CN201017016Y - 电力设备综合自动化检测装置 - Google Patents

Abstract

电力设备综合自动化检测装置。涉及电力系统综合自动化测试领域。它包括相互连接的上位机PC、下位机DSP、功放；上位机PC与下位机DSP之间连接有PCI桥，PCI桥中设有双口RAM；功放与下位机DSP之间设有一采样电路，采样电路中串接有模数转换器；所述的上位机PC中设记录有上层软件的存储器；下位机DSP中设记录有下层软件的存储器。它将程序集中录入PC中，在PC上选择好功能模式，通过PCI桥，将数据传入DSP的ROM中，再由DSP执行。一方面它方便了程序的升级操作，因为在PC中能很方便的实现这种调整；另一方面，PCI桥的设置能实现这种大流量数据的传输，同时PCI桥还能同时对数据进行回采，以及数据的精度。

Description

电力设备综合自动化检测装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统综合自动化测试领域，特别是满足电力系统综合自动化装置的闭路测试的仪器。

背景技术

随着电力设备综合自动化技术的进步，在电力调配站、所中设置有大量的为保证电力系统正常运行而设置的二次设备。这些设备需承担电力线路运行状态的监控、调整工作。比如，在电力线路发生短路时，继电保护装置能根据线路电流、电压等参数的变化，迅速做出切断故障线路的动作。需要这些承担重大责任的设备，在长期运行中，随时保持良好的性能。但这些设备本身的性能，能否准确地做出动作反应，需要定期进行检测。这就需要一种专门的检测仪器对其进行检测。

1)当前电力设备综合自动化的技术状况

在电力系统的二次设备中，继电保护装置(Relay)和远动监控装置(RTU)是主要也是最重要的两种设备，随着计算机技术的发展，这两种设备越来越有联合的趋势，现在绝大多数中低压线路中，这两种设备已完全集中在一个设备中，这就是电力系统综合自动化装置。

2)当前测试方法

当前对于电力系统综合自动化设备的测试，还是采用陈旧的方案：继电保护测试仪+远动监控测试仪。对于一台综合自动化装置，必须携带两种体积和重量都比较大的测试设备，有的甚至要3、4台大设备。这样现场操作很不方便，而且维护成本和生产成本很高。

由于是独立测试，对于电力系统综合自动化装置的测试不可能很全面，许多电力系统保护测试仪或远动监控测试仪都不能闭环测试，测试功能单一。

3)测试趋势

在电力系统自动控制设备中，很多二次设备越来越有集中统一的趋势，例如很多国外的各种保护、监控装置，其硬件结构完全一致，针对不同的保护要求，只要修改其软件代码就行，在一个变电站中，各种二次设备的硬件基本一致。这样在最麻烦的硬件设施上充分保证了可靠性和可维护性。

因此对于电力系统的检测装置设备有三个主要要求：

a.集中统一，最好能在一个平台上实现很多二次设备的检测，这样测试方便，硬件可靠，维修方便。

b.能闭环自动测试，减少测试干扰，提高测试准确性，即用户把检测装置和被测装置接好线后，设置参数，运行检测装置，自动根据设置检测被测装置，被测装置把测试结果通过通讯线路发送到检测装置上，检测装置根据测试结果自动给出测试报告。

c.功能比较完善，测试系统能检测包括所有电力系统自动化设备的功能。真正做到一机多用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种集成为一体，便于携带，具有通用性和开放性的电力设备综合自动化检测装置。它能实现闭环测试；完成各种保护功能的在线检测和监控的遥控、遥测、遥信等测试，能和被测装置进行数据通讯，将测试结果自动显示在测试报告上。

本实用新型的技术方案是：它包括相互连接的上位机PC、下位机DSP、功放；下位机DSP上设有定时时钟电路，上位机PC与下位机DSP之间设有定时中断电路；上位机PC、功放上分别设有连接被测设备的接口，所述的上位机PC、下位机DSP、功放设置在一盒体内，盒体上设有插口，插口连接所述接口；上位机PC与下位机DSP之间连接有PCI桥，PCI桥中设有双口RAM；功放与下位机DSP之间设有一采样电路，采样电路中串接有模数转换器；所述的上位机PC中设记录有上层软件的存储器；下位机DSP中设记录有下层软件的存储器。

所述的下位机DSP中包括DSP、DSP板、存贮器，以及模拟输入、模拟输出、数字量输出、数字量输入、仿真接口。

它还设有看门狗与电源监测电路。

本实用新型改变了原专用化检测设备的模式，实现了一机多用。它将程序集中录入PC中，在PC上选择好功能模式，通过PCI桥，将数据传入DSP的ROM中，再由DSP执行。一方面它方便了程序的升级操作，因为在PC中能很方便的实现这种调整；另一方面，PCI桥的设置能实现这种大流量数据的传输，同时PCI桥还能同时对数据进行回采，以及数据的精度。

它能方便用户在现场的常规测试和制造厂商的开发调试；而且提供了一个电力系统二次设备的测试的开放通用平台，可以方便用户开发如发电机励磁测试和电力系统仿真设计等。将继电保护测试仪和综合自动化测试仪两种设备集中在一个设备上，体积小，集中在一个机箱中，方便现场操作；使之集成为一种便携化的测试仪器。

附图说明

图1是本实用新型系统结构示意图

图2是本实用新型中上、下位机接口通讯示意图

图3是背景技术中常规保护仪器的结构示意图

图4是背景技术中常规监测仪器的结构示意图

图5是下位机结构框图

具体实施方式

本实用新型综合了电力系统保护和远动控制(即电力系统综合自动化)等多种测试单元。

如图1，本实用新型采用上下位机的设计方式：上位机为PC机，下位机由DSP+FPGA(DSP控制板)组成。多个测试单元共用功率放大器和D/A、A/D电路，不同的就是上位机上的上层功能软件。

本实用新型通过PC机向DSP控制板下载程序和控制指令，由DSP控制板控制数据的输出和采集，经过计算处理后上传到PC板，由用户控制或事先设置的自动测试完成检测工作；另外本实用新型通过串口与被测装置相连，通过对被测装置的控制(利用通讯协议)完成对电力系统综合自动化装置的功能测试和自动测试。

由图1可以看出整个仪器有上位机、下位机和功率放大器组成。上下位机通过PCI桥交换数据，上位机和被测装置通过串口/网络通讯，整个检测系统完成一个闭环。

本实用新型的硬件设计有以下几个功能：

1.模拟量输出：系统输出16路D/A，经功放放大输出；

2.模拟量采样：16路A/D输入，并送入PC机计算出幅值、相位、频率等；

3.开关量输入：16路开入量，用于保护和其他功能；

4.开关量输出：16路开出量，输出接点和脉冲信号；

5.数据通讯：通过串口和网络与被测装置数据交换。数据交换符合各种电力系统通讯协议。

本实用新型的软件按编程的语言和与硬件的结合程度分，可分为两部分，PC机上的上层软件和DSP底层的底层软件(汇编程序)；按实现的测试功能分，目前也可以分为两部分，继电保护功能测试和远动监控功能测试(包含示波器功能)，以后会随着系统的发展会有新的功能部分添加进来。

在上层软件中包含界面和一些分析等程序，放在PC机(上位机)上。底层软件由实时算法程序和硬件控制程序组成，由DSP(下位机)进行实时运行。其中算法程序放在PC机上，要进行功能操作时，才会下载到DSP中运行，这样可以保证修改算法程序很方便；而硬件控制程序是固定不变的，和系统的硬件一致，主要完成初始化和常规的控制，它固定在DSP控制板上的ROM区内，系统一启动就运行。

上位机发送控制指令给下位机，下位机实时运行，并把结果和数据送给上位机。

PC机上的上层软件由商业软件Visual C++编写，采用模块化技术；底层DSP汇编由TI公司的Code Composer编译。

如图2，本实用新型的上下位机的数据交换为保证实时性，采用了中断同步的方法。由下位机(DSP)产生一个时间精确的定时中断，通知PC机(上位机)进行数据交换。PC机程序接受到中断后，立即进入中断子程序，读取PCI桥中双口RAM内的下位机送来的数据，并向RAM内写入控制指令和数据。下位机随时检查双口RAM，检测到新的指令和数据后立即执行。

如图5，本实用新型中中下位机包含了DSP芯片(TMS320VC33)和PCI桥芯片(CY7C09449)。TMS320VC33为CPU，具有150MFLOPS的强大运算能力；采用CY7C09449做为DSP与微机系统的桥接器，CY7C09449内部有16k字节的双端口存贮器，交换数据方便，而且可做DMA传送，这样使数据交换操作简化。

下面结合具体的电力二次设备进一步说明本实用新型。

实施例1

远动监控测试

如图4，现有技术的监控测试中，DSP或单片机需要输出模拟量，同时也要采集模拟量进行计算，工作量很大，因此不得不进行很多处理，带来了问题。

a)很多监控测试仪的采样电路(A/D)部分，采用V/F芯片，即电压-频率模数转换，这样能极大的减少了计算量，但精度得不到保证，误差大，而且很难计算谐波。

b)降低单位时间的输出点数和采样点数，降低计算量。这样输出波形不稳定，精度不高。降低采样点数也会使采样精度降低。

c)一般监控测试仪输出的精度保证，主要是取了捷径。在监控测试中大多用在5A左右，因此在设计时，做好1A~5A的采样和输出值，而在小信号时就不行了。而且在计算功率时也采用“修正”的数据，例如有的监控测试仪在电流电压角度小于5度时就认为是0度；这是因为现场测试时，为了方便，用户往往只检查0度、45度、90度等固定角度的数值。

本实用新型可以全面的测试变电站综合自动化系统的测控功能(包括遥信、电度、遥控、遥测、通信通道等)。本测试软件的功能涵括了调度自动化系统的基本功能，相等于一个简易的变电站调度自动化系统，根据用户需要可以收发多套变电站综合自动化系统或RTU的信息，因此，作为一个测试软件，具有十分强大和丰富的功能。

在监控测试软件中，有三个部分的实时运算量，一是模拟量输出，这主要通过DSP计算实现；一是模拟量采样和计算，模拟量采样有DSP操纵，然后通过高速的PCI总线把数据送至PC机上，充分利用PC的运算功能，对采样数据分析计算；一是和被测装置的数据通讯，利用PC机上丰富的通讯功能，很方便实现。

这样可以让DSP能以很高的输出和采样频率实现A/D、D/A转换，而不增加其运算量；用户也可以很方便的监视输出波形；同时对采样数据的分析功能会更强大。

实施例2

继电保护功能测试：

如图3，现有技术的常规保护测试仪一般也采用PC机+DSP的设计方案，有几个方面的缺点，

a)首先所有计算程序放在DSP板上的ROM内，整个系统固定不灵活；

b)其次，PC机(笔记本电脑)和DSP板的数据交换通过串口或并口进行，数据交换量速率慢，实时性差；

c)最后所有计算在DSP上，计算压力大，输出精度和单位时间内输出点数少(20ms内一般300点)。

d)不能进行系统的闭环测试。

本实用新型能完成常规的继电保护功能测试，包括一般测试(输出三相电压、三相电流，电流0∽30A)、谐波测试、各种时间动作特性测试(i/t，v/t等)、整组测试、距离保护、零序保护、Z(t)阶梯动作特性，状态序列，各种阻抗特性，频率测试(低周减载等)，同期试验，差动测试，故障回放和系统震荡。

在保护测试软件中，其工频周期内输出点数与监控测试系统一样，为达到高速的输出频率，系统设计时，将程序算法先在PC机中分解，充分减少DSP的运算量。

保护测试功能复杂，要求暂态特性高，但对输出精度要求低，因此保护测试仪的硬件设计往往把重点放在功能计算上，对输出的精度和单位时间内输出点数(工频周期20ms内在400点以下)作了限制。而且对功率的输出范围要求大(电流要求0∽30A、40A，功率达到300瓦以上)。

综上所述，当前的保护测试仪和监控测试仪的设计思路都是专用化的，即针对单个功能单个方面设计的，不能将保护测试和监控测试的功能集中在一起，其原因是保护测试和监控测试的功能和要求不同，对测试仪的硬件要求也不同。

保护测试功能复杂，要求暂态特性高，但对输出精度要求低，因此保护测试仪的硬件设计往往把重点放在功能计算上，对输出的精度和单位时间内输出点数(工频周期20ms内在400点以下)作了限制。而且对功率的输出范围要求大(电流要求0∽30A、40A，功率达到300瓦以上)。

监控测试要求输出精度高，要求稳定，单位时间内输出点数要求高，但对暂态特性要求不高。  对功率要求不高，电流要求6A左右，功率要求100瓦以下。

因此常规的保护测试和监控测试的硬件电路和功率放大器的设计很不相同。

本实用新型的技术方案从设计开始就注意通用性和模块化，设计思路和以上方案截然不同：

1)本实用新型采用PC+DSP的设计方案，但二者的数据交换采用了高速的PCI桥总线，而不是普通的串并口方式。

PCI桥的最高传送速率为36M字节/秒，使得二者的高速大流量的实时数据交换成为可能，为很多实时操作提供可能，例如可以实时察看输出波形(作为一个示波器)；而且一般测试仪，PC机只是一个人机界面和测试报告功能，不能参与计算分析，这是由于PC与DSP间的数据交换慢，在本系统中，由于高速的PCI桥交换数据，可以充分利用PC机的各种软硬件资源。

2)系统平台通用充分保证通用性，而不是功能的专一化。

与一般测试仪不同，本实用新型的下位机中没有源代码，所有功能程序的源代码在上位机(PC)上，程序运行后才会下载到下位机(DSP)中。这样对系统功能的任何改动无需修改任何硬件，只要更改上位机上得源代码就行。非常方便系统的升级和维护，以及功能的扩展。

整个上层软件的开发在Microsoft公司的Visual C++通用软件上，采用模块化设计，底层代码全部封装，开发只要调用封装好的函数就可，非常方便。

3)本实用新型的硬件有很大的冗余度，方便以后其他软件的开发。

本实用新型有16路模拟量输出和16路同时(或分时32路)模拟量输入，为以后的开发打下了很好的硬件基础，即无需再更改硬件，通过软件升级就能实现其功能。

4)上下位机的数据交换采用定时中断的方式。

本实用新型的下位机定时(5ms)向上位机发送定时中断，上位机接受中断后，和下位机进行数据交换(DMA方式)，这样使数据交换的时间变得更快，更有效率，同时又保证了实时性。

5)本实用新型的性能指标高。

a)对常规的保护测试仪，由于硬件或其他条件的限制，其波形输出点数一般只能达到每周波300∽400点，其精度和稳定性，以及暂态特性有一定的限制。在本项目中，由于高速的DSP芯片和优化的软件编程，使输出点数达到每周波1000点以上，充分保证了输出波形的光滑性，精度和稳定性得到很大的提高，采样频率也达到500点/20ms，达到了一般故障录波器的采样频率。

b)采样数据精度高，能分析波形谐波(0∽30次)，采样精度达到0.01％，功率采样达到0.05％。而且在小信号下也能保证这样的精度。一般的监控测试仪不能进行谐波分析，小信号时误差很大。

c)输出稳定，精度高，误差达到0.1％以下。一般测试仪达到0.2％∽0.5％。

6)实现了闭环的自动测试。

一般对综合自动化的测试都是开环测试，具体就是输出大功率电量，通过自身回采装置回采，得出电量的各种参数，和被测装置的显示数据人工比对。

在本实用新型中，除了实现人工比对外，本实用新型和被测装置通过串口和网络进行数据交换，按照通讯协议与被测装置通讯，得出其遥测数据，自动与回采数据比较，得出误差。这样防止人为错误和操作方便，实现了闭环测试。

7)功能全面，测试报告采用常规的WORD文档

本实用新型中，监控测试程序除了常规的遥测测试外，还能进行遥信，事件顺序和遥控测试，通过输出开出量，完成电力系统综合自动化装置中需要的各种测试要求。

保护测试完备，能对各种线路、发变电保护装置进行测试，测试报告采用WORD文档，用户可以直接在报告上修改，一般测试仪虽然也号称WORD文档，他只不过是保存为txt文件和bmp文件，用户要人工打开WORD程序，将他们转换为WORD文件，比较麻烦，容易出错。

本实用新型还有波形监视功能，用户在现场还可以用来作示波器或录波器使用。

Claims (3)

1.电力设备综合自动化检测装置，它包括相互连接的上位机PC、下位机DSP、功放；下位机DSP上设有定时时钟电路，上位机PC与下位机DSP之间设有定时中断电路；上位机PC、功放上分别设有连接被测设备的接口，其特征在于，所述的上位机PC、下位机DSP、功放设置在一盒体内，盒体上设有插口，插口连接所述接口；上位机PC与下位机DSP之间连接有PCI桥，PCI桥中设有双口RAM；功放与下位机DSP之间设有一采样电路，采样电路中串接有模数转换器；所述的上位机PC中设记录有上层软件的存储器；下位机DSP中设记录有下层软件的存储器。

2.根据权利要求1所述的电力设备综合自动化检测装置，其特征在于，所述的下位机DSP中包括DSP、DSP板、存贮器，以及模拟输入、模拟输出、数字量输出、数字量输入、仿真接口。

3.根据权利要求2所述的电力设备综合自动化检测装置，其特征在于，它还设有看门狗与电源监测电路。

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