CN110596485A - 一种数模一体化测试仪及其数模同步输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数模一体化测试仪及其数模同步输出方法，数模一体化测试仪包括FPGA、CPU最小系统、第一DAC、恒温晶振、GPS/BD模块、光网口、第二DAC、功率放大器以及波形回采模块，FPGA与CPU最小系统连接，FPGA通过第一DAC与恒温晶振连接，FPGA通过第二DAC与功率放大器连接，功率放大器输出模拟量，功率放大器通过波形回采模块与FPGA连接，FPGA通过光网口输出数字量，FPGA与GPS/BD模块连接，GPS/BD模块接收卫星源信号；本发明的优点在于：实现数字量信号和模拟量信号的同步输出。

Description

一种数模一体化测试仪及其数模同步输出方法

技术领域

本发明涉及继电保护检测技术领域，更具体涉及一种数模一体化测试仪及其数模同步输出方法。

背景技术

智能变电站是坚强智能电网的重要支撑节点，高可靠性的设备是变电站安全、可靠运行的坚强基础，综合分析、自动协同控制是变电站智能化的关键，设备信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、检修状态化、运维高效化是变电站智能化的发展方向。

相比传统变电站，智能变电站内二次回路由原来的二次电缆变为了二次虚回路，物理回路得到简化，但复杂性没有降低。对于单个间隔，除了原本的保护装置之外，二次设备增加了间隔智能终端与间隔合并单元设备，同时间隔合并单元还需要从母线合并单元以及间隔智能终端获取数据。一个典型的线路间隔如图1所示。对于智能变电站的继电保护测试，现有技术大多采用继电保护测试仪。继电保护检测仪(Relay Tester)是继电保护通用测试装置，主要用于各电压等级的电磁型，集成电路型及微机型各类保护继电器及保护系统的测试和研究，可实现电压电流幅值，相位频率的灵活控制，并具备各种继电器和保护的专用测试模块，是电力基层单位保护装置投运前调试和定期检验的必备工具。

对于智能变电站，间隔合并单元在真实运行工况下其电流、线路抽取电压来自于本间隔的电流互感器和电压互感器，为模拟量输入。而母线电压采集来自于母线合并单元输出的级联电压，母线合并单元输出给间隔合并单元的级联电压采用数字报文形式。

按照现有的继电保护测试仪的功能，只能选择单独输出模拟量或者单独输出数字量报文。如果需要通过继电保护测试仪向间隔合并单元注入试验量，则需要分别向间隔合并单元注入模拟量电流，向母线合并单元注入模拟量电压。然而间隔合并单元与母线合并单元一般相隔较远，不便于电缆连接，且母线合并单元仍然需要向其他间隔输出电压，为运行设备。为了实现向间隔合并单元注入试验量，需要由继电保护测试仪具备同步输出模拟量电流与数字量电压的功能。

专利文献CN205157658U公开了一种光数字模拟一体继电保护测试仪，由上位机、下位机数字部分和下位机模拟量功率放大部分组成。下位机数字部分和模拟量功率放大部分经FT3光信号相连；由此达到在一台继电保护测试仪上实现数字、模拟两种信号输出的目的。实现在一台继电保护测试仪上输出数字、模拟两种信号的目的，简化继电保护测试仪硬件体积，节约成本。但该继电保护测试仪未实现输出本地模拟量与数字量的时间同步。其提供的数字、模拟信号输出的方法采用将数字量FT3信号转换为模拟量信号输出实现，需要通过将FPGA输出的电信号转换为光信号，再由FPGA解码模块将光信号转换为电信号涉及两次光电转换过程，增加了设备的功耗、数据传输延时以及故障发生点，数字信号与模拟信号之间的同步性无法保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的数模一体化测试仪的数字信号与模拟信号之间的同步性无法保证的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的一种数模一体化测试仪，包括FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、CPU最小系统、第一DAC、恒温晶振、GPS/BD模块、光网口、第二DAC、功率放大器以及波形回采模块，所述FPGA与CPU最小系统连接，所述FPGA通过所述第一DAC与恒温晶振连接，所述FPGA通过第二DAC与功率放大器连接，所述功率放大器输出模拟量，功率放大器通过波形回采模块与FPGA连接，所述FPGA通过光网口输出数字量，所述FPGA与GPS/BD模块连接，所述GPS/BD模块接收卫星源信号。以FPGA为中心，CPU最小系统与FPGA相连，用于传输控制指令与接收反馈的信息。恒温晶振与第一DAC相连，第一DAC为16bitDAC，16bit DAC通过SPI与FPGA相连，用以产生本地振荡作为FPGA发送数字量与模拟量的时间基准；FPGA与光网口连接用以输出数字量，FPGA与第二DAC连接输出小信号，第二DAC通过功率放大器输出模拟量，功率放大器通过波形回采模块与FPGA相连，波形回采模块向FPGA返回硬件固有延时，根据硬件固有延时由FPGA调整数字量信号和模拟量信号的时间戳，使得同步输出数字量信号和模拟量信号。

优选的，所述FPGA通过局部总线和/或PCIE链路与所述CPU最小系统连接。

优选的，所述FPGA通过SPI总线与所述第一DAC连接。

优选的，所述FPGA通过UART串口与GPS/BD模块连接。

优选的，所述CPU最小系统包括：

状态管理模块，所述状态管理模块用于获取用户设置的状态信息，并进行状态信息的存取，同时控制各个状态之间的切换；

计算模块，所述计算模块用于对数字量信号的采样率取模拟量信号采样率的整数倍并计算数字量信号的数据点以及模拟量信号的数据点，并根据当前状态实时更新计算结果；

封装模块，所述封装模块用于将数字量信号的数据点以及模拟量信号的数据点分别封装为数据包；

时间轴模块，所述时间轴模块用于控制状态管理模块中设置的状态信息的状态持续时间，构建输出时间轴控制各个状态输出的时间，并且根据通讯协议获取当前时间，判断各个状态输出的时间是否已经超时；时间轴模块还用于给每个数据包提供时间戳；

延时补偿模块，所述延时补偿模块用于对数字量信号的数据点和模拟量信号的数据点进行数据包封装时，数字量信号的数据包的时间戳仍然采用时间轴模块提供的时间戳，时间轴模块提供给数字量信号的数据包的时间戳减去硬件固有延时作为模拟量信号的数据包的时间戳；

控制块管理模块，用于遍历所有的模块，确定需要发送的数据包，并根据时间轴模块和延时补偿模块提供的时间戳向PFGA发送需要发送的数据包。

优选的，所述硬件固有延时为模拟量信号从FPGA发出到功率放大器输出需要经过的固有延时时间。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明所采取的数字、模拟信号输出方案通过数模一体化测试仪同步输出数字量信号和模拟量信号，直接由FPGA输出数字信号分别给光网口和第二DAC，由光网口输出数字量信号，由第二DAC输出小信号，第二DAC通过功率放大器输出模拟量信号，相互之间的连接采用电信号传输，无需额外增加光电转换模块，降低了设备的功耗、传输延迟与故障发生点，且由于模拟量信号、数字信号由同一个FPGA控制输出，且FPGA对于模拟量信号输出时的硬件固有延时进行了补偿，保证了数字量信号和模拟量信号输出的同步性。

优选的，所述数模一体化测试仪位于间隔合并单元与智能终端的汇控柜处。

优选的，所述数模一体化测试仪通过开入量采集插件采集智能终端的跳闸出口信息。

优选的，所述数模一体化测试仪基于FT3通过SV光纤与间隔合并单元连接，将间隔合并单元所需的母线级联电压发送给间隔合并单元；所述数模一体化测试仪通过电缆与间隔合并单元连接，将模拟量电流、电压注入间隔合并单元；所述数模一体化测试仪通过GOOSE光纤与间隔合并单元连接，将刀闸位置信息发送给间隔合并单元。

本发明还提供一种数模一体化测试仪的数模同步输出方法，CPU最小系统根据数字量信号的采样率取其整数倍，且大于模拟量信号采样率的阈值的采样率作为模拟量信号的采样率，计算各个数据点的值，CPU最小系统的封装模块将各个数据点的值封装为数据包并由FPGA实现每个数据包的发送，每个数据包在封装过程中由CPU最小系统打上时间戳，FPGA根据数据包中的时间戳信息，在时间戳对应的时刻发送相应的数据包，CPU最小系统进行数据包封装时将数字量信号数据包的时间戳对应的时刻减去硬件固有延时得到的新的时刻作为模拟量信号数据包的时间戳，FPGA发送的的数字量信号数据包直接由光网口转换为光信号输出给待测设备，而FPGA发送的模拟量信号数据包需要经第二DAC转换为模拟量小信号，再经功率放大器放大为真实模拟量信号输出给待测设备。

附图说明

图1为现有技术的智能变电站保护装置测试的线路间隔图；

图2为本发明实施例1所提供的一种数模一体化测试仪的硬件系统原理图；

图3为本发明实施例2所提供的一种数模一体化测试仪具体应用中智能变电站保护装置的自动测试系统的原理图；

图4为本发明实施例2所提供的一种数模一体化测试仪具体应用中PC上位机与数模一体化测试仪的无线通讯示意图；

图5为本发明实施例2所提供的一种数模一体化测试仪具体应用中智能变电站保护装置的自动测试系统的拓扑结构图；

图6为本发明实施例2所提供的一种数模一体化测试仪具体应用中智能变电站保护装置的自动测试系统中测试软件系统的软件结构框架图；

图7为本发明实施例2所提供的一种数模一体化测试仪具体应用中智能变电站保护装置的自动测试系统的测试操作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本发明提供一种数模一体化测试仪，所述数模一体化测试仪包括FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、CPU最小系统、第一DAC、恒温晶振、GPS/BD模块、光网口、第二DAC、功率放大器以及波形回采模块，所述FPGA与CPU最小系统连接，第一DAC为16bit DAC，所述FPGA通过所述第一DAC与恒温晶振连接，所述FPGA通过第二DAC与功率放大器连接，所述功率放大器输出模拟量，功率放大器通过波形回采模块与FPGA连接，所述FPGA通过光网口输出数字量，所述FPGA与GPS/BD模块连接，所述GPS/BD模块接收卫星源信号。

具体的，所述FPGA通过局部总线和/或PCIE链路与所述CPU最小系统连接。PCIE链路为图2所示的PCIE，局部总线为图2所示的Local BUS。

具体的，所述FPGA通过SPI总线与所述第一DAC连接。

具体的，所述FPGA通过UART串口与GPS/BD模块连接。

在硬件选择上，选择恒温晶振是因为恒温晶振具有输出频率稳定性高，随温度漂移小的特点，因此，使用恒温晶振产生本地振荡作为FPGA发送数字量与模拟量的时间基准能够使得输出模拟量与数字量具有稳定的相位差便于CPU最小系统进行算法修正。当使用多机进行数字量、模拟量同步时，装置与装置之间的时间基准源为卫星源，多台装置同时接入卫星源，通过调节第一DAC和第二DAC的输出控制本地恒温将所有装置的本地时间与卫星源同步。

由于数模一体化测试仪存在硬件传输链路延时，因此系统需要获取本地秒脉冲与功率放大器输出模拟量起始相位的相位偏差。硬件使用波形回采模块对输出模拟量进行回采，配合CPU最小系统软件分析可以计算出本地秒脉冲与输出模拟量之间的相位差。在CPU最小系统获取本地秒脉冲与输出模量的相位差以后，配合软件补偿校准本地秒脉冲与本地模拟信号之间的相位差。通过波形回采与相位补偿技术实现本地单机数模同步，装置间多机数模同步。

在软件设计上，所述CPU最小系统包括：

状态管理模块，所述状态管理模块用于获取用户设置的状态信息，并进行状态信息的存取，同时控制各个状态之间的切换；

计算模块，所述计算模块用于对数字量信号的采样率取模拟量信号采样率的整数倍并计算数字量信号的数据点以及模拟量信号的数据点，并根据当前状态实时更新计算结果；

封装模块，所述封装模块用于将数字量信号的数据点以及模拟量信号的数据点分别封装为数据包；

时间轴模块，所述时间轴模块用于控制状态管理模块中设置的状态信息的状态持续时间，构建输出时间轴控制各个状态输出的时间，并且根据通讯协议获取当前时间，判断各个状态输出的时间是否已经超时；时间轴模块还用于给每个数据包提供时间戳；

延时补偿模块，所述延时补偿模块用于对数字量信号的数据点和模拟量信号的数据点进行数据包封装时，数字量信号的数据包的时间戳仍然采用时间轴模块提供的时间戳，时间轴模块提供给数字量信号的数据包的时间戳减去硬件固有延时作为模拟量信号的数据包的时间戳；所述硬件固有延时为模拟量信号从FPGA发出到功率放大器输出需要经过的固有延时时间。

控制块管理模块，用于遍历所有的模块，确定需要发送的数据包，并根据时间轴模块和延时补偿模块提供的时间戳向PFGA发送需要发送的数据包。

通过以上技术方案，本发明的工作过程和工作原理为：

数模一体化测试仪所输出的模拟量信号与数字量信号都存在相应的采样率，即每秒内所发送的数据点数，采样率越高每秒钟的数据点数越多。所以对于模拟量信号其采样率越高，输出的信号波形越平滑，波形质量越好，但相应软件系统计算量越大。对于数字量信号其采样率一般为固定值，目前广泛使用的为4000Hz。

数模一体化测试仪如果同时进行模拟量信号与数字量信号的输出，CPU最小系统需分别按照模拟量信号和数字量信号的采样率计算各个数据点的值，由此会增加CPU最小系统的计算量，同时也不易保证模拟量信号与数字量信号的同步性。

数字量信号的采样率一般远小于模拟量信号采样率，且数字量信号采样率为固定值，而模拟量信号采样率为了保证波形的平滑与波形质量需大于某个阈值。所以根据数字量信号的采样率取其整数倍，如8000Hz、16000Hz、24000Hz等，且大于模拟量信号采样率的阈值的采样率作为模拟量信号的采样率。由于模拟量信号的采样率为数字量信号采样率的整数倍，所以CPU最小系统的计算模块计算的数字量信号的各个数据点都会出现在计算的模拟量信号的数据点中。根据上述包含关系，可以省去CPU最小系统对于数字量信号数据点的计算，即CPU最小系统仅需完成模拟量信号数据点的计算，再按照模拟量信号与数字量信号采样率的倍数关系计算对应的抽样频率，根据抽样频率在模拟量信号的数据点中进行抽样即可形成数字量信号的数据点。以此提升数字量信号与模拟量信号同步输出的计算效率。

上述数据点计算方法虽然将数字量信号与模拟量信号的数据点的计算来源予以统一，但仍然无法实现其输出的同步性。对于数字量信号与模拟量信号的数据点在计算完成后，会由CPU最小系统的封装模块封装为数据包并由硬件系统中的FPGA实现每个数据包的发送，所以FPGA对于数据包发送的时刻控制直接影响数字量信号与模拟量信号的输出同步性。为了保证FPGA能够在同一时刻实现数字量信号数据包与模拟量信号数据包的发送，每个数据包在封装过程中会由CPU最小系统打上时间戳，FPGA会根据数据包中的时间戳信息，在时间戳对应的时刻发送相应的数据包。由于数字量信号的数据点为模拟量信号的数据点抽样产生，两者本质为同一数据点，所以在CPU最小系统进行数据包封装时必然采用同一个时间戳，从而保证了FPGA对于数字量信号数据包与模拟量信号数据包的同时刻发送。

如图2所示，FPGA发送的的数字量信号数据包直接由光网口转换为光信号输出给待测设备，而FPGA发送的模拟量信号数据包需要经第二DAC转换为模拟量小信号，再经功率放大器放大为真实模拟量信号输出给待测设备。对于数字量信号数据包从FPGA发出到光网口转换为光信号输出的延时很小可以忽略不计。但是模拟量信号数据包经第二DAC与功率放大器变为真实模拟量信号的延时可达数十微秒。该延时只与硬件系统的第二DAC和功率放大器本身的特性有关，称之为硬件固有延时。由于硬件固有延时的存在，将导致相同时间戳下的模拟量信号数据包与数字量信号数据包无法同时输出到待测设备，因而产生了数字量信号与模拟量信号输出不同步的问题。

为消除硬件固有延时造成的数字量信号与模拟量信号输出不同步的问题，本发明采用硬件固有延时测量技术与硬件固有延时补偿技术。

硬件固有延时测量技术：如图2所示，硬件系统中配置了波形回采模块，可将功率放大器输出的实际模拟量波形进行采集并转换为数字信号发送给FPGA。CPU最小系统根据回采的模拟量波形计算其起始相位值，同时经过第一DAC获取恒温晶振产生的本地振荡为FPGA提供的秒脉冲。计算本地秒脉冲与功率放大器输出模拟量起始相位的相位偏差，并根据输出波形频率转换为时间偏差，该时间偏差即为硬件固有延时。

硬件固有延时补偿技术：由于模拟量信号从FPGA发出到实际功率放大器输出需要经硬件固有延时，故相比于数字量信号，模拟量信号总是滞后发出的。为了实现数字量信号与模拟量信号同时输出，需要将硬件固有延时进行补偿。通过硬件固有延时测量技术已经可以获取硬件固有延时，CPU最小系统在对数字量信号数据点和模拟量信号数据点进行封装数据包时，数字量信号的数据包的时间戳仍然采用原有时间戳，而对于模拟量信号数据包的时间戳不再同数字量信号数据包共用相同时间戳，而是将数字量信号数据包的时间戳对应的时刻减去硬件固有延时得到的新的时刻作为模拟量信号数据包的时间戳。由此FPGA将在数字量信号数据包发送时刻超前硬件固有延时就会将模拟量信号数据包进行发送，在模拟量信号数据包经硬件系统传输至功率放大器输出时，此时FPGA发送对应的数字量信号数据包，从而实现了数字量信号与模拟量信号的同步输出。

实施例2

本发明的数模一体化测试仪可以应用于智能变电站保护装置的自动测试系统，实施例2提供数模一体化测试仪的具体应用实例。

如图3所示，本发明提供一种智能变电站保护装置的自动测试系统，所述智能变电站保护装置的自动测试系统包括数模一体化测试仪、保护装置、智能终端以及间隔合并单元，所述数模一体化测试仪通过开入量采集插件采集智能终端的跳闸出口信息。所述智能终端与保护装置通过GOOSE光纤连接，双向传输数字量信号。所述间隔合并单元与保护装置通过SV光纤连接，将间隔合并单元的模拟量电流、电压的采样值传输至保护装置。所述数模一体化测试仪基于FT3通过SV光纤与间隔合并单元连接，将间隔合并单元所需的母线级联电压发送给间隔合并单元；所述数模一体化测试仪通过电缆与间隔合并单元连接，将模拟量电流、电压注入间隔合并单元；所述数模一体化测试仪通过GOOSE光纤与间隔合并单元连接，将刀闸位置信息发送给间隔合并单元。所述数模一体化测试仪通过MMS协议与保护装置通讯连接。所述保护装置位于保护小室内，所述数模一体化测试仪位于间隔合并单元与智能终端的汇控柜处，直接在间隔合并单元注入保护装置测试时所需的电压与电流数据。

为了实现人机交互以及自动测试的功能，所述智能变电站保护装置的自动测试系统还包括PC上位机，所述PC上位机分别与保护装置、数模一体化测试仪连接。PC上位机在此实现人机交互的功能，完成自动测试系统的搭建，直接通过软件控制保护装置实现自动测试，测试完成后生成标准报告，现场工作人员可直接查看报告。

所述PC上位机通过MMS协议与保护装置连接，所述PC上位机通过电力无线专网与所述数模一体化测试仪连接，由于数模一体化测试仪位于间隔合并单元与智能终端的汇控柜处，而保护装置位于二次保护小室内，两者距离相隔较远。两者之间如果需要进行数据交互则需要铺设通讯电缆，对于检修调试，单独铺设通讯电缆从经济性、安全性与效率的角度考虑都是不现实的。所以本发明提供一种PC上位机与述数模一体化测试仪的无线连接方式，且采用电力无线专网并不是采用外网，数据交互更安全。无线方案主要依赖于目前无线网络，目前对于无线网络主要采用的是LTE技术，LTE(Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobil Telecommunications System，通用移动通信系统)技术标准的长期演进。目前该技术已经发展到了4G网络与5G网络交替的阶段。

LTE技术目前的主要应用有LTE1800技术和LTE230技术。其中LTE1800技术即针对移动、联通、电信等移动服务提供商所使用4G网络技术。而LTE230技术为国家电网公司申请的电力无线专网所使用的无线通信技术。

电力无线专网基本目标是保障电力系统的安全稳定运行，是电网的第二张实体网络，紧密依托电网发展而建设，是电力调度自动化、继电保护、稳定控制、ERP客服等系统的“神经网络”，在电网安全运行、企业经营管理、优质服务工作中发挥了重要作用。截至2018年7月底，光缆总长144万公里，196个地市公司(占比63％)传输网上联带宽达到10G。伴随电力行业的不断发展，业务需求爆发增长、公网安全性有待加强、光缆建设成本高、各专业分散建设等问题也日益突出，电力行业对电力无线专网的需求愈加强烈。电力无线专网优势明显：能够统筹各类业务需求、建设统一接入平台；专网专用、安全可靠；相比光纤网络，能够降低通信建设成本；灵活、高效接入终端业务。

保护装置作为安全运行Ⅰ区设备，网络安全规范规定禁止其接入公共网络，所以为了避免保护装置直接接入电力无线网络，采用笔记本电脑，笔记本电脑即本发明中提及的PC上位机，直接通过有线连接的方式与其进行连接，并交互其动作报文与告警信息等数据。而有笔记本电脑配置专用的无线网卡接入电力系统无线专网同数模一体化测试仪建立连接。示意图如图4所示：笔记本电脑作为管理机通过电力无线专网向数模一体化测试仪发送控制信号，控制数模一体化测试仪试验的开启与停止。同时接收数模一体化测试仪对于智能终端动作信息的反馈。

笔记本电脑上搭载的测试软件通过控制数模一体化测试仪的输出，并接收数模一体化测试仪的动作反馈与保护装置的动作告警报文，实现了对于保护装置的闭环测试。

建立通讯连接以后，下面详细介绍自动测试的过程和原理：

自动化测试必须满足以下基本要求：测试标准化、报告标准化、测试提示信息标准化、测试过程透明化、测试过程的闭环性和良好的扩展性，分别体现为硬件结构设计和软件结构系统设计。硬件结构设计反映了自动测试平台的整体布局，实现测试控制端与电子设备的有效隔离；软件结构系统设计为自动测试平台的核心，采用分层结构与模块化的设计理念，实现自动的闭环测试。

自动测试的基本思路是通过PC机上的自动测试软件，同时与测试装置器以及保护装置建立通讯，实现数据的闭环共享。通过软件来代替人工实现修改定值、投退压板、测试数据的汇总处理以及测试报告的生成和填写等一系列操作。测试员只需要在系统建立初期编好标准的测试方案模板，测试时由自动测试软件来实现测试任务的调度控制，从而实现一键化全自动闭环测试。自动测试系统拓扑结构如图5所示。

所述PC上位机上搭载测试软件系统，自动测试平台的软件架构采用分层结构和模块化的设计思想，软件结构框架如图6所示。所述测试软件系统包括测试装置接口层、自动测试层和测试方案生成层；测试装置接口层即测试装置控制接口，为组件对象模型(COM)接口，提供被测保护装置的全部测试功能服务接口；自动测试层包括测试控制中心模块、制造报文规范(MMS)通信模块；测试方案生成层包括测试方案生成模块和测试子模板库、设备数据模型和测试方案数据接口库。测试方案生成模块为一个二次开发系统，可以针对被测就地化保护装置进行二次开发，编辑测试方案和测试子模板。

所述测试仪控制接口完成与数模一体化测试仪的信息交互，接收来自数模一体化测试仪的测试数据或者向数模一体化测试仪发送自动测试的命令；设置测试装置接口层的原因在于：为实现自动测试平台的通用性和智能化，平台本身必须具有良好的可扩展性，必须适应不同类型的被测装置，为解决这一问题，需要开发设计测试装置接口层，本接口为开放COM接口，能供自动测试控制中心调用，实现就地化保护装置的各种保护测试功能；测试装置控制接口使用Windows消息来通知测试控制中心模块测试状态的变化，例如连接测试装置器成功、开始测试、测试完成、测试异常信息等。

在实际应用中，可以根据被测就地化保护装置的保护功能原理分析出测试方法。因此，在测试装置控制接口上，设计保护测试功能测试执行对象和保护测试功能执行对象的管理对象。保护测试功能测试执行对象用于实现对测试装置的控制，供自动测试控制中心调用以实现数字保护电气量的测试；保护测试功能执行对象的管理对象用于实现保护测试功能测试执行对象的创建和测试装置控制接口模块的关闭。

所述自动测试层包括MMS通信模块、自动测试控制中心模块以及报告模块，所述MMS通信模块用于建立测试方案生成模块与保护装置的通讯连接；所述自动测试控制中心模块用于根据测试方案进行测试；所述报告模块用于生成系统测试记录库以及标准报告，并将标准报告发送给自动测试控制中心模块。自动测试控制中心模块提供一个测试试验过程中人机对话的环境，自动测试控制中心模块打开测试方案，自动执行测试方案中测试项目，自动判断测试结果是否合格，并将测试结果保存至标准的报告模块中。自动测试输出标准报告、系统测试记录库、XML标准报告，标准报告包括Word，WPS，Excel，XML格式的文档报告。系统测试记录库记录测试过程中的全部测试信息，包括测试项目的测试次数，每次测试的测试时间、测试时的故障参数数据、测试装置返回的测试结果数据、从就地化保护装置读取的数据、修改保护装置的数据，从保护装置读取的数据包括定值、压板、测量值、装置参数、装置动作信息、告警信息等，修改保护装置的数据包括保护装置的装置参数、定值、压板。XML标准报告为XML格式，用于外部系统访问。MMS通信模块通过MMS与就地化保护装置通信，MMS通信程序设计和开放标准COM接口，供自动测试程序调用，开放的接口包括命令控制接口、数据访问接口，命令控制接口包括定值的读取和修改、压板的投退操作、控制字的读取和修改、保护测量值的读取、装置参数的读取和修改；数据访问接口实现读取被测就地化保护装置的各种数据集数据和保护动作报告数据、告警报告数据等。

所述测试方案生成层包括测试方案生成模块以及设备数据模型；所述设备数据模型，根据分析结果和功能测试要求自动或手动选择测试子模板；不同的被测装置和测试方法往往意味着不同的测试方案，因此测试方案的独立开发在测试软件架构上尤为重要，因此设计测试方案生成层，实现被测保护装置的测试方案和测试子模板的二次开发，即根据设备数据模型、测试子模板库和测试方案数据接口库生成测试方案。设备数据模型为IED能力描述文件(ICD)/变电站配置描述语言(SCL)文件或者通过MMS通信模块从就地化保护装置枚举得到的装置各种数据集的详细信息，设备数据模型描述就地化保护装置各种数据集的详细信息和特性曲线，具体而言，数据集主要包括测量数据集、遥信数据集、遥控数据集、定值数据集、压板数据集、保护事件数据集、告警数据集、装置参数数据集等；特性曲线，描述保护元件的动作边界定义以及相关保护测试功能的图形绘制定义。

所述测试方案生成模块用于编辑子模板，建立测试子模板库和测试方案数据接口库并生成测试方案；从测试原理出发，采用抽象化的方法，将测试方法相同的基础测试功能抽象为测试子模板库，测试子模板描述就地化保护装置的基础测试项目集合和对应的报告格式，子模板开放数据接口，数据接口描述子模板功能模块的必须参数数据(装置参数、定值、压板、控制字等)，子模板通过实例化(与具体数字保护实际的装置参数数据集、定值数据集、压板数据集等进行关联)动态生成具体的测试项目集合，从而生成就地化保护装置的测试方案，大大提高就地化保护装置测试方案的开发效率。测试子模板库，用来记录和保存就地化保护装置的各功能测试的子模板，包括：线性度测试、保护功能测试(定值校验、动作值搜索、边界搜索等)、遥信测试、遥控测试、报文异常测试等。

测试方案数据接口库为可扩展标记语言(XML)文件，基于万维网联盟(W3C)的XML1.0语法标准，文件保存就地化保护装置的保护测试功能的信息，主要包括保护测试功能的属性数据、故障参数数据和结果参数数据，详细设计如下：

1)保护测试功能属性数据，保护测试功能名称name、保护测试功能ID。

2)故障参数数据，定义保护测试功能的故障参数，描述执行此保护测试功能需要设置的参数；参数需要定义的属性包括：数据名称name、数据ID、数据类型datatype、单位unit、缺省值defGvalue、数据值value；故障参数数据的数据类型，例如：浮点数float、整数int、字符串string、零序故障(值域为：AN，BN，CN)、变压器绕组数(值域为：双绕组、三绕组)等。

3)结果参数数据，为保护测试功能测试完成时形成的结果数据。

介绍完本发明的自动测试平台的软件架构以及软件结构框架下各模块以后，下面详细介绍本发明的测试流程设计思路：自动测试控制中心模块打开测试方案，执行测试方案中测试项目的测试，不同测试项目的测试流程不同，详细设计如下。

1)保护功能测试项目测试流程设计

自动测试控制中心模块根据保护测试功能各故障参数计算公式，计算保护测试功能的参数值，执行故障参数计算脚本，实现特殊计算功能；调用测试装置控制接口层，向测试装置控制接口传入保护测试功能的标示和保护测试功能参数数据，开始测试；等待测试装置控制接口模块返回测试结束消息；收到测试结束消息后，从测试装置控制接口读取结果数据，执行测试结果判断脚本，判断测试结果是否合格；将测试结果数据填写到报告模板中，测试过程中出现异常，自动测试控制中心模块根据异常的严重程度进行测试流程的调整，比如停止测试并播放告警音乐、暂停一段时间后继续测试等。

2)通信命令项目测试流程设计

自动测试控制中心模块发送通信命令和通信数据给MMS通信模块；MMS通信模块收到通信命令和通信数据后，与就地化保护装置进行通信，执行通信命令；通信命令执行完毕，发送执行结果给自动测试控制中心模块；自动测试控制中心模块从MMS通信模块读取结果数据，根据结果数据进行结果判断，填写结果数据到报告模板中。

测试过程中出现异常，测试控制中心模块根据异常的严重程度进行测试流程的调整，比如将通信命令重复执行多次、停止测试并播放告警音。

3)硬件检测项目执行流程设计

自动测试控制中心模块根据硬件检测项目，弹出提示界面，提示用户进行相应的操作；如果有数据需要录入，等待用户录入数据；用户确认完成操作后，执行测试结果判断脚本，判断测试结果是否合格；将测试结果数据填写到报告模板中。

4)系统参数录入项目执行流程设计

自动测试控制中心模块根据被测就地化保护装置的试验相关参数录入项目的类型，弹出参数录入界面，显示需要录入的装置数据集数据；等待用户录入参数据；用户确认操作后，执行结果判断脚本，判断结果是否合格；将需要填入报告的参数数据填入到报告模板中。

对于本发明的测试流程设计思路了解以后，下面详细介绍本发明的自动测试流程，测试流程主要包括3个步骤：子模板的编辑、测试方案编辑和自动测试，子模板的编辑是丰富子模板库的过程，具体测试中测试方案生成模块可以从子模板库中加载子模板，不需要每次都进行子模板的编辑；测试方案编辑模块要根据设备数据模型和子模板库确定详细的测试方案；测试控制中心模块加载测试方案进行自动测试，最后形成标准格式的测试报告保存并输出，详细如下：

1)测试方案生成模块编辑子模板，建立测试子模板库，具体包括：使用测试方案生成模块，新建测试子模板，为子模板建立数据接口定义；根据就地化保护装置的功能测试要求，编辑测试子模板的测试项目；保存测试子模板，形成涵盖就地化保护装置各种测试功能的测试子模板库。

2)测试方案生成模块编辑装置测试方案，具体包括：通过MMS通信模块与就地化保护装置通信，枚举装置的设备数据模型，保存为设备数据模型文件；使用测试方案生成模块，建立测试方案，导入设备数据模型文件；智能分析设备数据模型，根据分析结果和功能测试要求自动或手动选择测试子模板；根据就地化保护装置的设备数据模型，实例化测试子模板，动生成被测就地化保护装置的装置测试方案；测试子模板实例化的同时，拼接各实例化子模板的报告模板，形成就地化保护装置的测试报告模板；各测试子板实例化完成，保存就地化保护装置的测试方案。

3)测试控制中心模块根据测试方案进行测试，具体包括：测试控制中心模块打开装置测试方案；开始测试，测试控制中心模块根据装置测试方案(主要包括电气量项目测试、通信命令项目测试、人工检验项目测试、系统参数录入项目测试和项目分类目录测试)的测试流程，依次完成各测试项目的测试，自动记录测试结果、自动进行结果判断、自动填写报告；测试完成，形成标准格式的测试报告。

在测试系统中，对于各个模块都有其配置和定义，下面详细介绍各模块的配置和定义。XML具有元语言特性及结构化的特点，无需根据不同软、硬件平台做额外数据处理(如字节序问题)，具有结构化特点，容易阅读和编写，同时具有强大的可伸展性和自我描述性。这些特点使得XML语言成为数据在网络间交换处理、存储最为方便的载体。为了使通用测试模板具备良好的可伸展性、自我描述性、可移植性和适应性，使得测试模板的升级维护变得方便，能够充分发挥和挖掘继电保护测试装置的效能，采用XML编写通用测试模板。

通用测试模板从小到大分为模板配置定义、测试模块、测试任务等三个层次。

测试模板配置包括对模板中基本元素的定义，包括对文本、定值、开入开出量、变化量、电气量等的定义。各种模板配置均采用XML元语言，以电气量的定义为例。电气量定义格式如表1所示。

表1电气量定义

测试模块是测试模板的最直接组成元素。在模板配置基础上，根据测试任务的具体要求，添加对相关参数、故障或测试点的定义以及相应的测试报告的XML语言定义，就形成了完整的测试模块。

参数定义的格式如表2所示。

表2模块参数定义

模块变量名称	模块变量描述
		ParID	参数编号
Name	参数名称
		Dot	小数点位数
Unit	单位
		DValue	缺省值
VName	内部预定义的变量名称

(1)故障定义

故障的定义格式如表3所示。

表3故障定义

模块变量名称	模块变量描述
		TriggerTime	试验触发时刻
FaultType	故障类型定义
		VTMaxFault	最大故障时间
FaultActionTIME	动作时间
		RecordIndex	记录量编号
Vf	故障电压
		If	故障电流
PHIf	故障角度
		TPreFault	故障前时间
TPrepare	故障间隔时间
		HoldTime	故障持续时间
SETTING	定值定义

(2)测试点定义

测试点的定义格式如表4所示。

表4测试点定义

模块变量名称	模块变量描述
		ItemID	测试点编号
ItemName	测试名称
		ItemModule	测试模块名称
Hint	提示字符串
		VariableCount	变量定义数量
UICount	电气量定义数量

(3)测试报告定义

测试报告的定义如表5所示。

表5测试报告的定义

模块变量名称	模块变量描述
		RepID	编号
Name	名称
		VName	关联变量名

(4)测试任务模块

每个测试任务需要生成一个或多个测试任务模块。例如，光数字测试有SV输入对点测试和GOOSE输入对点测试两个测试模块，分别用于测试开关量和采样是否正常。每个测试任务模块都用来完成一项独立的测试。

测试模版的定义：按照智能变电站的功能，测试模板一般包含模型校验、定值校验、发送一致性校验、SV输入对点测试、GOOSE输入对点、模拟量输入对点、硬接点输入对点、距离保护、工频变化量距离保护、方向零序过流保护、复压闭锁方向过流保护、三相不一致保护等测试任务。各项测试任务分别测试变电站的IED之间的通信是否通畅，或者各个IED的测试功能是否完备。在实际应用时，可以根据工程需要添加任意种类和数量的测试任务。

各项测试任务模块组合起来，就形成了完整的测试模板。测试模板的格式如下：

<Solution Version＝"0.7"SolutionName＝"解决方案">//测试模板描述开始

<SubItems>//测试任务模块集合

……

</SubItems>//测试任务模块定义结束

</Solution>//测试模板定义结束

所有模块进行配置和定义以后，对于系统有一个测试操作流程，根据测试操作流程完成测试，下面详细介绍系统的测试操作流程，测试操作流程图如图7所示：

(1)读取继电保护装置型号、额定参数、保护定值等信息，自动加载测试项，生成测试模型。

(2)测试交流电流、电压通道零漂及线性度，确定采样是否正常。如果采样不正常，则发出开关量异常告警信号，结束测试。

(3)检验开入量、开出量，确定开关量是否正常。如果开关量不正常，则发出开关量异常告警信号，结束测试。

(4)投入第一个测试项目的测试所需的软压板，开始进行第一个保护测试项目。若设备不正常动作，则发出保护测试项目异常信号，然后进行下一个保护测试项目；若设备正常动作则直接进行下一个项目。

(5)顺次进行所有保护测试项目，直到完成所有保护测试项目，并生成测试报告。

本发明实施例1的工作过程和工作原理为：间隔合并单元与数模一体化测试仪通过GOOSE光纤和SV光纤相连，数模一体化测试仪通过GOOSE光纤向间隔合并单元发送刀闸位置信息用于间隔合并单元母线级联电压取值的判别。数模一体化测试仪通过SV光纤将间隔合并单元所需的母线级联电压发送给间隔合并单元，另外数模一体化测试仪与间隔合并单元之间通过电缆连接，将模拟量电流、电压注入间隔合并单元。通过数模一体化测试仪向间隔合并单元提供的刀闸位置信号、母线级联电压信号以及模拟量电流、电压信号即实现了间隔合并单元所需所有采样信号的注入。间隔合并单元与保护装置通过SV光纤相连接，将间隔合并单元的电压、电流的采样值传输至保护装置，实现对间隔合并单元采样性能、SV链路正确性的校验。保护装置与数模一体化测试仪通过MMS网相连接，双方进行数据通讯，数模一体化测试仪获取保护装置动作信号、告警信号和定值压板信息。最后通过PC上位机上搭载的自动测试软件实现一键自动测试，自动测试完成后，在PC上位机上生成标准报告。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数模一体化测试仪，其特征在于，包括FPGA、CPU最小系统、第一DAC、恒温晶振、GPS/BD模块、光网口、第二DAC、功率放大器以及波形回采模块，所述FPGA与CPU最小系统连接，所述FPGA通过所述第一DAC与恒温晶振连接，所述FPGA通过第二DAC与功率放大器连接，所述功率放大器输出模拟量，功率放大器通过波形回采模块与FPGA连接，所述FPGA通过光网口输出数字量，所述FPGA与GPS/BD模块连接，所述GPS/BD模块接收卫星源信号。

2.根据权利要求1所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述FPGA通过局部总线和/或PCIE链路与所述CPU最小系统连接。

3.根据权利要求1所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述FPGA通过SPI总线与所述第一DAC连接。

4.根据权利要求1所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述FPGA通过UART串口与GPS/BD模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述CPU最小系统包括：

状态管理模块，所述状态管理模块用于获取用户设置的状态信息，并进行状态信息的存取，同时控制各个状态之间的切换；

计算模块，所述计算模块用于对数字量信号的采样率取模拟量信号采样率的整数倍并计算数字量信号的数据点以及模拟量信号的数据点，并根据当前状态实时更新计算结果；

封装模块，所述封装模块用于将数字量信号的数据点以及模拟量信号的数据点分别封装为数据包；

时间轴模块，所述时间轴模块用于控制状态管理模块中设置的状态信息的状态持续时间，构建输出时间轴控制各个状态输出的时间，并且根据通讯协议获取当前时间，判断各个状态输出的时间是否已经超时；时间轴模块还用于给每个数据包提供时间戳；

延时补偿模块，所述延时补偿模块用于对数字量信号的数据点和模拟量信号的数据点进行数据包封装时，数字量信号的数据包的时间戳仍然采用时间轴模块提供的时间戳，时间轴模块提供给数字量信号的数据包的时间戳减去硬件固有延时作为模拟量信号的数据包的时间戳；

控制块管理模块，用于遍历所有的模块，确定需要发送的数据包，并根据时间轴模块和延时补偿模块提供的时间戳向PFGA发送需要发送的数据包。

6.根据权利要求5所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述硬件固有延时为模拟量信号从FPGA发出到功率放大器输出需要经过的固有延时时间。

7.根据权利要求1所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述数模一体化测试仪位于间隔合并单元与智能终端的汇控柜处。

8.根据权利要求7所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述数模一体化测试仪通过开入量采集插件采集智能终端的跳闸出口信息。

9.根据权利要求8所述的一种数模一体化测试仪，其特征在于，所述数模一体化测试仪基于FT3通过SV光纤与间隔合并单元连接，将间隔合并单元所需的母线级联电压发送给间隔合并单元；所述数模一体化测试仪通过电缆与间隔合并单元连接，将模拟量电流、电压注入间隔合并单元；所述数模一体化测试仪通过GOOSE光纤与间隔合并单元连接，将刀闸位置信息发送给间隔合并单元。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种数模一体化测试仪的数模同步输出方法，其特征在于，CPU最小系统根据数字量信号的采样率取其整数倍，且大于模拟量信号采样率的阈值的采样率作为模拟量信号的采样率，计算各个数据点的值，CPU最小系统的封装模块将各个数据点的值封装为数据包并由FPGA实现每个数据包的发送，每个数据包在封装过程中由CPU最小系统打上时间戳，FPGA根据数据包中的时间戳信息，在时间戳对应的时刻发送相应的数据包，CPU最小系统进行数据包封装时将数字量信号数据包的时间戳对应的时刻减去硬件固有延时得到的新的时刻作为模拟量信号数据包的时间戳，FPGA发送的的数字量信号数据包直接由光网口转换为光信号输出给待测设备，而FPGA发送的模拟量信号数据包需要经第二DAC转换为模拟量小信号，再经功率放大器放大为真实模拟量信号输出给待测设备。