CN107525978A - 一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试装置，包括DSP主控模块以及与其连接的D/A和功放模块，以太网接口模块，人机接口模块、时钟同步输出模块。其方法包括：连接测试装置和被测合并单元；测试装置根据Q GDW 11015‑2013《模拟量输入式合并单元检测规范》规定的两种典型故障暂态测试波形，建立波形的数学建模公式，并D/A输出对应暂态波形；测试装置接收合并单元输出的采样值，采用标准源法完成合并单元暂态性能的测试，包括最大峰值瞬时误差和非周期分量衰减时间常数误差的测试。本发明仅需要一台装置，即可方便地完成Q GDW 11015‑2013模拟量输入式合并单元暂态测试规范要求，有效的解决了目前合并单元暂态测试方法实际操作上的困难。

Description

一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法和装置，可用于测试合并单元暂态特性。

背景技术

模拟量输入的合并单元作为目前数字化变电站中广泛使用的前端采样设备，是数字化变电站中模拟量到数字量的桥梁。当变电站系统发生故障时，数字继电保护装置根据合并单元输出的暂态数字量报文进行跳闸动作的判定，因此可以说合并单元的暂态输出特性直接影响着保护装置动作的准确性，所以科学有效的测试合并单元暂态特性具有十分重要的意义。

目前合并单元的暂态测试方法主要是依据国网标准Q GDW 11015-2013《模拟量输入式合并单元检测规范》中提供的一种基于录波分析软件的合并单元暂态测试方法，该方法是：

首先将两种典型故障的暂态录波文件在三相交流模拟信号源中进行波形回放，设置合并单元在同步时钟的触发下进行采样，同时使用高精度录波器记录回放的原始模拟量波形；之后用数字录波器记录合并单元实际输出的数字量报文的数据波形；最后再通过波形分析软件分析原始模拟量波形和合并单元实际输出数字量数据波形的误差，从而得出合并单元暂态性能，如图1所示为Q GDW11015-2013中该方法的测试图。

但此种测试方法存在几个实际测试上的困难：

第一，需要的测试设备众多，包括支持波形文件导入的三相交流模拟信号源，高精度模拟录波器，网络记录装置，同步时钟源以及波形误差分析软件等。由于变电站现场情况复杂，过多的测试设备将使现场测试难度加大，进而导致测试进度慢，效率低。

第二，目前市面常见的三相交流模拟信号源并不支持导入comtrade标准的录波文件输出对应模拟量波形，因此该测试方法依赖于专用的三相交流模拟信号源，并不具有普遍性。

第三，该测试方法通过波形分析软件来分析合并单元的暂态特性，但目前尚无有效的波形分析软件来进行暂态分析，所以实际中该合并单元暂态测试方法基本停留在理论层面上，实际测试实行困难。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法和装置，只需一台本发明研制的基于暂态源的合并单元测试装置，并按照本发明所述方法即可方便快捷地完成合并单元的暂态特性测试，可有效解决由于传统测试方法不足而带来的合并单元暂态特性测试困难的问题。

本发明的发明目的可由以下技术方案实现：一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试装置，包括DSP主控模块以及与其连接的D/A和功放模块，以太网接口模块，人机接口模块、时钟同步输出模块；

所述DSP主控模块用于离散量化暂态波形，产生数字量波形数据并通过D/A和功放模块输出,以及接收和解析通过以太网接口模块接收的IEC61850-9-2报文；

所述以太网接口模块用于实现以太网数据链路层功能，完成接收被测合并单元输出的采样值报文，并交付DSP主控模块进行数据处理；

所述人机接口模块用于完成人机交互，通过与DSP主控模块的双向通信，实现参数设置和显示；

所述D/A和功放模块用于将DSP主控模块离散量化的波形数据进行D/A转换并放大输出至被测合并单元；

所述时钟同步模块接收DSP主控模块的脉冲信号，输出光PPS信号供外部被测合并单元同步。

一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法，包括以下步骤：

1)连接测试装置和被测合并单元，并对测试装置进行初始化；

2)DSP主控模块导入其内置的永久性故障-10倍大电流暂态测试波形；

3)DSP主控模块将该测试波形离散量化后、经D/A和功放模块输出对应的暂态故障波形；测试装置接收合并单元采集暂态故障波形后输出的采样数据，并分析理论波形与合并单元采样数据的最大峰值瞬时误差；如果该误差满足GB/T 20840中规定的不大于10％的要求，则进行下一步；否则，被测合并单元暂态性能的最大峰值瞬时误差不合格；

4)DSP主控模块导入其内置的永久性故障-20倍大电流暂态测试波形，重复步骤3)后，进行步骤5)；

5)DSP主控模块导入其内置的非周期衰减时间常数误差暂态测试波形，离散量化后经D/A和功放模块输出对应的暂态波形；

6)测试装置接收合并单元采集暂态波形后输出的采样值数据，根据Q GDW11015测试规范中的误差公式计算出合并单元对应的时间常数，将输出暂态波形时给定的时间常数与合并单元采样值对应的时间常数作差后求百分比得到非周期衰减时间常数误差；如果该误差满足DL/T 663-1999中规定的小于10％的要求，则被测合并单元暂态性能满足要求；否则被测合并单元暂态性能的非周期衰减时间常数误差不合格。

所述连接测试装置和被检测合并单元并对测试装置进行初始化包括：测试装置的模拟量信号线、同步时钟信号线、数字量信号线与被监测合并单元相应信号线的连接；对测试装置进行参数设置，包括同步方式、类型、报文协议。

所述分析理论波形与合并单元采样数据的最大峰值瞬时误差包括以下步骤：

对比合并单元输出的不同采样时刻下的幅值和对应时刻测试装置内部D/A和功放模块输入数字量的幅值大小，得出的最大误差值即为最大瞬时误差；

将最大瞬时误差代入暂态最大峰值瞬时误差计算公式得到最大峰值瞬时误差。

所述根据Q GDW 11015测试规范中的误差公式计算出合并单元对应的时间常数包括以下步骤：

对合并单元输出的采样值数据进行波峰查找，将查到的第五周波的波峰值代入暂态非周期分量衰减时间误差计算公式，得到合并单元输出采样值对应的时间常数

有益效果及优点：

1.本发明研制了一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试装置，本装置采用标准源法对合并单元进行暂态测试，可模拟输出任意暂态波形，并可根据采样输出的IEC61850-9-2数字报文信号分析出采样的数字量和原始模拟标准暂态波形之间的各种误差。

2.本发明还提出了一种基于所述装置的合并单元暂态性能测试方法，按照所述测试方法仅需要一台所述装置，即可方便地完成Q GDW 11015-2013《模拟量输入式合并单元检测规范》规定的合并单元的暂态测试要求，有效的解决了实际合并单元暂态测试操作上的困难。

附图说明

图1为目前暂态性能测试图。

图2为本发明装置的结构框图。

图3为本发明测试方法连接图。

图4为本发明方法的流程图。

图5为Q GDW 11015-2013规范中的最大峰值瞬时误差测试波形：永久性故障-10/-20倍大电流。

图6为Q GDW 11015-2013规范中的非周期分量衰减时间常数误差测试波形：周期分量叠加指数衰减的分周期分量波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图3所示，一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试装置，可配置D/A输出国网标准Q GDW 11015-2013《模拟量输入式合并单元检测规范》7.6暂态性能测试章节要求的2种典型的故障暂态波形，并在输出对应波形的同一时刻由硬件产生同步脉冲供合并单元同步。合并单元在同步脉冲触发下，采样测试装置输出的两种不同的暂态波形，并将采样后的IEC61850-9-2数字量报文回馈给测试装置，测试装置分析原始的模拟量波形和合并单元采样后的数字量数据，可分别计算出合并单元对应的最大峰值瞬时误差和非周期分量衰减时间常数误差，满足测试规范相应暂态测试要求，不需要依赖各种录波设备以及波形分析软件，极大的降低了暂态测试的难度。

如图4所示，一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法。

测试最大峰值瞬时误差；变电站系统发生短路故障时，将产生额定电路-10/-20倍的暂态大电流，数字继电保护装置需要根据合并单元暂态时输出的数字量进行保护跳闸动作，因此检测合并单元在该暂态下工作性能十分必要。QGDW 11015-2013中规定的最大峰值瞬时误差的故障测试波形如图5所示，暂态测试波形由四段波形组成，根据GB/T 20840.8第3.3.9节说明，测试波形为双次通电t₀-t'-t_fr-t”：t₀是稳态的一个工频周波时间，为20ms，t'是暂态第一次通电时间，为40ms，t_fr是无电流时间，为960ms，t″为暂态第二次通电时间，为40ms，测试波形的电流直流分量衰减时间常数为100ms。通过对暂态模拟量四段波形的数学建模，得到模拟量波形对应的函数公式：

I_psc—暂态的额定一次短路电流，测试装置支持的范围为0-60A；f—基波频率，测试装置支持的频率范围为0-5kHz；θ—相位，取值0-2π；τ—时间常数，测试装置支持的范围为0-5000ms；t—时间，表示暂态波形的持续输出时间，由于暂态波形电流极大，因此测试装置支持的持续时间范围为0-5s.

测试装置内置有默认参数的永久性故障-10倍大电流和永久性故障-20倍大电流暂态波形存储于DSP主控模块内，用户在测试最大峰值瞬时误差时只需在DSP主控模块内调出相应暂态波形即可。暂态测试波形采用以下默认的参数：合并单元额定电流I_N＝1A，暂态波形永久性故障-10倍大电流和-20倍大电流I_psc分别取10A和20A；频率f取电网工频50Hz；相位θ取时间常数τ取100ms；根据测试规范上的暂态波形，稳态持续时间t₀取20ms，暂态持续时间t′取40ms，无电流时间t_fr取960ms，暂态持续时间t″取40ms。用户也可根据实际需要更改某些测试参数，一般针对合并单元的暂态测试保持默认参数即可。由默认参数确定的-10倍故障波形的连续时间函数(-20倍故障波形类似，即将20代入I_psc)：

测试装置根据公式(2)确定的波形函数进行离散量化，并D/A输出对应暂态波形。合并单元在同步触发下采样该暂态波形，测试装置接收合并单元输出的IEC61850-9-2报文，由于输出模拟暂态波形本身是通过数学公式量化后由D/A模块和功放模块得到，因此测试装置内部已经有输出暂态波形对应的高精度数字量的值，将合并单元相应采样序号下的采样值与内部对应时刻的数字量值的幅值进行对比，经过简单的作差运算即可得出模拟量输出幅值和合并单元输出的采样值幅值的最大瞬时误差将此值代入Q GDW 11015-2013测试规范中暂态最大峰值瞬时误差计算公式：

可得出最大峰值瞬时误差判断此误差是否满足GB/T 20840.8表20中规定5TPE的准确级，即测试得出最大峰值瞬时误差应不大于标准值的10％(由于采用标准源法进行测试，因此标准值即为测试装置给定的标准值)，即可判定合并单元暂态最大峰值瞬时误差是否满足规范要求。

测试非周期分量衰减时间常数；变电站系统在发生短路故障时，由于系统中感性原件的存在，暂态短路电流将含有周期分量以及按指数衰减的非周期分量，暂态波形如图6所示，故障暂态波形的数学表达式与测试最大峰值瞬时误差的暂态公式一样，表示如下：

测试装置内置有默认参数的非周期分量衰减时间常数暂态测试波形(公式4)，因此测试非周期分量衰减时间常数时，用户只需导入相应的测试波形即可；暂态测试波形采用以下默认的参数：合并单元额定电流I_N＝1A；频率f取电网工频50Hz；相位θ取时间常数τ取100ms；暂态持续时间取1s。用户也可根据实际需要更改某些测试参数，一般针对合并单元的暂态测试保持默认参数即可。由默认参数确定的故障波形的连续时间函数为：

测试装置根据公式(5)确定的波形函数进行离散量化，并D/A输出对应公式的故障暂态波形；被测合并单元在同步信号触发下采样该暂态波形并输出对应的采样值报文给测试装置，测试装置内部对采样值利用现有成熟的波峰查找算法得到第五周波的波峰值I₅，并代入Q GDW 11015-2013《模拟量输入式合并单元检测规范》测试规范中暂态非周期分量衰减时间计算公式：

τ＝0.09/L_n(I_p/(I₅-I_P)) 公式(6)

I₅—故障后第5周波峰值，I_p—故障稳态电流峰值I_N—额定电流，L_n—表示取以e为底的对数。

可得出合并单元暂态的非周期分量衰减时间常数τ，与用户设定输出的暂态波形的τ值进行对比，便得到合并单元的非周期衰减时间常数误差，判断此误差百分比是否满足GB/T 20840.8表20中规定5TPE的准确级，即非周期衰减时间常数误差应不大于给定标准值的10％，即可得出合并单元暂态非周期衰减时间常数误差是否满足规范要求。

如图2所示，一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试装置，包括DSP主控模块，D/A输出模块，以太网接口模块，人机界面模块以及时钟同步输出模块。

所述DSP主控模块，采用双核Blackfin数字信号处理器BF609，完成波形离散量化和D/A输出。将两种典型故障的暂态波形的数学建模函数(公式4)以采样率Fs进行离散处理得：

其中n为离散化数据的序号，取值为自然数。

DSP内部对离散化公式取不同的n值得到暂态波形对应的离散化波形数据，将离散波形数据以D/A精度进行量化并存储在内存中，通过设置内存到D/A模块的DMA，即可在无需CPU干预下，高效完成数字量数据到D/A模块的数据传输，从而实现数字量到模拟量的转化。DSP主控模块还负责接收被测合并单元IEC61850-9-2数字量报文数据以及各模块的控制和误差计算工作。

所述人机接口模块，采用思泰基工控机ST200-SBC，板载1066MHz 2GB DDR3SDRAM，可胜任各种控制工作，集成GMA3650显卡，使人机界面显示更细腻，通过高速以太网口与DSP主控模块进行数据交换。

所述D/A和功放模块，D/A模块完成数字量到模拟量的转化，功放模块完成模拟量的放大工作；离散采样率的大小决定了D/A每秒需要转化的数据点数，因此采样率越高，数据点越多，波形越细腻，但对D/A的数据处理和转化的速率要求越高。本发明采用两片AD5545组成双D/A结构，由于单片AD5545精度为16位，采用双D/A结构后，理论精度可达32位之高。但由于AD5545的D/A时钟最大为50MHz,仅以D/A精度16-Bits计算，每秒可输出波形数据的点数为50MHz/16bit＝3.125M，以工频50Hz计算，每周波可输出波形数据点为3.125M/50＝62500，在16-Bits下波形细度已达1/62500＝0.0016％，精度以1个LSB计算，误差为：

远远小于暂态要求的测试精度10％，因此16-Bits精度已可满足设计要求，双D/A架构可使暂态模拟量波形更趋近与理论值，所以波形数据到D/A输出的模拟量波形误差完全可忽略不计，因此输出的暂态波形可视为标准的暂态源，完全可采用标准源法实现合并单元暂态下采样误差的检测。

所述以太网接口模块，由于DSP主控模块本身自带以太网控制器MAC，因此以太网模块主要由物理芯片PHY构成，以实现数据链路层的功能，本发明采用RMII接口物理芯片DP83848实现以太网的收发工作。

所述时钟同步模块，DSP主控模块在D/A输出模拟量的同时产生一个脉冲，此脉冲与模拟信号源严格同步，由时钟同步模块接收并通过HFBR1414TZ光模块输出，供外部被测装置进行同步工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试装置，其特征在于：包括DSP主控模块以及与其连接的D/A和功放模块，以太网接口模块，人机接口模块、时钟同步输出模块；

所述DSP主控模块用于离散量化暂态波形，产生数字量波形数据并通过D/A和功放模块输出,以及接收和解析通过以太网接口模块接收的IEC61850-9-2报文；

所述以太网接口模块用于实现以太网数据链路层功能，完成接收被测合并单元输出的采样值报文，并交付DSP主控模块进行数据处理；

所述人机接口模块用于完成人机交互，通过与DSP主控模块的双向通信，实现参数设置和显示；

所述D/A和功放模块用于将DSP主控模块离散量化的波形数据进行D/A转换并放大输出至被测合并单元；

所述时钟同步模块接收DSP主控模块的脉冲信号，输出光PPS信号供外部被测合并单元同步。

2.一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)连接测试装置和被测合并单元，并对测试装置进行初始化；

2)DSP主控模块导入其内置的永久性故障-10倍大电流暂态测试波形；

3)DSP主控模块将该测试波形离散量化后、经D/A和功放模块输出对应的暂态故障波形；测试装置接收合并单元采集暂态故障波形后输出的采样数据，并分析理论波形与合并单元采样数据的最大峰值瞬时误差；如果该误差满足GB/T 20840中规定的不大于10％的要求，则进行下一步；否则，被测合并单元暂态性能的最大峰值瞬时误差不合格；

4)DSP主控模块导入其内置的永久性故障-20倍大电流暂态测试波形，重复步骤3)后，进行步骤5)；

5)DSP主控模块导入其内置的非周期衰减时间常数误差暂态测试波形，离散量化后经D/A和功放模块输出对应的暂态波形；

6)测试装置接收合并单元采集暂态波形后输出的采样值数据，根据Q GDW11015测试规范中的误差公式计算出合并单元对应的时间常数，将输出暂态波形时给定的时间常数与合并单元采样值对应的时间常数作差后求百分比得到非周期衰减时间常数误差；如果该误差满足DL/T 663-1999中规定的小于10％的要求，则被测合并单元暂态性能满足要求；否则被测合并单元暂态性能的非周期衰减时间常数误差不合格。

3.根据权利要求2所述的一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法，其特征在于所述连接测试装置和被检测合并单元并对测试装置进行初始化包括：测试装置的模拟量信号线、同步时钟信号线、数字量信号线与被监测合并单元相应信号线的连接；对测试装置进行参数设置，包括同步方式、类型、报文协议。

4.根据权利要求2所述的一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法，其特征在于所述分析理论波形与合并单元采样数据的最大峰值瞬时误差包括以下步骤：

对比合并单元输出的不同采样时刻下的幅值和对应时刻测试装置内部D/A和功放模块输入数字量的幅值大小，得出的最大误差值即为最大瞬时误差；

将最大瞬时误差代入暂态最大峰值瞬时误差计算公式得到最大峰值瞬时误差。

5.根据权利要求2所述的一种基于暂态源的合并单元暂态电流测试方法，其特征在于所述根据Q GDW 11015测试规范中的误差公式计算出合并单元对应的时间常数包括以下步骤：

对合并单元输出的采样值数据进行波峰查找，将查到的第五周波的波峰值代入暂态非周期分量衰减时间误差计算公式，得到合并单元输出采样值对应的时间常数。