一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例公开了一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，通过上位机建立智能变电站数字化计量系统的仿真模型，来仿真智能变电站实际运行工况；在智能变电站安装间隔采样测试终端，将所述上位机发送的仿真采样数据命令通过控制主机、实时同步发送至各待测智能设备，实现整个智能变电站的带负荷模拟运行；同时通过网络交换机接收各电能表发送的MMS电能量数据，最后由上位机接收MMS电能量数据，对整站电能量进行实时分析，实现数字化电能量计量平衡的现场测试。本实施例提供的测试系统，可以使计量电能量平衡这一重要的测试工作不再局限于变电站实际运行后进行，在不破坏变电站运行工况的基础上检测变电站计量的准确性。
【专利说明】
-种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及电力系统智能变电站数字化计量系统仿真和测试技术领域，特别 是设及一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统。
【背景技术】
[0002] 电能计量作为电力贸易结算的唯一依据，其准确性和可靠性直接关系到购售电双 方的经济利益和社会公平公正。随着数字化变电站W及智能变电站的快速推广，电子式互 感器、合并单元和数字化电能表等数字化计量设备在电力系统内得到大量应用。由于电子 式互感器电流电压同步、合并单元系数配置、网络传输丢帖误码W及数字化电能表参数配 置等诸多原因，使得数字化计量系统在实际运行后大量出现电能不平衡的现象，而数字化 计量系统实际运行后由于条件限制，无法进行全面的检查，使得所述电能不平衡现象称为 困扰智能变电站计量人员的一个大难题。并且所述电能不平衡问题只能在所述数字化计量 系统实际投运带负载W后才能被发现，运给智能变电站数字化计量的可靠性和经济性带来 了极大的隐患。
[0003] 因此，在数字化计量系统投运前的计量不平衡测试很有必要，但是在进行计量不 平衡测时试需要针对多个间隔电表设置所有所需的多路同步数字信号源，而目前并没有运 一类有针对性的专业设备;此外，电能表的电能量值没有快捷可靠的通信方式送出，无法形 成快速的闭环测试。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型实施例中提供了一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统， W提供一种采样数据实时仿真测试技术、并支持数字化电能表的电能量读取，来解决数字 化计量系统在智能变电站投运前整站电能平衡测试的问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型实施例公开了如下技术方案：
[0006] 提供了一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，包括上位机、控制主 机、测试终端和网络交换机，其中：
[0007] 所述上位机，用于利用图形化建模软件建立智能变电站数字化计量系统的仿真模 型，根据设定的故障对象和时序确定动态仿真过程，同时结合建模仿真的MMS模型文件对 MMS电能量信息数据进行解析分析，其中，所述MMS电能量信息数据是由智能变电站内数字 化电能表发出的；
[000引所述控制主机，与所述上位机通信连接，用于接收所述上位机建模仿真计算的智 能变电站内各间隔采样数据命令、并将所述采样数据命令发送给对应的所述测试终端，还 用于与所述测试终端进行同步对时控制；
[0009] 所述测试终端，与所述控制主机通信连接，用于根据所述采样数据命令和相应的 后端智能设备类型、在统一时域下向所述后端智能设备发送虚拟采集器采样或9-2采样；
[0010] 所述网络交换机，与所述智能变电站内数字化电能表通信连接，用于接收所述数 字化电能表产生的所述MMS电能量数据，并将所述MMS电能量数据通过所述控制主机发送给 所述上位机。
[0011] 优选地，所述控制主机包括第一微处理器与第一FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程口阵列)忍片结合的双CPU,其中：
[0012] 所述第一微处理器，用于与所述上位机数据交互控制、W及与所述测试终端同步 对时算法控制和数据交互控制；
[OOU]所述第一 FPGA忍片，用于所述控制主机内部时钟同步、W及数据处理中断分频。
[0014] 优选地，所述测试终端包括第二微处理器与第二FPGA忍片结合的双CPU,其中：
[0015] 所述第二微处理器，用于与所述控制主机的数据交互控制，W及处理所述控制主 机发送的同步对时信号；
[0016] 所述第二FPGA忍片，用于对所述虚拟采集器采样或9-2采样进行发送编码控制，W 及控制所述测试终端内采样装置的时钟节拍。
[0017] 优选地，所述测试终端内设置有恒溫晶振，用于所述测试终端与所述控制主机之 间的同步对时信号中断后、实现所述测试终端与所述控制主机的同步守时。
[0018] 优选地，所述第一微处理器包括MPC8247嵌入式微处理器。
[0019] 优选地，所述第二微处理器包括MPC8247嵌入式微处理器。
[0020] 由W上技术方案可见，本实用新型实施例提供的一种智能变电站数字化电能计量 平衡整站测试系统，通过上位机建立智能变电站数字化计量系统的仿真模型，来仿真智能 变电站实际运行工况;在智能变电站安装间隔采样测试终端，将所述上位机发送的仿真采 样数据命令通过控制主机、实时同步发送至各待测智能设备，实现整个智能变电站的带负 荷模拟运行；同时通过网络交换机接收各电能表发送的MMS电能量数据，最后由所述上位机 接收所述MMS电能数据吗，对整站电能量进行实时分析，实现数字化电能量计量平衡的现场 测试。本实用新型实施提供的测试方法具有通用性，可W使计量电能量平衡运一重要的测 试工作不再局限于变电站实际运行后进行，可W在不破坏变电站运行工况的基础上检测变 电站计量的准确性，提高智能电网计量设备的安全性与可靠性，确保电能贸易的公平、公 正，也为电网的安全稳定运行提供保障。
【附图说明】
[0021] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人 员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他的附图。
[0022] 图1为本实用新型实施例提供的一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系 统结构示意图；
[0023] 图2为本实用新型实施例提供的一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试方 法的流程示意图；
[0024] 图3为本实用新型实施例提供的所述控制主机与所述测试终端具体的对时过程流 程示意图；
[0025] 图4为本实用新型实施例提供的所述测试终端锁定根据主时钟修正自身时间的流 程示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实 用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0027] 参见图1，为本实用新型实施例提供的一种智能变电站数字化电能计量平衡整站 测试系统结构示意图，所述测试系统包括上位机、控制主机、测试终端和网络交换机。
[0028] 所述上位机，用于利用图形化建模软件建立智能变电站数字化计量系统的仿真模 型，根据设定的故障对象和时序确定动态仿真过程，同时结合建模仿真的MMS模型文件对 MMS电能量信息数据进行解析分析，其中，所述MMS电能量信息数据是由智能变电站内数字 化电能表发出的。
[0029] 具体的，所述上位机基于工控机平台，采用图形化建模软件建立智能变电站数字 化计量系统的仿真模型；然后，根据设定的故障对象的元件参数和状态时序变化确定仿真 过程，来完成变电站时域仿真及采样输出控制。
[0030] 进一步的，还可通过软件对智能变电站数字化内各元件参数进行建模，通过设置 并模拟电力系统的各种运行状态变化，实时输出数字式的电压、电流采样信息，来实现电 气运行模拟、系统特性模拟等变电站整站仿真计算功能。
[0031] 所述控制主机，与所述上位机通信连接，用于接收所述上位机建模仿真计算的智 能变电站内各间隔采样数据命令、并将所述采样数据命令发送给对应的所述测试终端。
[0032] 所述控制主机包括第一微处理器与第一 FPGA忍片结合的双CPU系统，来实现数据 处理与通信的分离。
[0033] 其中，所述第一微处理器，用于与所述上位机数据交互控制、W及与所述测试终端 同步对时算法控制和数据交互控制等功能，所述第一微处理器可W采用Freescale公司的 MPC8247嵌入式微处理器，该处理器属于PowerQUICC II系列，包含一个基于PowerPC MPC603e的内核和一个通信处理内核CPM，当然并不限于所述型号。
[0034] 所述第一FPGA忍片，用于所述控制主机内部时钟同步、W及数据处理中断分频，所 述第一 FPGA忍片可W采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1800,主要完成内部时钟同步， 当然并不限于所述型号。
[0035] 进一步的，所述控制主机同时还要完成与各测试终端的同步对时工作，为保证所 有测试终端处于统一时钟同步控制状态，本实施例中所述控制主机采用符合IEEE 1588规 范的对时方式，为所述测试终端提供统一的主从同步时钟信号。为获得较好的对时精度，所 述控制主机接收外部时钟源或由内部高精度晶振产生标准时钟，采用组播方式，并行与各 各所述测试终端交互158別寸钟信息。
[0036] 所述测试终端，与所述控制主机通信连接，用于根据所述采样数据命令和相应的 后端智能设备类型、在统一时域下向所述后端智能设备发送虚拟采集器采样或9-2采样。
[0037] 具体的，若后端智能设备接入为电压合并单元，则输出对应采集器协议的电压采 样数据;若后端智能设备接入为间隔合并单元，则输出对应采集器协议的电流采样数据;若 后端智能设备接入为电能表，则直接输出包含电流电压信号的9-2采样数据。
[0038] 所述测试终端包括第二微处理器与第二FPGA忍片结合的双CPU,来实现数据处理 与通信的分离。
[0039] 其中，所述第二微处理器，用于与所述控制主机的数据交互控制，W及处理所述控 制主机发送的同步对时信号。所述第二微处理器可W采用Freescale公司的MPC8247嵌入式 微处理器，当然并不限于所述型号。
[0040] 所述第二FPGA忍片，用于对所述虚拟采集器采样或9-2采样进行发送编码控制，W 及控制所述测试终端内采样装置的时钟节拍。
[0041] 当所述测试系统上电后，所述第二FPGA忍片按设定频率管理采样时钟，当所述控 制主机发出的同步对时信号输入且有效后，则通过其内部软件算法对采样时钟频率进行 调整；当外部同步信号异常或消失时，则通过所述测试终端内部的高精度晶振及软件算法 结合，维持采样时钟的稳定性与精确性。每个采样中断到达后，所述第二FPGA忍片对各类采 样数据进行编码控制，并行的开始发送各种采集器采样和W太网采样。同时，所述第二FPGA 忍片对内部RAM(random access memory,随机存取存储器）采用双口兵鸟操作，同一时间 下，数据写入与数据读出操作RAM的不同分区，防止数据读写冲突导致系统崩溃，安全可靠 的对虚拟采样数据进行发送。
[0042] 所述网络交换机，与所述智能变电站内数字化电能表通信连接，用于接收所述数 字化电能表产生的所述MMS电能量数据，并将所述MMS电能量数据通过所述控制主机发送给 所述上位机。
[0043] 基于上述测试系统，如图2所示，本实用新型实施例还提供的了一种智能变电站数 字化电能计量平衡整站测试方法，所述测试方法具体包括如下步骤。
[0044] S110:上位机建立智能变电站数字化计量系统的仿真模型。
[0045] 具体的，上位机采用图形化建模软件建立的智能变电站仿真模型，本实施例采用 整站模型的实时仿真，搭建实际变电站的运行模型，来模拟智能变电站运行后的各间隔的 实际带负载情况，用户可通过图形化界面对电网结构和元件参数进行建模，可W任意设置 并模拟电力系统的各种运行工况，实时产生数字化的电压、电流虚拟采样数据。
[0046] 同时，所述上位机采用图形化界面，可W将电能量信号直接在变电站模型上直接 显示，使得测试人员直接可W计算各个环节的电能量平衡。
[0047] S120:所述上位机根据设定的故障对象和时序、向控制主机发送智能变电站内各 间隔采样数据命令。
[0048] 具体的，上位机根据设定故障对象的元件参数和状态时序变化，确定具体的仿真 过程，并向控制主机发送智能变电站内各间隔的采样数据命令。
[0049] S130:所述控制主机接收所述采样数据命令，将所述采样数据命令发送给相应的 测试终端。
[0050] 具体的，所述控制主机接收所述采样数据命令，对所述采样数据命令进行解析后， 根据所述采样数据命令的测试终端信息标签，将所述采样数据命令发送给相应的测试终 玉山 乂而。
[0051 ]进一步的，所述上位机与所述控制主机采用TCP/IP内部协议进行数据交互。
[0052] S130:所述控制主机向所述测试终端发送同步对时信号，与所述测试终端进行同 步对时。
[0053] 为了保证所有的所述测试终端处于统一时钟同步控制状态，本实施例中，所述控 制主机采用符合IEEE 1588规范的对时方式，为所述测试终端提供统一的主从同步时钟信 号。
[0054] 所述测试终端与所述控制主机间也采用TCP/IP内部协议通信，所述测试终端开始 运行后，定时通过通信网络监听所述控制主机发送的对时报文，自动完成与所述控制主机 的W太网同步对时。本实施例，采用1588同步技术作为数据源的同步信号，实现多间隔之间 的同步精度优于lus。
[0055] 由于IE邸1588同步时钟标准采用的是报文对时方式，报文在经过微处理器W及 操作系统时所花的处理时间抖动延迟比较高，运对IE邸158別寸钟修正会造成不利影响，因 此，本实施例直接在TCP/IP协议层次的最下两层对报文进行处理，来获得较好的对时精度。
[0056] 其中，所述控制主机与所述测试终端具体的对时过程包括：
[0057] S210:所述控制主机接收外部时钟源或由内部高精度晶振产生标准时钟信号。
[005引S220:根据所述标准时钟信号，所述控制主机通过组播方式、并行向所述测试终端 发送所述同步对时信号。
[0059] S230:所述测试终端接收所述同步对时信号，检测并判断所述同步对时信号的是 否为有效同步对时信号。
[0060] 由于在所述同步对时信号传输过程中，可能会受到其它干扰，导致信号失真，所W 本实用新型实施加入对接收到的同步对时信号的检测过程，具体的，对所述同步对时信号 的检测包括有效脉宽、抖动W及频率等方面的质量检测。
[0061] S240:当所述同步对时信号为有效同步对时信号时，所述测试终端判断所述有效 同步对时信号的连续个数是否达到设定阔值。
[0062] 其中，所述设定阔值的个数可W为一个还可W为多个，在本实施例中不做具体限 定。
[0063] S250:当所述有效同步对时信号的连续个数达到设定阔值时，所述测试终端锁定 自身时钟频率进入主时钟跟随模式。
[0064] 其中:所述测试终端锁定自身时钟频率进入主时钟跟随模式，具体包括：
[0065] S310:设定所述控制主机的主时钟和所述测试终端的从时钟网络延时具有对称 性，计算出所述主时钟到所述从时钟的网络延时Delay。
[0066] 设定从时钟和主时钟之间的网络延迟具有对称性，即从时钟到主时钟的网络延时 与主时钟到从时钟的网络延迟相等；
[0067] 根据所述网络延时的对称性，计算出所述主时钟到所述从时钟的网络延时Delay,
[006引 旨 口，
(1)
[0069] 公式（1)中，Tml为所述同步对时信号的准确发送时间，它包含在所述同步对时信 号的跟随报文内；Tsl为所述同步对时信号的接收时间；Ts2为延迟-请求报文的发送时间； 化2延迟-请求报文的接收时间，它包含在延迟-响应报文内。
[0070] S320:根据所述网络延时Delay,计算出所述从时钟与所述主时钟之间的时间偏差 Offset，
[0071] 旨P，Offset = Tsl-Tml-Delay (2)
[0072] S330:判断所述时间偏差Offset是否大于或等于预设时间偏差。
[0073] 其中，在本实施例中，所述时间偏差可W设为lOum，当然并不限于所述数值。
[0074] SW0:所述时间偏差Offset大于或等于预设时间偏差时，则根据所述时间偏差 Of f set对所述测试终端的从时钟时间进行修正。
[0075] 由IE邸1588协议的原理可知，为使所述控制主机的主时钟与所述测试终端的从 时钟之间时差进入微妙级别，必须进行多次主从同步过程。
[0076] S350:当所述时间偏差Offset小于预设时间偏差时，则锁存当前修正过的时间，并 W所述测试终端内的恒溫晶振继续守时。
[0077] 进一步的，在测试过程中，所述测试终端还判断是否在设定时间间隔内接收到所 述同步对时信号；如果所述测试终端未在设定时间间隔内接收到所述同步对时信号，即所 述同步对时信号存在异常或丢失后，则通过所述测试终端内的恒溫晶振及软件算法、来保 持与所述主控机的同步守时。
[0078] 本实施例，由于采用高精度恒溫晶振的锁频技术，配合软件锁频技术即使在对时 无效的情况下也能保证整站信号地同步精度。
[0079] S140:所述测试终端接收所述采样数据命令，根据所述采样数据命令中的预配置 W及后端智能设备类型，向所述后端智能设备发送虚拟采集器采样或9-2采样；
[0080] 其中，若后端智能设备接入为电压合并单元，则输出对应采集器协议的电压采样 数据;若后端智能设备接入为间隔合并单元，则输出对应采集器协议的电流采样数据;若后 端智能设备接入为电能表，则直接输出包含电流电压信号的9-2采样数据。
[0081] S150:通过网络交换机接收智能变电站内数字化电能表产生的MMS电能量数据，并 将所述MMS电能量数据发送给所述控制主机，所述数字化电能表与所述测试终端或所述后 端智能设备电连接。
[0082] 其中，当智能变电站内某些间隔没有电子式互感器时直接输出61850-9-2协议。本 实施例中，采用仿真电子式互感器私有协议输出，将合并单元纳入到数字化计量整站测试 系统当中去，不改变现场的网络情况，同时，不改变整站的原有二次回路，所W不受现场模 型的限制。
[0083] S160:所述控制主机接收所述匪S电能量数据，并对所述匪S电能量数据进行滤波 处理后发送给所述上位机。
[0084] 当然，所述MMS电能量数据还可W直接发送至所述上位机。本实施例采用控制主机 对所述MMS电能量数据进行预处理，可W有效减小所述上位机的数据处理压力，提高数据运 算速度。
[0085] S170:所述上位机接收处理后的MMS电能数据、并进行数字化电能计量的整站平衡 分析。
[0086] 具体的，所述上位机结合建模仿真的MMS模型文件，对处理后的MMS电能数据进行 自动解析，获取各电能量信息的电能量到达时刻;根据所述电能量到达时刻，对所述智能变 电站内不同间隔的电能量进行同步插值计算;在相同时域下，通过回溯式的推算方法，对整 站电能量进行比对分析，完成数字化电能计量的整站平衡测试。
[0087] 本实用新型实施例提供的基于采样数据实时仿真的智能变电站数字化电能计量 平衡整站测试系统及测试方法，通过在现场安装暂态采样装置，采用整站多间隔同时仿真 的技术，仿真整个变电站带负荷W后的运行情况，通过电子式互感器的私有协议将采样值 数据实时发送给合并单元，再通过读回各间隔的MMS信号里的电能量值，形成电能量平衡的 闭环测试，同时通过采样数据实时仿真发送解决多路同步数字信号源问题，从而实现智能 变电站投运前的电能量平衡测试工作。
[0088] 需要说明的是，在本文中，诸如"第一"和"第二"等之类的关系术语仅仅用来将一 个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示运些实体或操作之 间存在任何运种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为运种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0089] W上所述仅是本实用新型的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本 实用新型。对运些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所 定义的一般原理可W在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。 因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的运些实施例，而是要符合与本文所公开的原 理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，其特征在于，包括上位机、控制 主机、测试终端和网络交换机，其中： 所述上位机，用于利用图形化建模软件建立智能变电站数字化计量系统的仿真模型， 根据设定的故障对象和时序确定动态仿真过程，同时结合建模仿真的MMS模型文件对MMS电 能量信息数据进行解析分析，其中，所述MMS电能量信息数据是由智能变电站内数字化电能 表发出的； 所述控制主机，与所述上位机通信连接，用于接收所述上位机建模仿真计算的智能变 电站内各间隔采样数据命令、并将所述采样数据命令发送给对应的所述测试终端，还用于 与所述测试终端进行同步对时控制； 所述测试终端，与所述控制主机通信连接，用于根据所述采样数据命令和相应的后端 智能设备类型、在统一时域下向所述后端智能设备发送虚拟采集器采样或9-2采样； 所述网络交换机，与所述智能变电站内数字化电能表通信连接，用于接收所述数字化 电能表产生的所述MMS电能量数据，并将所述MMS电能量数据通过所述控制主机发送给所述 上位机。2. 根据权利要求1所述的智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，其特征在于， 所述控制主机包括第一微处理器与第一 FPGA芯片结合的双CPU，其中： 所述第一微处理器，用于与所述上位机数据交互控制、以及与所述测试终端同步对时 算法控制和数据交互控制； 所述第一 FPGA芯片，用于所述控制主机内部时钟同步、以及数据处理中断分频。3. 根据权利要求1或2所述的智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，其特征在 于，所述测试终端包括第二微处理器与第二FPGA芯片结合的双CPU，其中： 所述第二微处理器，用于与所述控制主机的数据交互控制，以及处理所述控制主机发 送的同步对时信号； 所述第二FPGA芯片，用于对所述虚拟采集器采样或9-2采样进行发送编码控制，以及控 制所述测试终端内采样装置的时钟节拍。4. 根据权利要求3所述的智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，其特征在于， 所述测试终端内设置有恒温晶振，用于所述测试终端与所述控制主机之间的同步对时信号 中断后、实现所述测试终端与所述控制主机的同步守时。5. 根据权利要求2所述的智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，其特征在 于，所述第一微处理器包括MPC8247嵌入式微处理器。6. 根据权利要求3所述的智能变电站数字化电能计量平衡整站测试系统，其特征在于， 所述第二微处理器包括MPC8247嵌入式微处理器。
【文档编号】G01R35/04GK205450248SQ201620128646
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月19日
【发明人】李波, 曹敏, 刘清蝉, 林聪 , 王洪林, 朱全聪, 林中爱, 杨明
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院