CN111610390A - 一种智能故障录波器测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能故障录波器测试方法，包括以下步骤：将测试主机布置于智能录波器管理单元处，将数据终端布置于一次互感器处；根据变电站一次配电装置布置情况，灵活选择全无线网络或有线无线网络相混合的传输模式；测试主机提供正常运行态及各类故障电流、电压值，并通过无线网络远程控制数据终端的输出；数据终端接收测试主机的电流电压及各种控制指令，对智能录波器各项功能进行测试，并将一次设备开关量信号反馈给测试主机；测试人员通过综合分析录波器和继电保护装置的采集数据，判断各种功能是否正常。本发明将无线收发机的基带部分和中频/射频部分分开设计，可以形成有线、无线不同组合的传输模式，以灵活适应各种结构的变电站。

Description

一种智能故障录波器测试方法

技术领域

本发明涉及智能变电站运行维护技术领域，具体涉及一种智能故障录波器现场测试方法，适用于采用IEC 61850标准的智能变电站。

背景技术

应用于IEC 61850标准的新一代智能录波器集成了故障录波、网络报文记录分析、二次系统可视化、智能运维等功能，既适用于常规站，也适用于智能站。它由若干个采集单元和一个管理单元组成，采集单元和管理单元需要安装在变电站现场不同区域的不同屏柜中，相互之间距离较远。

在变电站投运前进行智能录波器功能测试时，需要多个调试人员使用多台测试仪配合进行，例如一人在继电保护装置处施加电压电流量使其保护动作，另一人在一次设备处操作开关刀闸并观察其位置反馈，第三个人在录波器管理单元处观察测试结果。每测试完一台保护装置后，需要搬动测试仪至下一台保护装置处，重新进行试验接线。

在进行复杂功能验证测试时，需要常规保护测试仪、数字式保护测试仪、手持式光数字测试仪等多款设备配合。另外验证录波器不同功能时，需要变换测试设备之间的配合方式，对各台仪器之间操作的同步性也有要求，整个调试流程繁琐复杂，效率低。部分待验证信号，如保护装置温度、光口光强、板卡电压等，无法通过保护装置直接输出，缺乏有效的验证手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种智能故障录波器测试方法，所采取的技术方案是：

一种智能故障录波器测试方法，包括以下步骤：

步骤S1，将测试主机布置于智能录波器管理单元处，将数据终端布置于变电站一次配电装置电流电压互感器处；

步骤S2，根据变电站一次配电装置布置情况，灵活选择全无线网络或有线无线网络相混合的传输模式，保证主机和数据终端之间的数据传输稳定可靠；

步骤S3，测试主机通过仿真计算提供正常运行态及各类故障电流、电压值，并通过无线网络远程控制数据终端的输出；

步骤S4，数据终端通过无线网络接收测试主机的电流电压及各种控制指令，对智能录波器各项功能进行测试，并将采集到的一次设备开关量信号，反馈给测试主机；

步骤S5，测试人员通过综合分析录波器管理单元显示的数据和继电保护装置显示的采集数据，判断录波器各种功能是否正常。

作为本测试方法的进一步改进，步骤S2中，为了使仿真测试主机和数据终端之间能够灵活适应变电站现场环境情况，将无线收发机的基带部分和中频/射频部分分开，使基带处理单元集中放置，通过光纤与远端射频单元相连，以满足全无线或有线无线相混合等几种模式；

作为本测试方法的进一步改进，步骤S3中，测试主机既可以对继电保护装置开展通道测试、状态序列等单体功能测试，也可通过整站电磁暂态实时仿真开展整组动态模拟测试。测试主机提供故障录波波形回放功能，将实际故障波形回放到继电保护装置，检查其动作行为。

作为本测试方法的进一步改进，对智能录波器测试的项目包括：录波器信号采集功能校验、录波器故障记录功能校验和网络分析记录功能校验。

作为本测试方法的进一步改进，所述分布式数据终端既能输出常规互感器的模拟电气量信号，也能输出数字量报文。

作为本测试方法的进一步改进，分布式数据终端将采集的一次设备的开关量位置信号通过无线WIFI反馈给仿真主机，并将仿真主机的跳合闸命令转化为开关量信号输出到一次设备跳合闸线圈。

作为本测试方法的进一步改进，所述录波器故障记录功能校验包括包括保护装置动作信息和故障电气量波形信息；

作为本测试方法的进一步改进，网络分析记录功能校验，包括网络异常报文和流量异常报文冲击测试。

作为本测试方法的进一步改进，所述仿真测试主机和分布式数据终端均配置有对时模块，以确保各个分布式数据终端之间数据输出的时间同步性。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

在进行录波器功能测试时，采用该技术方案解决了常规测试需要多款设备配合、操作同步性困难、需要频繁变换测试设备之间配合方式、部分信号无法验证等诸多问题，提升了测试效率，保证了测试质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为智能故障录波器典型配置图。

图2为仿真主机、数据终端在变电站现场的接线示意图。

图3为仿真主机和数据终端连接关系示意图。

图4为通信接口卡功能框图。

图5为无线收发机SDR架构图。

图6为全无线传输网络结构图。

图7为星形传输网络结构图。

图8为链形传输网络结构图。

图9为混合传输网络结构图。

图10为数据终端总体硬件结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

如图1所示，智能故障录波器典型配置，采集单元和管理单元需要安装在变电站现场不同区域的不同屏柜中，相互之间距离较远。

如图2所示，在仿真测试主机对智能录波器测试时，分布式数据终端布置于各待测间隔中，通过电缆或光缆与智能变电站内二次设备相连。

所述智能变电站内二次设备包括合并单元、智能终端和交换机。

进一步的，如图3所示，仿真测试主机向多个分布式数据终端发送同步电流电压采样值，同时接收分布式数据终端采集的各间隔一次设备开关量及GOOSE变位。

仿真测试主机主要由实时仿真器和通信接口卡组成。

为了满足运算速度和精度需求，实时仿真器采用高性能双CPU四核英特尔至强处理器，并配以QNX嵌入式实时操作系统，完成智能变电站各类故障及误操作时的电气量计算以及各电气量通道输出的静态模拟。同时采用以高速DSP以及CPLD芯片为核心的实时数字物理接口，通过基于PCI-E总线的通信接口卡与分布式数据终端进行通信，对各种数字及模拟信号进行实时采集与输出。

通信接口卡通过PCI-E插槽与实时仿真器连接，负责将仿真器输出的数据高速同步发送到各被测间隔。通过FPGA实时处理模块，完成协议转换、数据组包、同步处理等核心功能，其他部分还包括电源管理模块，时钟同步模块，CPU管理单元以及以太网PHY。其功能框图如图4所示。

测试主机上安装仿真测试软件，既可以对继电保护装置开展通道测试、状态序列等单体功能测试，也可通过整站电磁暂态实时仿真开展整组动态模拟测试。软件提供故障录波波形回放功能，将实际故障波形回放到继电保护装置，检查其动作行为。

仿真测试软件具备SCD工程配置文件的自动导入和解析功能，通过模型映射即可实现合并单元、智能终端和无线分布式数据终端收发数据的可视化配置。

仿真测试主机与分布式数据终端是利用无线网络进行通信连接，无线数据通信网络依靠无线通讯设备实现。

无线通信设备可划分为无线发射机和无线接收机两部分。

无线发射机与仿真测试主机相连，实现对数据的同步、转发处理以及对各分布式终端装置的控制。发射机采用PCI-E总线与仿真器接口，采用自定义的格式将电流电压量分别发送到分布式数据终端，并将终端反馈来的GOOSE报文解析后上传给仿真器。

无线接收机与分布式数据终端连接，布置于就地汇控柜，向继电保护装置和录波器等二次设备提供电气量，并通过接收一次设备的状态硬接点信号或GOOSE报文，并将其通过无线网络回传给测试主站。

发射机和接收机之间采用WiFi（IEEE 802.11n标准）网络通信。为了解决目前市场上WiFi产品在传输中存在的丢帧、延时、抖动、失步等问题，本发明对IEEE 802.11n 的WiFi关键通信机制进行技术改进，提高其传输性能。

（1）为保证采样值数据的优先、实时传输，避免射频天线同、临频干扰，本发明采用5.8GHz频率专门传输采样值，2.4GHz频率专门传输GOOSE报文，在射频端挂载不同频段的天线。

（2）为了克服数据丢帧问题，通过改变Wi-Fi的RTS/CTS握手协议，对采样裸数据进行单向重复发送，将传输效率提高10倍。同时采用单向广播通信模式，即所有间隔所需的电流、电压仿真数据统一组包发送，接收端再进行拆分处理，避免了不同间隔终端竞争信道使用权造成的退避等待延时，提高传输实时性。

（3）IEEE 802.11n协议规定，当接收端收到数据包后，将向发送端回传一个ACK包进行确认告知，若发送端没有收到接收端的ACK包，则认为该数据丢失，而一直重新发包，造成较大的数据延时和抖动。本发明对于个别多次传输仍然出错的数据帧，则直接将其抛弃，在应用层通过插值算法补齐，避免发送端一直重新发包。

（4）在接收端建立一块专用的内存区域用于接收数据的缓存处理，缓存时间为0~100ms可设置，精确到100μs级别。采用该机制能够实现数据抖动的完全消除，确保数据同步、平滑输出，为实际变电站二次系统提供高质量测试数据源。

进一步的，本发明根据智能变电站现场设备的实际分布情况，灵活选择最合理的数据传输模式和网络结构。对于无线信号条件较好的环境，可直接选择全无线传输。而室内型变电站存在墙体屏蔽等不利于无线数据传输的诸多因素，采用全无线模式会面临信号传输稳定性差等问题，则选择有线、无线相结合的传输模式。

本发明中的无线接收机和发送机均采用了如图5所示的BBU＋RRU的SDR架构。

该架构将收发机的基带部分和中频/射频部分分开，使基带处理单元集中放置，通过光纤与远端射频单元相连，使得设备布置更加灵活快捷。基于基带、射频相分离的结构设计，可以形成有线、无线不同组合的传输模式。

全无线传输模式，网络结构如图6所示，即所有间隔的实验数据收发均采用直接的Wi-Fi无线传输方式，适用于所有间隔都能良好接收无线信号的情况。

星形传输网络模式，网络结构如图7所示。星形组网时各间隔配备独立的基带处理单元，所有间隔共享一个射频单元，射频单元和每个基带单元直接相连，各间隔都是末端间隔。这种组网方式简单，信号经过的环节少，线路可靠性较高。这种结构适用于各测试间隔分布在室内，且较为集中的情况。通常将公共射频单元放置于GIS间门外或窗外，通过光纤或网线与就地放置的基带单元连接。

链形传输网络模式，网络结构如图8所示。链形组网时各间隔配备独立的基带处理单元，所有间隔共享一个射频单元，射频单元与每个基带单元串联，存在一个最远端间隔作为末端间隔。这种结构适用于呈带状分布的，设备密度较小的空间，可以方便布放线缆。实际应用中，由于智能变电站间隔汇控柜通常并排放置，因此该网络结构应用比较广泛。

混合传输网络模式，混合组网是星形和链形网络的组合，如图9所示，这种网络结构结合了各种方式的优点，适用于大多数变电站应用环境。

分布式数据终端将无线天线接收到的采样和状态量数据，进行同步、插值、缓存处理，然后转换成IEC61850-9-2格式报文和GOOSE报文，发送给继电保护装置、录波器等变电站二次设备，同时采集开关刀闸位置等信息，通过无线通道回传给测试主机。

通过比对继电保护装置和智能录波器接收到的采样值数据异同，开展稳态电气量同源比对测试；通过比对继电保护装置和智能录波器采集到的故障波形异同，开展暂态电气量同源比对测试。

分布式数据终端主要由FPGA实时处理模块、电源管理模块、时钟同步模块、CPU管理单元、以太网PHY、D/A转换器、功率放大器等组成，总体硬件结构如图10所示。

分布式数据终端有两个Wi-Fi接收模块，一个在5.8GHz频段接收采样信息，另一个在2.4GHz频段收发开关量及位置信息。5.8GHz频段采用广播通信模式，2.4GHz频段采用单播模式。

（1）分布式数据终端共有8个百兆以太网接口，其中4个用于传送4路一样的IEC61850-9-2报文，另外4个传送4路GOOSE报文。

分布式数据终端不仅能输出正常工况下的网络报文，还能够根据测试主机的远程控制命令输出异常网络报文，如品质异常、延时异常、失步、频率抖动、序号跳变、CRC校验码出错等报文，还能够输出大流量的网络风暴，以对智能录波器中的网络分析记录功能进行测试。

分布式数据终端还能够根据测试主机的远方控制指令，进行GOOSE虚端子的订阅与发布，以进行录波器虚端子图形化展示功能测试和保护装置监测信息异常预警功能测试。

（2）为了适应变电站中常规互感器不经合并单元直接连接二次装置的情况，分布式数据终端还能直接输出电流、电压模拟量信号。分布式数据终端有8个DA端子输出8路模拟量数据，通过航空插头方式连接到电流电压放大器，实现二次电流电压模拟量的输出。

进一步的，为确保不同分布式数据终端之间数据输出时间的高度同步，分布式数据终端和测试主机应具有完备的高精度对时功能。为了适应各种不同工况，确保系统守时精度，本发明采用以下三种方式相结合的对时方式。

①发射和接收端均配备独立的天基GPS对时系统，实现对时；

②发射和接收端各预留一个ST光口，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IEEE 1588主从对时模式，测试主机向分布式数据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。不同的分布式数据终端同步在10μs的精度范围内。

Claims (10)

1.一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将测试主机布置于智能录波器管理单元处，将数据终端布置于变电站一次配电装置电流电压互感器处；

步骤S2，根据变电站一次配电装置布置情况，选择全无线网络或有线无线网络相混合的传输模式，保证主机和数据终端之间的数据稳定传输；

步骤S3，测试主机通过仿真计算提供正常运行态及各类故障电流、电压值，并通过无线网络远程控制数据终端的输出；

步骤S4，数据终端通过无线网络接收测试主机的电流电压及控制指令，对智能录波器功能进行测试，并将采集到的一次设备开关量信号，反馈给测试主机；

步骤S5，测试人员通过综合分析录波器管理单元显示的数据和继电保护装置显示的采集数据，判断录波器功能是否正常。

2.根据权利要求1所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，步骤S2中，为了使仿真测试主机和数据终端能够适应变电站现场环境情况，将无线收发机的基带部分和中频/射频部分分开，使基带处理单元集中放置，通过光纤与远端射频单元相连，以形成有线、无线不同组合的传输模式，以适应各种结构的变电站。

3.根据权利要求1所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，步骤S3中，测试主机对继电保护装置开展通道测试、状态序列测试，通过整站电磁暂态实时仿真开展整组动态模拟测试；

测试主机提供故障录波波形回放功能，将实际故障波形回放到继电保护装置，检查其动作行为。

4.根据权利要求1所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，步骤S4中，对智能录波器测试的项目包括：录波器信号采集功能校验、录波器故障记录功能校验和网络分析记录功能校验。

5.根据权利要求1所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，步骤S4中，所述分布式数据终端可输出模拟量电压电流信号和数字量报文两种采样值。

6.根据权利要求1所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，步骤S4中，分布式数据终端将采集的一次设备的开关量位置信号通过无线WIFI反馈给仿真主机，并将仿真主机的跳合闸命令转化为开关量信号输出到一次设备跳合闸线圈。

7.根据权利要求1所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，步骤S5中，测试人员判断项目，包括稳态电气量信号同源比对测试和一次设备位置状态开关量输入信号正确性测试。

8.根据权利要求4所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，所述录波器故障记录功能校验包括保护装置动作信息和故障电气量波形信息。

9.根据权利要求4所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，网络分析记录功能校验，包括网络异常报文和流量异常报文冲击测试。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种智能故障录波器测试方法，其特征在于，所述仿真测试主机和分布式数据终端均配置有对时模块，以确保各个分布式数据终端之间数据输出的时间同步性。

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