專利名稱：適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)及校驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)及校驗方法，用于智能變電站以及數(shù)字化變電站電子式互感器、合并單元、保護測控裝置、智能開關(guān)、電能表等系統(tǒng)級現(xiàn)場測試和校驗，屬于電力系統(tǒng)智能變電站以及數(shù)字化變電站檢測/校驗技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)中不可或缺的重要組成部分。2009年國家電網(wǎng)公司一系列數(shù)字化變電站技術(shù)標準的制定標志著數(shù)字化變電站的建設(shè)已由科技項目階段走向工程實踐階段。隨著電子式互感器、合并單元、智能開關(guān)等的大規(guī)模應(yīng)用，一方面電氣設(shè)備之間的信號傳遞由傳統(tǒng)的電纜模擬量傳輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱斯饫w數(shù)字化傳輸方式；另一方面，數(shù)據(jù)共享、功能模塊化分布式配置成為變電站建設(shè)的基本特征。相應(yīng)的，對智能變電站以及數(shù)字化變電站的電氣量校核技術(shù)和體系提出了新的要求。為了解決工程應(yīng)用的迫切需求，目前智能/數(shù)字化變電站中數(shù)字化的繼電保護測控裝置、數(shù)字量電能表、電子式互感器的現(xiàn)場校驗主要有兩種手段一是采用廠家自己的測試工具，但這類測試工具一般功能簡單、性能較低，通用性差，校驗過程中出現(xiàn)無法聯(lián)通時， 難以界定哪方廠家技術(shù)有問題；二是采用第三方經(jīng)過權(quán)威認證的校驗工具，但這類測試工具現(xiàn)在只是完成一或兩類設(shè)備的校驗，不能完成數(shù)字化變電站整體(系統(tǒng)級)測試。智能開關(guān)設(shè)備和仿真電子式電流電壓互感器特性的合并單元測試的現(xiàn)場校驗?zāi)壳皣鴥?nèi)外還是空白。從現(xiàn)階段智能變電站(數(shù)字化變電站)工程實施來看，由于缺乏系統(tǒng)級校驗系統(tǒng) 第一，電流電壓采集、I/o開關(guān)量處理等信息高度共享的模塊存在多次重復(fù)性測試，大大增加了人力成本和資源消耗；第二，變電站設(shè)備整體運行效果只有投入運行后才能顯現(xiàn)，而不能在這之前發(fā)現(xiàn)和解決問題，違背了增加校驗、檢測環(huán)節(jié)的初衷和目的；第三，校驗、檢測類設(shè)備過于分散，不便于設(shè)備的保管和維護，同時存在資源浪費的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決智能變電站以及數(shù)字化變電站智能開關(guān)設(shè)備、仿真電子式互感器特性的合并單元測試的現(xiàn)場校驗的迫切需求，并針對現(xiàn)有電子式互感器、電能表校驗的技術(shù)現(xiàn)狀的不足，開發(fā)出集電子式互感器、合并單元、保護測控裝置、電能表、智能開關(guān)設(shè)備等檢測校驗一體化裝置，以滿足電力系統(tǒng)用戶對于智能變電站及數(shù)字化變電站投運前的電氣量系統(tǒng)級檢測校驗和投運時相位檢測、波形分析的需求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)及校驗方法。采用嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)技術(shù)的下位機+PC機上位機分布式實現(xiàn)。嵌入式下位機由采集板、信號板、數(shù)據(jù)板、同步板四塊子板構(gòu)成，優(yōu)選地，采集板選購支持LabView 二次開發(fā)的 DT板卡,其余三塊板卡自行開發(fā)。
其中信號板和數(shù)據(jù)板采用微處理器+FPGA組合架構(gòu)，操作系統(tǒng)采用Vxworks，充分利用其實時性強、IO 口配置豐富的特點，主要完成仿真6組采樣通道共計22路電子式互感器特性、通過光纖以太網(wǎng)接收合并器試品IEC61850-9-1、IEC61850-9-2協(xié)議的采樣值數(shù)據(jù)SV、自適應(yīng)接收符合IEC60044-8的標準FT3或者符合國家電網(wǎng)標準的FT3采樣值數(shù)據(jù)、 通過光/電以太網(wǎng)仿真智能開關(guān)發(fā)送面向通用對象的變電站事件GOOSE報文；同步板采用 DSP單處理器，主要完成IEEE1588報文處理及控制IPPS秒脈沖同步和IRGB碼對時光脈沖信號輸出。PC上位機利用其界面友好、數(shù)據(jù)處理能力強的特點，采用基于LabView應(yīng)用軟件開發(fā)，主要完成仿真電子式互感器特性測試數(shù)據(jù)的配置、通過電以太網(wǎng)接收SV和GOOSE及 MMS報文、通過TCP/IP協(xié)議與嵌入式下位機進行數(shù)據(jù)交互、電子式互感器、電能表、智能開關(guān)設(shè)備、保護測控等專家分析功能，利用軟件鎖相環(huán)等技術(shù)實現(xiàn)電流電壓二次回路相位核對。不同傳輸速率、不同數(shù)據(jù)協(xié)議的FT3數(shù)據(jù)接收自適應(yīng)。根據(jù)IEC60044-8協(xié)議要求，電子式電流電壓互感器采樣值輸出采用高速率串行FT3輸出。為保證數(shù)據(jù)傳輸過程中功耗穩(wěn)定，F(xiàn)T3數(shù)據(jù)傳輸時采用曼切斯特編碼形式。按照曼切斯特編碼形式對數(shù)據(jù)時序進行跟蹤，首先對FT3數(shù)據(jù)傳輸波特率進行預(yù)判斷，其次結(jié)合穩(wěn)定性檢偏，最后確定FT3實際傳輸速率。根據(jù)傳輸速率判斷結(jié)果，F(xiàn)PGA自動調(diào)節(jié)接收參數(shù)，并對接收到的編碼數(shù)據(jù)進行 CRC校驗及解析，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)集長度區(qū)分是標準FT3協(xié)議和國家電網(wǎng)FT3協(xié)議， 從而實現(xiàn)對不同傳輸速率、不同應(yīng)用標準協(xié)議的FT3采樣數(shù)據(jù)的接收。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的消抖和同步。數(shù)據(jù)板配置一路光纖以太網(wǎng)收發(fā)端口，用于接收來自被試合并器的以太網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)以實現(xiàn)測試電子式電流電壓互感器及合并器特性。微處理器支持MII接口，直接提供Ethernet MAC控制。方案中啟用以太網(wǎng)中斷和兩組分辨率15ns的定時器，實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)到達時間的準確記錄。根據(jù)報文長度，自動補償報文頭到達時間。 為了消除網(wǎng)絡(luò)抖動影響，PC上位機采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)。 仿真電子式電流電壓互感器特性的測試。嵌入式系統(tǒng)下位機的信號板通過TCP/IP 協(xié)議與PC上位機通訊獲得仿真電子式電流電壓互感器特性模型數(shù)據(jù)和試驗參數(shù)，微處理 MPC8247根據(jù)試驗參數(shù)計算得到電流電壓輸出實時采樣數(shù)據(jù)，每Ims定時申請FPGA仿真雙口 RAM寫技術(shù)，刷新測試數(shù)據(jù)。FPGA根據(jù)異步采樣時間，可編程控制每組發(fā)送時間延遲，從而仿真電子式互感器異步采樣特點。試驗參數(shù)包括幅值、相位、諧波次數(shù)、衰減直流、頻率、 微分、光功率調(diào)節(jié)、異步、采集器發(fā)送數(shù)據(jù)采樣率、信號有效及丟包控制等，實現(xiàn)電子式互感器不同運行工況下的暫穩(wěn)態(tài)特性?；谝陨现饕夹g(shù)的支持，系統(tǒng)具備全面校驗電子式電流電壓互感器和合并單元的能力。可溯源的數(shù)字化電能表、合并單元一體化校定。數(shù)字化電能表虛負荷校定時，信號板接收標準功率源輸出的3U3I信號，通過高精度分流分壓和濾波回路至8通道24位同步AD采樣，F(xiàn)PGA (現(xiàn)場可編程門陣列)完成AD 采樣觸發(fā)控制和數(shù)據(jù)讀取，通過仿真雙口 RAM形式傳遞給微處理器，微處理器一方面按照 IEC61850-9-1或IEC61850-9-2的協(xié)議要求通過光以太網(wǎng)收發(fā)端口發(fā)送采樣值報文，同時轉(zhuǎn)成符合IEC60044-8標準的數(shù)字量，并按照合并單元接入采集器協(xié)議通過FPGA仿真雙口 RAM技術(shù)提交給FPGA，F(xiàn)PGA通過IO 口并行發(fā)送至被檢的合并單元，被檢的合并單元轉(zhuǎn)成符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2的協(xié)議發(fā)送至被檢數(shù)字電能表，被檢的數(shù)字電能表和數(shù)字電能表校驗儀同時根據(jù)AD數(shù)據(jù)計算電能并產(chǎn)生脈沖輸出，對比Ml和M2脈沖計算被檢電能表的電能誤差。實負荷校定時，嵌入式系統(tǒng)信號板通過光纖以太網(wǎng)收發(fā)端口接收合并單元發(fā)送的現(xiàn)場實際測量值，根據(jù)電能表有效值、有功、無功、功率因數(shù)、頻率等算法計算產(chǎn)生電能脈沖 M1，對比采用同一合并單元輸出數(shù)據(jù)計算電能的被試數(shù)字電能表產(chǎn)生的脈沖M2，計算實際的電能誤差。信號板設(shè)置二位撥碼用以決定當前處于實負荷、虛負荷檢定。虛擬檢定時，嵌入式系統(tǒng)下位機的信號板通過TCP/IP協(xié)議與PC上位機通訊獲得電流電壓試驗參數(shù)，微處理器根據(jù)試驗參數(shù)計算得到電流電壓輸出實時采樣數(shù)據(jù)，每Ims 定時申請FPGA仿真雙口 RAM寫技術(shù)，刷新測試數(shù)據(jù)。微處理器一方面按照IEC61850-9-1 或IEC61850-9-2的協(xié)議要求通過光以太網(wǎng)收發(fā)端口發(fā)送采樣值報文，同時轉(zhuǎn)成符合 IEC60044-8標準的數(shù)字量，并按照合并單元接入采集器協(xié)議通過FPGA仿雙口 RAM技術(shù)提交給FPGA，F(xiàn)PGA通過IO 口并行發(fā)送至被檢的合并單元，被檢的合并單元轉(zhuǎn)成符合 IEC61850-9-1或IEC61850-9-2的協(xié)議發(fā)送至被檢數(shù)字電能表，被檢的數(shù)字電能表和數(shù)字電能表校驗儀同時根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算電能并產(chǎn)生脈沖輸出，對比Ml和M2脈沖計算被檢電能表的電能誤差。智能開關(guān)設(shè)備全場景測試。根據(jù)《智能開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場校驗規(guī)范》要求，智能開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場校驗是驗證裝置IED的正確性能，可以不包括它所控制的開關(guān)設(shè)備。主要測試內(nèi)容是開關(guān)設(shè)備的時間測量和網(wǎng)絡(luò)負荷試驗，測試步驟為設(shè)定被檢開關(guān)的分/合試驗狀態(tài)， PC上位機仿真電力系統(tǒng)故障類型配置故障電流電壓試驗參數(shù)，通過TCP/IP協(xié)議通訊傳送至嵌入式系統(tǒng)下位機的信號板，信號板根據(jù)故障參數(shù)，計算電流電壓量實時采樣值，并通過FPGA發(fā)送至被試間隔的合并單元，合并單元進行插值同步等一系列算法處理，輸出符合 IEC61850-9-2.IEC60044-8協(xié)議的電流電壓采樣值數(shù)據(jù)。間隔內(nèi)保護、測控、自動安全裝置根據(jù)自己的保護、測量、安全算法執(zhí)行相應(yīng)的功能。根據(jù)故障范圍和類型，保護有可能會執(zhí)行保護跳、重合、后加速跳閘等一系列操作。PC上位機借助網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)三網(wǎng)合一，根據(jù)接收到的SV、G00SE、MMS報文，從而可以實際測量智能開關(guān)設(shè)備IED的分閘、合閘時間及網(wǎng)絡(luò)不同背景流量對其影響。整站配置工具S⑶文件靜態(tài)測試。裝置仿真電力系統(tǒng)各種故障，借助嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)故障電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)設(shè)定和輸出。PC上位機接收來自過程層的SV和GOOSE 報文、間隔層的GOOSE和麗S報文、站控層的G00SE、麗S報文，利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力和友好的人機交互界面，可以十分方便有效的測試SCD文件的正確性。本發(fā)明所達到的有益效果
為了適應(yīng)智能變電站以及數(shù)字化變電站快速發(fā)展，在滿足智能變電站以及數(shù)字化變電站過程層、間隔層、站控層現(xiàn)場一體化測試/校驗的迫切需求的前提下，同時滿足各個廠家設(shè)備之間的兼容性以及適用性
1、全面仿真電子式互感器特性的測試能力。相對傳統(tǒng)的物理動態(tài)模擬系統(tǒng)，數(shù)字實時仿真精度高、安全性好、重復(fù)性強、運行方便。根據(jù)互感器的原理和特性，可以很方便地改變互感器的各種參數(shù)，或在同一參數(shù)下運行各種工作狀態(tài)；
2、支持智能變電站以及數(shù)字化變電站系統(tǒng)級測試校驗。PC(上位機)提供專家分析功能，依靠其強大的數(shù)據(jù)處理和以太網(wǎng)通訊能力，不僅接收由下位機轉(zhuǎn)發(fā)的來自過程層的SV 報文，還可以接收來自保護、測控、電能表等間隔層設(shè)備發(fā)送的G00SE、麗S報文和來自站控層的MMS報文。不僅可以驗證合并單元、智能開關(guān)設(shè)備、電能表、保護測控裝置各類報文的合法性，還可以實現(xiàn)整站配置文件SCD的靜態(tài)測試。根據(jù)合法報文，實時精確的給出分析結(jié)果，實現(xiàn)電子式互感器、合并單元、智能開關(guān)設(shè)備、電能表、保護測控及自動安全裝置的測試和校驗，同時為測試過程中故障分析提供了有力工具。3、FT3協(xié)議自適應(yīng)。采用兼容的硬件回路設(shè)計，通過軟件自動識別不同傳輸波特率、不同報文長度下的FT3采樣數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，無需用戶額外配置，自適應(yīng)的對FT3采樣數(shù)據(jù)進行通訊監(jiān)測與解碼工作，實現(xiàn)對FT3數(shù)據(jù)的采樣接收功能；
4、支持多種采樣傳輸協(xié)議。具備多種智能變電站以及數(shù)字化變電站的采樣接收能力， 支持IEC60044-8 FT3、國網(wǎng)公司FT3、IEC61850-9-2、IEC61850-9-2LE等數(shù)字化采樣輸入方式；
5、可溯源的合并單元電能表一體化校驗。目前國內(nèi)智能變電站以及數(shù)字化變電站電能表虛負荷校驗，都是參照過去模擬的電流電壓互感器應(yīng)用時的方法，只測試了電能表部分。而隨著電子式互感器的應(yīng)用，影響電能表計量準確度的還有合并器。本裝置在電能表校驗時，以虛負荷校驗為例裝置把模擬量通過AD轉(zhuǎn)成符合IEC60044-8標準的數(shù)字量， 并通過FT3按照合并單元接入采集器協(xié)議送至被檢的合并單元，被檢的合并單元轉(zhuǎn)成符合 IEC61850-9-1或IEC61850-9-2的協(xié)議發(fā)送至被檢數(shù)字電能表，被檢的數(shù)字電能表和數(shù)字電能表校驗儀同時根據(jù)AD數(shù)據(jù)計算電能并產(chǎn)生脈沖輸出，對比Ml和M2脈沖計算被檢電能表的電能誤差。6、支持智能開關(guān)設(shè)備全場景測試。利用PC上位機仿真電力系統(tǒng)故障模型，通過嵌入式系統(tǒng)下位機將電流、電壓數(shù)據(jù)輸出到合并單兀，合并單兀轉(zhuǎn)成符合IEC61850-9-1、 IEC61850-9-2和IEC60044-8協(xié)議的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至繼電保護、測控等間隔類設(shè)備，繼電保護根據(jù)保護算法，判斷故障類別并執(zhí)行相關(guān)保護措施。智能開關(guān)設(shè)備接收繼電保護跳合閘命令或者測控分合閘命令GOOSE報文，完成開關(guān)的分、合操作。測試場景與實際運行情況吻合，真實反應(yīng)智能開關(guān)設(shè)備分合閘時間等工作性能。7、支持智能變電站以及數(shù)字化變電站電流電壓二次回路相位核對。PC上位機通過接收數(shù)據(jù)板提供的帶有時標的FT3的電流電壓采樣數(shù)據(jù)，利用插值同步技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，根據(jù)有效值計算算法，得到電流電壓的幅值和相位，從而實現(xiàn)二次回路核相。對于來自以太網(wǎng)的電流電壓數(shù)據(jù)，考慮網(wǎng)絡(luò)抖動及發(fā)送延遲影響，PC機采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)消抖，對采樣數(shù)據(jù)進行二次采樣同步，根據(jù)有效值計算算法，得到電流電壓的幅值和相位，從而實現(xiàn)二次回路核相。該智能變電站測試校驗裝置能方便目前智能變電站以及數(shù)字化變電站的電氣量檢測及校核工作，大大提高了智能變電站以及數(shù)字化變電站的調(diào)試速度，從而為智能變電站以及數(shù)字化變電站建設(shè)提供良好的技術(shù)保證，為智能變電站以及數(shù)字化變電站的安全穩(wěn)定運行打下堅實基礎(chǔ)。


圖I為本發(fā)明適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為信號板主要電氣原理圖3為數(shù)據(jù)板主要電氣原理圖4為同步板主要電氣原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。嵌入式系統(tǒng)下位機采用標準4U工業(yè)機箱，分層橫向布置采集板、信號板、數(shù)據(jù)板、 同步板。裝置前端布置輸入或者接收端子、電源開關(guān)、試驗功能選擇撥碼和裝置運行狀態(tài)指示，后端布置FT3、光纖以太網(wǎng)、同步脈沖輸出端子。嵌入式系統(tǒng)下位機通過RJ45雙絞線經(jīng)工業(yè)交換機與PC上位機相連。采集板通過USB與PC上位機交換采樣數(shù)據(jù)及獲得工作電源?！?、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)(下位機)包括采集板、信號源、數(shù)據(jù)板和同步板四個子板
1、采集板采用USB接口的支持LabView 二次開發(fā)的DT板卡，USB既提供與上位機的數(shù)據(jù)通訊，又提供采集板卡的電源供應(yīng)。采集板具體參數(shù)如下
測量限值± 1OV (峰-峰值)；
帶寬25KHz ；
采樣精度0.01%;
多通道同步誤差≤O. 5μ S ;
最大無損壞輸入電壓±20V (峰-峰值)
輸入阻抗1ΜΩ 采樣速率24. 5Κ
采集板支持兩路模擬量輸入，依靠其高分辨率、高采樣率、支持LabView 二次開發(fā)的特點，主要應(yīng)用于電子式電流電壓互感器穩(wěn)態(tài)特性校驗。采集板接收同步板的同步秒脈沖信號，對電流、電壓標準源的模擬信號和電子式互感器輸出模擬量小信號進行采樣，并將帶有時標的采樣數(shù)據(jù)通過USB接口提交給PC上位機。2、信號板采用DC5V供電，由外置式適配器提供。主模塊采用FPGA與微處理器結(jié)合的雙CPU架構(gòu)，F(xiàn)PGA采用XILINX公司的SPARTAN3系列芯片，具備靈活的可編程邏輯及豐富的外圍接口。微處理器采用了摩托羅拉公司新一代POWER PC MPC8247，使下位機的穩(wěn)定性、運算速度和通訊能力得到可靠保證。配備雙片總存儲容量64M字節(jié)SDRAM及單片存儲容量16M字節(jié)的NOR Flash。配備24位8通道同步采樣高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1278， 以及外圍分流器和Ippm的電阻分壓器及濾波回路。操作系統(tǒng)選用具有良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域的 Vxfforks0為了方便系統(tǒng)的功能擴展和升級，平臺提供文件系統(tǒng)支撐。信號板電氣原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。FPGA主要完成仿真雙口 RAM技術(shù)實現(xiàn)與MPC8247每Ims數(shù)據(jù)交換，六組22通道電子式互感器實時采樣數(shù)據(jù)異、同步控制輸出，光和電各一組信號秒同步脈沖輸入并透傳給 MPC 8247，控制AD高頻率采樣同步觸發(fā)及數(shù)據(jù)讀??；
MPC 8247主要完成根據(jù)試驗項目和試驗參數(shù)計算實時采樣數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)通過FPGA 仿真雙口 RAM技術(shù)實現(xiàn)與FPGA每Ims數(shù)據(jù)交換，數(shù)字電能表校驗時完成電能表電量算法及比對功能，利用其內(nèi)置通訊管理模塊CPM直接控制Ethernet MAC，控制FCCl 口完成SV報文的接收，控制FCC2 口完成SV、GOOSE報文的發(fā)送和與PC上位機通訊。ADS1278及其采樣回路主要完成3U3I高精度采樣，實現(xiàn)高精度數(shù)字電能表的虛負荷校驗、數(shù)字量溯源及電子式互感器暫態(tài)特性前置單元功能。外圍器件包括
六組Agilent (安捷倫)公司的HFBR-1414光發(fā)送器件，用來發(fā)送電子式互感器實時采樣數(shù)據(jù)；
一組Agilent (安捷倫)公司的HFBR-2412光接收器件,用來接收被試合并單元發(fā)送的同步觸發(fā)信號；
一組Agilent (安捷倫)公司的AFBR-5803以太網(wǎng)收發(fā)器件，連接FCCl 口，傳輸速率設(shè)置為100MB/S、全雙工模式用來接收SV報文；
兩組電以太網(wǎng)收發(fā)器件，一組連接SCCl 口，傳輸速率設(shè)置為10MB/S、全雙工模式用于程序下載和調(diào)試；一組連接FCC2 口，傳輸速率設(shè)置為100MB/S、全雙工模式用于SV、GOOSE 報文的收發(fā)和與PC上位機通訊。6路DI開入回路，主要用來接收電能脈沖或者開關(guān)量信號，實現(xiàn)電能表校驗脈沖比對和智能開關(guān)設(shè)備全場景測試；
仿真實時數(shù)據(jù)的計算、采集器協(xié)議的多樣化、AD高采樣率是信號板的技術(shù)要點，PC上位機根據(jù)電子式互感器故障情況下抽象模型依次發(fā)送各個狀態(tài)下的各次諧波幅值、初始相位、頻率、直流衰減系數(shù)、微積分、采樣頻率等參數(shù)。信號板MPC 8247通過TCP/IP協(xié)議分幀接收模型配置數(shù)據(jù)，接收完數(shù)據(jù)，根據(jù)正弦波周期性、前后半個周波方向性對稱的特點，每個狀態(tài)的各次諧波正弦波僅計算第一個周波的前半個周波，從而大大降低CPU的消耗。采集器協(xié)議的多樣化，仿真電子式互感器特性是為了兼容不同類型、不同廠家的合并單元，協(xié)議數(shù)據(jù)形式分為單相、三相電流、三相電壓、三相電流電壓及廠家私有協(xié)議，F(xiàn)T3編碼又有曼切斯特、自定義等，CRC校驗又分為累加和取反及多項式等，為方便與數(shù)據(jù)板交換數(shù)據(jù)完成電子式互感器暫穩(wěn)態(tài)特性校驗，每幀報文的編碼起始段在不影響報文正確解碼的前提下增加自定義編碼形式，傳遞協(xié)議類型的具體信息。AD高采樣率可以更好的還原原始信號，利用 FPGA可編程邏輯及豐富的外圍接口，實現(xiàn)20K采樣。綜合以上信息，信號板主要功能可實現(xiàn)電子式互感器暫態(tài)特性前置單元功能、數(shù)字化電能表虛負荷實負荷檢定功能及虛擬檢定下位機功能、仿真電子式互感器特性合并單元測試下位機功能、保護測控和自動安全裝置及智能開關(guān)設(shè)備全場景測試下位機功能。3、數(shù)據(jù)板采用DC5V供電，由與數(shù)據(jù)板相同的一外置式適配器提供。主模塊采用 FPGA與微處理器結(jié)合的雙CPU架構(gòu)，F(xiàn)PGA采用XILINX公司的SPARTAN3系列芯片，具備靈活的可編程邏輯及豐富的外圍接口。微處理器采用了摩托羅拉公司新一代POWER PC MPC8247，使下位機的穩(wěn)定性、運算速度和通訊能力得到可靠保證。配備雙片總存儲容量64M 字節(jié)SDRAM及單片存儲容量16M字節(jié)的NOR Flash。操作系統(tǒng)選用具有良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高領(lǐng)域的 Vxfforks0為了方便系統(tǒng)的功能擴展和升級，平臺提供文件系統(tǒng)支撐。信號板電氣原理結(jié)構(gòu)如圖3。FPGA主要完成仿真雙口 RAM技術(shù)實現(xiàn)與MPC8247每Ims數(shù)據(jù)交換，接收兩組電子式互感器FT3格式實時米樣數(shù)據(jù)輸入，光和電各一組信號秒同步脈沖輸入并透傳給MPC 8247 ；
MPC 8247主要完成通過FPGA仿真雙口 RAM技術(shù)實現(xiàn)與FPGA每Ims數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)外部跳線選擇把標準源采集器數(shù)據(jù)、試品FT3按照IEC61850-9-1協(xié)議形式同時增加相對同步脈沖的時標、接收計數(shù)器等信息，利用其內(nèi)置通訊管理模塊CPM直接控制Ethernet MAC, 控制FCCl 口完成SV報文的接收，控制FCC2 口完成SV報文的發(fā)送。外圍器件包括
三組Agilent (安捷倫)公司的HFBR-2416光接收器件，具備高速的光信號采集能力， 可滿足不同波特率下的FT3數(shù)據(jù)接收需求；
一組Agilent (安捷倫)公司的HFBR-2412光接收器件，用來接收光同步脈沖信號； 一組Agilent (安捷倫)公司的AFBR-5803以太網(wǎng)收發(fā)器件，連接FCCl 口，傳輸速率設(shè)置為100MB/S、全雙工模式用來接收SV報文；
兩組電以太網(wǎng)收發(fā)器件，一組連接SCCl 口，傳輸速率設(shè)置為10MB/S、全雙工模式用于程序下載和調(diào)試；一組連接FCC2 口，傳輸速率設(shè)置為100MB/S、全雙工模式用于SV報文的接收和發(fā)送。FT3協(xié)議自適應(yīng)接收及FT3、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收及同步處理是數(shù)據(jù)板的主要技術(shù)要點。試品FT3協(xié)議自適應(yīng)接收首先對接入的FT3數(shù)據(jù)進行波特率檢測，確定FT3數(shù)據(jù)波特率后對編碼穩(wěn)定性進行判斷，并對編碼異常情況進行處理。在編碼正常時對FT3數(shù)據(jù)進行解碼，獲取FT3數(shù)據(jù)集長度后自動調(diào)整數(shù)據(jù)接收區(qū)域大小，實現(xiàn)對不同波特率、不同數(shù)據(jù)集長度FT3采樣數(shù)據(jù)的自適應(yīng)獲取。采集器(標準源或者仿真電子式互感器特性)FT3數(shù)據(jù)，雖然協(xié)議因互感器類型、校驗方式不同有多種，但波特率是固定的。先根據(jù)FT3數(shù)據(jù)波特率對編碼進行穩(wěn)定性判斷，同時設(shè)置FIFO隊列對當前編碼緩存，當檢測到報文起始幀時，根據(jù)與信號板的內(nèi)部協(xié)議，對當前緩沖區(qū)前推固定點解碼，提取當前協(xié)議類型，根據(jù)協(xié)議類型對起始幀數(shù)據(jù)進行解碼，獲取采集器數(shù)據(jù)。PC上位機不能直接接收FT3格式的試品SV數(shù)據(jù)， 方案采用數(shù)據(jù)板FPGA接收，為了同步處理需求，采集板和數(shù)據(jù)板接收來自相同同步板的秒脈沖同步信號，數(shù)據(jù)板每接收一幀F(xiàn)T3數(shù)據(jù)，都記錄下報文到達時刻，MPC8247把FPGA交互的當前FT3數(shù)據(jù)及報文到達時刻組織成符合IEC61850-9-1協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送給PC上位機,實現(xiàn)PC上位機FT3格式數(shù)據(jù)的接收。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)PC上位機雖然能夠直接接收，但在變電站不接同步信號源的采樣點對點情況下，以太網(wǎng)數(shù)字輸出的電子式互感器校驗及合并器延時測試就沒法解決了。為了解決這種應(yīng)用下出現(xiàn)的問題，方案中數(shù)據(jù)板采用以太網(wǎng)中斷形式，同時接收由FPGA透傳過來的秒脈沖同步信號，啟用分辨率<17ns的定時器。接收到秒同步信號時定時器清零，每收到一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，則記錄報文到達時間，在不影響采樣數(shù)據(jù)有效信息的情況下，利用協(xié)議備用字節(jié)增加報文到達時刻信息，便于PC上位機數(shù)據(jù)同步。綜合以上信息，數(shù)據(jù)板主要功能可實現(xiàn)電子式互感器暫穩(wěn)態(tài)特性中標準源及試品數(shù)據(jù)的接收及轉(zhuǎn)傳。4、同步板采用USB或者DC5V供電，DC5V來自于信號板、數(shù)據(jù)板使用的同一外置式適配器。主模塊采用ADI公司Blackfin DSP系列最近新增一款產(chǎn)品ADSP_BF518處理器， 該處理器內(nèi)置“以太網(wǎng)媒體訪問控制器”(EMAC)模塊。它還具有TSYNC模塊，進一步擴展了支持IEEE 1588標準EMAC功能的能力；還提供其它額外特性，可支持以太網(wǎng)的各種IEEE 1588應(yīng)用。根據(jù)IEEE 1588或者處理器晶振，可實現(xiàn)至少兩路光信號及三路電信號同步脈沖信號輸出，同步脈沖包括IPPS秒脈沖和IRGB碼。由于系統(tǒng)的功能簡單，程序采用內(nèi)置 FLASH、編程器固化。同步板電氣原理結(jié)構(gòu)如圖4。ADSP-BF518處理器，主要完成IEEE1588協(xié)議的接收與處理，并控制輸出IPPS秒脈沖和IRGB對時碼。外圍器件包括
NS (美國國家半導(dǎo)體公司)公司的DP83640以太網(wǎng)收發(fā)器件，用來接收IEEE 802.3 (Ethernet)報文；
兩組Agilent (安捷倫)公司的HFBR-1414光發(fā)送器件，用來發(fā)送IPPS同步脈沖； 一組Agilent (安捷倫)公司的HFBR-1414光發(fā)送器件，用來發(fā)送IRGB碼對時；
全場景測試能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級同步精度是同步板的技術(shù)要點。由于純CPU方案精度不夠，特別對于某些協(xié)議信息，比如Sync, Delay_Req和Delay_Resp,他們作為事件信息需要在進入或者離開一個節(jié)點前被打上時間戳，這些時間信息被插入信號流后會被本地節(jié)點用做調(diào)整計算的Delta。為了實現(xiàn)主從間的高度同步，打時間戳的點一定靠近通信路徑即 (PHY).通常節(jié)點或者通信設(shè)備的軟件在時間延遲上具有不確定性，導(dǎo)致軟件無法在發(fā)送和接收信息時準確獲取時間戳。方案采用硬件支持，硬件可以直接在通信鏈路上監(jiān)測信號并獲取準確的到達、離開時間。綜合以上信息，同步板主要功能可實現(xiàn)提供納秒級同步精度信號。二、PC 上位機 PC機最低硬件配置
Uffindows 2000 SP4、Windows XP SP2
2、IntelPentium處理器(x86兼容)、IGHZ或者更高
3、512MBRAM和4G可用硬盤空間
4、至少一組以太網(wǎng)、二組標準USB接口 PC機回路連接
以太網(wǎng)口通過RJ45雙絞線經(jīng)光電交換機，與嵌入式下位機的信號板、智能變電站以及數(shù)字化變電站的過程層、間隔層、站控層網(wǎng)絡(luò)相連，通過USB與嵌入式下位機的采集板相連。采用美國國家儀器(NI)公司的Labview環(huán)境進行一體化智能校驗系統(tǒng)的人機界面開發(fā)，Labview的成熟技術(shù)已經(jīng)被測試、測量、控制、仿真等領(lǐng)域廣泛接收并應(yīng)用。綜合以上信息，PC機主要完成仿真電子式互感器特性測試數(shù)據(jù)的配置、接收SV和 GOOSE及MMS報文、通過TCP/IP協(xié)議與嵌入式下位機進行數(shù)據(jù)交互、電子式互感器、電能表、 智能開關(guān)設(shè)備、保護測控等專家分析功能，利用軟件鎖相環(huán)等技術(shù)實現(xiàn)電流電壓二次回路相位核對。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)，其特征是，包含上位機；一嵌入式系統(tǒng)下位機，所述下位機中包含采集板、信號板、數(shù)據(jù)板和同步板四個子板， 所述信號板、數(shù)據(jù)板和同步板由外置式適配器提供DC5V供電；所述同步板為其他子板提供同步脈沖信號；其中，所述采集板采用USB接口的支持LabView 二次開發(fā)的DT板卡，接收所述同步板的同步秒脈沖信號，對電流、電壓標準源的模擬信號和電子式互感器輸出模擬量信號進行采樣，并將帶有時標的采樣數(shù)據(jù)通過USB接口提交給所述上位機；所述信號板和數(shù)據(jù)板采用FPGA與微處理器POWER PC的組合架構(gòu)；所述同步板采用DSP單處理器，對IEEE1588報文處理及控制秒脈沖信號同步和IRGB 碼對時光脈沖信號輸出；所述數(shù)據(jù)板接收兩組電子式互感器FT3格式實時采樣數(shù)據(jù)輸入，光和電各一組信號秒同步脈沖輸入并透傳給微處理器POWER PC ;所述數(shù)據(jù)板中，微處理器POWER PC通過FPGA 仿真雙口 RAM與FPGA數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)外部跳線選擇把標準源采集器數(shù)據(jù)、試品FT3按照IEC61850-9-1協(xié)議形式同時增加相對同步脈沖的時標、接收計數(shù)器信息，利用微處理器 POWER PC內(nèi)置通訊管理模塊控制微處理器POWER PC的FCCl 口接收SV報文、控制FCC2 口發(fā)送SV報文；所述信號板中，F(xiàn)PGA接收光和電各一組信號秒同步脈沖輸入并透傳給微處理器POWER PC，控制AD采樣同步觸發(fā)及數(shù)據(jù)讀??；微處理器POWER PC根據(jù)試驗項目和試驗參數(shù)計算實時采樣數(shù)據(jù)，并通過FPGA仿真雙口 RAM與FPGA數(shù)據(jù)交換，利用微處理器POWER PC內(nèi)置通訊管理模塊控制FCCl 口接收SV報文、控制FCC2 口發(fā)送SV報文、GOOSE報文及與所述上位機通訊；所述上位機以太網(wǎng)口通過RJ45雙絞線經(jīng)工業(yè)交換機，與所述下位機的信號板、智能變電站以及數(shù)字化變電站的過程層、間隔層、站控層網(wǎng)絡(luò)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)，其特征是，所述上位機基于LabView應(yīng)用軟件對仿真電子式互感器特性測試數(shù)據(jù)配置，通過電以太網(wǎng)接收SV報文、G00SE報文及MMS報文，通過TCP/IP協(xié)議與所述下位機進行數(shù)據(jù)交互。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)，其特征是，所述同步板至少包含兩路光信號及三路電信號的同步脈沖信號輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)，其特征是，所述同步板中還包含以下外圍器件以太網(wǎng)收發(fā)器件，用來接收IEEE 802. 3報文，兩組光發(fā)送器件，用來發(fā)送IPPS同步秒脈沖，一組光發(fā)送器件，用來發(fā)送IRGB對時碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)，其特征是，所述信號板中還包含以下外圍器件六組用來發(fā)送電子式互感器實時采樣數(shù)據(jù)的光發(fā)送器件，一組用來接收被試合并單元發(fā)送的同步觸發(fā)信號的光接收器件，一組與所述信號板中的FCCl 口連接的以太網(wǎng)收發(fā)器件，以全雙工模式接收SV報文，兩組電以太網(wǎng)收發(fā)器件，一組連接所述信號板中的SCCl 口，以全雙工模式進行程序下載和調(diào)試，另一組連接所述信號板中的FCC2 口，以全雙工模式收發(fā)SV報文、GOOSE報文和與所述上位機通訊，6路用來接收電能脈沖或者開關(guān)量信號的DI開入回路，用于對電能表校驗脈沖比對和智能開關(guān)設(shè)備全場景測試。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)，其特征是，所述數(shù)據(jù)板中還包含以下外圍器件三組具備高速光信號采集能力、對不同波特率下的FT3數(shù)據(jù)接收的光接收器件，一組用來接收光同步脈沖信號的光接收器件，一組以太網(wǎng)收發(fā)器件，連接所述數(shù)據(jù)板中的FCCl 口，以全雙工模式接收SV報文，兩組電以太網(wǎng)收發(fā)器件，一組連接所述數(shù)據(jù)板中的SCCl 口，以全雙工模式進行程序下載和調(diào)試；一組連接所述數(shù)據(jù)板中的FCC2 口，以全雙工模式接收和發(fā)送SV報文。
7.基于權(quán)利要求I的系統(tǒng)的適用于智能變電站的測試校驗方法，其特征是，數(shù)字化電能表虛負荷校定的步驟為信號板接收標準功率源輸出的3U3I信號，通過高精度分流分壓和濾波回路至8通道24 位同步AD采樣，由信號板中的FPGA對AD采樣觸發(fā)控制和數(shù)據(jù)讀取，通過仿真雙口 RAM形式傳遞給信號板中的微處理器，該微處理器按照IEC61850-9-1或IEC61850-9-2的協(xié)議要求通過光以太網(wǎng)收發(fā)端口發(fā)送采樣值報文，同時轉(zhuǎn)成符合IEC60044-8標準的數(shù)字量，并按照合并單元接入采集器協(xié)議通過FPGA仿真雙口 RAM提交給該FPGA，該FPGA通過IO 口并行發(fā)送至被檢的合并單元，被檢的合并單元轉(zhuǎn)成符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2的協(xié)議發(fā)送至被檢數(shù)字電能表，被檢的數(shù)字電能表和數(shù)字電能表校驗儀同時根據(jù)AD數(shù)據(jù)計算電能并產(chǎn)生脈沖輸出，對比脈沖，計算被檢電能表的電能誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于智能變電站的測試校驗方法，其特征是，數(shù)字化電能表實負荷校定的步驟為信號板通過光纖以太網(wǎng)收發(fā)端口接收合并單元發(fā)送的現(xiàn)場實際測量值，根據(jù)電能表有效值、有功、無功、功率因數(shù)、頻率算法計算產(chǎn)生電能脈沖M1，對比采用同一合并單元輸出數(shù)據(jù)計算電能的被試數(shù)字電能表產(chǎn)生的脈沖M2，計算實際的電能誤差。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于智能變電站的測試校驗方法，其特征是，智能開關(guān)設(shè)備全場景測試內(nèi)容是開關(guān)設(shè)備的時間測量和網(wǎng)絡(luò)負荷試驗，其測試步驟為設(shè)定被檢開關(guān)的分/合試驗狀態(tài)，上位機仿真電力系統(tǒng)故障類型配置故障電流電壓試驗參數(shù)，通過TCP/IP協(xié)議通訊傳送至嵌入式系統(tǒng)下位機的信號板，信號板根據(jù)故障參數(shù)， 計算電流電壓量實時采樣值，并通過信號板中的FPGA發(fā)送至被試間隔的合并單元，合并單元進行插值同步系列算法處理，輸出符合IEC61850-9-2、IEC60044-8協(xié)議的電流電壓采樣值數(shù)據(jù)；間隔內(nèi)保護、測控、自動安全裝置根據(jù)自己的保護、測量、安全算法執(zhí)行相應(yīng)的功能；根據(jù)故障范圍和類型，保護執(zhí)行保護跳、重合或后加速跳閘系列操作；上位機借助網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)三網(wǎng)合一，根據(jù)接收到的SV、G00SE、麗S報文，從而可以實際測量智能開關(guān)設(shè)備IED的分閘、合閘時間及網(wǎng)絡(luò)不同背景流量對其影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于智能變電站的測試校驗系統(tǒng)及校驗方法，包含上位機；一嵌入式系統(tǒng)下位機，下位機中包含采集板、信號板、數(shù)據(jù)板和同步板四個子板，信號板、數(shù)據(jù)板和同步板由外置式適配器提供DC5V供電；同步板為其他子板提供同步脈沖信號；上位機以太網(wǎng)口通過RJ45雙絞線經(jīng)工業(yè)交換機，與下位機的信號板、智能變電站以及數(shù)字化變電站的過程層、間隔層、站控層網(wǎng)絡(luò)相連。該智能變電站測試校驗裝置能方便目前智能變電站以及數(shù)字化變電站的電氣量檢測及校核工作，大大提高了智能變電站以及數(shù)字化變電站的調(diào)試速度，從而為智能變電站以及數(shù)字化變電站建設(shè)提供良好的技術(shù)保證，為智能變電站以及數(shù)字化變電站的安全穩(wěn)定運行打下堅實基礎(chǔ)。
文檔編號G01R31/327GK102608450SQ20121004245
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者周東頂, 張煒, 張耀宇, 湯漢松, 羅強, 莫漢宗 申請人:江蘇凌創(chuàng)電氣自動化股份有限公司