黃 濤，王 亮，張麗玲

(1．國網(wǎng)江蘇省鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2．武漢大學電氣工程學院，武漢 430072)

?

便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀的研制

黃 濤1，王 亮2，張麗玲2

(1．國網(wǎng)江蘇省鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2．武漢大學電氣工程學院，武漢 430072)

針對現(xiàn)在使用的繼電保護測試儀體積大、運算速度慢且通用性較低的問題，介紹了新型報文測試儀，測試儀使用ARM芯片并采用緊湊化的電路設(shè)計，通過以太網(wǎng)技術(shù)進行通信，報文遵循IEC 61850規(guī)約，實現(xiàn)設(shè)備的高性能與小型化，從而大幅提高工作效率。

繼電保護測試儀；以太網(wǎng)；SV報文；IEC 61850；ARM

與常規(guī)繼電保護與控制設(shè)備相比，智能變電站的智能化繼電保護和控制設(shè)備在信息傳輸上發(fā)生了較大的變化，傳統(tǒng)的電纜已被光纖所代替。由于數(shù)字信息實現(xiàn)標準化，繼電保護和控制等二次設(shè)備間的信息共享和互操作性也有很大的提高。另外，智能化繼電保護和控制設(shè)備的部分原理和結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯變化。設(shè)備的實現(xiàn)方式和應(yīng)用方式的改變，使得原有的檢測和考核方法、項目和標準已經(jīng)不能適用于智能化繼電保護和控制設(shè)備，對該類設(shè)備的檢測提出了新的要求。

文獻[1-2]對國內(nèi)市場上微機型繼電保護測試儀的現(xiàn)狀進行了研究，指出國內(nèi)廠家生產(chǎn)的許多產(chǎn)品在質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、續(xù)航等方面存在不足，進口測試儀的整機性能好，硬件可靠、精度高且使用壽命長，但是價格昂貴。文獻[3-6]從不同的使用環(huán)境對測試儀提出了功能上應(yīng)該滿足的要求，共同點是支持以太網(wǎng)通信、遵守IEC 61850規(guī)約以及產(chǎn)品小型化。文獻[7-10]對以太網(wǎng)的通信技術(shù)作了介紹。IEC 61850的作用、使用方法以及前景在文獻[10-13]中有清晰的介紹。文獻[14-15]介紹了光纖中色散對信號的影響以及補償方案。

基于此，研制出便攜式智能變電站繼電保護測試儀，它具備性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的特點，能夠應(yīng)用于智能變電站任一具有光纖接口的設(shè)備的報文檢測中。

1 測試儀的功能要求

1.1 實現(xiàn)人機操作

測試儀裝配有一塊薄膜晶體顯示屏(TFTLCD)，能直接在屏幕上進行參數(shù)調(diào)整和指令發(fā)送，具有界面友好、人機交互性強的特點。

1.2 以太網(wǎng)通信

測試儀通過光纖以太網(wǎng)口與設(shè)備相連通，構(gòu)成數(shù)據(jù)交換通道，實現(xiàn)對智能化二次設(shè)備的準確、有效地功能檢測和性能考核。

1.3 遵循ICE 61850規(guī)約

測試儀發(fā)送的SV報文遵循IE C61850這一全球通用標準，能夠與任意的保護測控裝置進行通訊，增大了測試儀的應(yīng)用范圍。

1.4 光補償

測試儀通過光纖與被測裝置相連，輸出光信號。光信號在傳輸過程中會有衰弱，同時，測試儀使用年限較長以后，光纖端口的光信號也會減弱，這可能使得信號畸變，從而影響到測試儀的正常使用。故測試儀光纖以太網(wǎng)口需要進行光補償，使得光信號能夠順利完整地傳送給被測裝置。

1.5 雙操作模式

測試儀的操作采用2種方式：便捷的界面操作，使用者可以在觸摸屏上面用手指或者別的物體點擊功能按鈕才操作測試儀；可靠的按鍵操作，使用者可以通過實體按鍵來進行操作，實體按鍵以其機械性能給人以直接的反饋，使用者能夠十分明確自己是否進行了操作。2種操作模式既給了不同使用習慣的用戶以不同的選擇，也是一種保障，當一種操作模式無法進行的時候，另外一種能夠起到后備的作用，順利完成使測試任務(wù)。

2 測試儀硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀主機產(chǎn)生遵循IEC 61850規(guī)約的SV報文，通過光纖經(jīng)以太網(wǎng)口傳送給被測裝置，從而實現(xiàn)對智能化二次設(shè)備的報文檢測工作。

2.2 硬件設(shè)計

測試儀主機硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主機芯片、以太網(wǎng)模塊、開關(guān)量模塊、顯示模塊以及TFTLCD模塊構(gòu)成。

圖1 報文測試儀硬件原理

2.2.1 主機芯片

測試儀主機采用32位ARM微控制器的STM32F1系列芯片，由ST公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。該芯片體積小、功耗低、高性能，支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快。

2.2.2 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊為ENC28J60，測試儀全面支持IEC 61850規(guī)約，具有光纖以太網(wǎng)端口，能夠輸出基于IEC 61850 9-1或IEC 61850 9-2的報文。測試儀的光纖以太網(wǎng)接口可以接受和發(fā)送SV報文，測試時，將測試儀與被測裝置或者光交換機連接，能夠?qū)崿F(xiàn)和被測裝置之間的信息交換。

2.2.3 開關(guān)量模塊

開關(guān)量模塊為按鍵，按鍵動作時，通過將輸入電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、光電隔離等過程，按鍵動作這一指令傳至ARM芯片進行處理。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊為LED指示燈模塊，顯示測試儀的開關(guān)狀態(tài)以及與被測裝置的連接狀態(tài)。當測試儀啟動時，開關(guān)指示燈會亮，當測試儀與被測裝置連接上并且IP匹配成功、能夠進行通信時，通信指示燈將被點亮。

2.2.5 TFTLCD模塊

TFTLCD模塊顯示部分功能指令，包括參量值的調(diào)整以及發(fā)送報文的指令。當這些參量的值調(diào)整改變或者別的指令被操作時，這些信息將會傳送給ARM芯片進行處理。TFTLCD模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TFTLCD模塊

結(jié)合上述各功能模塊的結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)緊湊化原則，設(shè)計出如圖3所示的電路元件分布圖。

圖3 電路元件分布

3 測試儀軟件設(shè)計

測試儀軟件流程如圖4所示。測試儀采用C語言編程，根據(jù)功能劃分主要分為3個部分：通信、人機交互和IEC 61850規(guī)約。

圖4 報文測試儀軟件流程

3.1 通信

小型開源TCP/IP協(xié)議棧Light Weight IP(即LWIP)有無操作系統(tǒng)的支持都可以運行，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上能減少對RAM的占用。

3.2 人機交互

測試儀采用TFTLCD觸摸屏，圖形用戶界面(GUI)能夠?qū)崿F(xiàn)人機互動。

3.3 IEC 61850

IEC 61850標準是電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標準。測試儀輸出的報文遵守這一規(guī)約能夠大大提高它的適用范圍。

4 裝置測試

測試儀完成之后，需要對它的功能進行測試，檢測是否達到預定要求。

4.1 裝置樣機

測試儀結(jié)構(gòu)如圖5所示，尺寸為100 mm×80 mm×25 mm。

圖5 測試儀結(jié)構(gòu)

4.2 使用測試

將測試儀與被測裝置連接，立即能夠得到連接成功的提示。通過在操作界面上選擇不同的幅值和頻率，測試儀向裝置發(fā)送不同的SV報文，從而實現(xiàn)對設(shè)備性能和功能的檢測。測試儀發(fā)送的報文形式如圖6所示。

圖6 報文形式

4.3 創(chuàng)新點

繼電保護報文測試儀首次采用ARM芯片作處理器，確保強大計算能力的同時，降低了功率損耗，從而實現(xiàn)測試儀整體設(shè)計的簡化以及輕量化、小型化目標。同時，操作界面的功能簡化使得工作人員能夠容易熟悉使用方法。

5 結(jié)束語

便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀按照IEC 61850規(guī)約格式，通過光纖輸出SV報文，對智能化二次設(shè)備進行準確、有效地功能檢測和性能考核，能夠大幅度提高繼電保護保護檢修調(diào)試人員的工作效率。此外，測試儀采用高性能ARM處理器，運算速度快，計算能力強，人機界面友好，并且還十分輕便，有助于完成作業(yè)任務(wù)，便于作業(yè)人員攜帶。便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀的操作簡單，降低了誤操作的可能性。電源電壓為5 V直流電壓，可以直接使用USB接口或者干電池供電，提高了測試儀的使用性。

[1] 李兆龍,王立文,曾 強.淺談繼電保護測試裝置的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].機電信息,2014(9):35-37.

[2] 鄔捷龍.繼電保護測試技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].陜西電力,2016,44(3):77-80.

[3] 李文強,李 悠,楊 梅，等.微機型繼電保護測試儀技術(shù)指標和檢定方法的研究[J].電測與儀表,2016,53(7):51-56.

[4] 王 磊,陳 瓊,王博楠，等.基于DSP的繼電保護測試儀信號采集裝置硬件設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(1):93-96.

[5] 倪兆瑞,王延安.智能變電站合并單元延時特性現(xiàn)場測試儀的設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42(10):119-124.

[6] 黃 曙,陳炯聰,李曉朋，等.數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)綜合測試儀的研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(24):195-198.

[7] 王廣維,張浩然.基于ARM和WW5100的嵌入式以太網(wǎng)通信接口設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2011,30(5):50-53.

[8] 魏亞鵬,韓衛(wèi)光.實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2013,(7):49-53.

[9] 于春雪.基于STM32F107的高速以太網(wǎng)接口設(shè)計與應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)與多媒體,2011,35(9):63-67.

[10] 高吉星,趙 強,佟為明.基于ENC61850的TMS320F2812以太網(wǎng)通信接口設(shè)計[J].計算機測量與控制,2013,3(41):709-711.

[11] 楊 濤,梁海東,張鐘平.IEC 61850數(shù)字式繼電保護測試儀的檢測及技術(shù)分析[J].浙江電力,2012(1):10-13.

[12] 韓國政,徐丙垠,索南加樂，等.基于IEC61850的配網(wǎng)自動化通信技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(2):62-66.

[13] 任雁鳴,操豐梅,張 軍.IEC 61850 Ed2.0技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(3):1-5.

[14] 張校逸,陳琦瑋,邵鐘浩.相敏光放大器大對光纖偏振模色散進行補償?shù)奶接慬J]. 光子學報,2007(5):862-864.

[15] 李樂村.相敏光放大器對光纖偏振膜色散補償作用的仿真分析[J].信息通信技術(shù),2010(5):75-80.

本文責任編輯：靳書海

Development of Portable SV Tester for Power System Protection in Smart Substation

Huang Tao1，Wang Liang2， Zhang Liling2

(1. State Grid Zhenjiang Power Supply Company,Zhenjiang 212000,China;2. School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Nowadays,majority of Power System Protection testers uses remain some problems,such as bulky,low computing capability and poor universality.This paper introduces something about the new measure instrument.Test meter uses ARM and adopt compact design.Communication through Ethernet and SV message follow IEC 61850.Based on these,testers will be high-performance and miniaturization, and improve work efficiency substantially.

power system protection tester;ethernet;SV message;IEC 61850;ARM

2017-02-07

黃 濤(1977-)，男，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)數(shù)字保護工作。

TM774

B

1001-9898(2017)03-0010-04