隨著IEC61850 標準在電力行業(yè)的推廣，變電站的數(shù)字化程度得到了飛速發(fā)展．基于IEC61850的數(shù)字化繼電保護裝置的二次信號有別于傳統(tǒng)變電站，具有網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的特點［1］．在傳輸過程中，其二次信號經(jīng)過數(shù)字編碼后通過光纖進行傳輸． 數(shù)字變電站的過程層使用電子式互感器( ECT/EVT) 代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的電磁式互感器，其輸出信號通過合并單元直接輸出數(shù)字量，并通過光纖以太網(wǎng)傳送至保護裝置．間隔層的保護裝置經(jīng)過運算處理后，將輸出數(shù)據(jù)下發(fā)至過程層智能終端等設(shè)備，*終實現(xiàn)對一次設(shè)備的保護［2-3］．數(shù)字繼電保護裝置的輸入輸出都是數(shù)字量，其測試項目、方法與傳統(tǒng)設(shè)備的測試都有很大區(qū)別．測試儀也與傳統(tǒng)微機保護測試儀不同，具有光纖通信接口，其輸出信息符合IEC61850 標準［4］．數(shù)字式繼電保護測試儀用于智能變電站繼電保護裝置的功能測試，要能夠模擬電力系統(tǒng)故障發(fā)生時的故障數(shù)據(jù)信息，因此故障數(shù)據(jù)的生成是測試儀的關(guān)鍵技術(shù)之一．通過分析現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)生成方式，本文提出了一種解析PSCAD 輸出文件的故障數(shù)據(jù)生成方式．

1 測試儀原理及組成

1． 1 測試儀原理

數(shù)字化變電站中，數(shù)字繼電保護裝置接收合并單元輸出的SV 采樣值信號，并向智能終端送出GOOSE開關(guān)量信號．對繼電保護裝置測試時，數(shù)字繼電保護測試儀替代合并單元發(fā)送SV采樣值信號，同時能接收保護發(fā)出的GOOSE信號，從而實現(xiàn)對保護裝置的閉環(huán)測試［5］．

1． 2 測試儀組成

數(shù)字繼電保護測試儀由上位機和下位機兩個部分組成．下位機是基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的打包發(fā)送和解包接收功能;上位機軟件是在Windows平臺上開發(fā)的，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的建模、映射、配置等功能．

1． 2． 1 下位機硬件設(shè)計

測試儀發(fā)送的SV采樣值信號中包含多路電壓、電流值，其實時性要求較高．下位機主控芯片選用NXP 公司的LPC1766 微處理器，該處理器是一款低功耗、32-bit 基于 AＲM Cotex-M3 核的高性能處理器，可實現(xiàn)*高100 MHz 的CPU 操作頻率，滿足信號處理的實時性要求．該處理器自帶10/100M MAC 控制器，可以通過ＲMII接口外接PHY 芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器實現(xiàn)以太網(wǎng)接口電路［6］，節(jié)省了開發(fā)成本和時間．硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．

1． 2． 2 下位機軟件設(shè)計

AＲM 程序流程圖如圖2所示．

AＲM 主控制器軟件實現(xiàn)的功能復(fù)雜并且需要處理的任務(wù)繁多，因此本系統(tǒng)采用基于μC/os－II的嵌入式實時操作系統(tǒng)對各個任務(wù)進行管理．μC/os-II 用 ANSIC 語言編寫，能夠在不同構(gòu)架的微處理器使用，便于移植、剪裁，其*多可以管理64 個任務(wù)［7］，足以滿足本工程設(shè)計的需要．

LPC1766 主控制器軟件主要實現(xiàn)3 個功能:與DSP和上位機通信;把上位機下送的數(shù)據(jù)按照IEC61850 格式打包，并通過以太網(wǎng)發(fā)送給繼電保護裝置;接收繼電保護裝置輸出的GOOSE信號，并傳送至上位機．程序移植時需要分配各個任務(wù)的優(yōu)先級，從而保證系統(tǒng)的*優(yōu)．

2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件是在Windows平臺上開發(fā)的．該軟件主要由人機界面、SCL文件解析、故障數(shù)據(jù)建模、通信等幾大功能模塊組成．故障數(shù)據(jù)建模是測試儀關(guān)鍵技術(shù)之一，本文在現(xiàn)有故障數(shù)據(jù)生成模式基礎(chǔ)上做了改進性設(shè)計．

2． 1 人機界面

上位機人機界面是基于LabVIEW 軟件開發(fā)的，其編程方法與計算機文本語言編程方法不同．該軟件使用圖形化編輯語言(G 語言) 編寫程序，以產(chǎn)生框圖的形式展現(xiàn)程序，給程序開發(fā)、閱讀帶來方便，并加快程序開發(fā)進程［8］．同時，LabVIEW 集成了各種應(yīng)用所需的信息處理工具，極大地方便了開發(fā)用戶．開發(fā)時可以通過調(diào)用不同的工具包和接口函數(shù)為上位機界面提供底層服務(wù)．

2． 2 SCL文件解析

上位機軟件中需嵌入MSXML 軟件接口來解析XML語言，開發(fā)時需要在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對SCL 文件的解析．工程測試中，測試人員導(dǎo)入廠家提供的SCL 文件便可獲取裝置的相關(guān)配置信息．

2． 3 故障數(shù)據(jù)建模方式

繼電保護測試儀的主要功能是模擬電力系統(tǒng)故障時的數(shù)據(jù)，從而檢驗繼電保護裝置的性能．測試時，測試儀可以輸出穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)做定值校驗，也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障數(shù)據(jù)完成功能測試．目前測試儀穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)一般由庫函數(shù)的標準正弦函數(shù)產(chǎn)生，該數(shù)據(jù)只能用于保護裝置的定值校驗． 故障時的暫態(tài)數(shù)據(jù)，有兩種方式生成:一種是通過輸入基波和各次諧波的幅值、步長等參數(shù)，按照算法計算形成故障數(shù)據(jù);另一種是通過動模或真實電力系統(tǒng)的故障錄波文件來獲取故障數(shù)據(jù)［9-10］． 這種測試方法得到的是真實的電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)，理論上說這是測試繼電保護裝置性能的*佳方法，但是從實際情況考慮，該方法存在一定的局限性．

( 1) 只能進行保護裝置的通用性測試．因動?；?qū)嶋H系統(tǒng)的限制，錄波文件不能提供有針對性的故障數(shù)據(jù)，也就不能進行特定網(wǎng)絡(luò)保護功能的測試．

( 2) 不能進行復(fù)合型故障測試．測試儀再現(xiàn)的故障錄波文件是針對故障情況下某元件或者線路的單一故障數(shù)據(jù)，無法完成復(fù)合型故障、發(fā)展型故障的測試．

本文的方法是利用PSCAD 對特定的保護裝置構(gòu)建針對性的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置故障并生成故障數(shù)據(jù)，然后通過測試儀打包成IEC61850格式的數(shù)據(jù)，發(fā)給保護裝置完成測試．這種方法靈活方便，可任意改變電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)．通過上位機程序設(shè)置，可以實現(xiàn)對發(fā)展型故障的測試．

3 基于PSCAD故障數(shù)據(jù)生成

針對現(xiàn)有的故障數(shù)據(jù)生成模式，本文提出了一種通過解析PSCAD( Power Systems ComputerAided Design) 輸出文件的故障數(shù)據(jù)生成模式．

3． 1 PSCAD軟件介紹

PSCAD 軟件是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件．PSCAD 采用時域分析求解完整的電力系統(tǒng)及微分方程(包括電磁和機電兩個系統(tǒng))，結(jié)果非常準確．它允許用戶在一個完備的圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，進行仿真分析，仿真時用戶可以改變控制參數(shù)，直觀地看到各種測量結(jié)果和參數(shù)曲線．

3． 2 通用性測試

為了滿足對保護測試要求不高場合的應(yīng)用，測試儀上位機軟件延續(xù)傳統(tǒng)的設(shè)計方式．穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)還是根據(jù)上位機界面設(shè)定參數(shù)，通過以太網(wǎng)傳送給下位機．下位機根據(jù)算法計算出各采樣點的數(shù)值后發(fā)送給保護裝置．

3． 3 針對性測試

3． 3． 1 針對線路或者元件測試

基于PSCAD 故障數(shù)據(jù)生成法*突出的優(yōu)勢是: 可以結(jié)合現(xiàn)場保護安裝情況搭建電網(wǎng)絡(luò)模型，生成針對性故障數(shù)據(jù)，尤其是在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真方面更為突出．測試時，在裝好PSCAD 軟件的上位機電腦上，根據(jù)變電站電氣接線和元件參數(shù)搭建好相應(yīng)的仿真模型．測試人員首先根據(jù)保護測試項目建立相應(yīng)的工程文件，然后在保護所在的位置設(shè)置相應(yīng)波形輸出，從而保證仿真后有波形數(shù)據(jù)輸出．

在PSCAD 中可以對采樣頻率等參數(shù)進行設(shè)置，其輸出數(shù)據(jù)是以浮點型格式保存在相應(yīng)的路徑文件中．軟件開發(fā)時，在上位機設(shè)計相應(yīng)的操作界面，在底層編寫接口程序．軟件解析PSCAD輸出文件后將數(shù)據(jù)送給下位機，下位機接收數(shù)據(jù)后將其暫存在Flash 中．當上位機發(fā)出測試命令時，AＲM 處理器直接從Flash中讀取數(shù)據(jù)，然后按照IEC61850-9-2的格式直接打包發(fā)送給繼電保護裝置．

3． 3． 2 復(fù)合型故障測試及單步測試

基于PSCAD 故障數(shù)據(jù)生成方式不但可以對某線路或元件做針對性測試，而且可以做復(fù)合型故障測試．比如測試過電流線路保護裝置時，可以通過PSCAD 軟件搭建所測試的網(wǎng)絡(luò)，在保護安裝處設(shè)置測量點，以便獲取故障數(shù)據(jù)．通過程序控制做區(qū)外轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)的復(fù)合型故障模擬，并將獲取的故障數(shù)據(jù)文件存儲．測試時通過下位機將故障數(shù)據(jù)打包成IEC61850 數(shù)據(jù)報格式發(fā)往被測裝置，完成復(fù)合型故障測試．還可以在上位機界面通過數(shù)據(jù)傳送步長、采樣點數(shù)、測試起止點等參數(shù)設(shè)置，調(diào)整數(shù)據(jù)的整體傳輸速率．當傳輸速率較慢時，相當于程序的單步調(diào)試，可以檢驗保護裝置的算法設(shè)計，以及**響應(yīng)時間，這將對在研裝置算法的優(yōu)化帶來極大的便利．

4 實驗驗證

本文通過動模實驗來驗證該方法的可行性．實驗利用上海電力學(xué)院動模實驗室的110 kV智能變電站系統(tǒng)．實驗中首先根據(jù)測試需要在動模平臺搭建一個具有發(fā)、輸、配的電力網(wǎng)絡(luò)，然后根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)在上位機PSCAD 軟件中搭建相應(yīng)的電力網(wǎng)絡(luò)仿真模型．在仿真模型中對線路做單相接地、兩相短路、兩相接地、三相接地4種短路實驗．仿真時需保證輸出數(shù)據(jù)每個周波80個采樣點，將PSCAD 的仿真輸出步長設(shè)定為250 μs;同時為了避免處理驗證的數(shù)據(jù)量過大，實驗中短路時間設(shè)置為0．5 s．仿真結(jié)束后，上位機軟件將仿真數(shù)據(jù)加載打開，通過下位機光纖傳送給繼電保護裝置．保護裝置收到故障數(shù)據(jù)后根據(jù)預(yù)定故障模式斷開線路．

4． 1 定性分析驗證

為了更直觀地看出處理后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的相似度，將下位機發(fā)送給繼電保護裝置的數(shù)據(jù)通過逐個描點方式進行波形再現(xiàn)，然后與PSCAD輸出的波形相對比，以此來驗證數(shù)據(jù)處理方法的正確性．為避免圖形累贅，以單相接地短路為例，PSCAD 仿真波形和測試儀輸出數(shù)據(jù)再現(xiàn)波形分別如圖3和圖4所示．

通過對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，PSCAD和數(shù)據(jù)再現(xiàn)的波形從形狀和趨勢是一樣的．

4． 2 定量分析驗證

為了滿足工程精度的要求，本文從定量的角度來驗證該方法的可行性．將實驗中測試儀輸出

的數(shù)據(jù)和PSCAD生成文件中的故障數(shù)據(jù)按式

(1)進行作差驗證．

P= aij－bmnbmn×100%≤K (1)

式中:P———誤差率;

aij，bmn———測試儀和PSCAD故障數(shù)據(jù)元素;

K———工程允許的誤差范圍．

由于數(shù)據(jù)量過大，本文任意列出其中一個周波的數(shù)據(jù)量．具體數(shù)據(jù)值如表1所示．根據(jù)IEC61850的標準，每個周波需采樣80個點，限于篇幅，表中數(shù)據(jù)按每隔4個提取1個采樣值的方式列出．表1中數(shù)據(jù)保留11位有效數(shù)字(PSCAD和測試儀中數(shù)據(jù)保留14位有效數(shù)字)，但是對誤差計算影響可以忽略不計．經(jīng)過作差后發(fā)現(xiàn)誤差都在0．1%以內(nèi)，可以認為該誤差符合工程要求．

通過定性和定量分析后，可以認為基于PSCAD生成的故障數(shù)據(jù)經(jīng)過AＲM處理后是符合要求的．測試時按照IEC61850固定的格式打包后發(fā)給保護裝置做保護測試能夠滿足工程需要．

5結(jié)語

為了提升測試儀的性能，使其輸出的故障數(shù)據(jù)波形更接近實際情況，本文提出了一種結(jié)合PSCAD仿真軟件的數(shù)字繼電保護測試儀的設(shè)計方案．該設(shè)計不僅能對特定的保護裝置產(chǎn)生針對性的故障數(shù)據(jù)，而且給保護裝置的研發(fā)調(diào)試帶來極大便利，具有工程實踐意義．