基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，包括上位机和测试主机，测试主机包括CPU、数据生成模块和若干随机数据发送模块；上位机、CPU、数据生成模块依次顺序连接，数据生成模块连接随机数据发送模块，随机发送模块与被测跨间隔保护设备相连接；数据生成模块包括第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元，第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元依次顺序相连接；随机数据发送模块包括数据发送单元、接收单元和第二晶振；本发明采用多晶振体系真正意义上实现合并单元输出时域上的随机性和离散性，多晶振体系包括数据生成模块的晶振和随机数据发送模块的晶振。
【专利说明】基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于的是电力系统智能变电站数字化继电保护检测领域，涉及的是一种智能变电站数字化继电保护跨间隔同步测试系统。
【背景技术】
[0002]随着电子式互感器以及合并单元的大量应用，数字化继电保护已经替代传统继电保护设备成为市场主流产品，目前高电压等级数字化继电保护普遍采用的点对点采样技术，要求继电保护装置能够适应不同时间特性合并单元的采样值输出。
[0003]目前国内外数字化继电保护测试设备大多是基于上位机虚拟数据输出，然后由测试设备将这些虚拟数据按照配置信息转化成数字化继电保护设备所需要的采样值报文发出，这种测试模式测试设备所发出的采样值数据是按照相同节拍固定时间间隔发出，延时配置输出也是基于相位的偏移无法真正模拟现场合并单元分散布置后，不同合并单元采样值报文输出时时间随机离散的特性。这种测试模式是一种基于理想化数据输出的测试方法，其测试的结果只能验证数字化继电保护的基本功能，无法验证数字化继电保护对不同合并单元时间特性的兼容能力、容错能力。所以现场按照这种方式测试完成后，并不能真正反应数字化继电保护装置现场的跨间隔采样同步能力。这给跨间隔保护的实际运行留下了极大的隐患。例如，CN102129001公开了本发明涉及一种数字化继电保护装置测试系统及其方法，仅仅是一种基于相同时域的实现方法主要目的是为了验证数字化继电保护的逻辑功能。
[0004]国外目前都是以网络方式来完成采样，其同步方式是依赖于同步信号的，所以关于跨间隔的随机离散同步能力测试没有研究。
[0005]跨间隔保护的同步能力是决定其安全性可靠性的最主要环节，而跨间隔保护又是以点对点的方式来完成采样的，目前关于这种同步能力的真正意义上的测试还是一片空白。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明是为了解决智能变电站以及数字化变电站对于数字化继电保护跨间隔同步能力的测试要求，并针对目前现有的跨间隔数字化继电保护技术，开发出基于随机离散时域控制的数字化继电保护同步性能测试系统，以满足电力系统用户对于智能变电站数字化继电保护跨间隔同步性能测试的要求。
[0007]传统的数字化继电保护装置测试系统是一种基于相同时域的实现方法主要目的是为了验证数字化继电保护的逻辑功能，本专利的主要目的就是要让各个发送模块具有独立的时域系统通过内部数据的二次采样利用各自独立的晶振系统实现随机离散时域控制的数字化继电保护同步测试，是为了测试跨间隔数字化继电保护装置在接入多个合并单元随机离散时域上的同步能力。
[0008]本发明技术方案如下: 基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，包括上位机和测试主机，所述测试主机包括CPU、数据生成模块和若干随机数据发送模块；上位机、CPU、数据生成模块依次顺序连接，数据生成模块连接若干随机数据发送模块，随机发送模块与被测跨间隔保护设备相连接；
上位机用于产生测试原始数据，生成发送数据模型，并配置时间特性。
[0009]CPU用于按照上位机的配置信息完成数据重组后将数据发送给数据生成模块，接收完成上位机配置数据的信息导入和测试原始数据，依据上位机生成的发送数据模型和配置的时间特性，转换测试原始数据格式，生成符合协议标准的测试数据。
[0010]数据生成模块包括第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元，所述第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元依次顺序相连接。数据生成模块基于数据生成模块的晶振节拍将接收到的数据发送至各个独立随机数据发送模块，数据生成模块发出的数据为多间隔的理想数据。
[0011]随机数据发送模块用于随机发送测试数据，并实现重采样，随机数据发送模块包括数据发送单元、接收单元和第二晶振，接收单元与数据发送单元相连接，数据发送单元与第二晶振相连接，随机数据发送模块将接收到的数据基于随机数据发送模块的晶振发送到被测跨间隔保护设备，实现时域离散性。这样，若干个随机数据发送模块的晶体形成多晶振体系，每个随机数据发送模块都具有独立的晶振，其数据的生成时域与数据生成模块无关，随机数据发送模块自带晶振实现时域离散性。
[0012]CPU与FPGA相连接，多通道数据发送单元与随机数据发送模块的接收单元相连接，FPGA实现重组后的原始测试按照间隔将数据重新打包。
[0013]上位机产生的测试原始数据包括稳态测试数据、暂态测试数据，上位机生成测试原始数据的方法包括手动配置方式、SCD文件导入方式和自学习生成方式；手动配置方式通过手动输入数据实现；SCD文件导入方式通过SCD文件图形化打开，按照所测设备模型编号进行选择导入测试原始数据；自学习生方式由CPU接收来自实际合并单元的报文并通过报文解析器解析后将相关数据发送至上位机，上位机完成模型导入后确认，保存生成所需的配置信息，生成测试原始数据。
[0014]CPU接收来自上位机的测试原始数据，按照IOK的采样速率进行虚拟采样，完成上位机配置数据的信息导入以及测试所需数据的数据生成。
[0015]较优地，所述第一晶振为恒温晶振，精度等级为0.001PPM,随机数据发送模块的晶振(第二晶振)的精度等级为30PPM，每个独立的随机发送模块均配置独立的晶振，真正意义上仿真现场合并单元之间时域上的随机离散性。恒温晶振能够确保数据源的时域稳定，每个独立的随机发送模块均配置独立的晶振，真正意义上仿真现场合并单元之间时域上的随机离散性，第二晶振的精度等级为30PPM，降低使用成本。
[0016]上位机与CPU之间通过以太网连接；CPU与数据生成模块之间通过并行总线连接，数据生成模块与数据发送模块之间通过串行总线方式传输FT3协议。
[0017]基于随机离散时域的继电保护同步性能测试方法，包括以下步骤:
SOl，上位机通过手工配置方式、S⑶文件导入方式或者自学习方式，按照IEC61850-9协议格式生成发送数据模型,依据延时抖动值、绝对延时值、时间随机离散度对数据进行时间特性配置，产生稳态仿真数据与暂态仿真的测试原始数据；在测试开始之前将数据发送模型、时间特性配置参数先传递给数据发送模块完成测试模式的配置，在测试开始后实现数据传输；当上位机产生的测试原始数据为稳态仿真数据时，进入步骤S02，当上位机产生的测试数据为暂态仿真数据时，进入步骤S03 ；
S02,当上位机产生的测试原始数据为稳态仿真数据时，进入稳态测试，稳态测试时CPU接收到上位机配置信息后，由CPU将数据组织打包并按照合并单元发送数据集的定义分配各自间隔通道，CPU模拟了多个间隔的合并单元，按照合并单元发送数据集的定义进行数据分配在相应通道产生测试数据，数据生成模块产生IOk的采样值数据，数据生成模块按照自己的晶振节拍将采样值数据发送至各个独立随机数据发送模块；
S03，当上位机产生的测试数据为暂态仿真数据时，进入暂态测试，暂态系统仿真测试时由CPU完成瞬时采样，瞬时采样值为采样点数据按离散时间的某个时间点上的瞬时值，采样点数据按离散时间的某个时间点上的瞬时采样值，将数据按照IOk的采样速率虚拟采样，按照配置信息完成数据重组后交由数据生成模块按照自己的晶振节拍将这些数据发送至各个独立随机数据发送模块；数据重组由CPU完成接收来自上位机稳态与暂态数据后按照所配置的时间特性的间隔将数据重新打包，产生按时间间隔等间隔的离散采样值数据；S04,随机数据发送模块按照IEC61850协议格式的模型参数分配通道，完成通道配置后发送全O数据，测试开始后接收数据生成模块的IOk采样值数据，根据随机数据发送模块自身的晶振节拍进行重采样后，重采样过程根据配置信息中的额定延时参数进行时间修补，按照IEC61850-9协议格式进行数据发送，实现数据随机离散发送；随机数据发送模块的数据随机离散是按照随机数据发送模块的独立晶振的随机时间进行插值而生成随机离散数据。
[0018]本发明的技术方案有益效果包括:
1、随机离散的时域控制，采用多晶振体系真正意义上实现合并单元输出时域上的随机性和离散性，多晶振体系包括数据生成模块的晶振和随机数据发送模块的晶振。
[0019]2.自学习模式，可以接入实际的合并单元信号，根据合并单元的信息进行配置读取额定延时等信息。无需导入模型，所有的配置信息也可根据实际要求进行手动配置。
[0020]3.通用性强，适用于目前所有点对点方式跨间隔保护的同步能力测试，并可虚拟不同原理互感器的合并单元数据。
[0021]4.采用高精度第一晶振控制时序，FPGA控制时序发送从真正意义上仿真多间隔合并单元数据的输出。
[0022]5.数据独立性，采用独立FPGA芯片控制独立以太网接口芯片，使得各测试端口发出的采样值数据除数据外部再有任何电气上的联系。
[0023]6.可扩充性，系统总体架构按照主从模式，从CPU与主CPU之间采用独立串行总线，可以根据实际需要进行端口扩充。
[0024]7.支持暂态仿真测试，当系统按照暂态测试数据发送时即可实现整站的暂态仿真同步测试。
[0025]【专利附图】
【附图说明】
图1是本发明基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统结构示意图；
图2为数据生成模块与随机数据发送模块结构示意图。【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]请参阅图1，基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，包括上位机和测试主机,所述测试主机包括CPU、数据生成模块和若干随机数据发送模块；上位机、CPU、数据生成模块依次顺序连接，数据生成模块连接若干随机数据发送模块，随机发送模块与被测跨间隔保护设备相连接。
[0028]上位机用于产生测试原始数据，生成发送数据模型，并配置时间特性。
[0029]CPU用于按照上位机的配置信息完成数据重组后将数据发送给数据生成模块，接收完成上位机配置数据的信息导入和测试原始数据，依据上位机生成的发送数据模型和配置的时间特性，转换测试原始数据格式，生成符合协议标准的测试数据。
[0030]如图2所示，数据生成模块包括第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元，所述第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元依次顺序相连接。数据生成模块基于数据生成模块的晶振节拍将接收到的数据发送至各个独立随机数据发送模块，数据生成模块发出的数据为多间隔的理想数据。
[0031]随机数据发送模块用于随机发送测试数据，并实现重采样，随机数据发送模块包括数据发送单元、接收单元和第二晶振，接收单元与数据发送单元相连接，数据发送单元与第二晶振相连接，随机数据发送模块将接收到的数据基于随机数据发送模块的晶振发送到被测跨间隔保护设备，实现时域离散性。这样，若干个随机数据发送模块的晶体形成多晶振体系，每个随机数据发送模块都具有独立的晶振，其数据的生成时域与数据生成模块无关，随机数据发送模块自带晶振实现时域离散性。数据发送模块的接收单元采用Agilent (安捷伦)公司的光接收器件，接口采用ST，以太网光纤波长采用1310nm，按照IEC61850-9标准协议发送。
[0032]CPU与FPGA相连接，多通道数据发送单元与随机数据发送模块的接收单元相连接，FPGA实现重组后的原始测试按照间隔将数据重新打包。
[0033]上位机产生的测试原始数据包括稳态测试数据、暂态测试数据，上位机生成测试原始数据的方法包括手动配置方式、SCD文件导入方式和自学习生成方式；手动配置方式通过手动输入数据实现；SCD文件导入方式通过SCD文件图形化打开，按照所测设备模型编号进行选择导入测试原始数据；自学习生方式由CPU接收来自实际合并单元的报文并通过报文解析器解析后将相关数据发送至上位机，上位机完成模型导入后确认，保存生成所需的配置信息，生成测试原始数据。
[0034]CPU接收来自上位机的测试原始数据，按照IOK的采样速率进行虚拟采样，完成上位机配置数据的信息导入以及测试所需数据的数据生成。
[0035]第一晶振为恒温晶振，型号为JK0C36A_50MhZ，精度等级0.00IPPM,以确保数据源的时域稳定。
[0036]随机发送模块采用普通晶振型号为HX0-36B_50MhZ，随机数据发送模块的晶振的精度等级为30PPM，每个独立的随机发送模块均配置独立的晶振，真正意义上仿真现场合并单元之间时域上的随机离散性，CPU采用XILEX公司SPARTEN3系列FPGA，可以精确控制发送IEC61850-9协议数据的延时特性以及时间抖动特性。
[0037]上位机与CPU之间通过以太网连接；CPU与数据生成模块之间通过并行总线连接，数据生成模块与数据发送模块之间通过串行总线方式传输FT3协议。
[0038]基于随机离散时域的继电保护同步性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤: SOl，上位机通过手工配置方式、S⑶文件导入方式或者自学习方式，按照IEC61850-9
协议格式生成发送数据模型,依据延时抖动值、绝对延时值、时间随机离散度对数据进行时间特性配置，产生稳态仿真数据与暂态仿真的测试原始数据；在测试开始之前将数据发送模型、时间特性配置参数先传递给数据发送模块完成测试模式的配置，在测试开始后实现数据传输；当上位机产生的测试原始数据为稳态仿真数据时，进入步骤S02，当上位机产生的测试数据为暂态仿真数据时，进入步骤S03 ；
S02,当上位机产生的测试原始数据为稳态仿真数据时，进入稳态测试，稳态测试时CPU接收到上位机配置信息后，由CPU将数据组织打包并按照合并单元发送数据集的定义分配各自间隔通道，CPU模拟了多个间隔的合并单元，按照合并单元发送数据集的定义进行数据分配在相应通道产生测试数据，数据生成模块产生IOk的采样值数据，数据生成模块按照自己的晶振节拍将采样值数据发送至各个独立随机数据发送模块；
S03，当上位机产生的测试数据为暂态仿真数据时，进入暂态测试，暂态系统仿真测试时由CPU完成瞬时采样，瞬时采样值为采样点数据按离散时间的某个时间点上的瞬时值，采样点数据按离散时间的某个时间点上的瞬时采样值，将数据按照IOk的采样速率虚拟采样，按照配置信息完成数据重组后交由数据生成模块按照自己的晶振节拍将这些数据发送至各个独立随机数据发送模块；数据重组由CPU完成接收来自上位机稳态与暂态数据后按照所配置的时间特性的间隔将数据重新打包，产生按时间间隔等间隔的离散采样值数据；S04,随机数据发送模块按照IEC61850协议格式的模型参数分配通道，完成通道配置后发送全O数据，测试开始后接收数据生成模块的IOk采样值数据，根据随机数据发送模块自身的晶振节拍进行重采样后，重采样过程根据配置信息中的额定延时参数进行时间修补，按照IEC61850-9协议格式进行数据发送实现数据随机离散发送；随机数据发送模块的数据随机离散是按照随机数据发送模块的独立晶振的随机时间进行插值而生成随机离散数据。
[0039]以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，其特征在于，包括上位机和测试主机,所述测试主机包括CPU、数据生成模块和若干随机数据发送模块；所述上位机、CPU、数据生成模块依次顺序连接，所述数据生成模块连接随机数据发送模块，所述随机发送模块与被测跨间隔保护设备相连接； 所述上位机用于产生测试原始数据，生成发送数据模型，并配置时间特性； 所述CPU用于按照上位机的配置信息完成数据重组后将数据发送给数据生成模块，接收完成上位机配置数据的信息导入和测试原始数据，依据上位机生成的发送数据模型和配置的时间特性，转换测试原始数据格式，生成符合协议标准的测试数据； 所述数据生成模块包括第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元，所述第一晶振、FPGA和多通道数据发送单元依次顺序相连接，数据生成模炔基于第一晶振节拍将接收到的数据发送至各个独立随机数据发送模块，数据生成模块发出的数据为多间隔数据； 所述随机数据发送模块用于随机发送测试数据，并实现重采样，所述随机数据发送模块包括数据发送单元、接收单元和第二晶振，接收单元与数据发送单元相连接，数据发送单元与第二晶振相连接，随机数据发送模块将接收到的数据基于随机数据发送模块的晶振发送到被测跨间隔保护设备，实现时域离散性。
2.根据权利要求1所述的基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，其特征在于，上位机产生的测试原始数据包括稳态测试数据、暂态测试数据，所述上位机生成测试原始数据的方法包括手动配置方式、S⑶文件导入方式和自学习生成方式；所述手动配置方式通过手动输入数据实现 ；所述SCD文件导入方式通过SCD文件图形化打开，按照所测设备模型编号进行选择导入测试原始数据；所述自学习生方式由CPU接收来自实际合并单元的报文并通过报文解析器解析后将相关数据发送至上位机，上位机完成模型导入后确认、保存生成所需的配置信息，生成测试原始数据。
3.根据权利要求1所述的基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，其特征在于，所述CPU接收来自上位机的测试原始数据，按照IOK的采样速率进行虚拟采样，完成上位机配置数据的信息导入以及测试所需数据的数据生成。
4.根据权利要求1所述的基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，其特征在于，所述第一晶振为恒温晶振，精度等级为0.001PPM。
5.根据权利要求1所述的基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，其特征在于，所述第二晶振的精度等级为30PPM。
6.根据权利要求1所述的基于随机离散时域的继电保护同步性能测试系统，其特征在于，上位机与CPU之间通过以太网连接;CPU与数据生成模块之间通过并行总线连接，数据生成模块与数据发送模块之间通过串行总线方式传输FT3协议数据。
7.根据权利要求1所述的基于随机离散时域的继电保护同步性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤: SOl，上位机通过手工配置方式、S⑶文件导入方式或者自学习方式，按照IEC61850-9协议格式生成发送数据模型,依据延时抖动值、绝对延时值、时间随机离散度对数据进行时间特性配置，产生稳态仿真数据与暂态仿真的测试原始数据；在测试开始之前将数据发送模型、时间特性配置参数先传递给数据发送模块完成测试模式的配置，在测试开始后进行数据传输；当上位机产生的测试原始数据为稳态仿真数据时，进入步骤S02，当上位机产生的测试数据为暂态仿真数据时，进入步骤S03 ； S02，当上位机产生的测试原始数据为稳态仿真数据时，进入稳态测试，所述稳态测试时CPU接收到上位机配置信息后，由CPU将数据组织打包并按照合并单元发送数据集的定义分配各自间隔通道，数据生成模块产生IOk的采样值数据，数据生成模块按照第一晶振的晶振节拍将所述采样值数据发送至各个独立随机数据发送模块； S03，当上位机产生的测试数据为暂态仿真数据时，进入暂态测试，所述暂态测试时由CPU完成瞬时采样，将数据按照IOk的采样速率虚拟采样，按照时间特性的配置信息完成数据重组后交由数据生成模块按照第一晶振节拍将所述重组后的数据发送至各个独立随机数据发送模块； S04,随机数据发送模块按照IEC61850协议格式的模型参数分配通道，完成通道配置后发送全O数据，测试开始后接收数据生成模块的IOk采样值数据，根据随机数据发送模块的晶振节拍进行重采样，重采样过程根据配置信息中的额定延时参数进行时间修补，按照IEC61850-9协议格式进 行数据发送。
【文档编号】G01R31/00GK103983878SQ201410245287
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】徐长宝, 高吉普, 桂军国, 王宇, 汤汉松, 罗强 申请人:贵州电力试验研究院