CN111983379A - 一种直流线路行波保护现场测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种直流线路行波保护现场测试方法及系统，包括以下步骤：S100、设置上位机和测试主机；S200、通过测试主机进行电子式互感器数据仿真、协议编码、控制数据仿真、保护动作行为接收以及直流保护动作行为解析；S300、通过上位机配置信息，并根据配置信息生成测试数据；S400、通过上位机进行测试并对测试结果进行分析。本发明针对直流换流站中的特高压直流保护中的行波保护对于直流线路故障的保护能力，以验证直流线路发生故障时特高压直流保护动作行为的正确性，本发明可应用于特高压直流换流站投运前的现场测试，为直流输电安全稳定运行提供安全保障。

Description

一种直流线路行波保护现场测试方法及系统

技术领域

本发明涉及直流保护装置的测试技术领域，具体涉及一种直流线路行波保护现场测试方法及系统。

背景技术

直流特高压(UHVDC)是指±800kV及以上电压等级的直流输电及相关技术。直流特高压输电的主要特点是输送容量大、电压高，可用于电力系统非同步联网是目前超远距离最主要的输电方式。直流特高压输电系统由送端交流系统、整流站、直流输电线路、逆变站、受端交流系统五个部分构成，其中最重要的是换流站，而换流站的心脏换流变又是整个直流输电系统的重中之重。特高压直流保护系统用于实施监测换流器、滤波器、直流线路等设备及区域的各种运行状态，能快速保护换流站内的电气设备及直流输电线路免受电气故障损害。典型的特高压直流保护系统架构如图1所示，在直流保护系统中，保护主机同时要接收互感器及合并单元的采样值信息，控制主机的状态信号信息，开关及刀闸的分合状态信息。同时保护主机向控制主机及三取二装置发送保护动作信号。

直流线路发生故障时，控制系统会通过调整触发角的方式减小故障电流的增加，因此故障电流不会交流系统那样大，所以直流保护一般都是采用行波保护来快速判断线路故障。当线路发生故障时，电压和电流的前行波和反行波会在输电线路上传播，根据波阻抗以及采样的电压与电流值判断是否发生直流线路故障。但目前行波保护的实际定值需通过现场试验验证确认。为保证降压运行或单换流器运行时保护范围与正常电压时基本相同，定值需根据当前电压自动调整，各厂家的处理措施，实施原理都存在一定的差异。所以普通的直流保护静态测试基本上无法对直流线路的行波保护展开测试，这也给直流系统的安全稳定运行带来了非常大的隐患，目前阶段迫切需要一种检测方法能够在现场快速便捷地对直流保护中的行波保护，以提高直流系统保护的可靠性与安全性。

发明内容

本发明提出的一种直流线路行波保护现场测试方法及系统，可解决上述背景技术中的问题，为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种直流线路行波保护现场测试方法，包括以下步骤：

S100、设置上位机和测试主机；

S200、通过测试主机进行电子式互感器数据仿真、协议编码、控制数据仿真、保护动作行为接收以及直流保护动作行为解析；

S300、通过上位机配置信息，并根据配置信息生成测试数据；

S400、通过上位机进行测试并对测试结果进行分析。

进一步的，所述S300中配置信息包括采用状态序列，正常态的直流电流 I₁以及直流电压U₁、故障态的直流电流I₂与直流电压U₂，故障点距离、接地电阻，以及直流线路的结构参数。

进一步的，所述S300中测试数据的生成包括：

根据故障点距离以及直流线路的结构参数得出其故障阻抗R₁与L，再结合接地电阻R₂计算得出其阶跃时间常数τ＝L/(R₁+R₂)；

感性负载电压可以突变，所以直流电压故障时呈现单位阶跃响应函数：

t<0时，u(t)＝U₁

t>0时，u(t)＝U₂

电流的故障时的阶跃特性呈现一阶阶跃函数特性；

t<0时，i(t)＝I₁

t>0时，i(t)＝I₁+(I₂-I₁)(1-e^-t/τ)

并将上述连续函数离散化，离散周期为2μs，生成离散化的采样值测试数据。

根据行波保护动作需要生成测试所需要的控制信号分别将控制信号与故障前与故障后的状态进行时间上同步；

并由上位机将测试数据送至测试主机CPU系统。

进一步的，所述S200中电子式互感器数据仿真包括：

分别根据直流电子式电流与电压互感器的额定延时对离散化采样值测试数据进行二次采样，由于直流保护的采样率为10kHz，所以对原始测试数据采用移位抽点的方式生成离散周期Ts为100μs的采样值数据；

分别根据直流电流与电压互感器的二阶低通滤波参数电阻R与电容C进行数字滤波，滤波函数为：

其中，

Ts为离散采样周期，f(n)为输入离散函数，y(n)为输出离散函数。

进一步的，所述步骤S200中的协议编码包括：

按被仿真直流互感器的采样编码要求，在硬件驱动底层对采样信息进行编码；

直流电子式互感器使用曼码编码，仿真装置按照不同的编码波特率，对待发送的采样数据帧按字节逐位转换，直到一帧采样数据全部发送完毕，然后持续输出空闲位编码，直至新一帧采样数据的发送中断开始；

将所有采样点按顺序排列，根据协议类型动态调节数据集长度及采样值通道映射，协议输出同时附加起始符、采样计数器和CRC校验码，保证数据高速传输的稳定性；

数据发送过程与CRC校验过程并行处理，采用流水线控制模式；

当所有采样数据发送完毕后，同步实现传输数据的CRC校验计算，作为该帧采样数据的结束字节。

进一步的，所述步骤S200中的控制数据仿真包括：

按照IFC协议编码进行时序控制分别将故障前后的控制系统状态发送至被测直流保护装置。

进一步的，所述步骤S200中的直流保护动作行为解析包括：

通过独立的IFC接口分别接收直流输出至三取二装置的动作信号以及输出至控制系统的控制数据，对数据协议进行分析提取测试所需的直流保护动作行为，并将动作行为与测试数据进行动作行为映射从而获得最终的直流线路行波保护动作逻辑、动作时间的测试结果。

另一方面本发明还公开一种直流线路行波保护现场测试系统，包括以下单元：

保护动作行为接受单元，用于通过独立的IFC接口分别接收直流输出至三取二装置的动作信号以及输出至控制系统的控制数据；

直流保护动作行为解析单元，用于对保护动作行为接受单元接收的数据协议进行分析提取测试所需的直流保护动作行为，并将动作行为与测试数据进行动作行为映射从而获得最终的直流线路行波保护动作逻辑、动作时间的测试结果；

控制数据仿真单元，用于按照IFC协议编码进行时序控制分别将故障前后的控制系统状态发送至被测直流保护装置；

直流电子式互感器仿真单元，用于分别根据直流电子式电流与电压互感器的额定延时对离散化采样值测试数据进行二次采样以及分别根据直流电流与电压互感器的二阶低通滤波参数电阻R与电容C进行数字滤波；

协议编码单元，用于按被仿真直流互感器的采样编码要求，在硬件驱动底层对采样信息进行编码。

由上述技术方案可知，本发明的直流线路行波保护现场测试方法及系统，针对直流换流站中的特高压直流保护中的行波保护对于直流线路故障的保护能力，以验证直流线路发生故障时特高压直流保护动作行为的正确性。该方法主要应用于特高压直流换流站投运前的现场测试，为直流输电安全稳定运行提供安全保障。

本发明具有以下有益效果：

1、普适性，按照直流保护的整体外围架构搭建测试系统，以故障形态手动配置的方式生成测试数据，测试系统对于不同直流输电线路、不同厂家直流保护设备以及不同行波保护的实现方式测试方式具有普适性。

2、静态测试，采用静态测试的方式生成测试数据无需搭建复杂的动态仿真系统以及动态仿真回路。

3、直流电子式互感器特性仿真，根据直流电子式互感器的延时特性以及频率特性仿真直流电子式互感器的阶跃特性，可以得到直流线路行波保护真实的动作行为。

4、采用IFC协议仿真控制系统输出，无需外接控制系统就可以让直流保护有一个完整的动作特性。

5、采用IFC协议接收来自于保护给控制系统的控制命令以及保护给三取二装置的动作命令。可以对行波保护的动作逻辑以及动作时间特性进行分析。

6、采用自适应协议编码，可以根据不同厂家的私有协议进行协议编码，可同时兼容多厂家的保护测试。

7、便携性，无需搭建复杂的外围回路，直流保护的外围输入回路完全由测试系统提供，方便在换流站现场展开测试。

附图说明

图1是典型的特高压直流保护系统架构；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明的直流保护测试系统框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图2所示，本实施例所述的直流线路行波保护现场测试方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

S100、设置上位机和测试主机；

S200、通过测试主机进行电子式互感器数据仿真、协议编码、控制数据仿真、保护动作行为接收以及直流保护动作行为解析；

S300、通过上位机配置信息，并根据配置信息生成测试数据；

S400、通过上位机进行测试并对测试结果进行分析。

以下结合图3具体说明：

搭建直流线路行波保护测试系统:

如图3所示的直流线路行波保护保护测试系统主要由上位机、测试主机两部分组成，上位机软件负责人机交互并根据配置信息生成测试数据，再根据回采的保护动作行为完成测试工作。测试主机负责电子式互感器数据仿真、协议编码、控制数据仿真、保护动作行为接收以及保护动作行为解析工作。

人机交互:

配置测试所需信息，采用状态序列，正常态的直流电流I₁以及直流电压 U₁、故障态的直流电流I₂与直流电压U₂，故障点距离、接地电阻，以及直流线路的结构参数(每公里电感与电阻)。

测试数据生成:

根据故障点距离以及直流线路的结构参数得出其故障阻抗R₁与L，再结合接地电阻R₂计算得出其阶跃时间常数τ＝L/(R₁+R₂)。

感性负载电压可以突变所以直流电压故障时呈现单位阶跃响应函数：

t<0时，u(t)＝U₁

t>0时，u(t)＝U₂

电流的故障时的阶跃特性呈现一阶阶跃函数特性；

t<0时，i(t)＝I₁

t>0时，i(t)＝I₁+(I₂-I₁)(1-e^-t/τ)

并将上述连续函数离散化，离散周期为2μs。生成离散化的采样值测试数据。

根据行波保护动作需要生成测试所需要的控制信号分别将控制信号与故障前与故障后的状态进行时间上同步。

并由上位机将测试数据送至测试主机CPU系统。

直流电子式互感器仿真：

分别根据直流电子式电流与电压互感器的额定延时对离散化采样值测试数据进行二次采样，由于直流保护的采样率为10kHz，所以对原始测试数据采用移位抽点的方式生成离散周期Ts为100μs的采样值数据。

分别根据直流电流与电压互感器的二阶低通滤波参数电阻R与电容C进行数字滤波，滤波函数为

其中，

Ts为离散采样周期，f(n)为输入离散函数，y(n)为输出离散函数。

协议编码：

按被仿真直流互感器的采样编码要求，在硬件驱动底层对采样信息进行编码。直流电子式互感器主要使用曼码编码，仿真装置按照不同的编码波特率，对待发送的采样数据帧按字节逐位转换，直到一帧采样数据全部发送完毕，然后持续输出空闲位编码，直至新一帧采样数据的发送中断开始。

将所有采样点按顺序排列，根据协议类型动态调节数据集长度及采样值通道映射，协议输出同时附加起始符、采样计数器和CRC校验码，保证数据高速传输的稳定性。数据发送过程与CRC校验过程并行处理，采用流水线控制模式，通过牺牲处理器资源实现多模块的并行工作，模块与模块间运行时相互独立，并行占用内部硬件资源。当所有采样数据发送完毕后，同步实现传输数据的CRC校验计算，作为该帧采样数据的结束字节。

控制数据仿真：

按照IFC协议编码进行时序控制分别将故障前后的控制系统状态发送至被测直流保护装置。

直流动作行为分析：

通过独立的IFC接口分别接收直流输出至三取二装置的动作信号以及输出至控制系统的控制数据，对数据协议进行分析提取测试所需的直流保护动作行为，并将动作行为与测试数据进行动作行为映射从而获得最终的直流线路行波保护动作逻辑、动作时间的测试结果。

具体的说，本实例的上位机软件采用LABVIEW编程，界面友好易于操作，并具有丰富的函数接口。通过电以太网与测试主机交互采样测试报文以及控制报文，实现直流互感器采样数据与控制数据的输出以及直流保护动作行为的分析。

主CPU系统采用赛灵思公司(Xilinx)的Zynq-7000，Zynq-7000可扩展处理平台是采用赛灵思新一代FPGA(Artix-7与Kintex-7FPGA)所采用的同一28nm可编程技术的最新产品系列。可编程逻辑可由用户配置，并通过“互连”模块连接在一起，这样可以提供用户自定义的任意逻辑功能，从而扩展处理系统的性能及功能。

Zynq-7000为双CPU架构集成了ARM与FPGA的功能，ARM负责与上位机通信以及电子式互感器仿真，FPGA负责与保护装置通信、协议编码、控制数据仿真以及保护动作行为接收。

具备多组光纤发送与接收模块，可同时输出多路直流互感器仿真数据以及控制系统仿真数据，并同时接收来自保护的不同动作信号；光纤数字发送模块采用Avago公司的HFBR1414串行光纤发送器件，光纤数字发送模块采用 Avago公司的HFBR2418串行光纤发送器件，具备高速的光信号传输能力，可满足多数波特率下的串行数据发送需求。HFBR1414与HFBR2418光纤发送接收器件均采用Tube封装方式的ST接口，工作温度-40至85度，最大上升时间:6.5ns，最大下降时间:6.5ns，脉冲宽度失真:7.56ns。

同时，本发明实施例还公开一种直流线路行波保护现场测试系统，

包括以下单元：

保护动作行为接受单元，用于通过独立的IFC接口分别接收直流输出至三取二装置的动作信号以及输出至控制系统的控制数据；

直流保护动作行为解析单元，用于对保护动作行为接受单元接收的数据协议进行分析提取测试所需的直流保护动作行为，并将动作行为与测试数据进行动作行为映射从而获得最终的直流线路行波保护动作逻辑、动作时间的测试结果；

控制数据仿真单元，用于按照IFC协议编码进行时序控制分别将故障前后的控制系统状态发送至被测直流保护装置；

直流电子式互感器仿真单元，用于分别根据直流电子式电流与电压互感器的额定延时对离散化采样值测试数据进行二次采样以及分别根据直流电流与电压互感器的二阶低通滤波参数电阻R与电容C进行数字滤波；

协议编码单元，用于按被仿真直流互感器的采样编码要求，在硬件驱动底层对采样信息进行编码。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：

包括以下步骤：

S100、设置上位机和测试主机；

S200、通过测试主机进行电子式互感器数据仿真、协议编码、控制数据仿真、保护动作行为接收以及直流保护动作行为解析；

S300、通过上位机配置信息，并根据配置信息生成测试数据；

S400、通过上位机进行测试并对测试结果进行分析。

2.根据权利要求1所述的直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：所述S300中配置信息包括采用状态序列，正常态的直流电流I₁以及直流电压U₁、故障态的直流电流I₂与直流电压U₂，故障点距离、接地电阻，以及直流线路的结构参数。

3.根据权利要求2所述的直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：所述S300中测试数据的生成包括：

根据故障点距离以及直流线路的结构参数得出其故障阻抗R₁与L，再结合接地电阻R₂计算得出其阶跃时间常数τ＝L/(R₁+R₂)；

感性负载电压可以突变，所以直流电压故障时呈现单位阶跃响应函数：

t<0时，u(t)＝U₁

t>0时，u(t)＝U₂

电流的故障时的阶跃特性呈现一阶阶跃函数特性；

t<0时，i(t)＝I₁

t>0时，i(t)＝I₁+(I₂-I₁)(1-e^-t/τ)

并将上述连续函数离散化，离散周期为2μs，生成离散化的采样值测试数据。

根据行波保护动作需要生成测试所需要的控制信号分别将控制信号与故障前与故障后的状态进行时间上同步；

并由上位机将测试数据送至测试主机CPU系统。

4.根据权利要求1所述的直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：所述S200中电子式互感器数据仿真包括：

分别根据直流电子式电流与电压互感器的额定延时对离散化采样值测试数据进行二次采样，由于直流保护的采样率为10kHz，所以对原始测试数据采用移位抽点的方式生成离散周期Ts为100μs的采样值数据；

分别根据直流电流与电压互感器的二阶低通滤波参数电阻R与电容C进行数字滤波，滤波函数为：

其中，

Ts为离散采样周期，f(n)为输入离散函数，y(n)为输出离散函数。

5.根据权利要求1所述的直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：

所述步骤S200中的协议编码包括：

按被仿真直流互感器的采样编码要求，在硬件驱动底层对采样信息进行编码；

直流电子式互感器使用曼码编码，仿真装置按照不同的编码波特率，对待发送的采样数据帧按字节逐位转换，直到一帧采样数据全部发送完毕，然后持续输出空闲位编码，直至新一帧采样数据的发送中断开始；

将所有采样点按顺序排列，根据协议类型动态调节数据集长度及采样值通道映射，协议输出同时附加起始符、采样计数器和CRC校验码，保证数据高速传输的稳定性；

数据发送过程与CRC校验过程并行处理，采用流水线控制模式；

当所有采样数据发送完毕后，同步实现传输数据的CRC校验计算，作为该帧采样数据的结束字节。

6.根据权利要求1所述的直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：

所述步骤S200中的控制数据仿真包括：

按照IFC协议编码进行时序控制分别将故障前后的控制系统状态发送至被测直流保护装置。

7.根据权利要求1所述的直流线路行波保护现场测试方法，其特征在于：

所述步骤S200中的直流保护动作行为解析包括：

通过独立的IFC接口分别接收直流输出至三取二装置的动作信号以及输出至控制系统的控制数据，对数据协议进行分析提取测试所需的直流保护动作行为，并将动作行为与测试数据进行动作行为映射从而获得最终的直流线路行波保护动作逻辑、动作时间的测试结果。

8.一种直流线路行波保护现场测试系统，其特征在于：

包括以下单元：

保护动作行为接受单元，用于通过独立的IFC接口分别接收直流输出至三取二装置的动作信号以及输出至控制系统的控制数据；

直流保护动作行为解析单元，用于对保护动作行为接受单元接收的数据协议进行分析提取测试所需的直流保护动作行为，并将动作行为与测试数据进行动作行为映射从而获得最终的直流线路行波保护动作逻辑、动作时间的测试结果；

控制数据仿真单元，用于按照IFC协议编码进行时序控制分别将故障前后的控制系统状态发送至被测直流保护装置；

直流电子式互感器仿真单元，用于分别根据直流电子式电流与电压互感器的额定延时对离散化采样值测试数据进行二次采样以及分别根据直流电流与电压互感器的二阶低通滤波参数电阻R与电容C进行数字滤波；

协议编码单元，用于按被仿真直流互感器的采样编码要求，在硬件驱动底层对采样信息进行编码。

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