隨著IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)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(hù)裝置的二次信號(hào)有別于傳統(tǒng)變電站，具有網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的特點(diǎn)［1］．在傳輸過程中，其二次信號(hào)經(jīng)過數(shù)字編碼后通過光纖進(jìn)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(hào)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(hù)裝置．間隔層的保護(hù)裝置經(jīng)過運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)［2-3］．?dāng)?shù)字繼電保護(hù)裝置的輸入輸出都是數(shù)字量，其測(cè)試項(xiàng)目、方法與傳統(tǒng)設(shè)備的測(cè)試都有很大區(qū)別．測(cè)試儀也與傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)測(cè)試儀不同，具有光纖通信接口，其輸出信息符合IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)［4］．?dāng)?shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀用于智能變電站繼電保護(hù)裝置的功能測(cè)試，要能夠模擬電力系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)的故障數(shù)據(jù)信息，因此故障數(shù)據(jù)的生成是測(cè)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(cè)試儀原理及組成

1． 1 測(cè)試儀原理

數(shù)字化變電站中，數(shù)字繼電保護(hù)裝置接收合并單元輸出的SV 采樣值信號(hào)，并向智能終端送出GOOSE開關(guān)量信號(hào)．對(duì)繼電保護(hù)裝置測(cè)試時(shí)，數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀替代合并單元發(fā)送SV采樣值信號(hào)，同時(shí)能接收保護(hù)發(fā)出的GOOSE信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置的閉環(huán)測(cè)試［5］．

1． 2 測(cè)試儀組成

數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀由上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分組成．下位機(jī)是基于微處理器的嵌入式系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的打包發(fā)送和解包接收功能;上位機(jī)軟件是在Windows平臺(tái)上開發(fā)的，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的建模、映射、配置等功能．

1． 2． 1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀發(fā)送的SV采樣值信號(hào)中包含多路電壓、電流值，其實(shí)時(shí)性要求較高．下位機(jī)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(shí)現(xiàn)*高100 MHz 的CPU 操作頻率，滿足信號(hào)處理的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口電路［6］，節(jié)省了開發(fā)成本和時(shí)間．硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．

1． 2． 2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

AＲM 程序流程圖如圖2所示．

AＲM 主控制器軟件實(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理．μC/os-II 用 ANSIC 語(yǔ)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(gè)任務(wù)［7］，足以滿足本工程設(shè)計(jì)的需要．

LPC1766 主控制器軟件主要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能:與DSP和上位機(jī)通信;把上位機(jī)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(hù)裝置;接收繼電保護(hù)裝置輸出的GOOSE信號(hào)，并傳送至上位機(jī)．程序移植時(shí)需要分配各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，從而保證系統(tǒng)的*優(yōu)．

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是在Windows平臺(tái)上開發(fā)的．該軟件主要由人機(jī)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(cè)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(jìn)性設(shè)計(jì)．

2． 1 人機(jī)界面

上位機(jī)人機(jī)界面是基于LabVIEW 軟件開發(fā)的，其編程方法與計(jì)算機(jī)文本語(yǔ)言編程方法不同．該軟件使用圖形化編輯語(yǔ)言(G 語(yǔ)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(jìn)程［8］．同時(shí)，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(shí)可以通過調(diào)用不同的工具包和接口函數(shù)為上位機(jī)界面提供底層服務(wù)．

2． 2 SCL文件解析

上位機(jī)軟件中需嵌入MSXML 軟件接口來解析XML語(yǔ)言，開發(fā)時(shí)需要在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)SCL 文件的解析．工程測(cè)試中，測(cè)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(hù)測(cè)試儀的主要功能是模擬電力系統(tǒng)故障時(shí)的數(shù)據(jù)，從而檢驗(yàn)繼電保護(hù)裝置的性能．測(cè)試時(shí)，測(cè)試儀可以輸出穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)做定值校驗(yàn)，也可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障數(shù)據(jù)完成功能測(cè)試．目前測(cè)試儀穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)一般由庫(kù)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)產(chǎn)生，該數(shù)據(jù)只能用于保護(hù)裝置的定值校驗(yàn)． 故障時(shí)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(zhǎng)等參數(shù)，按照算法計(jì)算形成故障數(shù)據(jù);另一種是通過動(dòng)?；蛘鎸?shí)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(cè)試方法得到的是真實(shí)的電力系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)，理論上說這是測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置性能的*佳方法，但是從實(shí)際情況考慮，該方法存在一定的局限性．

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

( 2) 不能進(jìn)行復(fù)合型故障測(cè)試．測(cè)試儀再現(xiàn)的故障錄波文件是針對(duì)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(cè)試．

本文的方法是利用PSCAD 對(duì)特定的保護(hù)裝置構(gòu)建針對(duì)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(cè)試儀打包成IEC61850格式的數(shù)據(jù)，發(fā)給保護(hù)裝置完成測(cè)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(jī)程序設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)展型故障的測(cè)試．

3 基于PSCAD故障數(shù)據(jù)生成

針對(duì)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(shí)域分析求解完整的電力系統(tǒng)及微分方程(包括電磁和機(jī)電兩個(gè)系統(tǒng))，結(jié)果非常準(zhǔn)確．它允許用戶在一個(gè)完備的圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)用戶可以改變控制參數(shù)，直觀地看到各種測(cè)量結(jié)果和參數(shù)曲線．

3． 2 通用性測(cè)試

為了滿足對(duì)保護(hù)測(cè)試要求不高場(chǎng)合的應(yīng)用，測(cè)試儀上位機(jī)軟件延續(xù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式．穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)還是根據(jù)上位機(jī)界面設(shè)定參數(shù)，通過以太網(wǎng)傳送給下位機(jī)．下位機(jī)根據(jù)算法計(jì)算出各采樣點(diǎn)的數(shù)值后發(fā)送給保護(hù)裝置．

3． 3 針對(duì)性測(cè)試

3． 3． 1 針對(duì)線路或者元件測(cè)試

基于PSCAD 故障數(shù)據(jù)生成法*突出的優(yōu)勢(shì)是: 可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)安裝情況搭建電網(wǎng)絡(luò)模型，生成針對(duì)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(cè)試時(shí)，在裝好PSCAD 軟件的上位機(jī)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(cè)試人員首先根據(jù)保護(hù)測(cè)試項(xiàng)目建立相應(yīng)的工程文件，然后在保護(hù)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(duì)采樣頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其輸出數(shù)據(jù)是以浮點(diǎn)型格式保存在相應(yīng)的路徑文件中．軟件開發(fā)時(shí)，在上位機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)，下位機(jī)接收數(shù)據(jù)后將其暫存在Flash 中．當(dāng)上位機(jī)發(fā)出測(cè)試命令時(shí)，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(hù)裝置．

3． 3． 2 復(fù)合型故障測(cè)試及單步測(cè)試

基于PSCAD 故障數(shù)據(jù)生成方式不但可以對(duì)某線路或元件做針對(duì)性測(cè)試，而且可以做復(fù)合型故障測(cè)試．比如測(cè)試過電流線路保護(hù)裝置時(shí)，可以通過PSCAD 軟件搭建所測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)，在保護(hù)安裝處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，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(chǔ)．測(cè)試時(shí)通過下位機(jī)將故障數(shù)據(jù)打包成IEC61850 數(shù)據(jù)報(bào)格式發(fā)往被測(cè)裝置，完成復(fù)合型故障測(cè)試．還可以在上位機(jī)界面通過數(shù)據(jù)傳送步長(zhǎng)、采樣點(diǎn)數(shù)、測(cè)試起止點(diǎn)等參數(shù)設(shè)置，調(diào)整數(shù)據(jù)的整體傳輸速率．當(dāng)傳輸速率較慢時(shí)，相當(dāng)于程序的單步調(diào)試，可以檢驗(yàn)保護(hù)裝置的算法設(shè)計(jì)，以及**響應(yīng)時(shí)間，這將對(duì)在研裝置算法的優(yōu)化帶來極大的便利．

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過動(dòng)模實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該方法的可行性．實(shí)驗(yàn)利用上海電力學(xué)院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的110 kV智能變電站系統(tǒng)．實(shí)驗(yàn)中首先根據(jù)測(cè)試需要在動(dòng)模平臺(tái)搭建一個(gè)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(jī)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(duì)線路做單相接地、兩相短路、兩相接地、三相接地4種短路實(shí)驗(yàn)．仿真時(shí)需保證輸出數(shù)據(jù)每個(gè)周波80個(gè)采樣點(diǎn)，將PSCAD 的仿真輸出步長(zhǎng)設(shè)定為250 μs;同時(shí)為了避免處理驗(yàn)證的數(shù)據(jù)量過大，實(shí)驗(yàn)中短路時(shí)間設(shè)置為0．5 s．仿真結(jié)束后，上位機(jī)軟件將仿真數(shù)據(jù)加載打開，通過下位機(jī)光纖傳送給繼電保護(hù)裝置．保護(hù)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(yàn)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(jī)發(fā)送給繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)通過逐個(gè)描點(diǎn)方式進(jìn)行波形再現(xiàn)，然后與PSCAD輸出的波形相對(duì)比，以此來驗(yàn)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(cè)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(duì)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(shì)是一樣的．

4． 2 定量分析驗(yàn)證

為了滿足工程精度的要求，本文從定量的角度來驗(yàn)證該方法的可行性．將實(shí)驗(yàn)中測(cè)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(jìn)行作差驗(yàn)證．

P= aij－bmnbmn×100%≤K (1)

式中:P———誤差率;

aij，bmn———測(cè)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)周波需采樣80個(gè)點(diǎn)，限于篇幅，表中數(shù)據(jù)按每隔4個(gè)提取1個(gè)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(cè)試儀中數(shù)據(jù)保留14位有效數(shù)字)，但是對(duì)誤差計(jì)算影響可以忽略不計(jì)．經(jīng)過作差后發(fā)現(xiàn)誤差都在0．1%以內(nèi)，可以認(rèn)為該誤差符合工程要求．

通過定性和定量分析后，可以認(rèn)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(cè)試時(shí)按照IEC61850固定的格式打包后發(fā)給保護(hù)裝置做保護(hù)測(cè)試能夠滿足工程需要．

5結(jié)語(yǔ)

為了提升測(cè)試儀的性能，使其輸出的故障數(shù)據(jù)波形更接近實(shí)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(hù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案．該設(shè)計(jì)不僅能對(duì)特定的保護(hù)裝置產(chǎn)生針對(duì)性的故障數(shù)據(jù)，而且給保護(hù)裝置的研發(fā)調(diào)試帶來極大便利，具有工程實(shí)踐意義．