CN112034295A - 基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统及方法，由线路本侧测试单元与对侧测试单元，每个测试单元内部包括北斗通信模块、数据仿真模块与数据接口模块；北斗通信模块接收卫星对时报文实现时钟同步，同时通过短报文与对侧测试单元交互试验控制信息与试验结果；数据仿真模块按输入的系统运行参数仿真保护装置所需的试验虚拟数据；数据接口模块向保护装置输出试验采样模拟量与开关位置信息，同时采集保护装置输出的跳闸信息。本发明可解决目前在变电站现场缺乏线路光纤差动保护的系统化调试技术，以满足电力系统用户对线路保护装置现场检测的需求。

Description

基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统变电站二次设备测试技术领域，具体涉及一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统及方法。

背景技术

光纤差动保护灵敏度高、动作性强、可快速有效的切除区内故障，是电力系统高压线路的主要保护方式。随着计算机、通信技术的不断发展，线路光纤差动保护在电力系统中的应用日益广泛，其保护装置的可靠性也一直是行业研究的热点。光纤差动保护需要获取本侧与对侧的电气量信息，其动作判据涉及到采样值、开关位置、对侧状态等多种信号，如何高效准确的验证其系统的可靠性，对保障电网的稳定运行有重要的意义。

保护装置测试包括出厂测试与现场调试，出厂测试主要用于对装置的保护逻辑与外部接口进行验证，测试方法简单，但在变电站的建设过程中保护装置存在装置运输、现场安装、信号接入等各种不确定因素，其在变电站投运后的实际运行状况可能会与前期测试结果存在出入。由于光纤差动保护系统涉及的信号较多，信号源相距较远，线路保护装置的现场测试工作一直是困扰调试人员的问题。目前，光纤差动保护在变电站现场一般通过就地模拟对侧信号，虚拟电力系统故障环境的方式，定性的验证保护的动作准确性。这种测试方法不易确定保护配置及其定值整定的合理性，也无法验证对侧信号的传输链路是否存在问题，缺乏对线路保护的系统性调试。现场也有采用GPS对时实现的保护测试仪同步调试方法，但测试点的两端需要通过人工方式控制试验流程，操作繁琐，测试采用的虚拟数据也不具备系统关联性，无法全面验证被测线路保护装置与实际运行工况的契合度。

发明内容

本发明提出的一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统及方法，可解决目前在变电站现场缺乏线路光纤差动保护的系统化调试技术，就地单体调试时不易验证保护配置合理性，无法测试对侧信号的传输链路，同步对时调试时操作繁琐，测试数据不具备系统性等问题，以满足电力系统用户对线路保护装置现场检测的需求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统，包括线路本侧测试单元与对侧测试单元，每个测试单元内部包括北斗通信模块、数据仿真模块与数据接口模块；

北斗通信模块接收卫星对时报文实现时钟同步，同时通过短报文与对侧测试单元交互试验控制信息与试验结果；

数据仿真模块按输入的系统运行参数仿真保护装置所需的试验虚拟数据；

数据接口模块向保护装置输出试验采样模拟量与开关位置信息，同时采集保护装置输出的跳闸信息；

对侧测试单元将对侧保护装置的测试结果通过北斗系统短报文反馈回本侧测试单元。

进一步的，测试单元内部通过串口和PPS秒脉冲接收北斗通信模块的对时报文。

另一方面，本发明还公开一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，基于上述测试系统，包括以下步骤：

S100、测试系统建模；

S200、测试单元同步；

S300、本侧与对侧试验通信；

S400、故障仿真计算；

S500、测试数据接口交互；

S600、测试结果反馈；

其中，S100具体包括：

按照被测线路保护本侧与对侧的实际系统架构，采用图形化方式搭建输电系统仿真模型，输入现场实际原件参数，确定互感器采样节点与故障节点，实现被测线路的系统化建模；

本侧与对侧的测试单元按照相同的架构及参数建模，保证后需仿真计算测试数据的一致性。

进一步的，所述采用图形化方式搭建输电系统仿真模型包括电源、母线、开关、线路、负载、电流互感器、电压互感器各元件，且元件内部参数可设置；

线路模型支持π模型与Bergeron模型，可设置线路长度、正序参数与零序参数，适合不同长度与仿真精度需求；

互感器可设置一次额定值与二次额定值，模拟实际系统运行环境；

所有元件可任意拖动、旋转与增减，元件间通过手动连线方式耦合，系统建模完成后，自动检测元件间连接关系的正确性，当存在未接入系统的异常元件时告警提示。

进一步的，所述S200测试单元同步包括将两个测试单元分别放置在变电站线路的本侧与对侧线路保护装置处，连接模拟量测试线与开关量测试线，然后开机，待北斗对时模块启动后接收北斗卫星授时信号，实现装置对时同步，保证本侧与对侧保护测试数据的一致性。

进一步的，所述S300本侧与对侧试验通信具体包括本侧与对侧测试单元均对时同步后，工作人员按测试项目要求，在本侧测试单元上设置故障序列数、故障位置、故障类型、试验开始时间各参数，然后通过北斗卫星系统的短报文通信，将相关试验参数传输至对侧测试单元。

进一步的，所述S400故障仿真计算包括：

根据S300确定的系统故障信息，测试单元输入仿真模型拓扑，创建阻抗矩阵，通过迭代计算求解代数方程，获取模型系统中本侧与对侧电流互感器的节点电流与电压互感器的节点电压，产生被测线路保护装置所需的模拟量采样。

进一步的，所述S500测试数据接口交互具体包括：

本侧与对侧测试单元经过S200对时同步后，在S400仿真计算结束后，按照S300确定的试验开始绝对时间，同步开始试验，分别向本侧与对侧的被测线路保护装置注入虚拟采样模拟量；同时按照试验确定的线路开关预设位置向被测线路保护装置注入虚拟开关量；

试验开始后，测试单元还实时采集被测线路保护装置输出的跳闸信号，实现系统化闭环测试；

试验数据全部注入完毕后，经固定延迟停止试验，进入S600向用户反馈测试结果。

进一步的，所述S600测试结果反馈具体包括：

S500结束试验停止后，本侧与对侧测试单元分别记录相应保护装置的动作信息及动作绝对时间，然后对侧测试单元再将相关信息通过北斗卫星系统的短报文通信，回传至本侧测试单元，由本侧测试单元汇总两个被测线路保护的试验结果并反馈给用户。

由上述技术方案可知，为了解决现有的变压器保护测试技术缺乏现场性，无法综合评估变压器保护在变电站投运后的实际性能及长期稳定性，现场采样测试时没有将互感器纳入检测范围，变压器保护的现场测试工作不易开展，尚不支持转换性故障的现场闭环测试等问题，本发明具有以下特点：

1、采用仿真测试源就地注入测试。按照被测线路保护装置的实际系统接线方式，建立仿真模型，获取线路本侧与对侧保护装置的系统化测试虚拟数据，在不改变两侧保护通信光纤的前提下就地注入测试信号，最大程序保证了被测系统的完整性与真实性，全面有效的系统化评估被测线路保护装置可能存在的问题。

2、基于北斗卫星系统实现试验通信。采用北斗卫星系统的短报文通信技术，与线路对侧交互试验数据，解决了传统GPS对时测试的试验控制交互问题。对侧测试单元在现场接线完毕后，后续测试项目无需工作人员参与，可实现试验流程的自动同步控制；试验结束后，对侧保护的测试结果也可自动反馈回本侧，实现对被测线路保护的系统性评估。

3、分布式故障仿真计算。所有测试单元预先按照统一架构搭建系统模型，试验过程中，由本侧测试单元将设置的故障参数与试验控制参数无线传递至对侧测试单元，然后两侧测试单元各自进行故障仿真计算，获取相关节点的虚拟测试数据。分布式的故障仿真计算可有效解决北斗通信数据带宽小的问题，在保证仿真结果一致性的前提下提高了计算效率，适应线路光纤差动保护现场测试的需求。

4、可检测光纤通信回路。测试过程中无需更改两侧线路保护光纤通信链路的原始接线，将光纤通信回路整体纳入被测系统内，避免常规现场测试时插拔光纤对链路的破坏，测试结果也更符合实际运行工况。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明现场测试步骤示意图；

图3是本发明测试单元同步流程。

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。

本发明基于北斗卫星系统的光纤差动保护现场仿真测试系统架构如图1所示。测试系统由线路本侧测试单元与对侧测试单元组成，每个测试单元内部包括北斗通信模块、数据仿真模块与数据接口模块三部分。北斗通信模块接收卫星对时报文实现时钟同步，同时通过短报文与对侧测试单元交互试验控制信息与试验结果；数据仿真模块按输入的系统运行参数仿真保护装置所需的试验虚拟数据；数据接口模块向保护装置输出试验采样模拟量与开关位置信息，同时采集保护装置输出的跳闸信息。

本发明的技术实施步骤如图2所示：准备试验前，首先按照被测光纤差动保护实际运行的系统环境，在两个测试单元上均搭建统一的输电线路系统仿真模型。试验时，在被测线路的本侧与对侧分别放置测试单元，通过北斗卫星授时同步，完成两个测试单元的时间一致性。用户确认测试方案后，由本侧测试单元将试验过程参数化，并将故障仿真及时间信息通过北斗系统短报文通信方式，传输至对侧测试单元。试验参数通信结束后，两台测试单元分别仿真计算各自的相关故障数据，并在指定的时刻同步输出测试数据至线路保护装置，同时采集线路保护装置的动作跳闸信号，记录动作时间。最后，对侧测试单元将对侧保护装置的测试结果通过北斗系统短报文反馈回本侧测试单元，由本侧测试单元评估系统测试结果。

具体步骤如下：

步骤1：测试系统建模

按照被测线路保护本侧与对侧的实际系统架构，采用图形化方式搭建输电系统仿真模型，输入现场实际原件参数，确定互感器采样节点与故障节点，实现被测线路的系统化建模。

本侧与对侧的测试单元按照相同的架构及参数建模，保证后需仿真计算测试数据的一致性。

步骤1在准备进行现场测试前完成，也可采用测试单元预置的典型输电系统模型，实现快速系统建模。

步骤1完成后，即可到变电站现场执行后续步骤。

步骤2：测试单元同步

将两个测试单元分别放置在变电站线路的本侧与对侧线路保护装置处，连接模拟量测试线与开关量测试线，然后开机，待北斗对时模块启动后接收北斗卫星授时信号，实现装置对时同步，保证本侧与对侧保护测试数据的一致性。

步骤2完成后，进入步骤3，由本侧向对侧传输试验参数。

步骤3：试验参数通信

本侧与对侧测试单元均对时同步后，工作人员按测试项目要求，在本侧测试单元上设置故障序列数、故障位置、故障类型、试验开始时间等参数，然后通过北斗卫星系统的短报文通信，将相关试验参数传输至对侧测试单元。

步骤3完成后，本侧与对侧测试单元分别进入步骤4，仿真计算试验测试数据。

步骤4：故障仿真计算

根据步骤3确定的系统故障信息，测试单元输入仿真模型拓扑，创建阻抗矩阵，通过迭代计算求解代数方程，获取模型系统中本侧与对侧电流互感器的节点电流与电压互感器的节点电压，产生被测线路保护装置所需的模拟量采样。

步骤4完成后，测试单元进入试验启动等待状态，进入步骤5

步骤5：试验数据注入及采集

本侧与对侧测试单元经过步骤2对时同步后，在步骤4仿真计算结束后，按照步骤3确定的试验开始绝对时间，同步开始试验，分别向本侧与对侧的被测线路保护装置注入虚拟采样模拟量。同时按照试验3确定的线路开关预设位置向被测线路保护装置注入虚拟开关量。

试验开始后，测试单元还实时采集被测线路保护装置输出的跳闸信号，实现系统化闭环测试。

试验数据全部注入完毕后，经固定延迟停止试验，进入步骤6向用户反馈测试结果。

步骤6：试验结果反馈

步骤5结束试验停止后，本侧与对侧测试单元分别记录相应保护装置的动作信息及动作绝对时间，然后对侧测试单元再将相关信息通过北斗卫星系统的短报文通信，回传至本侧测试单元，由本侧测试单元汇总两个被测线路保护的试验结果并反馈给用户。

如图3所示，测试单元内部通过串口和PPS秒脉冲接收北斗通信模块的对时报文。对时报文采用NMEA0183协议的GPZDA报文格式，包括38个字节的ASCII码字符。测试单元首先检测GPZDA报文起始符，然后将读入的绝对时间信息缓存，并校验报文是否正确。同时监测对时PPS秒脉冲，微调测试单元内部的系统时钟频率，并补偿时钟的相差。最后用同步后的系统时钟产生内部中断信号，并通过缓存的绝对时间信息预估内部中断的时标，实现测试单元软件中断与北斗卫星绝对时间的关联。

进一步说明，本发明涉及的基于北斗卫星系统的光纤差动保护现场仿真测试方法具体实施如下：

1、测试系统建模

采用图形化方式搭建输电系统仿真模型，包括电源、母线、开关、线路、负载、电流互感器、电压互感器等元件，且元件内部参数可设置。线路模型支持π模型与Bergeron模型，可设置线路长度、正序参数与零序参数，适合不同长度与仿真精度需求；互感器可设置一次额定值与二次额定值，模拟实际系统运行环境。

所有元件可任意拖动、旋转与增减，元件间通过手动连线方式耦合，系统建模完成后，自动检测元件间连接关系的正确性，当存在未接入系统的异常元件时告警提示。

2、测试单元同步

测试单元同步流程如图3所示。测试单元内部通过串口和PPS秒脉冲接收北斗通信模块的对时报文。对时报文采用NMEA0183协议的GPZDA报文格式，包括38个字节的ASCII码字符。测试单元首先检测GPZDA报文起始符，然后将读入的绝对时间信息缓存，并校验报文是否正确。同时监测对时PPS秒脉冲，微调测试单元内部的系统时钟频率，并补偿时钟的相差。最后用同步后的系统时钟产生内部中断信号，并通过缓存的绝对时间信息预估内部中断的时标，实现测试单元软件中断与北斗卫星绝对时间的关联。

3、本侧与对侧试验通信

本侧测试单元与对侧测试单元通过北斗卫星系统的短报文传输实现试验数据通信。当本侧单元需要将数据发送至对侧单元时，软件将通信数据及对侧ID号通过串口写入北斗通信模块，并发送至北斗卫星，北斗卫星将数据转发入地面的处理中心，由处理中心再通过北斗卫星转发至对侧单元的北斗通信模块，最终实现数据通信。受北斗短报文传输机制的限制，每次通信最大传输数据210字节数据，最大传输频率1赫兹，传输时延约为0.5秒。

4、故障仿真计算

所有测试单元预先按实际被测系统建立模型，试验过程中，根据实际试验项目方案，实时调整故障参数，然后仿真计算测试虚拟数据。

本侧测试单元的故障仿真参数由用户设置，为实现线路保护系统的自动同步测试，针对北斗短报文通信传输数据带宽小的特点，仅通过北斗通信将本侧的故障参数传输至对侧，然后两侧分别按照相同的系统预建模与故障参数仿真计算测试数据。为简化故障参数的大小，并满足线路保重合闸的特点，需要传输的故障参数包括：“故障节点位置”、“故障相”、“故障类型”、“相间电阻”、“接地电阻”、“故障1开始时间”、“故障1跳闸时间”、“故障2开始时间”、“故障2跳闸时间”等。

两侧测试单元获取故障参数后，由数据仿真模块综合系统模型与故障模型，建立矩阵方程，迭代求解获取互感器模型节点的电流或电压数据，按互感器变比设置，转换为线路保护装置测试所需的采样瞬时值数据。

5、测试数据接口交互

每个测试单元与被测线路保护装置交互的测试数据包括：电流模拟量、电压模拟量、开关位置开关量与保护跳闸开关量。

测试单元的数据接口模块包括DA转换回路、TTL电平输出回路与TTL电平采集回路。DA转换回路负责将仿真计算获取的采样值数字量，通过SPI接口传输至DA芯片，并在软件中断时刻同步启动所有DA通道的信号转换，实现模拟量电流/电压采样的同步输出；TTL电平输出回路负责按仿真设置，在制定的时刻输出TTL电平信号，经光耦后驱动继电器，向被测线路保护装置提供虚拟的线路开关位置，模拟系统实际运行情况；TTL电平采集回路负责监测经光耦隔离的被测线路保护跳闸开关量是否变位，同时记录变位时刻。

结合“模拟量输出绝对时刻”、“故障开始相对时间”与“保护跳闸开关量动作时间”等试验信息，测试单元可以获取被测线路保护的整组动作时间，实现保护闭环测试。

综上所述，本发明的技术解决方案如图1所示：测试系统由线路本侧测试单元与对侧测试单元组成，每个测试单元内部包括北斗通信模块、数据仿真模块与数据接口模块三部分。北斗通信模块接收卫星对时报文实现时钟同步，同时通过短报文与对侧测试单元交互试验控制信息与试验结果；数据仿真模块按输入的系统运行参数仿真保护装置所需的试验虚拟数据；数据接口模块向保护装置输出试验采样模拟量与开关位置信息，同时采集保护装置输出的跳闸信息。

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 (9)

1.一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统，其特征在于：包括线路本侧测试单元与对侧测试单元，每个测试单元内部包括北斗通信模块、数据仿真模块与数据接口模块；

北斗通信模块接收卫星对时报文实现时钟同步，同时通过短报文与对侧测试单元交互试验控制信息与试验结果；

数据仿真模块按输入的系统运行参数仿真保护装置所需的试验虚拟数据；

数据接口模块向保护装置输出试验采样模拟量与开关位置信息，同时采集保护装置输出的跳闸信息；

对侧测试单元将对侧保护装置的测试结果通过北斗系统短报文反馈回本侧测试单元。

2.根据权利要求1所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试系统，其特征在于：测试单元内部通过串口和PPS秒脉冲接收北斗通信模块的对时报文。

3.一种基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，基于权利要求1或2的测试系统，其特征在于：

包括以下步骤：

S100、测试系统建模；

S200、测试单元同步；

S300、本侧与对侧试验通信；

S400、故障仿真计算；

S500、测试数据接口交互；

S600、测试结果反馈；

其中，S100具体包括：

按照被测线路保护本侧与对侧的实际系统架构，采用图形化方式搭建输电系统仿真模型，输入现场实际原件参数，确定互感器采样节点与故障节点，实现被测线路的系统化建模；

本侧与对侧的测试单元按照相同的架构及参数建模，保证后需仿真计算测试数据的一致性。

4.根据权利要求3所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，其特征在于：

所述采用图形化方式搭建输电系统仿真模型包括电源、母线、开关、线路、负载、电流互感器、电压互感器各元件，且元件内部参数可设置；

线路模型支持π模型与Bergeron模型，可设置线路长度、正序参数与零序参数，适合不同长度与仿真精度需求；

互感器可设置一次额定值与二次额定值，模拟实际系统运行环境；

所有元件可任意拖动、旋转与增减，元件间通过手动连线方式耦合，系统建模完成后，自动检测元件间连接关系的正确性，当存在未接入系统的异常元件时告警提示。

5.根据权利要求4所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，其特征在于：所述S200测试单元同步包括将两个测试单元分别放置在变电站线路的本侧与对侧线路保护装置处，连接模拟量测试线与开关量测试线，然后开机，待北斗对时模块启动后接收北斗卫星授时信号，实现装置对时同步，保证本侧与对侧保护测试数据的一致性。

6.根据权利要求5所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，其特征在于：

所述S300本侧与对侧试验通信具体包括本侧与对侧测试单元均对时同步后，工作人员按测试项目要求，在本侧测试单元上设置故障序列数、故障位置、故障类型、试验开始时间各参数，然后通过北斗卫星系统的短报文通信，将相关试验参数传输至对侧测试单元。

7.根据权利要求6所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，其特征在于：所述S400故障仿真计算包括：

根据S300确定的系统故障信息，测试单元输入仿真模型拓扑，创建阻抗矩阵，通过迭代计算求解代数方程，获取模型系统中本侧与对侧电流互感器的节点电流与电压互感器的节点电压，产生被测线路保护装置所需的模拟量采样。

8.根据权利要求7所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，其特征在于：所述S500测试数据接口交互具体包括：

本侧与对侧测试单元经过S200对时同步后，在S400仿真计算结束后，按照S300确定的试验开始绝对时间，同步开始试验，分别向本侧与对侧的被测线路保护装置注入虚拟采样模拟量；同时按照试验确定的线路开关预设位置向被测线路保护装置注入虚拟开关量；

试验开始后，测试单元还实时采集被测线路保护装置输出的跳闸信号，实现系统化闭环测试；

试验数据全部注入完毕后，经固定延迟停止试验，进入S600向用户反馈测试结果。

9.根据权利要求8所述的基于北斗系统的光纤差动保护现场仿真测试方法，其特征在于：所述S600测试结果反馈具体包括：

S500结束试验停止后，本侧与对侧测试单元分别记录相应保护装置的动作信息及动作绝对时间，然后对侧测试单元再将相关信息通过北斗卫星系统的短报文通信，回传至本侧测试单元，由本侧测试单元汇总两个被测线路保护的试验结果并反馈给用户。

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