CN105866682A - 一种网源协调性能测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种网源协调性能测试方法及系统，包括由嵌入式工控机及其外设组成的上层平台（1）、高速数字信号处理器及其外设组成的中间平台（2）、功率放大器及其保护电路组成的底层平台（3）。所述上层平台采用高性能嵌入式工控机作为控制微机，外设包括主机（4）和从机（5）；通过PCI接口与中间层控制板进行通信，通过主机与从机进行无线通信。所述中间平台以高速数字信号处理器DSP56F807为核心，具有多个I/O口和多种外围设备。所述底层平台以大功率高保真模块式功率器件作功率输出级；底层平台设计了电压功放电路和电流功放电路。本发明测试方法利用机组停机或检修机会可验证网源协调性能，在无需测试人员干预的前提下，能够15分钟全部测试完毕。

Description

一种网源协调性能测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种网源协调性能测试方法及系统，属电网测试技术领域。

背景技术

国内外发生的多次大停电事故显示,机组涉网保护和限制与电网之间的协调配合是保证系统安全稳定运行的关键因素之一。源网不协调,可能会诱发事故,甚至会造成事故扩大化的严重后果。

2012年国家电网公司开展了并网机组网源协调专项核查工作，针对某省200MW及以上火电机组的涉网参数进行了核查。通过核查，发现发电机组励磁系统转子过励限制功能与发电机转子过负荷保护、励磁系统低励限制与发电机失磁保护、励磁系统V/f限制与发电机过励磁保护之间的配合不满足相关国家标准和行业标准的要求，具体表现在发电机保护先于励磁系统限制动作。这些问题不仅直接危及发电机组的安全运行，也威胁到电网的安全稳定运行。

针对发现的问题，各发电企业陆续开展了网源协调重要参数重新整定工作，对励磁系统过励限制、低励限制、V/f限制功能实现程序进行了升级。但相当一部分发电企业完成软件升级工作后未进行实测试验，这是因为实测试验存在着一定的风险性，发电企业不敢贸然在机组运行情况下开展实测工作。这样就无法验证参数重新整定后，机组保护功能和励磁限制功能到底能不能合理协调配合的问题，机组运行仍然存在着安全隐患。

目前现有的技术中，有部分发电企业利用机组停机检修机会，利用继电保护测试仪加模拟量的方法来验证网源协调性能。但这种做法有个缺陷，以过励限制实测试验为例，继保测试仪在收到励磁系统过励限制报警后不能自动把加入的励磁电流模拟量降低，还是持续加入原来的量，这样就必须通过人工来控制，而导致试验存在很大误差，试验结果也就没什么意义了，更谈不上和发电机保护配合性能的验证了。

发明内容

本发明的目的是，针对现有验证网源协调性能方面存在的问题，本发明提出一种网源协调性能测试方法及系统，利用机组停机或检修机会来验证网源协调性能。

实现本发明的技术方案，一种网源协调性能测试系统，包括由嵌入式工控机及其外设组成的上层平台、高速数字信号处理器及其外设组成的中间平台、功率放大器及其保护电路组成的底层平台。

所述上层平台采用高性能嵌入式工控机作为控制微机，外设包括主机（802.11b无线网关）和从机（802.11b终端设备）；工控机直接运行Windows操作系统；通过PCI接口与中间层控制板进行通信，通过主机与从机进行无线通信。

所述主机和从机是两套相同的测试系统。在进行网源协调性能测试时，其中一台设备放置于励磁调节器旁，另一台相同的设备放置于发电机继电保护屏旁。两台设备其中一台可设置为主机，另一台则设置为从机。

所述中间平台以高速数字信号处理器DSP56F807为核心，所述处理器具有丰富的I/O口和多种外围设备，同时具有60K×16位的程序FLASH存储器、2K×16位的程序RAM存储器、8K×16位的数据FLASH存储器、4K×16位的数据RAM存储器；集成了FPGA 先进技术，具备强大的信号处理能力；能够实现全实时信号发生、回采和录波，真正闭环运行。

所述测试系统中间层采用高精度D/A转换器，保证了全范围内电流、电压的精度和线性度。由于拟合点数密度高，波形保真度高，谐波分量小，对低通滤波器的要求很低，从而具有很好的暂态特性、相频特性、幅频特性，易于实现精确移相、谐波叠加，高频率时亦可保证很高精度。

根据所述测试系统的性能要求，选用AD669作为最终选用的数模转换器件。由于D/A转换器输出的信号是离散点构成，并且考虑到AD669输出与后续的功放大信号的影响，在AD669输出端口需要加隔离将高压信号隔离开，隔离放大器后加滤波器在将 AD669输出的信号高频部分滤除，从而得到更加平滑的模拟信号。无损隔离放大器ISO124P最大非线性度为0.010％，信噪比为160dB，双极性输出，其优越性能可满足本测试系统要求；而通用UAF42可灵活配置为低通、带通、高通滤波器，故而选用之。具体框图如图2所示。

所述测试系统，由D/A转换器输出的模拟信号经过隔离放大器和低通滤波器后，须经过功率放大后才能得到大电压和大电流，才能驱动负载。

所述底层平台包括功放电路、模拟量输出电路、各通道控制继电器、开出电路和开入电路。由中间平台隔离放大低通滤波电路送来的低通信号经模拟量输出电路送功放电路；功放电路与各通道控制继电器互联；开出电路连接各通道控制继电器；开入电路连接中间平台的隔离放大低通滤波电路。

所述底层平台采用进口大功率高保真模块式功率器件作功率输出级，结合合理设计的散热结构，具有足够大的功率冗余和热容量。功放电路具有完备的过热、过流、过压及短路保护。当电流回路出现过流，电压回路出现过载或短路时，自动限制输出功率，关断整个功放电路，并给出告警信号显示。为防止大电流下长期工作引起功放电路过热，装置设置了大电流下软件限时。10A及以下输出时装置可长期工作，当电流超过10A时，软件限时启动，限时时间到，软件自动关闭功率输出并给出告警指示。输出电流越大，时限越短。

所述底层平台的功放电路包括电压功放电路和电流功放电路。

电压功放电路包括恒流差分前级输入电路、中间放大电路、输出级前级驱动电路和后级输出放大电路。D/A转换器输出的模拟信号经过恒流差分前级输入电路、中间放大级电路，再通过输出级前级驱动电路，由后级输出放大后的电压。电压功放电路的相电压交流输出0～120V（有效值），直流输出0～±160V（有效值），输出最大容量为140VA，电源采用±180V 双电源供电；其中电压功率放大器采用晶体管－场效应功率管。

电流功放电路包括输入电路、中间电压放大电路、电流功率输出电路和加法器负反馈电路。D/A转换器输出的模拟信号由输入电路经过中间电压放大电路、电流功率输出电路，输出放大后的电流。电流功率输出经过加法器负反馈电路给输入端形成闭环控制。电流功放电路的功率放大器电流输出指标为交流0～40A/每相（有效值），最大输出容量 420VA；三相并联 0～120A，容量 900VA。直流0～±10A/每相，最大输出电压 20V，供电电源电压±30V。整个电流源功率放大器采用晶体管－场效应功率管制作而成。

所述上层平台通过工控机外设802.11b无线网关的PCI接口连接所述中间平台的高速数字信号处理器；所述中间平台通过高速数字信号处理器的隔离放大低通滤波电路分别连接底层平台的模拟量输出电路、开出电路和开入电路；并通过模拟量输出电路连接功放电路；所述工控机外设802.11b无线网关通过无线通信连接802.11b终端设备。

本发明系统的通信原理，本发明测试系统工业控制网络的物理层与数据链路层采用IEEE802标准，可与以太网设备互联，接入模式为点对点接入。点对点接入方式就是每个802.11b无线终端设备可在无线网络覆盖范围内移动，建立无线终端设备到无线终端设备的点对点的连接，802.11b终端设备与工控网络通信时，802.11b无线网关按照802.11b协议接收802.11b终端设备的数据包并按IEEE802.3协议进行封装后，转发到工业控制网络；工控网络与现场设备通信时，802.11b无线网关将工控网络传来的数据包按802.11b协议进行封装后，发送到802.11b终端设备。

本发明一种网源协调性能测试方法步骤如下：

（1）设置好试验类型和试验参数；在测试系统中设置标准的测试单元库，如过励、低励、U/f限制、转子过负荷保护、失磁保护、过励磁保护、过励与转子过负荷保护配合、低励与失磁保护配合、U/f限制与过励磁保护配合等测试项目，可以根据测试项目来自动生成测试单元；

（2）在励磁调节器和发变组保护装置前各准备一台测试系统，两台测试系统一台设置为主机，另一台则为从机，两台测试系统之间通过无线网络进行通讯，对两台系统进行通信调试，设置好试验参数后准备就绪。。

（3）对从机点击“试验开始确认”按钮，但从机此时还不会加量，要等到主机“试验开始确认”反馈后再进行试验。对主机点击“试验开始确认”按钮，此确认信息将通过无线通信反馈给从机，从机收到后给予肯定回复于主机，主机便和从机几乎同时（时间相差不超过10μs）开始加量，试验按照预定程序进行。

（4）如果励磁系统过励限制和发电机转子过负荷保护能够协调配合，那么当励磁系统过励限制时间到，将会发一个过励限制开出量给主机测试系统接收，从机测试系统与主机测试系统数据共享，几乎是同时两台测试系统自动把转子电流减小至额定状态，发电机转子过负荷保护也就不能再动作了，这就验证了两者之间的网源协调性能能够协调配合，测试系统自动保存试验结果。

本发明的有益效果是，本发明测试方法设计开发新的测试系统，利用机组停机或检修机会来验证网源协调性能。该系统通过设置测试参数可在励磁系统或继电保护报警的时候自动降低或停止所加模拟量，最大限度的模拟现场实际运行情况，使得出的结果更真实可信。由于整个过程完全由测试软件控制，很少人工干预，所以同时也大大减少了测试工作量；测试结果能以报告的形式自动储存在系统中。根据现场的测试效果显示，以往一台机组网源协调性能测试，从找定值、看说明书，接线、配置测试参数等，熟练测试人员要测试一个小时以上，而且结果还存在误差，且不能模拟真实实际系统。本方法在无需测试人员干预的前提下，能够15分钟全部测试完毕。

附图说明

图1为本发明网源协调性能测试系统基本结构框图；

图2为D/A转换器结构框图；

图3为电压功放原理框图；

图4为电流功放原理框图；

图5为无线电通信系统测试图；

图中，1是上层――基于嵌入式的工控机；2是中间层――DSP核心通信控制板；3是底层――功放电路；4是主机（802.11b无线网关）；5是从机（802.11b终端设备）。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1所示。

本实施例一种网源协调性能测试系统，包括由嵌入式工控机及其外设组成的上层平台1、高速数字信号处理器及其外设组成的中间平台2、功率放大器及其保护电路组成的底层平台3。

所述上层平台1采用高性能嵌入式工控机作为控制微机，外设包括主机4（802.11b无线网关）和从机5（802.11b终端设备）；工控机直接运行Windows操作系统；通过PCI接口与中间层控制板进行通信，通过主机与从机进行无线通信；无线通信系统如图5所示。

所述主机4和从机5是两套相同的测试系统。在进行网源协调性能测试时，其中一台设备放置于励磁调节器旁，另一台相同的设备放置于发电机继电保护屏旁。两台设备其中一台可设置为主机，另一台则设置为从机。

所述中间平台以高速数字信号处理器DSP56F807为核心，所述处理器具有丰富的I/O口和多种外围设备，同时具有60K×16位的程序FLASH存储器、2K×16位的程序RAM存储器、8K×16位的数据FLASH存储器、4K×16位的数据RAM存储器；集成了FPGA 先进技术，具备强大的信号处理能力；能够实现全实时信号发生、回采和录波，真正闭环运行。

所述测试系统中间层采用高精度D/A转换器，保证了全范围内电流、电压的精度和线性度。由于拟合点数密度高，波形保真度高，谐波分量小，对低通滤波器的要求很低，从而具有很好的暂态特性、相频特性、幅频特性，易于实现精确移相、谐波叠加，高频率时亦可保证很高精度。

根据所述测试系统的性能要求，选用AD669作为最终选用的数模转换器件。由于D/A转换器输出的信号是离散点构成，并且考虑到AD669输出与后续的功放大信号的影响，在AD669输出端口需要加隔离将高压信号隔离开，隔离放大器后加滤波器在将 AD669输出的信号高频部分滤除，从而得到更加平滑的模拟信号。无损隔离放大器ISO124P最大非线性度为0.010％，信噪比为160dB，双极性输出，其优越性能可满足本测试系统要求；而通用UAF42可灵活配置为低通、带通、高通滤波器，故而选用之。具体框图如图2所示。

所述测试系统，由D/A转换器输出的模拟信号经过隔离放大器和低通滤波器后，须经过功率放大后才能得到大电压和大电流，才能驱动负载。

所述底层平台包括功放电路、模拟量输出电路、各通道控制继电器、开出电路和开入电路。由中间平台隔离放大低通滤波电路送来的低通信号经模拟量输出电路送功放电路；功放电路与各通道控制继电器互联；开出电路连接各通道控制继电器；开入电路连接中间平台的隔离放大低通滤波电路。

所述底层平台采用进口大功率高保真模块式功率器件作功率输出级，结合合理设计的散热结构，具有足够大的功率冗余和热容量。功放电路具有完备的过热、过流、过压及短路保护。当电流回路出现过流，电压回路出现过载或短路时，自动限制输出功率，关断整个功放电路，并给出告警信号显示。为防止大电流下长期工作引起功放电路过热，装置设置了大电流下软件限时。10A及以下输出时装置可长期工作，当电流超过10A时，软件限时启动，限时时间到，软件自动关闭功率输出并给出告警指示。输出电流越大，时限越短。

所述测试系统的底层平台功放电路包括电压功放电路和电流功放电路：

a）电压功放电路设计：

电压功放电路包括恒流差分前级输入、中间放大级、输出级前级驱动、限流保护和后级输出放大；输入信号进入恒流差分前级输入，再经中间放大级到输出级前级驱动，输出级前级驱动再到后级输出放大的输入端，后级输出放大输出信号经限流电阻回到后级输出放大的输入端；后级输出放大的输出端即电压功放输出。电压功放原理框图如图3所示。

所述电压功放电路的相电压交流输出0～120V（有效值），直流输出0～±160V（有效值），输出最大容量为140VA，电源采用±180V双电源供电。电压功率放大器采用晶体管－场效应功率管制作而成。首先，D/A转换器输出的模拟信号经过恒流差分环节、中间放大级环节，再通过前级驱动，由后级输出放大后的电压。

b）电流功放电路设计：

功率放大器电流输出指标为交流0～40A/每相（有效值），最大输出容量 420VA；三相并联 0～120A，容量 900VA。直流0～±10A/每相，最大输出电压 20V，供电电源电压±30V。整个电流源功率放大器采用晶体管－场效应功率管制作而成。首先，D/A转换器输出的模拟信号经过中间电压放大环节、电流功率输出环节，输出放大后的电流。电流功率输出经过加法器负反馈给输入端形成闭环控制。

电流功放原理框图如图4所示：电流功放电路包括输入级、中间电压放大级、电流功率输出电路、限流保护电路和加法器负反馈电路。输入信号由输入级经过中间电压放大级到电流功率输出电路；电流功率输出电路输出经限流保护回到电流功率输出电路和输入端；电流功率输出经加法器负反馈电路返回到输入级实现负反馈。

所述上层平台通过工控机外设802.11b无线网关的PCI接口连接所述中间平台的高速数字信号处理器；所述中间平台通过高速数字信号处理器的隔离放大低通滤波电路分别连接底层平台的模拟量输出电路、开出电路和开入电路；并通过模拟量输出电路连接功放电路；所述工控机外设802.11b无线网关通过无线通信连接802.11b终端设备。

本实施例一种网源协调性能测试方法步骤如下：

（1）设置好试验类型和试验参数；在测试系统中设置标准的测试单元库，如过励、低励、U/f限制、转子过负荷保护、失磁保护、过励磁保护、过励与转子过负荷保护配合、低励与失磁保护配合、U/f限制与过励磁保护配合等测试项目，可以根据测试项目来自动生成测试单元；

（2）在励磁调节器和发变组保护装置前各准备一台测试系统，两台测试系统一台设置为主机，另一台则为从机，两台测试系统之间通过无线网络进行通讯，对两台系统进行通信调试，设置好试验参数后准备就绪。

（3）对从机点击“试验开始确认”按钮，但从机此时还不会加量，要等到主机“试验开始确认”反馈后再进行试验。对主机点击“试验开始确认”按钮，此确认信息将通过无线通信反馈给从机，从机收到后给予肯定回复于主机，主机便和从机几乎同时（时间相差不超过10μs）开始加量，试验按照预定程序进行。

（4）如果励磁系统过励限制和发电机转子过负荷保护能够协调配合，那么当励磁系统过励限制时间到，将会发一个过励限制开出量给主机测试系统接收，从机测试系统与主机测试系统数据共享，几乎是同时两台测试系统自动把转子电流减小至额定状态，发电机转子过负荷保护也就不能再动作了，这就验证了两者之间的网源协调性能能够协调配合，测试系统自动保存试验结果。

Claims (9)

1.一种网源协调性能测试系统，其特征在于，所述系统包括由嵌入式工控机及其外设组成的上层平台、高速数字信号处理器及其外设组成的中间平台、功率放大器及其保护电路组成的底层平台；

所述上层平台采用高性能嵌入式工控机作为控制微机，外设包括主机和从机；工控机直接运行 Windows操作系统；通过PCI接口与中间层控制板进行通信，通过主机与从机进行无线通信；

所述中间平台以高速数字信号处理器DSP56F807为核心，具有多个I/O口和多种外围设备；

所述底层平台以大功率高保真模块式功率器件作功率输出级；底层平台设计了电压功放电路和电流功放电路；

所述上层平台通过工控机外设主机的PCI接口连接所述中间平台的高速数字信号处理器；所述中间平台通过高速数字信号处理器的隔离放大低通滤波电路分别连接底层平台的模拟量输出电路、开出电路和开入电路；并通过模拟量输出电路连接功放电路；所述工控机外设主机通过无线通信连接从机。

2.根据权利要求1所述一种网源协调性能测试系统，其特征在于，所述主机和从机是两套相同的测试系统；在进行网源协调性能测试时，其中一台设备放置于励磁调节器旁，另一台相同的设备放置于发电机继电保护屏旁；两台设备其中一台可设置为主机，另一台则设置为从机。

3.根据权利要求1所述一种网源协调性能测试系统，其特征在于，所述中间平台采用高精度D/A转换器，选用AD669作为最终选用的数模转换器件；由于D/A转换器输出的信号是离散点构成，并且考虑到AD669输出与后续的功放大信号的影响，在AD669输出端口需要加隔离将高压信号隔离开，隔离放大器后加滤波器在将 AD669输出的信号高频部分滤除，从而得到更加平滑的模拟信号；无损隔离放大器ISO124P最大非线性度为0.010％，信噪比为160dB，双极性输出。

4.根据权利要求1所述一种网源协调性能测试系统，其特征在于，所述电压功放电路包括恒流差分前级输入电路、中间放大电路、输出级前级驱动电路和后级输出放大电路。

5.D/A转换器输出的模拟信号经过恒流差分前级输入电路、中间放大级电路，再通过输出级前级驱动电路，由后级输出放大后的电压。

6.电压功放电路的相电压交流输出0～120V，直流输出0～±160V，输出最大容量为140VA，电源采用±180V 双电源供电；其中电压功率放大器采用晶体管－场效应功率管。

7.根据权利要求1所述一种网源协调性能测试系统，其特征在于，所述电流功放电路包括输入电路、中间电压放大电路、电流功率输出电路和加法器负反馈电路；D/A转换器输出的模拟信号由输入电路经过中间电压放大电路、电流功率输出电路，输出放大后的电流；电流功率输出经过加法器负反馈电路给输入端形成闭环控制；所述电流功放电路的功率放大器电流输出指标为交流0～40A/每相，最大输出容量420VA；三相并联 0～120A，容量900VA。

8.直流0～±10A/每相，最大输出电压 20V，供电电源电压±30V；整个电流源功率放大器采用晶体管－场效应功率管制作而成。

9.一种网源协调性能测试方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

（1）设置好试验类型和试验参数；在测试系统中设置标准的测试单元库，包括过励、低励、U/f限制、转子过负荷保护、失磁保护、过励磁保护、过励与转子过负荷保护配合、低励与失磁保护配合、U/f限制与过励磁保护配合测试项目，根据测试项目自动生成测试单元；

（2）在励磁调节器和发变组保护装置前各准备一台测试系统，两台测试系统一台设置为主机，另一台则为从机；两台测试系统之间通过无线网络进行通讯，对两台系统进行通信调试，设置好试验参数后准备就绪；

（3）对从机点击“试验开始确认”按钮，但从机此时还不会加量，要等到主机“试验开始确认”反馈后再进行试验；对主机点击“试验开始确认”按钮，此确认信息将通过无线通信反馈给从机，从机收到后给予肯定回复于主机，主机便和从机同时开始加量，试验按照预定程序进行；

（4）如果励磁系统过励限制和发电机转子过负荷保护能够协调配合，当励磁系统过励限制时间到，将会发一个过励限制开出量给主机测试系统接收，从机测试系统与主机测试系统数据共享，几乎是同时两台测试系统自动把转子电流减小至额定状态，发电机转子过负荷保护也就不能再动作了，这就验证了两者之间的网源协调性能能够协调配合，测试系统自动保存试验结果。