CN105548769A - 一种继电保护动作延时分级测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于罗氏线圈暂态仿真的继电保护动作延时分级测试系统及方法，系统包括上位机和测试主机；上位机中设有数据源生成模块和延时测试模块；测试主机包括主控制器、数据生成模块、数据采集模块、D/A模块、A/D模块和采集接口模块。本发明首先通过数据源生成模块建立罗氏线圈在电力系统故障情况下的暂态仿真模型，然后将暂态仿真数据实时发送至测试主机，通过数据生成模块和D/A模块将微分的小模拟量信号发送至采集器，建立整间隔的动态模拟数据。同时以上述小模拟量信号作为标准源，再采集串行数据信号、合并单元的9-2数据、数字化继电保护的GOOSE数据以及智能终端的开关量，从而建立一整套测试系统，即可分别测试这些信号相对于暂态标准源的延时以及整体动作延时。

Description

一种继电保护动作延时分级测试系统及方法

技术领域

本发明涉及继电保护检测技术领域，特别是一种基于罗氏线圈暂态仿真的继电保护动作延时分级测试系统及方法。

背景技术

智能变电站作为智能电网的重要组成部分，是目前电网建设的主要方向。智能变电站建设过程中，罗氏线圈电电子式互感器得到了一定的应用。罗氏线圈测量电流的基本原理是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，罗氏线圈是由非磁性材料为骨架构成的空心线圈，在空心线圈中，二次绕在非磁性骨架上，无铁磁材料使这种传感器的线性度良好，不饱和也无磁滞现象，因此，空心线圈具有优良的频率响应能力。但罗氏线圈二次输出的电压e(t)和一次电流Ip(t)成微分关系，罗氏线圈原理的电子式互感器由于其输出是微分后的信号，必须要通过积分环节来进行还原，这种微分到积分的环节所带来暂态特性的变化最终造成的影响目前还缺乏足够的测试数据。目前国内的罗氏线圈原理的电子式互感器积分环节基本采取的两种技术方案，一种是软件积分，另一种是硬件积分。这两种方式在暂态特性上的差异性也是一个未知数。这种由微分到积分的过程对于电流暂态信号的影响以及对于基于电子式互感器的数字化继电保护动作时间的影响也是缺乏足够的测试依据。

目前数字化继电保护都是在继电保护前端加入基于IEC61950-9-2通信标准的数字信号，然后测试数字化继电保护的动作时间，这种测试方式抛开了电子式互感器本身暂态特性以及暂态延时所带来的影响。目前电子式互感器的暂态测试基本都是采用大电流冲击的方式产生测试所需要的暂态过程大电流，然后再对试品连同合并单元进行测试。这种方式所依赖的硬件试验条件高投入大，需要搭建一次系统物理动态模型实验室，这基本上使得基于电子式互感器暂态数据的数字化继电保护动作时间特性测试变得不可能。而电子式互感器的延时特性基本都是稳态情况下测得的，这并不能直接反映基于电子式互感器的数字化继电保护的整体动作时间。

所以从目前现状来看，迫切需要一种装置通过对电子式互感器进行暂态仿真并输出信号给电子式互感器，然后测试电子式互感器采集器、合并单元、数字化继电保护装置、智能终端等多环节的分级延时以及数字化继电保护的整体动作延时，从而测得在暂态过程中数字化继电保护的整体动作延时与各个环节的关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：通过仿真罗氏线圈电子式互感器暂态过程，实现数字化继电保护整组动作时间特性与各个环节动作延时之间关系的全局测试。

本发明采取的技术方案具体为：一种继电保护动作延时分级测试系统，包括上位机、测试主机，以及依次连接的电子式互感器采集器、合并单元、数字化继电保护装置和智能终端；

上位机包括数据源生成模块和延时测试模块；延时测试模块包括电子式互感器延时测试单元和继电保护延时测试单元；

测试主机包括主控制器、数据生成模块、数据采集模块、D/A模块、A/D模块和采集接口模块；

所述采集接口模块包括输出端分别连接数据采集模块的FT3信号光纤串行接口、9-2信号光纤以太网接口、GOOSE信号光纤以太网接口和开关量采集接口；所述FT3信号光纤串行接口的输入端连接电子式互感器采集器的输出端，9-2信号光纤以太网接口的输入端连接合并单元的输出端，GOOSE信号光纤以太网接口的输入端连接数字化继电保护的输出端，开关量采集接口的输入端连接智能终端的输出端；

上位机中的数据源生成模块生成罗氏线圈暂态过程仿真数据，并输出至测试主机的主控制器中，测试主机中的数据生成模块从主控制器中接收仿真数据，进而生成暂态测试数据，并将生成的暂态测试数据经D/A模块转换后输出至电子式互感器采集器中，同时作为标准源输出至A/D模块中；A/D模块的输出端连接数据采集模块；

数据采集模块通过采集接口模块采集FT3信号、9-2信号、GOOSE信号以及开关量信号，然后提取上述信号中的数据，并通过主控制器输出至上位机的延时测试模块；

根据接收到的数据，延时测试模块中的电子式互感器延时测试单元测试电子式互感器采集器的延时特性，继电保护延时测试单元测试合并单元延时、数字化继电保护装置动作时间、智能终端动作时间，以及继电保护整体动作延时。

本发明中，上位机采用计算机实现，测试主机中的主控制器负责与上位机连接，并将接收到的罗氏线圈暂态过程仿真数据源发送至数据生成模块，数据生成模块将数字量发送给D/A模块生成测试用小模拟量信号。数据采集模块分别采集标准源小模拟量电压信号、采集器的光纤串行信号、以太网9-2信号、GOOSE信号以及开关量硬接点信号，并分别打上精确的时标。数据采集模块采集上述标准源、采集器、合并单元、数字化继电保护以及智能终端的多源信号，并完成同步计算，将同步好的数据后送至上位机的电子式互感器及数字化继电保护延时测试模块，进而实现测试。计算机通过软件实现罗氏线圈暂态过程仿真数据源的生成，以及根据采集到的数据进行相关延时测试为现有技术。

进一步的，本发明的测试主机中还包括晶体振荡器，晶体振荡器的时钟信号输出端分别连接主控制器、数据采集模块和数据生成模块。晶体振荡器可选用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化。此高精度晶振为PowerPC和FPGA提供时钟节拍，保证了时序控制的精确性，以及长期的稳定性。

所述测试主机的主控制器采用型号为MPC8247的嵌入式微处理器。主控制器以PowerPC为核心，MPC8247嵌入式微处理器为Freescale公司生产，属于PowerQUICCII系列，包含一个基于PowerPCMPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。其双核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了系统的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。高频数据的发生，以及测试数据的收集均由主控制器来完成。

所述数据生成模块及数据采集模块分别采用FPGA芯片。FPGA采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。利用FPGA精确的时序控制能力，可完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收，DAC的控制，A/D数据采集，同时完成高速串行数据接收以及开关量接收。

所述D/A模块采用型号为AD5683R的数模转换器，其为ADI公司生产的16位单通道转换器，相对精度为±2LSBINL，内置2ppm/℃2.5V基准电压源；采用节省空间的2mm×2mm8引脚LFCSP和10引脚MSOP封装，可在更小的电路板空间中实现更多的功能；2mV总非调整误差，无需初始校准或调整；4kVHBMESD额定值，实现了系统稳健性。

A/D模块采用AD公司18位AD7690芯片，该芯片为1.5LSBINL、400kSPS差分ADC，其差分输入特性具有更强的抗干扰性能。

本发明还公开基于上述测试系统的测试方法，其中：

a.上位机的数据源生成模块采用暂态过程的连续时域微分技术实现罗氏线圈信号的无损微分输出，包括以下步骤：

1)确定系统正常运行时电流：i_a(t)＝I_m|0|sin(ωt+α-φ_|0|)

其中： $I_{m\left|0\right|}=\frac{U_m}{\sqrt{{(R+R^{\′})}^2+{(\mathrm{\ω}L+{\mathrm{\ωL}}^{\′})}^2}}$

${\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}=arctg\frac{\mathrm{\ω}L+{\mathrm{\ωL}}^{\′}}{R+R^{\′}}$

2)当系统发生三相短路时暂态电流变化为：

$i_a\left(t\right)=I_{m}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})+\[I_{m\left|0\right|}sin(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|})-I_{m}sin(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})\]e^{-\frac{t}{T_a}}$

其中： $I_m=\frac{U_m}{\sqrt{R^2+{\left(\mathrm{\ω}L\right)}^2}},\mathrm{\φ}=arctg\frac{\mathrm{\ω}L}{R},$ Ta＝L/R；

3)对该暂态电流进行罗氏线圈时域微分处理：

$i_a^{\′}\left(t\right)={\mathrm{di}}_a/dt={\mathrm{\ωI}}_{m}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})-\frac{1}{T_a}\[I_{m\left|0\right|}s\mathrm{in}\left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}\right)-I_{m}s\mathrm{in}(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})\]e^{-\frac{t}{T_a}}$

4)对微分连续信号进行离散化处理：

$i_a^{\′}\left(n\right)=i_a^{\′}\left({\mathrm{nT}}_s\right)={\mathrm{\ωI}}_{m}cos({\mathrm{\ωnT}}_s+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})-\frac{1}{T_a}\[I_{m\left|0\right|}\sin \left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{m\left|0\right|}\right)-I_m\sin \left(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}\right)\]e^{-\frac{{\mathrm{nT}}_s}{T_a}}$

其中T_s为离散化的采样间隔时间，T_s为50us；

b.上位机的延时测试模块根据从主控制器接收到的信号，获取暂态过程的起始时刻，采用暂态突变捕捉算法，包括以下步骤：

1)对采集到的标准源小模拟量电压信号、采集器串行信号和以太网9-2信号，均进行突变量的实时判别，突变量的计算为：

Δi＝|[i(t)-i(t-T)]–[i(t-T)-i(t-2T)]|

i为电流瞬时值，t为当前时刻，T为一个工频周波；

2)记录标准源突变时刻t1，经过加Hanning窗的傅氏滤波，获取信号t1时刻的基波相位

$X_R=\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)cos(i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

$X_I=-\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)sin(i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

N为时间窗内的样本总数，X_RX_I分别为的实部和虚部

同时计算系统当前频率f；

3)同样的算法检测出被采集器串行信号和以太网9-2信号的突变时刻t2和t3，并提取此时的基波相位和

4)采集器FT3信号的时间补偿量：最终采集器的暂态传输延时为：Td2＝t2-t1–Δt2；

5)以太网9-2信号的时间补偿量：最终采集器与合并单元总的暂态传输延时为：Td3＝t3-t1–Δt3；

结合数据采集模块接收的GOOSE信号以及开关量硬接点信号的接收时间t4和t5，可得到继电保护系统的整组动作时间T＝t5-t1，数字化继电保护保护装置动作时间为t4-t3，智能终端动作时间为t5-t4。

此外可综合利用测得多项数据进行继电保护系统时间性能分析，并可进行整组动作时间与分级时间的关系分析。

本发明的有益效果为：通过上位机的数据源生成模块建立罗氏线圈在电力系统故障情况下的暂态仿真模型，然后将罗氏线圈暂态仿真信号实时发送至测试主机的数据生成模块，进而通过D/A模块将微分的小模拟量信号发送至电子式互感器的采集器，建立整间隔的动态模拟数据。同时以D/A输出的小电压信号作为标准源，再采集采集器的串行数据信号输出、合并单元的9-2数据输出、数字化继电保护的GOOSE数据输出以及智能终端的开关量输出从而建立一整套测试系统，即可分别测试这些信号相对于暂态标准源的延时以及整体动作延时。

本发明针对智能变电站中基于电子式互感器的数字化继电保护整体动作延时以及与分环节延时之间的关系提出了一种高效可靠的测试方案，旨在提高电子式互感器的暂态性能测试能力，提高能变电站数字化继电保护对于电子式互感器的适应能力，为电网的安全稳定运行提供保障。产生了以下效果：

1、罗氏线圈暂态仿真，罗氏线圈输出为微分信号，而离散时域的微分信号由于受暂态过程的影响无法保证其精度及实时性，所以采用连续时域上微分，再将微分信号离散化，从而避免了离散时域微分信号的精度损失；

2.精确时间测量，采用恒温精振作为整个系统的时钟标准，使得多环节的测量方式具有一个相对精确的时标；

3.适应性提高，因为电子式互感器厂家采集器输出协议基本为私有化协议，而本发明可支持多厂家协议的自适应解析；

4.标准源回采，可保证整个测试系统的测试精度，对标准源进行回采，回避了数据源本身可能存在的精度以及延时问题；

5.理想积分，因为标准源信号是微分信号，所以需要对标准源信号进行理想积分，再用作整个测试系统的标准源；

6.暂态时间精度高，由于有多种信号同时进行时间测试，采用暂态过程捕捉技术，可精确测量故障的起始时刻；

7.多源同步，整系统测试过程采用模拟量作为基准，分别测试高速串行数据、9-2数据、GOOSE数据以及开关量模拟信号的时间，采用FPGA作为数据采集模块，可以实现多数据的精确同步。

附图说明

图1所示为本发明系统结构示意框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步说明。

如图1所示，本发明基于罗氏线圈暂态仿真的继电保护动作延时分级测试系统包括上位机、测试主机，以及依次连接的电子式互感器采集器、合并单元、数字化继电保护装置和智能终端；

上位机包括数据源生成模块和延时测试模块；延时测试模块包括电子式互感器延时测试单元和继电保护延时测试单元；

测试主机包括主控制器、数据生成模块、数据采集模块、D/A模块、A/D模块和采集接口模块；

所述采集接口模块包括输出端分别连接数据采集模块的FT3信号光纤串行接口、9-2信号光纤以太网接口、GOOSE信号光纤以太网接口和开关量采集接口；所述FT3信号光纤串行接口的输入端连接电子式互感器采集器的输出端，9-2信号光纤以太网接口的输入端连接合并单元的输出端，GOOSE信号光纤以太网接口的输入端连接数字化继电保护的输出端，开关量采集接口的输入端连接智能终端的输出端；

上位机中的数据源生成模块生成罗氏线圈暂态过程仿真数据，并输出至测试主机的主控制器中，测试主机中的数据生成模块从主控制器中接收仿真数据，进而生成暂态测试数据，并将生成的暂态测试数据经D/A模块转换后输出至电子式互感器采集器中，同时作为标准源输出至A/D模块中；A/D模块的输出端连接数据采集模块；

数据采集模块通过采集接口模块采集FT3信号、9-2信号、GOOSE信号以及开关量信号，然后提取上述信号中的数据，并通过主控制器输出至上位机的延时测试模块；

根据接收到的数据，延时测试模块中的电子式互感器延时测试单元测试电子式互感器采集器的延时特性，继电保护延时测试单元测试合并单元延时、数字化继电保护装置动作时间、智能终端动作时间，以及继电保护整体动作延时。

测试主机中的主控制器负责与上位机连接，并将接收到的暂态数据源发送至数据生成模块，数据生成模块将数字量发送给D/A模块生成测试用小模拟量信号。数据采集模块分别采集标准源小模拟量电压信号、采集器的光纤串行信号、以太网9-2信号、GOOSE信号以及开关量硬接点信号，并分别打上精确的时标。数据采集模块采集上述标准源、采集器、合并单元、数字化继电保护以及智能终端的多源信号，并完成同步计算，将同步好的数据后送至上位机的电子式互感器及数字化继电保护延时测试模块，进而实现测试。

实施例

图1所示的实施例中，上位机软件采用VC++可视化编程，分别搭建罗氏线圈暂态过程数据源生成模块以及电子式互感器及数字化继电保护延时测试模块，两个模块完全独立。数据源生成模块的输出为罗氏线圈的微分信号。

测试主机中还包括晶体振荡器，晶体振荡器的时钟信号输出端分别连接主控制器、数据采集模块和数据生成模块。晶体振荡器选用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化。此高精度晶振为PowerPC和FPGA提供时钟节拍，保证了时序控制的精确性，以及长期的稳定性。

测试主机的主控制器采用型号为MPC8247的嵌入式微处理器。主控制器以PowerPC为核心，MPC8247嵌入式微处理器为Freescale公司生产，属于PowerQUICCII系列，包含一个基于PowerPCMPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。其双核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了系统的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。高频数据的发生，以及测试数据的收集均由主控制器来完成。

数据生成模块及数据采集模块分别采用FPGA芯片。FPGA采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。利用FPGA精确的时序控制能力，可完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收，DAC的控制，A/D数据采集，同时完成高速串行数据接收以及开关量接收。

D/A模块采用型号为AD5683R的数模转换器，其为ADI公司生产的16位单通道转换器，相对精度为±2LSBINL，内置2ppm/℃2.5V基准电压源；采用节省空间的2mm×2mm8引脚LFCSP和10引脚MSOP封装，可在更小的电路板空间中实现更多的功能；2mV总非调整误差，无需初始校准或调整；4kVHBMESD额定值，实现了系统稳健性。

A/D模块采用AD公司18位AD7690芯片，该芯片为1.5LSBINL、400kSPS差分ADC，其差分输入特性具有更强的抗干扰性能。

光纤以太网接口采用Intel公司的LXT971光纤以太网控制器。LXT971是单端口10/100M双速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT,100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质，选用AgilentAFBR5803作为光纤网络收发器。高速串行接收采用AgilentAFBR2416作为光纤网络收发器，具有高速传输的可靠性。

本发明还公开基于上述测试系统的测试方法，其中：

a.上位机的数据源生成模块采用暂态过程的连续时域微分技术实现罗氏线圈信号的无损微分输出，包括以下步骤：

1)确定系统正常运行时电流：i_a(t)＝I_m|0|sin(ωt+α-φ_|0|)

其中： $I_{m\left|0\right|}=\frac{U_m}{\sqrt{{(R+R^{\′})}^2+{(\mathrm{\ω}L+{\mathrm{\ωL}}^{\′})}^2}}$

${\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}=arctg\frac{\mathrm{\ω}L+{\mathrm{\ωL}}^{\′}}{R+R^{\′}}$

2)当系统发生三相短路时暂态电流变化为：

$i_a\left(t\right)=I_{m}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})+\[I_{m\left|0\right|}s\mathrm{in}\left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}\right)-I_{m}s\mathrm{in}(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})\]e^{-\frac{t}{T_a}}$

其中： $I_m=\frac{U_m}{\sqrt{R^2+{\left(\mathrm{\ω}L\right)}^2}},\mathrm{\φ}=arctg\frac{\mathrm{\ω}L}{R},$ Ta＝L/R；

3)对该暂态电流进行罗氏线圈时域微分处理：

$i_a^{\′}\left(t\right)={\mathrm{di}}_a/dt={\mathrm{\ωI}}_{m}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})-\frac{1}{T_a}\[I_{m\left|0\right|}s\mathrm{in}\left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}\right)-I_{m}s\mathrm{in}(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})\]e^{-\frac{t}{T_a}}$

4)对微分连续信号进行离散化处理：

$i_a^{\′}\left(n\right)=i_a^{\′}\left({\mathrm{nT}}_s\right)={\mathrm{\ωI}}_{m}cos({\mathrm{\ωnT}}_s+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})-\frac{1}{T_a}\[I_{m\left|0\right|}\sin \left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{m\left|0\right|}\right)-I_m\sin \left(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}\right)\]e^{-\frac{{\mathrm{nT}}_s}{T_a}}$

其中T_s为离散化的采样间隔时间，T_s为50us；

b.上位机的电子式互感器及数字化继电保护延时测试模块根据从主控制器接收到的信号，获取暂态过程的起始时刻，采用暂态突变捕捉算法，包括以下步骤：

1)对采集到的标准源小模拟量电压信号、采集器串行信号和以太网9-2信号，均进行突变量的实时判别，突变量的计算为：

Δi＝|[i(t)-i(t-T)]–[i(t-T)-i(t-2T)]|

i为电流瞬时值，t为当前时刻，T为一个工频周波。

2)记录标准源突变时刻t1，经过加Hanning窗的傅氏滤波，获取信号t1时刻的基波相位

$X_R=\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)cos(i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

$X_I=-\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)sin(i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

N为时间窗内的样本总数。X_RX_I分别为的实部和虚部

同时计算系统当前频率f。

3)同样的算法检测出被采集器串行信号和以太网9-2信号的突变时刻t2和t3，并提取此时的基波相位和

4)采集器FT3信号的时间补偿量：最终采集器的暂态传输延时为：Td2＝t2-t1–Δt2；

5)以太网9-2信号的时间补偿量：最终采集器与合并单元总的暂态传输延时为：Td3＝t3-t1–Δt3。

结合数据采集模块接收的GOOSE信号以及开关量硬接点信号的时间t4和t5，可得到继电保护系统的整组动作时间T＝t5-t1，数字化继电保护保护装置动作时间为t4-t3，智能终端动作时间为t5-t4。

此外可综合利用测得多项数据进行继电保护系统时间性能分析，并可进行整组动作时间与分级时间的关系分析。

本发明通过上位机的数据源生成模块建立罗氏线圈在电力系统故障情况下的暂态仿真模型，然后将罗氏线圈暂态仿真信号实时发送至测试主机的数据生成模块，进而通过D/A模块将微分的小模拟量信号发送至电子式互感器的采集器，建立整间隔的动态模拟数据。同时以D/A输出的小电压信号作为标准源，再采集采集器的串行数据信号输出、合并单元的9-2数据输出、数字化继电保护的GOOSE数据输出以及智能终端的开关量输出从而建立一整套测试系统，即可分别测试这些信号相对于暂态标准源的延时以及整体动作延时。

Claims (8)

1.一种继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，

包括上位机、测试主机，以及依次连接的电子式互感器采集器、合并单元、数字化继电保护装置和智能终端；

上位机包括数据源生成模块和延时测试模块；延时测试模块包括电子式互感器延时测试单元和继电保护延时测试单元；

测试主机包括主控制器、数据生成模块、数据采集模块、D/A模块、A/D模块和采集接口模块；

所述采集接口模块包括输出端分别连接数据采集模块的FT3信号光纤串行接口、9-2信号光纤以太网接口、GOOSE信号光纤以太网接口和开关量采集接口；所述FT3信号光纤串行接口的输入端连接电子式互感器采集器的输出端，9-2信号光纤以太网接口的输入端连接合并单元的输出端，GOOSE信号光纤以太网接口的输入端连接数字化继电保护的输出端，开关量采集接口的输入端连接智能终端的输出端；

上位机中的数据源生成模块生成罗氏线圈暂态过程仿真数据，并输出至测试主机的主控制器中，测试主机中的数据生成模块从主控制器中接收仿真数据，进而生成暂态测试数据，并将生成的暂态测试数据经D/A模块转换后输出至电子式互感器采集器中，同时作为标准源输出至A/D模块中；A/D模块的输出端连接数据采集模块；

数据采集模块通过采集接口模块采集FT3信号、9-2信号、GOOSE信号以及开关量信号，然后提取上述信号中的数据，并通过主控制器输出至上位机的延时测试模块；

根据接收到的数据，延时测试模块中的电子式互感器延时测试单元测试电子式互感器采集器的延时特性，继电保护延时测试单元测试合并单元延时、数字化继电保护装置动作时间、智能终端动作时间，以及继电保护整体动作延时。

2.根据权利要求1所述的继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，测试主机中还包括晶体振荡器，晶体振荡器的时钟信号输出端分别连接主控制器、数据采集模块和数据生成模块。

3.根据权利要求2所述的继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，所述晶体振荡器采用OCXO50恒温晶振。

4.根据权利要求1或2所述的继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，所述测试主机的主控制器采用型号为MPC8247的嵌入式微处理器。

5.根据权利要求1或2所述的继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，所述数据生成模块及数据采集模块分别采用FPGA芯片。

6.根据权利要求1或2所述的继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，所述D/A模块采用型号为AD5683R的数模转换器芯片。

7.根据权利要求1或2所述的继电保护动作延时分级测试系统，其特征是，所述A/D模块采用型号为AD7690的模数转换器芯片。

8.基于权利要求1至7所述的继电保护动作延时分级测试系统的测试方法，其特征是，

a.上位机的数据源生成模块采用暂态过程的连续时域微分技术实现罗氏线圈信号的无损微分输出，包括以下步骤：

1)确定系统正常运行时电流：i_a(t)＝I_m|0|sin(ωt+α-φ_|0|)

其中： $I_{m\left|0\right|}=\frac{U_m}{\sqrt{{(R+R^{\′})}^2+{(\mathrm{\ω}L+{\mathrm{\ωL}}^{\′})}^2}}$

${\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}=arctg\frac{\mathrm{\ω}L+{\mathrm{\ωL}}^{\′}}{R+R^{\′}}$

2)当系统发生三相短路时暂态电流变化为：

$i_a\left(t\right)=I_{m}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})+\[I_{m\left|0\right|}sin(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|})-I_{m}sin(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})\]e^{-\frac{t}{T_a}}$

其中： $I_m=\frac{U_m}{\sqrt{R^2+{\left(\mathrm{\ω}L\right)}^2}},$ $\mathrm{\φ}=arctg\frac{\mathrm{\ω}L}{R},$ Ta＝L/R；

3)对该暂态电流进行罗氏线圈时域微分处理：

$i_a^{\′}\left(t\right)={\mathrm{di}}_a/dt={\mathrm{\ωI}}_{m}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})-\frac{1}{T_a}\[I_{m\left|0\right|}sin\left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{\left|0\right|}\right)-I_{m}sin\left(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}\right)\]e^{-\frac{t}{T_a}}$

4)对微分连续信号进行离散化处理：

$i_a^{\′}\left(n\right)=i_a^{\′}\left({\mathrm{nT}}_s\right)={\mathrm{\ωI}}_{m}cos({\mathrm{\ωnT}}_s+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})-\frac{1}{T_a}\[I_{m\left|0\right|}\sin \left(\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}_{m\left|0\right|}\right)-I_m\sin \left(\mathrm{\α}-\mathrm{\φ}\right)\]e^{-\frac{{\mathrm{nT}}_s}{T_a}}$

其中T_s为离散化的采样间隔时间，T_s为50us；

b.上位机的延时测试模块根据从主控制器接收到的信号，获取暂态过程的起始时刻，采用暂态突变捕捉算法，包括以下步骤：

1)对采集到的标准源小模拟量电压信号、采集器串行信号和以太网9-2信号，均进行突变量的实时判别，突变量的计算为：

Δi＝|[i(t)-i(t-T)]–[i(t-T)-i(t-2T)]|

i为电流瞬时值，t为当前时刻，T为一个工频周波；

2)记录标准源突变时刻t1，经过加Hanning窗的傅氏滤波，获取信号t1时刻的基波相位

$X_R=\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)cos(i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

$X_I=-\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)sin(i\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

N为时间窗内的样本总数，X_RX_I分别为的实部和虚部

同时计算系统当前频率f；

3)同样的算法检测出被采集器串行信号和以太网9-2信号的突变时刻t2和t3，并提取此时的基波相位和

4)采集器FT3信号的时间补偿量：最终采集器的暂态传输延时为：Td2＝t2-t1–Δt2；

5)以太网9-2信号的时间补偿量：最终采集器与合并单元总的暂态传输延时为：Td3＝t3-t1–Δt3；

结合数据采集模块接收的GOOSE信号以及开关量硬接点信号的接收时间t4和t5，可得到继电保护系统的整组动作时间T＝t5-t1，数字化继电保护保护装置动作时间为t4-t3，智能终端动作时间为t5-t4。