一种基于HIL的一次侧故障注入FA系统级测试系统和方法与流程

本发明涉及一种基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统和方法，属于一二次融合成套开关设备检测技术领域。

背景技术：

就地式fa系统是否适用，不仅取决于其内部的控制逻辑程序，还取决于各终端的定值参数，这些参数需要与上下游配电终端进行配合，配置是否合理，决定了设备之间能否相互配合完成整个网络的就地式fa系统控制。若要完成系统级fa功能测试，需要被测单位携带多套就地式设备，相应地检测单位需配置多台测试仪，测试前的接线准备与测试环境的搭建都很麻烦，成本高、占地面积大，且测试环境对于不同的测试网络切换还需重新搭建。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统和方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明采取的技术方案为：一种基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统，包括虚拟终端群管理子系统和配电网运行仿真子系统，虚拟终端群管理子系统用于虚拟终端的仿真管理、逻辑动作仿真、与配网运行仿真子系统交互，配电网运行仿真子系统用于fa测试管理，fa测试管理包括网络拓扑分析、潮流分析、故障特性分析、建模工具、测试报告管理。

虚拟终端群管理子系统包括系统配置模块、通信管理模块、虚拟终端组模块和日志管理模块，系统配置模块用于对虚拟终端系统的各种配置；通信管理模块用于实现虚拟终端系统与配网运行仿真子系统之间的数据通信，数据通信存在两个方向的数据流，虚拟终端接收配网运行仿真子系统下发的数据，同时配网运行仿真子系统采集每个虚拟终端的开关状态、遥测数据；虚拟终端组模块用于同时构建多个不同类型的配电终端；日志管理模块包括日志处理与日志存储，用于对各模块在功能实现过程中产生的相关日志进行处理分析，并将处理生成后的事项进行存盘。

虚拟终端组模块的实现方法：首先根据系统配置模块的配置信息确定所需的虚拟终端数量和类型，构建对应虚拟终端单元并对每个虚拟终端设定专属地址。然后利用多线程处理技术实现各个虚拟终端之间的并行运行。

各种配置包括转发配置、通信配置和仿真角色配置、动作逻辑配置。转发配置对通信管理模块和虚拟终端组模块的转发功能进行配置；通信配置对虚拟终端系统的通道、路径、数据组、测点等信息进行配置；数据格式配置用于对数据在界面中呈现的格式进行设置。

系统状态数据流的实现方法为：首先根据系统配置模块中的通道链接方式与协议，与配网运行仿真子系统建立链接，利用监听端口监听与配网运行仿真子系统之间的通道是否连接成功。通道连接上后利用socket链表建立一个路径，当路径长时间处于停止状态时超时，处理单元会根据超时时间进行重连操作。当路径处于空闲状态时，收发数据单元会通过socket链表建立的路径向虚拟终端发送召唤数据、接收配网运行仿真子系统发来的数据报文命令，这些命令均存放在命令信息列表中。数据处理单元对报文进行解析识别测点数据，然后根据系统配置模块中对数据顺序的规定，分别将数据通过转发接口转发给对应的虚拟终端单元。控制信号数据流的实现原理与上所述类似，通过转发接口接收来自虚拟终端的控制信号，对一定时间间隔内收到的信号进行报文封装，再通过收发数据单元发送到测试台架中。

配电网运行仿真子系统包括配电网运行仿真模块、配电网络建模工具、测试用例编辑工具、通信接口和测试报告生成工具，配电网运行仿真模块主要包括网络拓扑分析模块、潮流分析模块和故障特性分析模块；配电网络建模工具基于图形方式生成设备之间的拓扑连接关系，通过绘制包含电源点、馈线段以及开关的单线图，以边绘制边录入设备的参数，绘制完成后，根据图形上的相对位置，自动形成设备之间的连接关系，形成待测配电网络的模型；测试用例编辑工具用于形成特定配电网络的测试方案，测试方案由一系列测试用例组成；通信接口用于配电网运行仿真子系统需要和虚拟终端管理群管理子系统、一体化测试台、被测对象之间通信；测试报告生成工具用于读取各个fatr的测试记录，配电网络模型以及测试方案，形成完整的测试报告。

网络拓扑分析模块根据待测配电模型库中的开关及其连接关系形成配电网运行拓扑；潮流分析模块用于正常运行状态下的潮流计算，它根据当前输入的开关状态，典型点的负荷数据，结合配电网的运行拓扑，形成各个节点的电流、电压及其功率数据；故障特性分析模块用于计算故障状态下的各个监测点的断面数据，依据故障点的位置、性质以及系统配置的定值数据，结合当前的配电网运行拓扑，为故障点上游各个监控点设置为故障电流，下游的监控点电流不变；通过连续的潮流计算与故障特性分析，形成配电网络运行的典型的断面序列。如故障前正常运行断面、故障时的运行断面、保护跳闸后的运行断面以及重合闸后的运行断面等，这些运行断面是进行fa控制逻辑测试的基础数据

每个测试用例中包括网络的初始运行状态、故障设置数据和系统干扰数据；网络初始运行状态包括开关、刀闸、远方就地位置数字量的初始状态和负荷数据；故障设置数据包括一条或多条故障信息，每条故障信息包含了故障类型、故障发生的时间与地点。系统干扰数据包含遥控失灵、通信故障、开关异常。

一种基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统的测试方法，该方法为：一体化测试台通过网络获取工作站上发送过来的实时数据，控制功率源的输出状态，被测一二次融合智能开关接入一体化测试台，采集并处理这些电气数据，并依据这些数据与内部的控制逻辑程序与参数进行逻辑处理，通过遥控命令实现控制逻辑的输出，测试台通过网络获取这些命令，反馈给工作站的仿真程序。未接入一二次融合智能开关的监测点，在仿真系统内部运行仿真终端，依据电气数据做出逻辑控制，输出给配电网系统仿真子系统，仿真子系统根据控制命令调整网络的运行状态，从而又改变仿真电网各个监测点的电气数据，反馈给被测对象，实现仿真系统与被测对象之间的闭环检测过程。

一种基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统的仿真方法的具体测试过程包括以下步骤：

1）确定测试用的配电网络模型，并在配电网络运行环境中建立对应的数据库；

2）取出一个配电网络模型，进行仿真

3）将被测智能开关接入不同类型的节点（出口断路器、分段器、连络开关），另外的节点用模拟配电终端，分别进行fa处理逻辑验证

4）全部类型验证完成后，取出另一个配电网络模型，继续验证，直到所有模型验证完成。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明部分节点采用就地型fa二次运行仿真模型代替真实的一体化开关来做检测，实现一体化融合开关的就地式fa系统级检测，又降低实际检测系统的成本，有效解决只需要对被测网络的某几个节点进行测试，此时如果在不需要测试的节点配置测试仪和终端显然不合理的问题。

附图说明

图1为hil组成图；

图2为基于hil的fa系统级测试硬件系统图；

图3为基于hil的fa系统级测试软件图；

图4为虚拟终端群管理子系统组成图；

图5为通信模块实现原理图；

图6为配网运行仿真子系统功能组成图；

图7为就地式fa测试方法图；

图8为虚拟配电终端模型图；

图9为来电延时合闸功能逻辑图；

图10为无压分闸功能逻辑图；

图11为正向闭锁功能逻辑图；

图12为反向x闭锁功能逻辑图；

图13为残压闭锁合闸逻辑图；

图14为联络开关控制器反向闭锁功能逻辑图；

图15为联络开关控制器双压闭锁功能逻辑图；

图16为来电延时合闸功能逻辑图；

图17为无压分闸功能逻辑图；

图18为单相接地故障选线功能逻辑图；

图19为正向闭锁功能逻辑图；

图20为联络开关控制器反向闭锁功能逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统：

一次侧故障注入fa测试方法更贴近现场实际情况，但就地式fa系统是否适用，不仅取决于其单体动作正确与否，还取决于各节点的定值参数，这些参数需要与上下游节点配合，配置是否合理，决定了设备之间能否相互配合，完成整个网络的就地式fa系统控制。所以，就地式fa有必要进行系统级测试。

一次侧故障注入fa系统级测试方法，需要有多台一体化测试台组成系统才能实现。一体化测试台是关键设备，由于一体化测试台占地面积大、设备较贵，实际检测中每个节点都用一体化测试台来实施，不方便，投资也大。为了实现一体化融合智能开关的就地式fa系统级检测，又降低实际测试系统的成本，本发明提出了基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试系统，部分节点采用就地型fa二次运行仿真模型代替真实的一体化智能开关来做测试。

hil原理：

硬件在环（hardware-in-the-loop，hil）是一种用于复杂设备控制器的开发与测试技术，机器或系统的物理部分被仿真器所代替，也被称为半实物仿真。半实物仿真即仿真系统中既有真实的硬件设备，也有模拟客观事物状态的模型。这样的仿真系统在同等条件下比纯模型仿真的效果更加真实可信，而相对于全实物仿真而言，半实物仿真又可以避免一些客观条件的限制，比如成本、破坏性等，被广泛运用于各种控制器的测试中。

测试一个真正的被控对象可能非常昂贵（比如国防军工，航天航空）。实际运行它们一次就需要巨大的人力物力，有时候还可能需要很高的安全防护措施，此时hil的优势就凸显无疑。

hil测试系统由三个主要部分组成，如图1所示：一个实时仿真器、i/o接口和一个操作界面。实时仿真器是hil测试系统的核心。它提供大多数hil测试系统的确定执行，例如硬件i/o通信、数据记录、激励生成和模型执行。要精确地仿真测试系统中物理上并不存在的部分，一个实时仿真器是非常必要的。i/o接口是与被测对象交互的模拟、数字和总线信号。可以用它们来产生激励信号，获取用于记录和分析的数据，并提供被测的对象与模型仿真的虚拟环境之间的传感器/执行器交互。操作界面与实时仿真器通信，提供测试命令和可视化，并提供配置管理、测试自动化、分析和报告任务。

将hil仿真技术应用于就地式fa测试，可以实现低成本的就地式fa系统级测试。

基于hil的fa系统级测试硬件系统组成：如图2所示。

hil测试系统由一台通用计算机、一台或多台一体化测试台，如图2连成网络。一体化测试台是一二次融合成套开关设备检测装置，包括：自动闭环测试能力、一体化的故障检测的测试能力、智能开关多模融合接入、低频微弱信号检测等。通用计算机用于安装测试软件。

软件系统组成：如图3所示基于hil的fa系统级测试软件组成图。

fa测试系统由虚拟终端群管理子系统、配电网运行仿真子系统组成，虚拟终端群管理子系统主要实现虚拟终端的仿真管理、逻辑动作仿真、与配网运行仿真子系统交互。配电网运行仿真子系统用于fa测试管理，主要功能有网络拓扑分析、潮流分析、故障特性分析、建模工具、测试报告管理等。

fa测试软件部署于控制计算机上。

虚拟终端群管理子系统是实现fa系统级测试的重要组成部分，其软件系统的组成如图4所示，由系统配置管理模块、通信管理模块、虚拟终端组以及日志管理模块组成。

1）系统配置模块

配置模块实现对虚拟终端系统的各种配置，包括转发配置、通信配置和仿真角色配置、动作逻辑配置。转发配置对通信管理模块和虚拟终端组模块的转发功能进行配置；通信配置对虚拟终端系统的通道、路径、数据组、测点等信息进行配置；数据格式配置用于对数据在界面中呈现的格式进行设置。

2）通信管理模块

通信管理模块用于实现虚拟终端系统与配网运行仿真子系统之间的数据通信。数据交换存在两个方向的数据流，虚拟终端接收配网运行仿真子系统下发的数据，同时配网运行仿真子系统采集每个虚拟终端的开关状态、遥测数据。系统状态数据流的实现原理如图5所示。

如图5所示，首先根据系统配置模块中的通道链接方式与协议，与配网运行仿真子系统建立链接，利用监听端口监听与配网运行仿真子系统之间的通道是否连接成功。通道连接上后利用socket链表建立一个路径，当路径长时间处于停止状态时超时，处理单元会根据超时时间进行重连操作。当路径处于空闲状态时，收发数据单元会通过socket链表建立的路径向虚拟终端发送召唤数据、接收配网运行仿真子系统发来的数据报文命令，这些命令均存放在命令信息列表中。数据处理单元对报文进行解析识别测点数据，然后根据系统配置模块中对数据顺序的规定，分别将数据通过转发接口转发给对应的虚拟终端单元。控制信号数据流的实现原理与上所述类似，通过转发接口接收来自虚拟终端的控制信号，对一定时间间隔内收到的信号进行报文封装，再通过收发数据单元发送到测试台架中。

3）虚拟终端组模块

虚拟终端组模块用于同时构建多个不同类型的配电终端。首先根据系统配置模块的配置信息确定所需的虚拟终端数量和类型，构建对应虚拟终端单元并对每个虚拟终端设定专属地址。然后利用多线程处理技术实现各个虚拟终端之间的并行运行。

每个虚拟终端的实现原理与图5相同，通过转发接口与通信模块传输数据，数据处理单元要对通信的数据进行报文封装或解析；要根据系统配置模块中的控制策略，对接收的配电网运行仿真子系统测点数据进行逻辑判断，实现故障动作。

4）日志管理模块

日志管理模块包括日志处理与日志存储，用于对各模块在功能实现过程中产生的相关日志进行处理分析，并将处理生成后的事项进行存盘。

配电网运行仿真子系统承担fa测试时的系统仿真、测试管理等重要功能，其功能模块框图如图6所示。主要的功能模块包括：配电网运行仿真模块、配电网络建模、测试用例编辑、通信接口、测试报告生成等。

1）配电网运行仿真模块

配电网运行仿真主要包括网络拓扑分析模块、潮流分析模块和故障特性分析模块。网络拓扑分析模块根据待测配电模型库中的开关及其连接关系形成配电网运行拓扑。潮流分析模块用于正常运行状态下的潮流计算，它根据当前输入的开关状态，典型点的负荷数据，结合配电网的运行拓扑，形成各个节点的电流、电压及其功率数据。故障特性分析则用于计算故障状态下的各个监测点的断面数据，依据故障点的位置、性质以及系统配置的定值数据，结合当前的配电网运行拓扑，为故障点上游各个监控点设置为故障电流，下游的监控点电流不变。通过连续的潮流计算与故障特性分析，可以形成配电网络运行的典型的断面序列，如故障前正常运行断面、故障时的运行断面、保护跳闸后的运行断面以及重合闸后的运行断面等，这些运行断面是进行fa控制逻辑测试的基础数据。

2）配电网络建模工具

建模工具基于图形方式生成设备之间的拓扑连接关系，通过绘制包含电源点、馈线段以及开关的单线图，以边绘制边录入设备的参数，绘制完成后，可以根据图形上的相对位置，自动形成设备之间的连接关系，从而形成待测配电网络的模型。

3）测试用例编辑工具

通过测试用例编辑工具可以形成特定配电网络的测试方案，测试方案由一系列测试用例组成。该工具提供自动根据待测网络模型自动生成测试方案的功能，极大的降低了使用者的工作负担。每个测试用例中包括了网络的初始运行状态、故障设置数据和系统干扰数据。网络初始运行状态包括开关、刀闸、远方就地位置等数字量的初始状态和负荷数据。故障设置数据包括一条或多条故障信息，每条故障信息包含了故障类型、故障发生的时间与地点。系统干扰数据包含了遥控失灵、通信故障、开关异常等。

4）通信接口

配电网运行仿真子系统需要和虚拟终端管理群管理子系统、一体化测试台、被测对象通信。由通信接口统一实现。

5）测试报告生成工具

测试报告生成工具主要功能是读取各个fatr的测试记录，配电网络模型以及测试方案，形成完整的测试报告。

实施例2：基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试方法为：一体化测试台通过网络获取工作站上发送过来的实时数据，控制功率源的输出状态。被测一二次融合智能开关如图7所示接入一体化测试台，采集并处理这些电气数据，并依据这些数据与内部的控制逻辑程序与参数进行逻辑处理，通过遥控命令实现控制逻辑的输出，测试台通过网络获取这些命令，反馈给工作站的仿真程序。未接入一二次融合智能开关的监测点，在仿真系统内部运行仿真终端，依据电气数据做出逻辑控制，输出给配电网系统仿真子系统。仿真子系统根据控制命令调整网络的运行状态，从而又改变仿真电网各个监测点的电气数据，反馈给被测对象，实现仿真系统与被测对象之间的闭环检测过程。

基于hil的一次侧故障注入fa系统级测试过程如下：如图7所示的就地式fa测试方法：

1）确定测试用的配电网络模型，并在配电网络运行环境中建立对应的数据库

2）取出一个配电网络模型，进行仿真

3）将被测智能开关接入不同类型的节点（出口断路器、分段器、连络开关），另外的节点用模拟配电终端，分别进行fa处理逻辑验证

4）全部类型验证完成后，取出另一个配电网络模型，继续验证，直到所有模型验证完成。

基于就地式fa逻辑的虚拟配电终端建模

(一)构建虚拟配电终端的作用

进行就地式fa功能测试前，需利用配电网运行仿真系统对被测网络建模，而被测系统需要与建模网络的各节点保持一致，即需要搭建一个与被测网络一致的硬件测试环境，包括测试仪和被测终端。如果只需要对被测网络的某几个节点进行测试，此时如果在不需要测试的节点配置测试仪和终端就不合理。为解决这类问题，对配电网运行仿真系统进行了功能扩展，构建虚拟配电终端对就地式fa逻辑进行仿真，即在测试网络中不需要接入测试的节点配置虚拟配电终端，由该虚拟终端承担不同角色、不同模式就地式fa（包括电压时间型、电压电流型、自适应综合型等）逻辑的仿真功能，使得整个被测网络的测试能顺利进行。

（二）、虚拟配电终端建模

配电网络中不同位置的配电终端，就地式fa系统需要承担不同的控制逻辑，为给虚拟配电终端建模，从网络角度，选择一条典型线路，分析安装在线路上的、与就地式fa紧密相关的所有自动化控制设备的功能特点，典型的如：线路出口保护，分段开关控制器，联络开关控制器。当然，不同类型的就地式fa系统的构成不同。

线路出口保护装置主要用于各电压等级间隔单元的保护测控，具备完善的保护、测量、控制、备用电源自投及通信监视功能，可有力地保障高低压电网及厂用电系统的安全稳定运行。

分段器（sectionalizer）是一种与电源侧前级开关配合，在失压或无电流的情况下自动分闸的开关设备。当发生永久性故障时，分段器在预定次数的分合操作后闭锁于分闸状态，从而达到隔离故障线路区段的目的。若分段器未完成预定次数的分合操作，故障被其它设备切除了，则其将保持合闸状态，并经一段延时后恢复到预先的整定状态，为下一次故障做好准备。分段器一般不能断开短路故障电流。

联络开关是起联络作用的开关。主要用在双电源供电时一个电源出现故障，通过联络开关把故障电源的负荷转移到另一个电源，提高供电可靠性。

因此，建立虚拟配电终端模型如图8所示：

其中就地式fa类型包括：电压时间型、电压电流型、自适应综合型等。

开关节点角色包括：出口断路器、联络开关、分段开关。

控制功能逻辑：下文详细叙述。

（三）电压时间型fa配电终端控制功能逻辑

电压时间型fa主要逻辑有：来电延时合闸功能、无压分闸功能、正向闭锁功能、反向闭锁功能、单侧失电合闸功能、双压闭锁功能等。

3-1）、分段开关控制器的来电延时合闸功能逻辑

双侧电压小于无压定值状态保持时间大于失压分闸设定时间（时间可设）且开关分位，此时若单侧电压大于有压定值且保持时间大于x时限（时间可设），则单侧得压合闸，逻辑流程如图9所示。

3-2）、分段开关控制器的无压分闸功能逻辑

开关合位且两侧失压保持失压分闸时间（简称z时限），则装置无压分闸，逻辑流程如图10所示。

3-3）、分段开关控制器的正向闭锁功能逻辑

若开关合闸之后在y时限（时间可设）内失压，则跳闸并闭锁合闸，正向送电开关不再合闸，反向送电时，经x延时自动复归正向闭锁标志。正向闭锁逻辑流程如图11所示。图中跳闸不是开关自跳，而是变电站由于故障跳闸导致开关无压分闸。

3-4）、分段开关控制器的反向闭锁功能逻辑

若开关合闸之前在x时限内（时间可设）掉电或出现瞬时残压，之后无压，则反向闭锁合闸，反方向送电开关不合闸。正向送电时，经x延时自动复归反向闭锁标志。x闭锁逻辑如图12所示。

残压闭锁合闸逻辑如图13所示。

3-5）、联络开关控制器的反向闭锁功能逻辑

双侧电压大于有压定值且开关分位状态保持时间大于y时限，此时若单侧电压小于无压定值且保持时间大于x时限（时间可设），则单侧失压合闸（用在联络开关），逻辑流程如图14所示。

3-6）、联络开关控制器的双压闭锁功能逻辑

双侧有压闭锁合闸功能：开关在分位时，检测到开关双侧有压，避免合闸导致合环运行。双压闭锁逻辑如图15。

（四）自适应综合型fa功能逻辑

自适应综合型fa是通过“无压分闸、来电延时合闸”方式、结合短路、接地故障检测技术与故障路径优先处理控制策略，配合变电站出线开关二次合闸，实现多分支多联络配电网架的故障定位与隔离自适应，一次合闸隔离故障区间，二次合闸恢复非故障段供电。

自适应综合型fa主要逻辑有：来电延时合闸功能、无压分闸功能、单相接地故障选线功能、正向闭锁功能、反向闭锁功能、双压闭锁等功能。

4-1）、分段开关控制器的来电延时合闸功能逻辑

若没有线路故障记忆，在单侧恢复有压时，经[s时间]延时合闸。[s时间]为自适应长延时，默认值应大于该线路最长主干线所有x时间之和（默认50s）。若有故障记忆，在单侧恢复有压时，经[x时间]延时合闸。则自适应综合型来电延时合闸逻辑见图16。

4-2）、分段开关控制器的无压分闸功能逻辑

当开关两侧失压且无电流流过时，则经短延时自动分闸，如图17。

4-3）、单相接地故障选线功能逻辑

当线路正常运行中发生单相接地故障时，首端ftu根据单相接地特征方向进行接地选线，在判断为本线路接地故障后，经接地选线跳闸时间]跳闸。单相接地故障选线逻辑见图18。仅首端ftu才能投小电流接地出口。

4-4）、分段开关控制器的正向闭锁功能逻辑

正向闭锁是指若开关合闸之后在设定时间内（y时间）失压无流，或在y时间内检测到零压突变，则自动分闸并闭锁合闸，使正向送电时开关不再合闸。正向闭锁在反向送电时，经x时间延时自动复归正向闭锁标志。自适应综合型fa正向闭锁逻辑见图19。图中跳闸不是开关自跳，而是变电站由于故障跳闸导致终端无压分闸而零压突变是终端检测到零压突变直接跳闸。

4）、自适应综合型fa的联络开关的反向闭锁、双压闭锁功能逻辑与电压时间型的一致。

电压电流型fa功能逻辑建模此处不再赘述。

建立虚拟配电终端模型后，就可以开发虚拟终端，测试时根据需要部署在相应的节点上，配合一二次融合测试台即可开展任意配电网架结构环境下的系统级fa功能仿真与测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。