变电站的相应端口。
所述分布式数据终端包括FPGA模块、第一至第二以太网收发模块、无线单向广播模块、无线双向广播模块、GPS定时模块、GPS天线、DA转换电路、驱动模块、以太网光纤接口模块和第一至第二4路光纤接口；所述FPGA模块包括SV接收模块、SV处理模块、GOOSE收发模块、GOOSE转发模块、时钟模块、时钟恢复模块和DA处理模块；
所述无线单向广播模块的输入端接所述第二LTE无线收发模块的采样值信号输出端；所述无线单向广播模块的输出端经所述第一以太网收发模块接所述SV接收模块的输入端；所述SV接收模块的输出端接所述SV处理模块的相应输入端；
所述DA处理模块和驱动模块的输入端分别接所述SV处理模块的相应输出端；
所述DA处理模块的输出端接所述DA转换电路的输入端；
所述第二LTE无线收发模块的开关量信号端口与所述无线双向广播模块的相应端口双向连接；所述无线双向广播模块经所述第二以太网收发模块与所述GOOSE收发模块的相应端口双向连接；所述GOOSE收发模块与所述GOOSE转发模块的相应端口双向连接；
所述GOOSE转发模块与所述驱动模块的相应端口双向连接；
所述第一4路光纤接口接所述驱动模块的相应输出端；
所述第二4路光纤接口与所述驱动模块的相应端口双向连接；
所述GPS天线经所述GPS定时模块与所述时钟模块的相应端口双向连接；
所述时钟模块接所述SV处理模块的相应输入端；
所述时钟模块、SV处理模块和以太网光纤接口模块分别与所述时钟恢复模块的相应端口双向连接；
所述DA转换电路的输出端接智能变电站的实际间隔合并单元；
所述第一4路光纤接口的输出端接智能变电站的间隔层保护测控装置采样输入端；
所述第二4路光纤接口的相应端口与智能变电站的间隔层保护测控装置GOOSE输入/输出端双向连接；
所述以太网光纤接口模块与智能变电站的光B码对时屏双向连接。
所述FPGA模块的型号为Cyclone IV EP4CE2217I7N；所述第一至第二以太网收发模块的型号均为DB83640；所述无线单向广播模块和无线双向广播模块均为信马无线网桥；所述GPS定时模块的型号为TIME-M3339；所述驱动模块的型号为BCM5248；所述以太网光纤接口模块的型号为HFBR-2412TZ；所述第一至第二4路光纤接口的型号均为OCM3825-54。
所述DA转换电路是由DAC8562芯片及其外围电路构成。
SV接收模块接收从无线信道传来的电流、电压采样信号（仿真主站计算得到）。
SV处理模块将SV接收模块取得的电流电压采样信号，通过编码、规约转换得到后端变电站保护装置等二次设备能够识别的SV报文，具体报文为IEC61850-9-2格式。
DA处理模块完成采样值数据的数字量到模拟量的转换过程。
GOOSE收发、转发模块将从无线信道传来的GOOSE报文接收、转发到变电站保护装置等二次设备，同时将变电站发来GOOSE报文传输到无线模块，并回传到仿真主站。
时钟模块实现全系统时钟同步功能。
时钟恢复模块在系统时钟不同步时用于时钟恢复。
图2为智能变电站合并单元模拟接入模式原理图。在这种测试接入模式下，数据终端替代了被测间隔合并单元的功能。主站将电磁暂态计算取得的电流、电压数据通过高速同步无线信道发送给数据终端，数据终端通过4路光以太网口直接输出SV数字化采样报文，通过点对点或组网方式提供给间隔层保护、测控等二次设备，考察其工作性能。
图3为智能变电站智能终端模拟接入模式原理图。在该模式下，被测间隔实际智能终端、开关刀闸一次设备未接入整个测试闭环，而是由测试数据终端替代实现了相应的GOOSE报文接收、转发功能。当保护装置采集到故障量后，将动作指令以GOOSE报文形式通过终端4路光以太网接口、无线信道反馈给主站系统，主站系统相应改变故障模型中的开关状态，并调整输出的电流、电压量，实现保护装置等设备功能的闭环测试。
图4为智能变电站互感器模拟接入模式原理图。在该模式下，数据终端实现了电流、电压互感器的功能。数据终端的8通道模拟量接口直接输出电流、电压模拟小信号，经过功率放大电路放大后，将二次电流、电压模拟量发送给真实的间隔合并单元，再通过点对点或组网方式提供给保护、测控等二次设备。这种模式可以考察包括合并单元在内的二次设备运行及通信性能。
本发明依据智能变电站测试标准和指标，提出适用于基建及检修测试现场的基于LTE无线通信的智能变电站集成测试系统方案。该集成测试系统主要包括高性能智能变电站实时仿真器、面向整站级测试的电磁暂态仿真软件、实时I/O接口装置、LTE无线数据传输通道、分布式数据终端等。
该测试系统不仅可以对智能站二次系统的各个组成设备进行单元检测，还可以对设备之间以及组成系统进行系统级测试，为智能变电站内包括数字化保护、测控等全面功能提供了整组协同测试环境，对于智能变电站的研究、设计、试验、检测和评估等具有重要意义。
对应于智能变电站站控层、间隔层和过程层的三层体系架构。该集成测试平台与真实的智能变电站二次设备共同构成闭环的模拟测试系统，平台为被测智能变电站二次系统提供运行所需的电流、电压，既可以模拟变电站正常运行过程中的电流、电压值，也可以模拟变电站故障及误操作时的故障电流、电压，从而考察单套保护的动作行为以及多套保护的协同配合能力。
该平台配置有适用于智能站不同主接线形式的通用模型参数库，能够模拟线路、变压器、母线等各种类型的设备故障以及各种复合性、发展性故障的电磁暂态过程。通过实时仿真器与分布式数据终端之间的LTE高速同步无线数据通道，为整个测试系统提供高精度、高实时性数据传输保障，灵活有效的实现站内合并单元、智能终端、保护装置等单装置及整组测试。
智能站实时仿真器是整个智能变电站二次设备集成测试系统的运算和控制核心，基于工业控制主机硬件结构设计，搭载智能站仿真测试软件，既可以实现常规保护测试仪功能，又可以通过构建故障模型组件实现对典型线路、主变、母线故障的模拟。
仿真器主机采用实时操作系统，人机界面运行于其中，既能提供正常运行时保护、测控等装置所需的高精度电流、电压值，也能够提供电网故障及误操作时的故障电流、电压值。仿真器拥有变压器、线路、断路器等设备详细的电磁暂态模型和各种故障模型，并在此基础上构建出更为复杂的复合性、发展性故障，能够对数字化保护、测控等二次设备的性能进行全面细致的动模测试。
实时I/O接口实现了仿真计算核心和外围模拟装置进行实时信息交互的接口功能。基于变电站实时仿真器的计算结果，通过数字或模拟方式为继电保护、测控装置提供高精度的电压、电流信号源，并能够实时采集断路器、隔离开关、接地设备的状态反馈给仿真器。
基于FPGA的PCI-E接口设计，利用内置于FPGA的PCI Express专用的集成模块，可以省去专用的PCI-E接口芯片，降低了硬件设计成本，提高了硬件的集成度。利用FPGA的可编程特性，大大提高了设计灵活性、适应性和可扩展性。
LTE无线数据传输通道：按照国家电网公司智能站典型设计要求，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，本发明中过程层和间隔层之间的试验数据传输采用无线方式。无线通信设备通过实时I/O接口的PCI-E总线与仿真主机相连，将电压电流量分别发送到指定的间隔，并将各间隔反馈来的GOOSE报文解析后上传给仿真器。
综合考虑数据规模、传输时延抖动等因素，本发明中试验数据传输采用TD-LTE无线局域专网方式。该方式遵循3GPP R10 LTE系列标准协议，考虑到变电站实际应用环境中的临频干扰、设备部署和扩展等因素，选择工作频段为1.4/1.8GHz可切换。根据典型智能站间隔规模，确定数据速率下行80Mbps、上行30Mbps，最大UE数16个。
该收发机采用2天线（2收1发），峰值发射功率2W，有效覆盖半径3km，完全能够满足典型智能变电站应用规模。此外，为了使本仿真测试系统更加便携化，方便现场应用，将LTE标准中的eNodeB设备功能、EPC核心网功能整合进主站设备的嵌入式操作系统中，大大增加了系统的集成度，降低了成本，方便了系统的使用和维护。
分布式数据终端将仿真测试平台与真实的智能变电站二次系统连接在一起，实现整个测试过程的闭环。实际应用中，可将各数据终端放置于各待测间隔智能汇控柜旁，通过电缆或光缆与变电站合并单元、智能终端等二次设备相连。该数据终端应同时具有模拟量和数字量两种采样值输出模式，实现对合并单元前端和后端输出数据的模拟。此外，数据终端还具有GOOSE状态量信息通信的功能，通过点对点或GOOSE网与保护、测控等设备相连，成为间隔层和过程层信息交互的接口。此外，为确保测试系统和二次设备的高度时间一致性，终端还应具有精确对时和确定性同步的功能。
数据终端同时支持两个无线模块，通过无线信道与仿真主机连接，一个接收采样值信息，另一个专门用于收发开关量及位置信息。
数据终端硬件支持8个光百兆以太网接口，其中4个用于传送4路一样的IEC61850-9-2或FT3格式SV报文，另外4个用于传送4路内容一样的GOOSE报文。SV通信采用全数据集报文，数据终端支持8位唯一标识号，并通过该标识号从SV报文中提取本间隔所需采样值，并按如下通信协议进行通信：【终端1标识号】【通道1采样值】…【通道8采样值】…【终端n标识号】【通道1采样值】…【通道8采样值】。
数据终端支持8路DA开出，兼容双母线和3/2接线两种主接线形式。在双母线形式下，线路间隔数据终端提供1u+3i的模拟量输出，母线间隔数据终端提供3u+3u的模拟量输出；在3/2接线方式下，线路间隔数据终端输出4u+4i的模拟量，母线间隔数据终端输出4u+4u的模拟量。
此外，数据终端和仿真主机支持多种同步方式，包括：
① 主机和终端均配备独立的天基GPS对时系统，通过预留的GPS接口连接对时天线，实现对时；
② 主机和终端各预留一个ST光口，均连接到变电站光B码对时屏柜，和站内对时系统保持同步；
③ 采用无线数传radio主从对时，主机向终端发送独立的无线对时信号，实现主从之间的对时。
上述三种对时方式可根据实际空间环境、信号条件等单独选择，也可以同时工作、互为后备，确保整个仿真测试系统工作在同一个时钟下。不同的无线终端必须同步在10μs的精度范围内。
在实际的工程测试过程中，该数据终端可以通过多种方式接入二次系统，实现不同设备的功能模拟以及二次系统不同范围、不同功能的重点测试。
① 合并单元模拟
在这种模式下，数据终端替代了被测间隔合并单元的功能。主站将电磁暂态计算取得的电流、电压数据通过高速同步无线信道发送给数据终端，数据终端通过4路光以太网口直接输出SV数字化采样报文，通过点对点或组网方式提供给间隔层保护、测控等二次设备，考察其工作性能。
② 互感器模拟
在该模式下，数据终端实现了电流、电压互感器的功能。数据终端的8通道模拟量接口直接输出电流、电压模拟小信号，经过功率放大器放大后，将二次电流、电压模拟量发送给真实的间隔合并单元，再通过点对点或组网方式提供给保护、测控等二次设备。这种模式可以考察包括合并单元在内的二次设备运行及通信性能。
GOOSE状态量信息传输同样具有以下两种模式。
③ 智能终端模拟
在该模式下，被测间隔实际智能终端、开关刀闸一次设备未接入整个测试闭环，而是由测试数据终端替代实现了相应的GOOSE报文接收、转发功能。当保护装置采集到故障量后，将动作指令以GOOSE报文形式通过终端4路光以太网接口、无线信道反馈给主站系统，主站系统相应改变故障模型中的开关状态，并调整输出的电流、电压量，实现保护装置等设备功能的闭环测试。
④ 带开关整组传动
该模式实现待测间隔二次系统带开关一次设备的整组测试。和方式1不同之处在于，保护装置采集到故障量后，按照实际的保护—智能终端—开关设备回路实现跳、合闸，测试数据终端从GOOSE网采集相应的报文，解析后通过无线信道回传给主站系统，主站改变故障模型中的开关状态，并相应调整输出的电流、电压量。实现包括智能终端和开关一次设备在内的整组动模测试。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种LTE无线通信智能变电站测试装置，其特征在于：包括仿真主站、第一LTE无线收发模块、第二LTE无线收发模块和分布式数据终端；所述仿真主站与所述第一LTE无线收发模块的相应端口双向连接；所述第一LTE无线收发模块与第二LTE无线收发模块无线连接；所述第二LTE无线收发模块接所述分布式数据终端的相应端口；所述分布式数据终端接智能变电站的相应端口；所述分布式数据终端包括FPGA模块、第一至第二以太网收发模块、无线单向广播模块、无线双向广播模块、GPS定时模块、GPS天线、DA转换电路、驱动模块、以太网光纤接口模块和第一至第二4路光纤接口；所述FPGA模块包括SV接收模块、SV处理模块、GOOSE收发模块、GOOSE转发模块、时钟模块、时钟恢复模块和DA处理模块；
所述无线单向广播模块的输入端接所述第二LTE无线收发模块的采样值信号输出端；所述无线单向广播模块的输出端经所述第一以太网收发模块接所述SV接收模块的输入端；所述SV接收模块的输出端接所述SV处理模块的相应输入端；
所述DA处理模块和驱动模块的输入端分别接所述SV处理模块的相应输出端；
所述DA处理模块的输出端接所述DA转换电路的输入端；
所述第二LTE无线收发模块的开关量信号端口与所述无线双向广播模块的相应端口双向连接；所述无线双向广播模块经所述第二以太网收发模块与所述GOOSE收发模块的相应端口双向连接；所述GOOSE收发模块与所述GOOSE转发模块的相应端口双向连接；
所述GOOSE转发模块与所述驱动模块的相应端口双向连接；
所述第一4路光纤接口接所述驱动模块的相应输出端；
所述第二4路光纤接口与所述驱动模块的相应端口双向连接；
所述GPS天线经所述GPS定时模块与所述时钟模块的相应端口双向连接；
所述时钟模块接所述SV处理模块的相应输入端；
所述时钟模块、SV处理模块和以太网光纤接口模块分别与所述时钟恢复模块的相应端口双向连接；
所述DA转换电路的输出端接智能变电站的实际间隔合并单元；
所述第一4路光纤接口的输出端接智能变电站的间隔层保护测控装置采样输入端；
所述第二4路光纤接口的相应端口与智能变电站的间隔层保护测控装置GOOSE输入/输出端双向连接；
所述以太网光纤接口模块与智能变电站的光B码对时屏双向连接。
2.根据权利要求1所述的一种LTE无线通信智能变电站测试装置，其特征在于：所述FPGA模块的型号为Cyclone IV EP4CE2217I7N；所述第一至第二以太网收发模块的型号均为DB83640；所述无线单向广播模块和无线双向广播模块均为信马无线网桥；所述GPS定时模块的型号为TIME-M3339；所述驱动模块的型号为BCM5248；所述以太网光纤接口模块的型号为HFBR-2412TZ；所述第一至第二4路光纤接口的型号均为OCM3825-54。
3.根据权利要求2所述的一种LTE无线通信智能变电站测试装置，其特征在于：所述DA转换电路是由DAC8562芯片及其外围电路构成。
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