專利名稱：便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，屬電力系統(tǒng)繼電保
護測試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)在繼電保護裝置的測試中動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，近幾
年電力系統(tǒng)實時仿真器(如RTDS)也得到了大量的應(yīng)用，這兩種試驗系統(tǒng)能夠比較真實地
模擬電力系統(tǒng)中的故障暫態(tài)過程，并且可同時提供多個電氣量輸出點，可以同時滿足多個
繼電保護測試的要求，但是它們共同的缺點是設(shè)備昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用費用高，維護費用
也比較高。目前只有少數(shù)的單位擁有這兩種設(shè)備，大大限制了它們的推廣應(yīng)用。 另一方面，數(shù)字化變電站保護校驗相對復(fù)雜，在變電站運行的條件下對部分間隔
保護校驗的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護校驗裝置無法提供數(shù)字化保護所需的電流量和
電壓量，因為電流量和電壓量必須經(jīng)過合并器才能進入保護裝置，而要完成試驗必須自帶
合并器提供模擬試驗中的電流量和電壓量，要完成母差保護這類需要大量電流電壓量的保
護校驗便顯得尤為困難。 目前，國內(nèi)出現(xiàn)了一些符合IEC 61850標準的測試裝置。然而，當(dāng)前面世的測試裝置局限于將傳統(tǒng)繼電保護靜態(tài)測試的功能移植到數(shù)字化的繼電保護測試儀中(即傳統(tǒng)測試功能+IEC61850通信接口 )，測試裝置沒有仿真計算的功能，只是將事先存儲的信號按照一定次序進行回放，因此這些測試裝置只能針對單個的二次設(shè)備進行簡單的開環(huán)測試，不能模擬系統(tǒng)的動態(tài)過程以及對多套裝置進行測試。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是，針對現(xiàn)有的測試裝置不能模擬系統(tǒng)的動態(tài)過程以及對多套裝置進行測試，本實用新型應(yīng)用數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)，提供一種基于IEC 61850標準的便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀。[0006] 實現(xiàn)本實用新型的技術(shù)方案是 本實用新型測試儀主要由測試系統(tǒng)主機(1) ， PCI總線擴展器(2) ， IEC61850通信卡(3)，信號擴展器(4)，光纖以太網(wǎng)(5)，繼電保護裝置(6)，G00SE以太網(wǎng)(7)，G00SE網(wǎng)絡(luò)交換機(8)及數(shù)字故障錄波器(9)等組成。所述測試系統(tǒng)主機的暫態(tài)仿真軟件和IEC 61850高速通信卡有機結(jié)合，在暫態(tài)仿真軟件上搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)進行動態(tài)實時仿真，并將繼電保護裝置測試所需的電壓、電流等信號經(jīng)IEC 61850高速通信卡的光纖以太網(wǎng)通信接口輸出遵循IEC61850-9-l、 IEC61850-9-2的數(shù)字信號。同時，受測試的繼電保護裝置的G00SE響應(yīng)報文實時反饋回計算機形成閉環(huán)測試。 本實用新型應(yīng)用數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)測試儀的功能采用以下技術(shù) 1、將實時仿真軟件和基于IEC 61850的高速通信卡有機組合在一起。其中，實
時仿真軟件應(yīng)用數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)(Digital Dynamic Real TimeSimulator，簡稱DDRTS)的硬件包括完成PCI總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的32位PCI總線接口 、完成PCI總線與DSP快 速緩存和數(shù)據(jù)交換的大容量的32位FIF0、8位并行FLASH、最大1024Kx32bit靜態(tài)RAM、 TI 公司的32位浮點DSP、3個100Mbps以太網(wǎng)接口芯片、3個155Mbps多/單模光纖接口模塊、 信號同步接口、提供各種所需邏輯的可編程邏輯陣列CPLD。 2、采用多CPU微機運行DDRTS仿真系統(tǒng)軟件平臺。高速實時地進行數(shù)據(jù)計算、分 析、繪圖、人機交互等處理，并提供多個PCI總線插槽給高速通信卡，完成對IEC61850的協(xié) 議轉(zhuǎn)換，通過底層的WINDOWS的PCI總線驅(qū)動程序快速完成與高速通信卡的數(shù)據(jù)交換。 3 、通信卡和微機通過兩個FIFO (First-In-First-Out ，先進先出)內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。 一塊FIFO存儲器為仿真數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，微機寫而通信卡讀；另一塊為返回狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，通信 卡寫而微機讀。兩類數(shù)據(jù)的流動是單向的，相接又形成閉環(huán)。通信卡和微機的數(shù)據(jù)必須遵 從相互約定的一套協(xié)議規(guī)范。 4、實現(xiàn)實時閉環(huán)測試。在仿真軟件平臺上搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)進行動 態(tài)實時仿真，并將繼電保護裝置測試所需的電壓、電流等信號經(jīng)通信卡輸出。同時，受測試 的繼電保護裝置的響應(yīng)信號可實時反饋回計算機形成閉環(huán)測試。 5、IEC61850通信卡內(nèi)部多路光纖以太網(wǎng)端口的之間同步由板上DSP處理器控制， IEC61850通信卡之間的同步，統(tǒng)一由一個外部硬件同步信號控制，實現(xiàn)同步功能，各卡之間 的同步轉(zhuǎn)換命令時間誤差小于lus。如果每個測試節(jié)點需要帶多套二次設(shè)備，則需要配置信 號擴展器，每個信號擴展器可以將一個合并單元的信息同步擴展到最多24個光口。 與現(xiàn)有的繼電保護測試儀相比，本實用新型提供的繼電保護測試儀具有如下優(yōu) 點①提供數(shù)字動模功能，基于暫態(tài)仿真軟件，模擬輸出暫態(tài)分量，便于分析暫態(tài)分量對保 護動作的影響，檢驗繼電保護裝置在各種故障暫態(tài)分量的條件下的動作行為；②提供實時 閉環(huán)測試功能，用數(shù)字仿真系統(tǒng)故障，并將暫態(tài)數(shù)字仿真結(jié)果變?yōu)檎鎸嵅ㄐ屋敵?；③基?GPS統(tǒng)一時鐘的數(shù)據(jù)同步采樣，使得采集數(shù)據(jù)能夠根據(jù)絕對時標在同一個時間坐標系上進
行分析；④本實用新型提供的繼電保護測試儀，利用離線電力系統(tǒng)暫態(tài)計算程序，構(gòu)造一個 基于實際電網(wǎng)模型的高精度的廉價、便攜的測試系統(tǒng)，為相關(guān)研究工作提供了便利，同時填 補了相關(guān)儀器儀表的空白。 本實用新型適用于全數(shù)字繼電保護的閉環(huán)測試。
圖1為本實用新型的具體實施方案示意圖； 圖2為本實用新型實施例的硬件體系結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實用新型實施例的高速通信卡和微機進行數(shù)據(jù)交換的示意圖； 圖4本實用新型實施例的高速通信卡的實施方案示意圖； 圖中圖號表示為(l)測試系統(tǒng)主機；(2)PCI總線擴展器；(3) IEC61850通信卡； (4)信號擴展器；(5)光纖以太網(wǎng)；(6)保護裝置設(shè)備；(7)GOOSE以太網(wǎng)；(8)GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換 器；(9)數(shù)字故障錄波器；(10)PIC總線/PIC-X總線；(12)信號同步接口。
具體實施方式
圖1為本實用新型實施例的具體實施方案示意圖。如圖1所示，測試系統(tǒng)主要由
4測試系統(tǒng)主機(1)， PCI總線擴展器(2)， IEC61850通信卡(3)，信號擴展器(4)，光纖以太網(wǎng)(5)，繼電保護裝置(6) ，GOOSE以太網(wǎng)(7) ，GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機(8)及數(shù)字故障錄波器(9)等組成。本實施例的便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀處于測試系統(tǒng)的核心位置。其中，測試系統(tǒng)主機(1)運行DDRTS仿真軟件，通過PCI總線擴展器(2)的插槽將仿真計算得到的電壓、電流送至IEC61850通信卡(3)， IEC61850通信卡(3)按照IEC61850-9-l、IEC61850-9-2標準對處理后的數(shù)據(jù)打包，傳送至信號擴展器(4)，再通過光纖以太網(wǎng)(5)與保護裝置(6)相連；繼電保護裝置(6)產(chǎn)生的開關(guān)變位等信息通過GOOSE以太網(wǎng)(7) 、GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機(8)和IEC61850通信卡(3)返回測試系統(tǒng)主機(1)，參與電網(wǎng)的拓撲分析及電磁暫態(tài)計算；為了更好的參照保護的動作時間以及動作性能，將保護信息接至數(shù)字故障錄波器(9)，以供比較對照。 圖2為本實用新型實施例的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，它主要由完成PCI總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的32位PCI總線接口、完成PCI總線與DSP快速緩存和數(shù)據(jù)交換的大容量的32位FIF0、8位并行FLASH、最大1024Kx32bit靜態(tài)RAM、 TI公司的32位浮點DSP、3個100Mbps以太網(wǎng)接口芯片、3個155Mbps多/單模光纖接口模塊、信號同步接口、提供各種所需邏輯的可編程邏輯陣列CPLD等構(gòu)成。 IEC61850通信卡與測試系統(tǒng)主機通信采用PCI總線接口 ， PCI總線可以提供極高的數(shù)據(jù)傳送速率(132MB/s)。 PCI總線與CPU無關(guān)，與時鐘頻率亦無關(guān)，可適用于各種平臺，支持多處理器和并發(fā)工作。PCI總線具有良好的擴展性，通過PCI-PCI橋路，可允許擴展。當(dāng)測試節(jié)點數(shù)目超過7個，就需要配置PCI總線擴展器。 圖3為本實用新型實施例的高速通信卡和微機進行數(shù)據(jù)交換的示意圖。如圖3所示，通信卡和微機通過兩個FIFO (First-In-First-0ut ，先進先出)內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。 一塊FIFO存儲器為仿真數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，微機寫而通信卡讀；另一塊為返回狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，通信卡寫而微機讀。兩類數(shù)據(jù)的流動是單向的，相接又形成閉環(huán)。通信卡和微機的數(shù)據(jù)必須遵從相互約定的一套協(xié)議規(guī)范。 圖4為本實用新型實施例的高速通信卡的實施方案示意圖。如圖4所示，高速通信卡在上電后，由DSP自動引導(dǎo)，從8位并行的FLASH裝入程序代碼到片內(nèi)RAM，并在片內(nèi)RAM高速流水線運行。DSP按協(xié)議從仿真數(shù)據(jù)FIFO緩沖區(qū)讀入數(shù)據(jù)，首先讀取微機給的配置信息包，進行配置，如獲取仿真步長，輸出端口等。寫入3個光纖收發(fā)器的數(shù)據(jù)包統(tǒng)一控制發(fā)出去，保證3個光口數(shù)據(jù)的同時性。而光纖收發(fā)器收到數(shù)據(jù)后傳給以太網(wǎng)接口控制器，由以太網(wǎng)控制器以中斷的方式通知DSP，DSP再將數(shù)據(jù)包寫入返回狀態(tài)FIFO數(shù)據(jù)區(qū)，由微機通過PCI總線讀走。在交互仿真中，DSP不斷地從仿真數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取新的數(shù)據(jù)，并定時地往光纖收發(fā)器發(fā)出數(shù)據(jù)和往返回狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)寫入數(shù)據(jù)。 通信卡內(nèi)部3路光纖以太網(wǎng)端口的之間同步由板上DSP處理器控制，多塊通信卡之間的同步，統(tǒng)一由一個外部硬件同步信號控制，實現(xiàn)同步功能，各卡之間的同步轉(zhuǎn)換命令時間誤差小lus。 一個光纖以太網(wǎng)端口能完成7個電壓量，5個電流量的傳輸，其功能相當(dāng)于變電站過程層中的一個合并單元(MU)。
權(quán)利要求一種便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，其特征在于，所述測試儀由測試系統(tǒng)主機(1)，PCI總線擴展器(2)，IEC61850通信卡(3)，信號擴展器(4)，光纖以太網(wǎng)(5)，繼電保護裝置(6)，GOOSE以太網(wǎng)(7)，GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機(8)及數(shù)字故障錄波器(9)等組成；所述測試系統(tǒng)主機的暫態(tài)仿真軟件和IEC 61850高速通信卡有機結(jié)合，在暫態(tài)仿真軟件上搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)進行動態(tài)實時仿真，并將繼電保護裝置測試所需的電壓、電流等信號經(jīng)IEC 61850高速通信卡的光纖以太網(wǎng)通信接口輸出遵循IEC61850-9-1、IEC61850-9-2的數(shù)字信號，受測試的繼電保護裝置的GOOSE向應(yīng)報文實時反饋回計算機形成閉環(huán)測試。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，其特征是，IEC61850通信卡內(nèi)部多路光纖以太網(wǎng)端口的之間同步由板上DSP處理器控制，IEC61850通信卡之間的同步，統(tǒng)一由一個外部硬件同步信號控制，實現(xiàn)同步功能，各卡之間的同步轉(zhuǎn)換命令時間誤差小于lus。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IEC 61850標準的便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，其特征是采用數(shù)字動態(tài)實時仿真系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IEC 61850標準的便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，其特征是提供遵循IEC61850-9-l、 IEC61850-9-2、 GOOSE等標準的多路光纖以太網(wǎng)通信接口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，其特征是，IEC61850通信卡與測試系統(tǒng)主機通信采用的是PCI總線接口， IEC 61850的高速通信卡安裝于便攜式工控機的PCI總線插槽中。
專利摘要一種便攜式全數(shù)字繼電保護暫態(tài)閉環(huán)測試儀，其特征在于，所述測試儀由測試系統(tǒng)主機(1)，PCI總線擴展器(2)，IEC61850通信卡(3)，信號擴展器(4)，光纖以太網(wǎng)(5)，繼電保護裝置(6)，GOOSE以太網(wǎng)(7)，GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機(8)及數(shù)字故障錄波器(9)等組成。所述測試系統(tǒng)主機的暫態(tài)仿真軟件和IEC 61850高速通信卡有機結(jié)合，在暫態(tài)仿真軟件上搭建數(shù)字仿真系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)進行動態(tài)實時仿真，并將繼電保護裝置測試所需的電壓、電流等信號經(jīng)IEC 61850高速通信卡的光纖以太網(wǎng)通信接口輸出遵循IEC61850-9-1、IEC61850-9-2的數(shù)字信號，受測試的繼電保護裝置的GOOSE響應(yīng)報文實時反饋回計算機形成閉環(huán)測試。本實用新型適用于全數(shù)字繼電保護的閉環(huán)測試。
文檔編號G01R31/327GK201518052SQ20092018959
公開日2010年6月30日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者上官帖, 孫閔, 蘇永春, 辛建波 申請人:江西省電力科學(xué)研究院