数字化继电保护测试仪的工作原理

 

　　一、硬件系统设计

　　1.1.系统结构

　　HSXJBY-805D数字化继电保护测试仪主要由上位机系统、PowerPC＋FPGA＋VxWorks嵌入式系统和各种外围接口组成。嵌入式系统主要包括32-bit浮点高性能CPU PowerPC、大规模可编程逻辑门阵列FPGA及其外围芯片组成。上位机通过以太网与嵌入式系统通信，嵌入式系统主要负责根据测试需要计算波形离散数据，打包生成IEC 60044-8（FT3）报文和IEC61850-9-1、IEC61850-9-2报文发出，处理GOOSE报文和传统开关量，并处理GPS脉冲和IRIG（B）对时或IEC1588网络对时。装置系统结构图如下图2.1

　　1.2.嵌入式系统

　　PowerPC＋FPGA＋VxWorks嵌入式系统是本系统的核心模块，主要完成系统的波形数据计算及算法处理、数字报文生成与收发、与上位机以太网通信处理、开关量信号动作类型判断和计时、GPS接入IRIG-B（DC）码及IEC1588网络对时报文的处理、测试试验过程控制、测试仪自身的各类保护信号处理等。

　　PowerPC上运行嵌入式操作系统VxWorks，系统内核小、实时性高，性能稳定可靠。VxWorks操作系统是美国WindRiver公司设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），以其良好的持续发展能力、高性能的内核、优异的可靠性、卓越的实时性、以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占据领先地位，被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求高的领域中，如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。

　　1.3.开关量输入

　　测试仪除支持GOOSE收发外，还支持8对传统硬节点开入量输入，方便采样值采用IEC61850报文，开关量采用传统的电节点信号的改造变电站测试。开入量可兼容空节点和0~220V直流电位，电位极性自动识别，方便现场接线和应用。同时提供4对继电器节点输出，可模拟测试过程中某些必须的开出量。

　　二、软件系统设计

　　2.1.概述

　　HSXJBY-805D数字化继电保护测试仪软件系统如图2.2。系统分为上位机软件系统和下位机软件系统两部分，上、下位机之间通过以太网口通信。

　　2.2.上位机软件系统

　　上位机软件分为13个测试模块：光数字测试、电压电流、整组试验、谐波试验、状态序列、状态序列2、时间特性、线路保护、阻抗边界、差动试验、并列同期、故障再现、振荡试验、GOOSE传输延时测试。各个测试模块分别完成一种或几种同类试验，通过主菜单界面可以进入各个试验模块。

　　2.2.1.试验配置

　　试验配置主要用于设置SMV和GOOSE的相关配置。可以设置SMV的报文格式、采样率、报文参数、数据格式等；可设置GOOSE的报文参数、发送时间间隔、GOOSE数据类型，支持多种数据个数的任意组合，开入、开出可灵活的关联到多个GOCB中的多个数据条目上，一个开出可关联五个条目，实现了多个变量的同时控制。

　　可以通过三种方式配置SMV和GOOSE的相关参数：手动修改；导入SCD或CID文件；监测网络，获取网络中报文的配置信息。通过这三种方式，用户可以跳过繁琐的配置，将更多的精力放在测试上

　　2.2.2.报文异常测试

　　针对智能变电站中，数据传输网络化的情况，我们提供了报文异常测试功能。它可以模拟网络丢帧、以及MU之间失步、单MU丢失对时信号，MU异常等多种异常情况，以此来检测保护装置是否能处理网络异常的情况。

　　2.2.3.自环测试及数字示波

　　启动动态示波功能，可接入自环的光数字信号或其他合并单元(MU)信号，实时显示波形，显示采样值报文计数、GOOSE报文计数等报文统计信息，方便现场测试时检测本装置或其它IED设备是否有报文输出。

　　2.2.4.光数字测试

　　光数字测试模块具有以下功能：发送IEC 60044-8（FT3）、IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2采样值报文，发送和接受GOOSE报文，可进行GOOSE传输延时测试。

　　该模块中可以同时发送多组同类型采样值报文，可以自由配置发送各组报文的光网口，设置各个通道的幅值、相位、频率等参数，进行丢帧、错序、阻塞、失步、假数据等多种报文测试，对IEC 61850-9-2报文有多种数据集模板可供配置，可以同时收发多个控制块的GOOSE报文。智能开关测试可测试智能开关从收到GOOSE动作信号到发出断路器动作命令的延时，也可测试从故障发生至智能开关发出跳闸硬节点输出的延时，其中包括保护算法的延时、GOOSE经多级交换机传输的延时和智能开关处理转成硬节点输出的延时。

　　2.2.5.电压电流

　　电压电流模块具有以下功能：电压保护测试，电流保护测试，功率保护测试，频率及高低周保护测试，时间继电器测试，直流继电器测试。

　　电压保护、电流保护、时间继电器和直流继电器测试可以测试装置的动作值和动作时间。功率保护测试除了可测试动作值和动作时间外，还可以测试动作边界。频率及高低周保护测试可测试动作值、动作时间、df/dt闭锁值、dv/dt闭锁值、低电压闭锁值和低电流闭锁值。用户只需设置起始、终止值、变化步长以及判断开入量变位方式，装置将自动完成试验，并显示试验结果。频率及高低周保护还可提供滑差变化方式。

　　四个开出量可单独控制，可设置起始状态，提供三种变位方式：变位后复位、变位后不复位和不变位。变位的起始时间及变位持续时间都可设置，最小分辨率为1ms。

　　2.2.6.整组试验

　　整组试验模块用于模拟输电线路故障前、故障、跳开、重合和永跳等状态，以测试保护装置在各个状态下的动作情况。可叠加非周期分量，选择任意合闸角或固定合闸角。可在故障后或者重合后添加转换性故障，故障起始时刻可设置，故障类型包含单相、两相和三相故障，计算模型有Zs恒定、电压恒定和电流恒定模式。

　　2.2.7.谐波试验

　　谐波试验模块可输出2-20次谐波，以及0.25次、0.5次、0.75次……的间谐波，间谐波最小分辨率为0.25次。可设置两个变化量，同时改变一路电压和一路电流的输出值，变化方式可选“始-终”和“始-终-始”。叠加方式可选择有名值叠加和百分比叠加，可设置一个通道的输出值作为监测量，以监测该通道的真有效值、基波、直流以及各次谐波值。

　　2.2.8.状态序列

　　状态序列模块可设置最多50个状态，可设置时间触发、开入量触发和GPS触发。可显示所有状态的波形图，并可进行全面的试验评估。输入方式有任意输入、按序量输入和按功率输入，短路故障计算模型有Zs恒定、电压恒定或电流恒定。

　　2.2.9.状态序列2

　　状态序列2是在状态序列基础上做的扩展，除了具备状态序列中的功能外，本模块还可以在每个状态中控制多个采样值控制块的数据。

　　2.2.10.时间特性

　　时间特性模块提供I-t特性、U-t特性和U/f-t特性测试，特性曲线包括：普通反时限、非常反时限、超反时限、热过载（无存储）反时限、热过载（有存储）反时限，还支持两种通用反时限和自定义反时限。测试还可设置8个附加测试点，以测试用户比较关心的特定点。在特性曲线页面中，实时以图形的方式显示特性曲线以及测试点的动作情况，以列表的形式列出整定时间和实测时间。

　　2.2.11.线路保护

　　线路保护模块可测试距离保护定值、零序过流保护定值和负序过流保护定值。可设置接地阻抗和相间阻抗，每种阻抗可设置四段阻抗值和对应的四段延时。可叠加非周期分量，选择任意合闸角或固定合闸角方式。故障类型包括单相、两相和三相故障，四段阻抗中，每段最多可设置四个测量点。

　　2.2.12.阻抗边界

　　阻抗边界模块可采用单向或双向扫描的方式对阻抗保护动作边界进行搜索，边界特性可设置为圆特性、两种四边形特性（四边形特性1、四边形特性2）和直线特性。可叠加非周期分量，可选择固定和任意合闸角。在阻抗图界面中，可显示当前特性曲线，试验过程中，当前测试点和动作点都会实时显示在图中，方便用户分析和对实验过程的掌握。

　　2.2.13.差动试验

　　差动试验模块可进行比率制动边界搜索、比率制动定点测试和谐波制动边界搜索，提供发电机保护、变压器保护和发变组保护等三种保护测试模型。搜索方式有单向搜索和双向搜索，在特性曲线页面中，可显示保护整定曲线、当前测试点和动作点，方便用户查看和分析当前试验状态和实验结果。

　　2.2.14.并列同期

　　并列同期模块用于测试同期装置的电压、频率、角度的动作值，电压、频率的闭锁值，导前角和导前时间及电气零点，同时可完成电压、频率的脉宽测试，电压、频率调整测试。

　　试验过程中，可通过同步指示器监测当前的角差情况，同步指示窗口可监测当前的电压差和频率差，以图形的方式直观显示。并可控制一路开出量，以连续或者脉冲方式进行变位输出。

　　2.2.15.故障再现

　　故障再现模块可导入COMTRADE1991、 COMTRADE1999格式的波形文件或ATP、EMTP、EMTDC等仿真工具生成的PL4文件，按IEC60044-8（FT3）、IEC61850-9-1、IEC61850-9-2规约输出；输入采样频率自适应，允许采样频率范围为5kHz-50kHz，输出故障时的电压电流波形及开入量变位情况，输出最高采样率12.8kHz。触发方式包括：无触发、按键触发及GPS触发。输出时，可选取某一时段的故障数据输出，可设置重复输出次数。

　　2.2.16.振荡试验

　　振荡试验提供旋转振荡、摇摆振荡、旋转振荡中故障和摇摆振荡中故障四种振荡模型。

　　2.2.17.GOOSE延时

　　GOOSE延时模块专门用于测试从GOOSE报文发出，到被测装置做出相应的动作直接的延时。

　　2.3.下位机软件系统

　　下位机软件系统是基于VxWorks嵌入式实时操作系统平台设计的，包括一个主循环和一个中断。在主循环中，一方面，系统通过对上位机传送的报文进行解析，获取上位机发出的指令，执行相应操作；另一方面，系统根据接到的指令，结合内部的时间控制和外部的开入量信息，对试验过程进行监控，并向上位机传送相关信息。在中断中，系统计算实时波形数据，监测开入量的变位情况，并控制其它相关信息。

　　2.4.上位机与下位机之间的联系

　　上位机和下位机之间通过以太网口，以特定的格式传输信息。上位机向下位机传送试验参数以及试验过程指令，以控制下位机的输出参数和试验过程。下位机向上位机传送开入量变位信息以及试验过程信息，上位机接收信息后，以图形、数值和文字的方式形成试验报告，供试验人员查询。

 

 

 

来源：www.027huasheng.com

   关键词：数字化继电保护测试仪