于曉軍，劉志遠(yuǎn)，吳建云，陳前臣

基于無線同步信息的繼電保護分布式智能測試系統(tǒng)

于曉軍1，劉志遠(yuǎn)1，吳建云1，陳前臣2

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.豪邁電力自動化技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

用傳統(tǒng)方法對新建或改造后變電站的繼電保護接線正確性進行檢驗，需要一次系統(tǒng)帶電并使相應(yīng)的線路電流達(dá)到最小負(fù)荷電流。這不僅存在誤操作風(fēng)險，而且有時難以完成檢驗任務(wù)。為解決上述問題，提出了一種基于無線同步信息的繼電保護分布式智能測試系統(tǒng)，包括四個關(guān)鍵部分：無線同步信息產(chǎn)生與傳輸子系統(tǒng)，其以母線電壓互感器的二次側(cè)A相電壓作為參考相量，產(chǎn)生的同步信息通過433 MHz無線局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；短時輸出交流電流高達(dá)1000 A的同步大電流發(fā)生器；用于同步記錄繼電保護裝置輸入端口的電壓、電流波形數(shù)據(jù)的同步錄波裝置；對波形數(shù)據(jù)進行分析判斷并自動給出測試結(jié)果的智能測試分析軟件。闡明了所提分布式智能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、實現(xiàn)方法以及在現(xiàn)場檢驗測試的應(yīng)用流程。所提方法已經(jīng)在實際運行中使用，具有較強的實用性。

繼電保護現(xiàn)場測試；分布式智能測試系統(tǒng)；無線同步信息；同步大電流發(fā)生器；同步錄波裝置

0 引言

交流信號輸入通道和斷路器跳合閘回路接線的正確性是交流電力系統(tǒng)繼電保護裝置可靠運行的前提條件。在變電站新建、檢修或改造工程竣工時，擬投運的繼電保護裝置都必須經(jīng)過嚴(yán)格的接線正確性檢驗。其中，交流信號輸入通道接線的正確性檢驗內(nèi)容包括：交流信號相序和相別一一對應(yīng)關(guān)系檢驗；交流信號每相極性正確性檢驗；互感器變比以及星形/三角形接線正確性檢驗。而斷路器跳合閘回路接線的正確性檢驗內(nèi)容涉及：繼電保護裝置出口與斷路器對應(yīng)關(guān)系的正確性檢驗；保護二次回路邏輯關(guān)系(如閉鎖關(guān)系)的正確性檢驗。前者相對比較復(fù)雜，后者相對簡單。本文將重點討論前者。

交流信號輸入通道接線正確性檢驗的傳統(tǒng)方法是六角圖法[1]。由于這種檢驗方法是在一次系統(tǒng)帶電并使相應(yīng)的線路電流達(dá)到最小負(fù)荷電流的條件下進行的，需要復(fù)雜和頻繁的倒閘操作配合，工作量大且存在誤操作風(fēng)險，甚至有時難以完成。此外，交流信號的零序回路的隱患同樣會引起非常嚴(yán)重的后果[2]，而用六角圖法可能難以發(fā)現(xiàn)。多年來，國內(nèi)外電力領(lǐng)域的專家、學(xué)者，針對繼電保護的現(xiàn)場整組測試問題，提出一些實用的解決方案。比如，文獻[3]設(shè)計了一種全站同步時鐘擴展裝置，并提出了一種基于該裝置的智能變電站同步整組試驗方法。所提方法較詳細(xì)地考慮了智能變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步測試需要，但不適用于常規(guī)變電站，對電壓、電流互感器接線的正確性檢驗也涉及較少。文獻[4]開發(fā)了一種模擬帶負(fù)荷的測試系統(tǒng)，利用電力電子裝置給母線施加三相交流高電壓和給電流互感器原方施加三相交流大電流，可以用于替換傳統(tǒng)測試方法中的帶最小負(fù)荷電流環(huán)節(jié)，但文獻[4]未提出整個測試系統(tǒng)方案。文獻[5]提出了一種基于電力無線虛擬專網(wǎng)的繼電保護智能移動運維系統(tǒng)方案，但未涉及一次電壓、電流的施加問題。文獻[6]則主要涉及到分相跳合閘裝置的運維問題，而未涉及整組試驗。文獻[7]提出了一種基于信息融合的智能變電站繼電保護設(shè)備自動測試系統(tǒng)，主要針對智能變電站的繼電保護測試，不適用于常規(guī)變電站的接線正確性檢驗。

實際上，繼電保護交流信號輸入通道接線的正確性檢驗需要滿足三個要素：(1) 在互感器原方施加容量滿足測試要求的三相工頻交流信號的方法或裝置；(2) 交流信號相位關(guān)系正確性的判斷方法；(3) 同步采樣或同步記錄交流信號的手段。對于傳統(tǒng)檢驗方法，采用母線加電、線路帶負(fù)荷以滿足要素(1)；采用六角圖法滿足要素(2)；采用相位表、示波器等儀器儀表滿足要素(3)。為了滿足上述要素1，且避免調(diào)整負(fù)荷電流的繁瑣倒閘操作，目前已經(jīng)提出了用電力電子裝置產(chǎn)生一次模擬交流信號的新思路[4]。同時，先進的電子技術(shù)、信號處理技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)和智能化技術(shù)在繼電保護運行狀態(tài)監(jiān)視與評估、運行維護、故障識別以及整組測試等方面的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛研究[6-17]。從而為繼電保護裝置交流信號通道接線正確性檢驗，開發(fā)同步采樣或記錄系統(tǒng)以及自動分析相位關(guān)系的軟件系統(tǒng)將是明智選擇。

需要強調(diào)的是，在傳統(tǒng)的檢驗方法中，由于采用母線加電、線路帶負(fù)荷的方法，一次側(cè)的電壓、電流為穩(wěn)態(tài)交流信號，并且自然能夠確保多個交流信號之間的同步(即頻率相同、相位關(guān)系確定)。而對于采用電力電子裝置產(chǎn)生一次模擬交流信號的測試方法，必須設(shè)計一種同步機制，以確保所有一次模擬/非模擬交流信號以及同步采樣系統(tǒng)的同步。目前，用于變電站繼電保護或站內(nèi)系統(tǒng)測試的同步方法主要有三種：(1) 利用交流信號本身的特征進行同步[18-19]；(2) 利用全站同步時鐘進行同步[3]；(3) 采用無線信道傳輸同步信息進行同步[11]。由于繼電保護交流信號通道接線正確性檢驗具有臨時性，且測試系統(tǒng)的設(shè)備需要頻繁移動，因而采用上述第(3)種同步方法最合適。

此外，根據(jù)繼電保護的運行情況分析[20-21]、面臨新的挑戰(zhàn)[22]以及技術(shù)的應(yīng)用趨勢[23-30]，用于變電站繼電保護的現(xiàn)場整組測試(包括交流信號輸入通道接線正確性檢驗測試)應(yīng)該是多功能、智能化、易升級和易擴展的測試系統(tǒng)。

基于上述背景，本文提出一種基于無線同步信息的繼電保護分布式智能測試系統(tǒng)(后文簡稱分布式智能測試系統(tǒng))，并重點針對變電站繼電保護裝置的交流信號輸入通道接線正確性檢驗闡述所提分布式智能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、實現(xiàn)方法和在現(xiàn)場測試的應(yīng)用流程。

1 分布式智能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所提分布式智能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由四個部分組成：(1) 無線同步信息的產(chǎn)生與傳輸子系統(tǒng)；(2) 同步大電流發(fā)生器；(3) 同步錄波裝置；(4) 智能測試分析軟件。其中：無線同步信息的產(chǎn)生與傳輸子系統(tǒng)以母線電壓互感器的二次側(cè)A相電壓作為參考相量產(chǎn)生同步信息，同步信息通過433 MHz無線局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；同步大電流發(fā)生器由3個單相裝置(單相主電路包括1組電力電子變流器和1個升流器)組成，配置同步信息收發(fā)機，受無線同步信息同步，短時輸出最大單相電流高達(dá)1 000 A；同步錄波裝置由單臺或多臺24路錄波裝置組成，也受無線同步信息同步，用于同步記錄繼電保護裝置輸入端口的電壓波形、電流波形等；智能測試分析軟件(圖1未示出，安裝在測試計算機中)，其功能是根據(jù)同步錄波裝置記錄的波形數(shù)據(jù)進行智能分析判斷，自動給出被測繼電保護裝置交流信號輸入通道接線正確性的檢驗結(jié)果。此外，同步大電流發(fā)生器是由三個單相裝置組成的三相系統(tǒng)(各相電流之間相位相差120o)，為了簡明起見，圖1中僅畫出了一相裝置。

圖1 分布式智能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作原理

圖1所示的分布式智能測試系統(tǒng)的工作過程受測試計算控制。當(dāng)測試系統(tǒng)接線完成并準(zhǔn)備開始測試時，測試計算機在測試人員的操控下通過無線局域網(wǎng)絡(luò)進行輪詢，以獲取各個子系統(tǒng)/裝置的狀態(tài)。在確認(rèn)均處于正常狀態(tài)后，發(fā)布本次測試的試驗參數(shù)(包括試驗開始時刻和終止時刻、同步大電流發(fā)生器輸出的電流幅值等)和試驗命令。

各子系統(tǒng)/裝置通過同步信息收發(fā)機收到上述信息后，先后進入試驗就緒狀態(tài)。顯然，需要經(jīng)過一定延時以等待最后進入試驗就緒狀態(tài)的子系統(tǒng)/裝置。然后，從整個測試系統(tǒng)進入試驗就緒狀態(tài)開始到試驗終止時刻的時間內(nèi)，試驗過程由同步脈沖控制。而同步脈沖由連接在電壓互感器二次側(cè)的同步信息收發(fā)機發(fā)出。在同步脈沖控制下，整個測試處于同步測試狀態(tài)。其中：

(1) 連接在電壓互感器二次側(cè)的同步信息收發(fā)機，根據(jù)收到的試驗參數(shù)和試驗命令進行自動設(shè)置并等待試驗開始時刻的到來。試驗開始時刻到來后延時m1開啟同步脈沖發(fā)射模式。在同步脈沖發(fā)射模式下，該同步信息收發(fā)機在電壓互感器二次側(cè)A相電壓每個從負(fù)到正過零點時刻發(fā)射脈寬為1.667 ms的正相同步脈沖(脈沖寬度對應(yīng)于50 Hz電壓信號的30o相角)，直至試驗終止時刻為止。這里我們將同步脈沖發(fā)射模式開啟時刻至第一個同步脈沖上升沿時刻的時間間隔記為Dm1。因為Dm1不可能大于工頻電壓信號的1個周期，比m1小得多，所以試驗參數(shù)設(shè)置時可以被忽略。此外，從第一個同步脈沖上升沿至試驗終止時刻的時間區(qū)間稱為同步測試時間，記為SM。

(2) 同步錄波裝置，根據(jù)收到的試驗參數(shù)和試驗命令進行自動設(shè)置，然后進入試驗就緒狀態(tài)等待，直至收到第一個同步脈沖上升沿。在接收到每一個同步脈沖的上升沿時，開始進行一個工頻周期的同步采樣錄波。記同步采樣周期為S，對于繼電保護交流信號輸入通道接線正確性檢驗來說，取S= 1 ms (對應(yīng)于50 Hz交流信號每周20點采樣)即可滿足要求。

(3) 同步大電流發(fā)生器，根據(jù)收到的試驗參數(shù)和試驗命令進行自動設(shè)置，進而給直流母線充電至設(shè)定值。不言而喻，由于直流母線充電需要較長時間，同步大電流發(fā)生器最晚進入試驗就緒狀態(tài)。因此，參數(shù)m1的大小取決于同步大電流發(fā)生器直流母線充電速率。同樣，在試驗就緒狀態(tài)下，同步大電流發(fā)生器也在等待第一個同步脈沖上升沿的到來。在同步測試狀態(tài)下，同步大電流發(fā)生器的A相裝置在每個同步脈沖的上升沿時刻開始輸出一個頻率為50 Hz的完整正弦波電流，直至試驗終止時刻；而其B、C相裝置則分別在滯后每個同步脈沖的上升沿120o、240o時刻開始輸出一個頻率為50 Hz的完整正弦波電流，直至試驗終止時刻到來后將最后一個正弦波電流完整輸出為止。

(4) 測試計算機，在發(fā)布試驗參數(shù)和試驗命令后，開始處于等待狀態(tài)直至試驗終止時刻。試驗終止時刻到來后，測試計算機再等待一個較短(比如100 ms)的延時m2，以等待各個子系統(tǒng)/裝置從同步試驗狀態(tài)退出而進入試驗數(shù)據(jù)待讀狀態(tài)。接著，測試計算機自動輪詢讀取各子系統(tǒng)/裝置的狀態(tài)信息(包括試驗過程的出錯信息)。當(dāng)確認(rèn)各個子系統(tǒng)/裝置在試驗過程中均正常時，測試計算機讀取同步錄波裝置中的波形數(shù)據(jù)并存儲在試驗數(shù)據(jù)庫中；測試計算機啟動智能分析和判斷軟件模塊對本次試驗波形數(shù)據(jù)進行處理，最終得出測試結(jié)果并生成測試報告。

將分布式智能測試系統(tǒng)的上述工作過程畫成時序圖，如圖2所示。由圖2可知，由于同步大電流發(fā)生器輸出的A、B、C三相電流相間相位差為120o，同步錄波裝置提供的波形數(shù)據(jù)從同步測試狀態(tài)第二個周期開始才是有效的。同時，同步測試狀態(tài)的最后1個周期的波形數(shù)據(jù)也是無效的。為此，我們約定去掉最前面和最后面各2個周期的波形數(shù)據(jù)。那么，圖2中的參數(shù)就是測試試驗所要求的有效波形數(shù)據(jù)長度對應(yīng)工頻交流信號周期的個數(shù)。顯然，是分布式智能測試系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。但是，在滿足檢驗測試要求的條件下，取較小的值可以降低同步大電流發(fā)生器的容量，一般而言，取10～50個周期比較合適。圖2標(biāo)出的另一個較長的時間參數(shù)是，表示測試計算機從輪詢子系統(tǒng)/裝置狀態(tài)開始到試驗命令下達(dá)完畢所需要的時間對應(yīng)工頻交流信號周期的個數(shù)。易知，參數(shù)與各子系統(tǒng)/裝置狀態(tài)報文長度和無線局域網(wǎng)的通信速率有關(guān)，可以取較大值，比如取= 2 000對應(yīng)的時間為4 s (對50 Hz交流信號而言)。

圖2 分布式智能測試系統(tǒng)的工作時序圖

此外，記等待同步大電流發(fā)生器就緒時間m1對應(yīng)且取整的交流信號周期數(shù)為，則與同步大電流發(fā)生器的設(shè)計方案有關(guān)，一般m1取5～8 s。所以，可取250～400之間的整數(shù)。又將在試驗終止時刻之后等待各子系統(tǒng)/裝置從同步測試狀態(tài)退出進入試驗數(shù)據(jù)待讀狀態(tài)的等待時間m2對應(yīng)且取整的交流信號周期數(shù)記為，一般m2取0.5～1 s即可，所以可取25～50之間的某個整數(shù)。

本小節(jié)前文從系統(tǒng)工作時序和系統(tǒng)時間參數(shù)兩個方面介紹了分布式智能測試系統(tǒng)的工作原理。實際上，在測試計算機中運行的智能測試分析軟件需要根據(jù)某種方法判斷被測對象接線是否正確。易知，根據(jù)同步錄波裝置提供的波形數(shù)據(jù)，采用離散傅里葉算法(DFT)可求取繼電保護裝置交流信號輸入端口的三相電壓、三相電流的幅值和相位，進而可根據(jù)幅值大小和各種相位關(guān)系對各交流信號的相別、相序以及極性的正確性作出判斷。在此，對這方面的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)不再贅述。需要指出的是，在同步測試狀態(tài)下，同步脈沖發(fā)射頻率等于母線電壓頻率(p≤50±0.2 Hz)，而同步大電流發(fā)生器輸出的交流電流的頻率恒為50 Hz，且同步錄波裝置的采樣周期S= 1 ms，嚴(yán)格地講，用波形數(shù)據(jù)進行DFT計算得出的交流信號的幅值和相位會有一定誤差。但是，由于本文采用了每周期跟蹤同步的方法，僅需要對同步大電流發(fā)生器產(chǎn)生的交流電流信號的B、C相波形數(shù)據(jù)進行簡單預(yù)處理(參見2.3和2.4小節(jié))，計算精度完全能夠滿足繼電保護交流輸入通道接線正確性檢驗的要求。

2 分布式智能測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

2.1 無線同步信息收發(fā)機原理設(shè)計

無線同步信息產(chǎn)生與傳輸子系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置是同步信息收發(fā)機。在本文提出的分布式智能測試系統(tǒng)中，同步信息收發(fā)機是一種帶有同步脈沖傳輸功能的幅移鍵控(ASK)的433 MHz無線電收發(fā)機，其原理框圖如圖3所示。

圖3 同步信息收發(fā)機的原理框圖

由圖3可以看出，本文設(shè)計的同步信息收發(fā)機與常規(guī)的用于無線通信收發(fā)器的不同之處在于增加了同步脈沖傳輸功能。下面簡要介紹同步信息收發(fā)機的工作原理和設(shè)計要點。

圖3的設(shè)計方案采用433 MHz無線通信模塊，其關(guān)鍵連線為：(1) 無線通信模塊的數(shù)據(jù)輸出DATA out接入CPU的串行通信接口RX2引腳。(2) 無線通信模塊的數(shù)據(jù)輸入信號DATA in在CPU引腳I/O-1為高電平、I/O-2為低電平的條件下選擇CPU的串行通信接口TX2發(fā)出的信號；在CPU引腳I/O-1為低電平、I/O-2為高電平的條件下選擇同步脈沖信號。(3) 同步脈沖為母線電壓互感器A相電壓經(jīng)變壓器隔離和降壓后，再經(jīng)過濾波電路、整形電路和單穩(wěn)態(tài)電路而獲得的與A相電壓信號反相的、脈寬為1.667 ms的5～0 V的反相脈沖信號，采用反相脈沖的目的是與通信接口TX2的信號形式一致。(4) 根據(jù)整個系統(tǒng)設(shè)計銜接情況，同步信息收發(fā)機從無線信道接收到的同步脈沖轉(zhuǎn)換為正相電脈沖信號輸出，所以設(shè)置了信號變換環(huán)節(jié)。(5) 同步信息收發(fā)機也是一種半雙工的無線通信裝置，所以，433 MHz無線通信模塊與CPU采用通用異步串行通信。同時，CPU又需要通過另一個通用異步通信接口與其他單元建立通信，以便轉(zhuǎn)發(fā)無線通信信息。

此外，為了構(gòu)建同步信息產(chǎn)生和傳輸子系統(tǒng)，各個同步信息收發(fā)機需要設(shè)置唯一地址。為了使用方便，可以通過在其面板上設(shè)置地址撥碼開關(guān)，以避免通過計算通信設(shè)置地址碼帶來的麻煩。考慮到同一個大型變電站可能有2個或以上小組同時開展繼電保護交流信號輸入通道接線的正確性檢驗工作，在這種情況下，可以選擇采用不同的無線信道頻率，并采用不同的同步信息收發(fā)機的地址碼段。

2.2 同步大電流發(fā)生器原理設(shè)計

同步大電流發(fā)生器由三個結(jié)構(gòu)和功能均完全相同的單相裝置組成。所以，下面重點介紹單相同步大電流發(fā)生器。

圖4為本文設(shè)計的單相同步大電流發(fā)生器的原理框圖。采用整流變壓器、二極管6相整流橋以及后面的濾波電容構(gòu)成輸出電壓紋波較小的整流器電路；采用非隔離的簡單DC/DC變換器改變后續(xù)DC/AC變換器的直流輸入電壓的大小，以便DC/AC實現(xiàn)輸出交流電流幅值的寬范圍調(diào)節(jié)能力；采用SPWM控制的單相DC/AC產(chǎn)生同步的50 Hz交流電流，并采用升流器將較小的DC/AC輸出電流升到大電流輸出。

圖4技術(shù)方案的控制器配置了同步信息收發(fā)機。從而，控制器可以與測試計算機進行信息交換，同時可以將產(chǎn)生的大電流與母線A相電壓信號同步。當(dāng)用作A相同步大電流發(fā)生器時，在每周同步脈沖上升沿即開始輸出交流電流；當(dāng)用作B、C相同步大電流發(fā)生器時，分別在每周同步脈沖上升沿后延時120o和240o開始輸出交流電流。

圖4 單相同步大電流發(fā)生器原理框圖

2.3 同步錄波裝置原理設(shè)計

同步錄波裝置的功能是同步記錄被測繼電保護裝置交流信號輸入端口的各路交流電壓、交流電流的波形數(shù)據(jù)，以供測試計算機的智能測試分析軟件使用。因此，采用一般的具有同步錄波功能的錄波裝置是可行的。但是，正如前文所述的那樣，由于采用了每周跟蹤同步的方式，同步錄波裝置在每個同步脈沖的上升沿開始采集第一點波形數(shù)據(jù)。如選擇采樣周期為1 ms，則對于50 Hz交流信號每個周波采樣20點數(shù)據(jù)，這對數(shù)據(jù)存儲容量要求是極低的。如此，同步錄波裝置可以設(shè)計成功能專一、體積小、重量輕的靈巧裝置，以方便現(xiàn)場使用。鑒于上述理由，本文給出一種同步錄波裝置的技術(shù)方案，其原理框圖如圖5所示。

圖5 所提24路同步錄波裝置原理框圖

圖5所示的24路同步錄波裝置總共有5塊板卡。其中，工作電源板卡給其他板卡提供工作電源。同步控制和通信接口共用1塊板卡，并將接入的同步脈沖再次引出以供2臺及以上24路同步錄波裝置級聯(lián)而構(gòu)成48路、72路、96路等更多通道的同步錄波系統(tǒng)；通信接口可選用RS485以便于級聯(lián)(注：由于波形數(shù)據(jù)量很小，RS485通信速率完全滿足要求)。8路同步錄波板卡共3塊，每塊僅用1片8通道A/D轉(zhuǎn)換器即可，A/D轉(zhuǎn)換器分辨率選用16位完全能夠滿足測試要求。此外，圖5所示技術(shù)方案與非同步錄波裝置相比僅增加了同步總線SB。由上述可知，實現(xiàn)圖5所示的24路同步錄波裝置，成本很低。

2.4 智能測試分析軟件框架設(shè)計

智能測試分析軟件作為分布式智能測試系統(tǒng)的主要軟件包，必須具備諸如數(shù)據(jù)庫、人機界面、權(quán)限管理以及異常診斷等功能。但是，本文的目的不是作為產(chǎn)品開發(fā)指導(dǎo)書，而是立足于闡明實現(xiàn)分布式智能測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，本小節(jié)后文，我們將針對智能測試分析軟件的核心功能(即根據(jù)同步錄波裝置記錄的波形數(shù)據(jù)自動分析、自動判斷被測繼電保護裝置交流輸入信號通道接線的正確性)介紹相應(yīng)的軟件框架設(shè)計。圖6是實現(xiàn)核心功能的智能測試分析軟件的原理框架。

圖6 智能測試分析軟件原理框架

圖6軟件原理框架的設(shè)計依據(jù)是智能測試分析軟件運行的如下三個階段。

第一階段稱為“同步測試狀態(tài)前”階段。在該階段智能測試分析軟件需要完成的任務(wù)包括兩個內(nèi)容：(1) 檢查分布式智能測試系統(tǒng)各個子系統(tǒng)/裝置的狀態(tài)，只有所有子系統(tǒng)/裝置的狀態(tài)均正常時，才可以進行下一步，否則進行測試系統(tǒng)狀態(tài)異常告警并結(jié)束程序運行；(2) 在測試系統(tǒng)狀態(tài)正常的條件下，配置試驗參數(shù)，進而向各子系統(tǒng)/裝置發(fā)布本次試驗的試驗參數(shù)和試驗命令。

第二階段稱為“同步測試狀態(tài)”階段。該階段測試系統(tǒng)在同步脈沖的控制下工作，智能測試分析軟件處于等待狀態(tài)。但是，智能測試分析軟件需要知道“同步測試狀態(tài)”階段是否結(jié)束，同時還要監(jiān)視測試系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。因此，本文采用嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計理念，通過對同步脈沖計數(shù)作為判斷條件，并通過超時設(shè)置測試系統(tǒng)異常退出條件，以解決程序運行的可靠性問題。

第三階段稱為“同步測試狀態(tài)后”階段。在該階段，智能測試分析軟件首先通過延時等待所有子系統(tǒng)/裝置從同步測試狀態(tài)退出。然后，從同步錄波裝置讀取波形數(shù)據(jù)。進而，對讀取的波形數(shù)據(jù)進行兩步預(yù)處理：(1) 剔除最前面和最后面各2個周波的波形數(shù)據(jù)；(2) 采用線性插值方法以修正A、B、C三相電流的兩個周波銜接處的采樣數(shù)據(jù)，以提高幅值計算和相位計算的精度。之所以要進行第(2)步預(yù)處理，是因為同步大電流發(fā)生器輸出交流電流為50 Hz，而同步脈沖的頻率是母線電壓頻率，雖然兩者相差很小(以系統(tǒng)頻率偏移0.2 Hz考慮，兩者周期最大偏差約90ms，周期相對誤差約為0.4%)，但A、B、C三相電流波形都在其兩個周波的銜接處有微小畸變。在上述基礎(chǔ)上，智能測試分析軟件將采用DFT法計算交流信號的幅值和相位。接著，根據(jù)計算得到交流信號的幅值和相位，作出被測繼電保護裝置交流信號輸入通道接線的正確性判斷。實際上，根據(jù)幅值和相位關(guān)系作出接線正確性判斷并不難，而難在接線不正確的情況下預(yù)測何處接線存在錯誤。關(guān)于這個問題的解決方案，尚處于研究之中，本文不展開討論。

3 分布式智能測試系統(tǒng)的應(yīng)用流程

前文對分布式智能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和各子系統(tǒng)/裝置的技術(shù)方案作了較詳細(xì)的介紹。為了闡明其在實際應(yīng)用中的方式，本小節(jié)給出簡要的應(yīng)用流程。具體步驟如下：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場測試任務(wù)要求，梳理需要檢驗測試的繼電保護裝置的種類，并分割成若干個現(xiàn)場測試子任務(wù)。

(2) 針對各個測試子任務(wù)，制訂相應(yīng)的測試系統(tǒng)構(gòu)建方案，進而確定各個測試子任務(wù)需要的測試系統(tǒng)設(shè)備配置清單。

(3) 針對各個測試子任務(wù)，確定相應(yīng)的電壓互感器、電流互感器的變比及接線形式(星型或三角形接線)，以便確定施加同步大電流的幅值大小和相位。

(4) 針對各個測試子任務(wù)進行試驗參數(shù)確定，并形成參數(shù)配置清單。

(5) 針對各個測試子任務(wù)，制訂測試試驗詳細(xì)步驟。

(6) 按照制訂的測試試驗步驟進行測試接線，特別注意需要嚴(yán)格按照安全規(guī)范要求進行作業(yè)。

(7) 檢查測試系統(tǒng)接線和通信的情況，確定一切準(zhǔn)備就緒無誤后，才能進行下一步的正式測試試驗。

(8) 按照圖6的流程進行正式測試試驗。

(9) 對測試試驗結(jié)果進行分析整理，并形成測試試驗報告。

顯然，上述應(yīng)用步驟還是比較粗線條的。實際應(yīng)用時，可以對上述大的步驟進一步細(xì)化，以增強可操作性。

4 結(jié)論

本文從實用的角度出發(fā)，提出了一種基于無線同步信息的分布式智能測試系統(tǒng)。通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作時序闡明了所提分布式智能測試系統(tǒng)的工作原理；對各個子系統(tǒng)/裝置的技術(shù)方案進行了設(shè)計和介紹，并給出了應(yīng)用流程。實際上，所提分布式智能測試系統(tǒng)，可以根據(jù)需要構(gòu)成比較龐大的分布式測試系統(tǒng)，雖然文中未重點強調(diào)，但易于理解。另外，本文在論述所提分布式智能測試系統(tǒng)的應(yīng)用過程時，應(yīng)用場景針對運行頻率偏離額定頻率很小的大型變電站。但是，所提方法和分布式智能測試系統(tǒng)，對于運行頻率偏離額定值較大的小型電力系統(tǒng)的繼電保護測試也是適用的。在這種情況下，需要在發(fā)射同步脈沖之前發(fā)布實測系統(tǒng)頻率值，以便同步大電流發(fā)生器和同步錄波裝置參照使用。

需要在此提及的是，本文采用了電力電子裝置產(chǎn)生大電流替代線路負(fù)荷電流的技術(shù)方案。但考慮到用電力電子裝置產(chǎn)生三相高壓交流電壓以替代母線電壓的技術(shù)方案，勢必大幅度增加測試系統(tǒng)的成本、設(shè)備的體積與重量，因而未采用。

此外，本文所提方法已經(jīng)在實際運行中使用，使用效果表明，所提分布式智能測試系統(tǒng)具有較強的實用性。

[1] 李志興, 許志華, 張澤良, 等. 利用六角圖對500 kV自耦變壓器進行帶負(fù)荷測試的原理與分析[J]. 陜西電力, 2013, 41(12): 75-78.

LI Zhixing, XU Zhihua, ZHANG Zeliang, et al. Principle and analysis method of test with load for 500 kV autotransformer by using hexangular vector chart[J]. Shaanxi Electric Power, 2013, 41(12): 75-78.

[2] 鄭奎璋, 周玉蘭. 貴州電力系統(tǒng)八·六事故中220千伏母線差動保護誤動作原因分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 1990, 14(1): 49-53.

ZHENG Kuizhang, ZHOU Yulan. Analysis of the cause of the maloperation of a 220 kV busbar differential protection during the August 6th Accident in Guizhou Power System[J]. Power System Technology, 1990, 14(1): 49-53.

[3] 劉海峰, 趙永生, 李輝, 等. 基于全站同步時鐘擴展裝置的智能變電站同步整組試驗方法的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(4): 150-154.

LIU Haifeng, ZHAO Yongsheng, LI Hui, et al. Study on the whole system synchronization testing method based on the clock extended device in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(4): 150-154.

[4] 尚鎮(zhèn), 化亮, 朱轉(zhuǎn)軍. 模擬帶負(fù)荷測試(系統(tǒng))裝置的研究與應(yīng)用[J]. 計算技術(shù)與自動化, 2020, 39(4): 13-19.

SHANG Zhen, HUA Liang, ZHU Zhuanjun. Research and application of analog load test (system) device[J]. Computing Technology and Automation, 2020, 39(4): 13-19.

[5] 崔玉, 吳奕, 張志, 等. 基于電力無線虛擬專網(wǎng)的繼電保護智能移動運維系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(23): 176-181.

CUI Yu, WU Yi, ZHANG Zhi, et al. Intelligent mobile operation and maintenance technology and its application of relay protection based on power wireless virtual private network[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(23): 175-181.

[6] 楊能, 尹國慧, 苗長青, 等. 特高壓變電站選相分合閘裝置運維技術(shù)研究[J]. 山東電力技術(shù), 2020, 47(8): 45-48.

YANG Neng, YIN Guohui, MIAO Changqing, et al. Research on operation and maintenance technology of phase selection switching device in ultra-high voltage substation[J]. Shandong Electric Power, 2020, 47(8): 45-48.

[7] 陳飛建, 呂元雙, 樊國盛, 等. 基于信息融合的智能變電站繼電保護設(shè)備自動測試系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(5): 158-163.

CHEN Feijian, Lü Yuanshuang, FAN Guosheng, et al. Automatic test system of relay protection device for smart substation based on information fusion technology[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(5): 158-163.

[8] 黃彥欽, 余浩, 尹鈞毅, 等. 電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案:現(xiàn)狀與基于 5G 技術(shù)的展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(17): 3581-3593.

HUANG Yanqin, YU Hao, YIN Junyi, et al. Data transmission schemes of power internet of things: present and outlook based on 5G technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(17): 3581-3593.

[9] 趙壽生, 劉乃杰, 趙志宏, 等. 保護裝置利用尖峰脈沖判別二次CT斷線的新方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(19): 128-133.

ZHAO Shousheng, LIU Naijie, ZHAO Zhihong, et al. A new method for distinguishing secondary CT disconnection by using spikes[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(19): 128-133.

[10] 李仲青, 高翔, 李永麗, 等. 考慮繼電保護隱性故障的風(fēng)險評估技術(shù)研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016, 36(增刊): 29-35.

LI Zhongqing, GAO Xiang, LI Yongli, et al. The development of risk assessment technology related to a hidden failure of protection system[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(S): 29-35.

[11] 王冬輝, 羅建平, 方芳, 等. 基于無線射頻通信的變電站間隔相量校核裝置的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(17): 162-169.

WANG Donghui, LUO Jianping, FANG Fang, et al. Research on a substation interval phasor check device based on RF communication[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(17): 162-169.

[12] 鄒劍鋒, 張建雨, 金盛, 等. 基于5G 通信的新型配電網(wǎng)饋線自動化方法研究[J]. 浙江電力, 2020, 39(11): 28-33.

ZOU Jianfeng, ZHANG Jianyu, JIN Sheng, et al. Research on new type distribution network feeder automation method based on 5G communication[J]. Zhejiang Electric Power, 2020, 39(11): 28-33.

[13] 葉遠(yuǎn)波, 孫月琴, 黃太貴, 等. 繼電保護相關(guān)二次回路的在線狀態(tài)檢測技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(23): 108-113.

YE Yuanbo, SUN Yueqin, HUANG Taigui, et al. On-line state detection technology of relay protection relevant secondary circuits[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(23): 108-113.

[14]洪嘉煒, 楊劍友, 奚洪磊, 等. 基于移動互聯(lián)的變電站故障錄波及報文分析裝置研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(1): 157-163.

HONG Jiawei, YANG Jianyou, XI Honglei, et al. Research on fault recording and message analysis device based on mobile internet[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(1): 157-163.

[15] 錢海, 賈松江, 楊飛, 等. 基于移動互聯(lián)的繼電保護設(shè)備智能運維技術(shù)研究[J]. 智慧電力, 2019, 47(11): 60-66.

QIAN Hai, JIA Songjiang, YANG Fei, et al. Intelligent operation and maintenance technology for relay protection equipment based on mobile internet[J]. Smart Power, 2019, 47(11): 60-66.

[16] LU Yang, LI Yongli, SONG Jinzhao, et al. On-line monitoring and state evaluation for relay protection operating circuit[C] // 2019 IEEE 8th International Conference on Advanced Power System Automation and Protection(APAP), October 21-24, 2019, Xi’an, China: 706-710.

[17] WANG Yincheng, ZHU Jie, DAI Wei, et al. A fast blocking method of bus protection when CT disconnected based on braking current and zero sequence current[C] // 2020 IEEE Sustainable Power and Energy Conference (iSPEC), November 23-25, 2020, Chengdu, China: 1-6.

[18] 黃家凱, 高厚磊. 輸電線路自同步電流差動保護[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(9): 1944-1951.

HUANG Jiakai, GAO Houlei. Self-synchronized current differential protection scheme for transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(9): 1944-1951.

[19] 石吉銀. 基于暫態(tài)負(fù)荷的變壓器保護一次電流檢驗方法[J]. 中國電力, 2021, 54(5): 148-155.

SHI Jiyin. Primary current test method for transformer protection based on transient load[J]. Electric Power, 2021, 54(5): 148-155.

[20] 杜嚴(yán)行, 葉樹平, 馬銀環(huán), 等. 一起35 kV主變壓器跳閘事故分析[J]. 山東電力技術(shù), 2020, 47(5): 56-60.

DU Yanxing, YE Shuping, MA Yinhuan, et al. Analysis of a 35 kV main transformer tripping accident[J]. Shandong Electric Power, 2020, 47(5): 56-60.

[21] 張烈, 王德林, 劉亞東, 等. 國家電網(wǎng)220 kV及以上交流保護十年運行分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(5): 1654-1659.

ZHANG Lie, WANG Delin, LIU Yadong, et al. Analysis on protective relaying and its operation conditions in 220 kV and above AC system of SGCC in past ten years[J]. Power System Technology, 2017, 41(5): 1654-1659.

[22] 陳國平, 王德林, 裘愉濤, 等. 繼電保護面臨的挑戰(zhàn)與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2017, 41(16): 1-11.

CHEN Guoping, WANG Delin, QIU Yutao, et al. Challenges and development prospects of relay protection technology[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(16): 1-11.

[23] 劉鑫, 唐廣瑜, 向博, 等. 基于功能相關(guān)性的智能變電站二次系統(tǒng)功能測試驗證方法[J]. 中國測試, 2020, 46(2): 124-130.

LIU Xin, TANG Guangyu, XIANG Bo, et al. Functional test verification method for secondary system of smart substation based on functional correlation[J]. China Measurement & Test, 2020, 46(2): 124-130.

[24] 李寬, 劉震, 牛健飛, 等. 交流繼電保護動作性能在多饋入直流系統(tǒng)中適應(yīng)性仿真分析[J]. 山東電力技術(shù), 2022, 49(2): 23-28, 53.

LI Kuan, LIU Zhen, NIU Jianfei, et al. Adaptive simulation analysis of AC relay protection performance in multi?infeed DC system[J]. Shandong Electric Power, 2022, 49(2): 23-28, 53.

[25] 南東亮, 王維慶, 任祖怡, 等. 基于多故障場景的大規(guī)模安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可信測試方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(21): 165-171.

NAN Dongliang, WANG Weiqing, REN Zuyi, et al. Reliability test method of large-scale security and stability control system based on multi-fault scenario[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(21): 165-171.

[26] 王源濤, 潘武略, 馬偉, 等. 基于數(shù)據(jù)中臺和物元可拓理論的二次設(shè)備狀態(tài)評估[J]. 浙江電力, 2021, 40(12): 111-116.

WANG Yuantao, PAN Wulüe, MA Wei, et al. State assessment of power secondary equipment based on data center and matter-element extension theory[J]. Zhejiang Electric Power, 2021, 40(12): 111-116.

[27] 馮躍, 吳躍康, 任杰, 等. 基于無線同步技術(shù)的數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)新型測試方法[J]. 中國測試, 2020, 46(1): 117-123.

FENG Yue, WU Yuekang, REN Jie, et al. A new testing method based on wireless synchronization technology for

the secondary system of digital substation[J]. China Measurement & Test, 2020, 46(1): 117-123.

[28] 楊胡萍, 黃煌, 何志勤, 等. 基于數(shù)據(jù)擬合的繼保設(shè)備失效率調(diào)整因子模型[J]. 中國電力, 2021, 54(9): 96-101.

YANG Huping, HUANG Huang, HE Zhiqin, et al. Adjustment factor model of relay protection equipment failure rate based on data fitting[J]. Electric Power, 2021, 54(9): 96-101.

[29] 羅琨, 時永肖, 李正新, 等. 智能變電站繼電保護裝置壽命模型及其辨識方法[J]. 智慧電力, 2021, 49(1): 96-101.

LUO Kun, SHI Yongxiao, LI Zhengxin, et al. A life model and its identification method for relay protection device in smart station[J]. Smart Power, 2021, 49(1): 96-101.

[30] 呂志寧, 胡子珩, 寧柏鋒, 等. 針對電力系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)需求攻擊研究進展與發(fā)展趨勢[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2020, 14(1): 24-30.

Lü Zhining, HU Ziheng, NING Baifeng, et al. Review of research progress and development trend of Internet of Things demand attack on power system[J]. Southern Power System Technology, 2020, 14(1): 24-30.

A distributed intelligent testing system of relay protection based on wireless synchronization information

YU Xiaojun1, LIU Zhiyuan1, WU Jianyun1, CHEN Qianchen2

(1. State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd., Yinchuan 750001, China;2. Haomai Electric Power Automation Co., Ltd., Wuhan 430074, China)

Using the traditional inspection method to check the wiring correctness of relay protection devices of newly built or reformed substations, there exists not only the risk of maloperation, but also sometimes it is difficult to complete the inspection task.The primary system needs to be charged and the corresponding line current made to reach the minimum load current. To solve the above problems, a distributed intelligent testing system for relay protection based on wireless synchronization information is proposed. It includes four key parts: the wireless synchronization information generation and transmission subsystem, using the A-phase voltage of secondary side of bus voltage transformer as the reference phasor, and releasing the produced synchronization information through the 433 MHz wireless local network; the synchronized high current generator of short-time output AC current up to 1000 A; the synchronized waveform recorder used to synchronously record the waveform data of voltages and currents on the input port of the relay protection device; the intelligent testing and analysis software used to give automatically the test results by analyzing and judging the waveform data. The structure, working principle, implementation method and the field testing procedure of the proposed distributed intelligent testing system are clarified. The proposed method has been used in actual operation and has strong practicability.

relay protection field test; distributed intelligent testing system; wireless synchronization information; synchronized high current generator; synchronized waveform recorder

10.19783/j.cnki.pspc.211787

國家重點研發(fā)計劃項目資助(2017YFB0902800)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0902800).

2021-12-31；

2022-03-21

于曉軍(1984—)，男，通信作者，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護和運行控制等方面工作。E-mail: 15549315@qq.com

(編輯 張愛琴)