便攜式智能變電站繼電保護(hù)報(bào)文測(cè)試儀的研制

黃 濤，王 亮，張麗玲

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072)

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便攜式智能變電站繼電保護(hù)報(bào)文測(cè)試儀的研制

黃 濤1，王 亮2，張麗玲2

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072)

針對(duì)現(xiàn)在使用的繼電保護(hù)測(cè)試儀體積大、運(yùn)算速度慢且通用性較低的問(wèn)題，介紹了新型報(bào)文測(cè)試儀，測(cè)試儀使用ARM芯片并采用緊湊化的電路設(shè)計(jì)，通過(guò)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信，報(bào)文遵循IEC 61850規(guī)約，實(shí)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(hù)測(cè)試儀；以太網(wǎng)；SV報(bào)文；IEC 61850；ARM

與常規(guī)繼電保護(hù)與控制設(shè)備相比，智能變電站的智能化繼電保護(hù)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，繼電保護(hù)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(hù)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(shí)現(xiàn)方式和應(yīng)用方式的改變，使得原有的檢測(cè)和考核方法、項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適用于智能化繼電保護(hù)和控制設(shè)備，對(duì)該類設(shè)備的檢測(cè)提出了新的要求。

文獻(xiàn)[1-2]對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上微機(jī)型繼電保護(hù)測(cè)試儀的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，指出國(guó)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(jìn)口測(cè)試儀的整機(jī)性能好，硬件可靠、精度高且使用壽命長(zhǎng)，但是價(jià)格昂貴。文獻(xiàn)[3-6]從不同的使用環(huán)境對(duì)測(cè)試儀提出了功能上應(yīng)該滿足的要求，共同點(diǎn)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(xiàn)[7-10]對(duì)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(xiàn)[10-13]中有清晰的介紹。文獻(xiàn)[14-15]介紹了光纖中色散對(duì)信號(hào)的影響以及補(bǔ)償方案。

基于此，研制出便攜式智能變電站繼電保護(hù)測(cè)試儀，它具備性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的特點(diǎn)，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(bào)文檢測(cè)中。

1 測(cè)試儀的功能要求

1.1 實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作

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

1.2 以太網(wǎng)通信

測(cè)試儀通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)智能化二次設(shè)備的準(zhǔn)確、有效地功能檢測(cè)和性能考核。

1.3 遵循ICE 61850規(guī)約

測(cè)試儀發(fā)送的SV報(bào)文遵循IE C61850這一全球通用標(biāo)準(zhǔn)，能夠與任意的保護(hù)測(cè)控裝置進(jìn)行通訊，增大了測(cè)試儀的應(yīng)用范圍。

1.4 光補(bǔ)償

測(cè)試儀通過(guò)光纖與被測(cè)裝置相連，輸出光信號(hào)。光信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)有衰弱，同時(shí)，測(cè)試儀使用年限較長(zhǎng)以后，光纖端口的光信號(hào)也會(huì)減弱，這可能使得信號(hào)畸變，從而影響到測(cè)試儀的正常使用。故測(cè)試儀光纖以太網(wǎng)口需要進(jìn)行光補(bǔ)償，使得光信號(hào)能夠順利完整地傳送給被測(cè)裝置。

1.5 雙操作模式

測(cè)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(diǎn)擊功能按鈕才操作測(cè)試儀；可靠的按鍵操作，使用者可以通過(guò)實(shí)體按鍵來(lái)進(jìn)行操作，實(shí)體按鍵以其機(jī)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(jìn)行了操作。2種操作模式既給了不同使用習(xí)慣的用戶以不同的選擇，也是一種保障，當(dāng)一種操作模式無(wú)法進(jìn)行的時(shí)候，另外一種能夠起到后備的作用，順利完成使測(cè)試任務(wù)。

2 測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

便攜式智能變電站繼電保護(hù)報(bào)文測(cè)試儀主機(jī)產(chǎn)生遵循IEC 61850規(guī)約的SV報(bào)文，通過(guò)光纖經(jīng)以太網(wǎng)口傳送給被測(cè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化二次設(shè)備的報(bào)文檢測(cè)工作。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主機(jī)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(bào)文測(cè)試儀硬件原理

2.2.1 主機(jī)芯片

測(cè)試儀主機(jī)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(cè)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(bào)文。測(cè)試儀的光纖以太網(wǎng)接口可以接受和發(fā)送SV報(bào)文，測(cè)試時(shí)，將測(cè)試儀與被測(cè)裝置或者光交換機(jī)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)和被測(cè)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(dòng)作時(shí)，通過(guò)將輸入電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)、光電隔離等過(guò)程，按鍵動(dòng)作這一指令傳至ARM芯片進(jìn)行處理。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊為L(zhǎng)ED指示燈模塊，顯示測(cè)試儀的開關(guān)狀態(tài)以及與被測(cè)裝置的連接狀態(tài)。當(dāng)測(cè)試儀啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)指示燈會(huì)亮，當(dāng)測(cè)試儀與被測(cè)裝置連接上并且IP匹配成功、能夠進(jìn)行通信時(shí)，通信指示燈將被點(diǎn)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(bào)文的指令。當(dāng)這些參量的值調(diào)整改變或者別的指令被操作時(shí)，這些信息將會(huì)傳送給ARM芯片進(jìn)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(diǎn)，依據(jù)緊湊化原則，設(shè)計(jì)出如圖3所示的電路元件分布圖。

圖3 電路元件分布

3 測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀軟件流程如圖4所示。測(cè)試儀采用C語(yǔ)言編程，根據(jù)功能劃分主要分為3個(gè)部分：通信、人機(jī)交互和IEC 61850規(guī)約。

圖4 報(bào)文測(cè)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(wú)操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上能減少對(duì)RAM的占用。

3.2 人機(jī)交互

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

3.3 IEC 61850

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試儀輸出的報(bào)文遵守這一規(guī)約能夠大大提高它的適用范圍。

4 裝置測(cè)試

測(cè)試儀完成之后，需要對(duì)它的功能進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)是否達(dá)到預(yù)定要求。

4.1 裝置樣機(jī)

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

圖5 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)

4.2 使用測(cè)試

將測(cè)試儀與被測(cè)裝置連接，立即能夠得到連接成功的提示。通過(guò)在操作界面上選擇不同的幅值和頻率，測(cè)試儀向裝置發(fā)送不同的SV報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備性能和功能的檢測(cè)。測(cè)試儀發(fā)送的報(bào)文形式如圖6所示。

圖6 報(bào)文形式

4.3 創(chuàng)新點(diǎn)

繼電保護(hù)報(bào)文測(cè)試儀首次采用ARM芯片作處理器，確保強(qiáng)大計(jì)算能力的同時(shí)，降低了功率損耗，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀整體設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化以及輕量化、小型化目標(biāo)。同時(shí)，操作界面的功能簡(jiǎn)化使得工作人員能夠容易熟悉使用方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

便攜式智能變電站繼電保護(hù)報(bào)文測(cè)試儀按照IEC 61850規(guī)約格式，通過(guò)光纖輸出SV報(bào)文，對(duì)智能化二次設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確、有效地功能檢測(cè)和性能考核，能夠大幅度提高繼電保護(hù)保護(hù)檢修調(diào)試人員的工作效率。此外，測(cè)試儀采用高性能ARM處理器，運(yùn)算速度快，計(jì)算能力強(qiáng)，人機(jī)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(hù)報(bào)文測(cè)試儀的操作簡(jiǎn)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(cè)試儀的使用性。

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本文責(zé)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(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)數(shù)字保護(hù)工作。

TM774

B

1001-9898(2017)03-0010-04