無線同步信息應(yīng)用于變電站繼電保護的分布式智能測試系統(tǒng)設(shè)計與實踐

談夢婷 馮哂瑋

（國網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司）

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置的可靠性是維護電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵。其核心在于確保交流信號輸入通道及斷路器跳合閘回路接線的準(zhǔn)確性。特別是在變電站新建、檢修或改造等工程中，對繼電保護裝置接線的精確檢驗顯得尤為重要。傳統(tǒng)的檢驗方法，如六角圖法，雖然歷史悠久，但在操作復(fù)雜性、風(fēng)險和靈活性方面存在明顯的局限性[1]。此外，隨著智能變電站的發(fā)展，傳統(tǒng)方法在新型電力系統(tǒng)環(huán)境下的適應(yīng)性問題日益凸顯。為了克服這些限制，業(yè)界專家和學(xué)者們提出了多種創(chuàng)新方案，例如利用電力電子裝置模擬負(fù)荷測試、無線虛擬專網(wǎng)的運維系統(tǒng)、信息融合的自動測試系統(tǒng)等，旨在提高檢驗工作的效率和安全性。

然而，這些方案多數(shù)集中在智能變電站的應(yīng)用，對于常規(guī)變電站的適用性以及細(xì)節(jié)處理上仍存有不足。本研究正是基于這一背景，提出了一種適用于各類變電站的分布式智能測試系統(tǒng)，特別關(guān)注于交流信號輸入通道接線的正確性檢驗。該系統(tǒng)融合了先進的電子技術(shù)、信號處理、無線通信及計算機技術(shù)，不僅提高了測試的準(zhǔn)確性和效率，還降低了操作的復(fù)雜性和風(fēng)險[2]。值得注意的是，這一系統(tǒng)在設(shè)計上考慮了不同類型變電站的適應(yīng)性，使其能夠廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的繼電保護檢驗中。

本文闡述了該分布式智能測試系統(tǒng)的設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)特點、工作原理及實際應(yīng)用流程。通過對這一新型系統(tǒng)的深入研究，旨在提供一種有效的技術(shù)解決方案，以應(yīng)對當(dāng)前變電站繼電保護檢驗領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，同時為未來電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。

1 分布式智能測試系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.1 主要構(gòu)成

分布式智能測試系統(tǒng)的主要構(gòu)成基于無線同步信息技術(shù)，涵蓋了四個核心部分，以確保繼電保護裝置交流信號輸入通道接線的精確性[3]。首先，無線同步信息的產(chǎn)生與傳輸子系統(tǒng)，這一部分利用433MHz 的無線局域網(wǎng)絡(luò)，以母線電壓互感器的二次側(cè)A 相電壓作為基準(zhǔn)來傳播同步信息。其次，系統(tǒng)所采用的同步大電流發(fā)生器則起到電力的變流及升流作用，可在控制的相應(yīng)時間內(nèi)將電力提升至需求的范圍內(nèi)，是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。而同步錄波裝置則包括24路錄波采集單元裝置，可在運行過程中對系統(tǒng)內(nèi)的線路起到穩(wěn)定電壓及電流波形的作用。最后則是系統(tǒng)的操作端軟件，是對于系統(tǒng)控制以及運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示的所在，軟件具有較高的智能化控制作用，可依據(jù)設(shè)定檢驗系統(tǒng)信號輸入通道接線的正確與否。本系統(tǒng)的設(shè)計在確保電流相位間相差120°的同時，有效地整合了電子技術(shù)、信號處理以及計算機技術(shù)，顯著提升了繼電保護測試的準(zhǔn)確性和效率。該系統(tǒng)的細(xì)節(jié)如圖1 所示。

圖1 分布式智能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 操作原理與時序分析

1.2.1 控制與通信流程

分布式智能測試系統(tǒng)的控制與通信流程核心在于測試計算機，其主要作用是進行系統(tǒng)工作狀態(tài)的程控輸入輸出，從而保障系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。在應(yīng)用過程中，測試計算機會通過預(yù)先設(shè)定的參數(shù)發(fā)送命令。

1.2.2 同步操作的實現(xiàn)

系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)和裝置在接收到命令后，進入試驗準(zhǔn)備狀態(tài)并引入延時機制，以確保所有組件均達到預(yù)定就緒狀態(tài)；此外，試驗過程的主導(dǎo)力量為同步脈沖，由安裝于電壓互感器二次側(cè)的同步信息收發(fā)機發(fā)出，該機根據(jù)試驗參數(shù)和命令進行自動設(shè)置，從而實現(xiàn)同步脈沖發(fā)射的精確控制，保障了試驗的有效性和可靠性[4]。

1.2.3 各部分的協(xié)調(diào)工作

同步錄波裝置與同步大電流發(fā)生器通過同步脈沖上升沿的響應(yīng)實現(xiàn)精準(zhǔn)協(xié)調(diào)，確保了工頻周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集與電流輸出的同步性。具體而言，同步錄波裝置在每個同步脈沖上升沿啟動，進行工頻周期的同步采樣，而同步大電流發(fā)生器則在試驗準(zhǔn)備狀態(tài)下按設(shè)定值充電，并于同步脈沖上升沿輸出A 相裝置的正弦波電流，形成高效、準(zhǔn)確的測試系統(tǒng)。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集與分析

試驗終結(jié)后，測試計算機執(zhí)行延時操作，隨后自動輪詢以收集各子系統(tǒng)和裝置的狀態(tài)信息，并確認(rèn)試驗流程無異常發(fā)生；接著，從同步錄波裝置中讀取波形數(shù)據(jù)，利用智能分析及判斷軟件模塊進行處理，最終形成詳盡的測試結(jié)果和報告，這一過程體現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理的高效性和智能分析的準(zhǔn)確性。

1.2.5 時序圖與數(shù)據(jù)處理

在無線同步信息的應(yīng)用，對于系統(tǒng)運行狀態(tài)可通過時序圖直觀地體現(xiàn)，在該系統(tǒng)中所采用的同步三相大電流發(fā)生器存在120°的電壓相位差，有效的波形數(shù)據(jù)需從同步測試狀態(tài)第二個周期開始計算。系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵參數(shù)是有效波形數(shù)據(jù)長度n，通常取值在10～50 周期之間。測試計算機在下達命令后所需時間m與無線局域網(wǎng)通信速率及子系統(tǒng)狀態(tài)報文長度相關(guān)[5]。此外，同步大電流發(fā)生器就緒時間與其設(shè)計方案緊密相關(guān)。

2 分布式智能測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

2.1 無線同步信息收發(fā)機的創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用

在分布式智能測試系統(tǒng)中，無線同步信息收發(fā)機扮演著核心角色，其設(shè)計特點在于結(jié)合了同步脈沖傳輸功能。該裝置是一種搭載433MHz 頻率幅移鍵控（ASK）無線電收發(fā)機。分布式智能測試系統(tǒng)同傳統(tǒng)設(shè)備相比，增加了同步脈沖傳輸功能，其主要結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 無線同步信息收發(fā)機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

無線通信模塊主要通過以下關(guān)鍵連線實現(xiàn)功能：首先，數(shù)據(jù)輸出端接入CPU 的串行通信接口，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕黄浯危瑪?shù)據(jù)輸入端在特定電平條件下選擇CPU 的串行通信接口或同步脈沖信號，增加了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。在母線電壓互感器中，通過對A 相電壓進行處理后則會得到脈寬1.667ms 的5～0V 反相脈沖信號。這種設(shè)計確保了同步脈沖信號與CPU 通信接口的信號形式一致性，從而提高了信號的穩(wěn)定性和可靠性[6]。

1) 該項目地下室頂板開裂的主要原因為施工方法選擇不當(dāng)，混凝土水化熱釋放過程引起明顯的板溫度脹縮裂縫.

為了便于在同步信息產(chǎn)生和傳輸子系統(tǒng)中的應(yīng)用，每個同步信息收發(fā)機被賦予了一個獨特的地址。為了避免操作上的復(fù)雜性和減少設(shè)置錯誤，同步信息收發(fā)機的地址通過面板上的地址撥碼開關(guān)進行設(shè)置，而不是通過計算通信。在多小組同時作業(yè)的情況下，為了防止信號干擾，不同小組可選用不同的無線信道頻率和地址碼段，這一策略顯著提升了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

2.2 同步大電流發(fā)生器的創(chuàng)新設(shè)計及工作機制

同步大電流發(fā)生器是分布式智能測試系統(tǒng)的核心部分之一，由三個功能和結(jié)構(gòu)完全相同的單相裝置組成。這種設(shè)計確保了系統(tǒng)的整體一致性和效率。其原理框圖如圖3 所示，反映了發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)和構(gòu)成要素。

圖3 同步大電流發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

在同步大電流發(fā)生器各個裝置、設(shè)備的作用下，能夠使系統(tǒng)達到理想狀態(tài)的輸出電壓紋波，并且在基于正弦波波寬調(diào)變技術(shù)的非隔離式DC/DC 變換器的作用下，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)中直流電壓的輸入以及變頻器輸出的電流幅值的調(diào)整，從而有效地生成50Hz 同步交流電流。最終，通過升流器的應(yīng)用，DC/AC 變換器的輸出電流被有效增強，達到預(yù)設(shè)的大電流輸出水平[7]。

在同步大電流發(fā)生器的控制體系中，依托于同步信息收發(fā)機的作用，能夠完成系統(tǒng)中信息的有效傳遞，這種特性可顯著提升電流與母線A 相電壓之間信號數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的同步狀態(tài)。另外，針對電路的應(yīng)用，同步大電流發(fā)生器可依據(jù)同步脈沖路徑完成交流電流的輸出，從而精確控制并顯著提高了測試過程的精準(zhǔn)度和可靠性。

2.3 同步錄波裝置的高效設(shè)計與實現(xiàn)

同步錄波裝置對繼電保護裝置的交流信號輸入端口進行同步記錄，捕捉電壓和電流波形數(shù)據(jù)，為智能測試分析軟件提供關(guān)鍵輸入。裝置在每個同步脈沖上升沿開始采集波形數(shù)據(jù)，采樣周期定為1ms，使得每個50Hz 交流信號周期內(nèi)能采集20 點數(shù)據(jù)。

該同步錄波裝置以其功能專一、體積小巧和重量輕便的特點，優(yōu)化了現(xiàn)場使用的便利性，如圖4 所示。裝置由5 塊板卡組成，包括工作電源板卡和同步控制與通信接口板卡。通信接口板卡專門處理同步信號，并能通過RS485 接口與其他設(shè)備級聯(lián)，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備協(xié)調(diào)。每塊同步錄波板卡配備8通道A/D 轉(zhuǎn)換器，每個通道均達到16 位的分辨率，確保了信號采樣的高精度。裝置設(shè)計中增加的同步總線SB，進一步降低了整體成本，同時未損失設(shè)備的性能和精確度。這種專用板卡和RS485 通信接口的結(jié)合，以及高精度A/D 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，使得該同步錄波裝置在保持成本效益的同時，還具備了高精度和靈活的級聯(lián)能力，完全符合分布式智能測試系統(tǒng)的需求。

圖4 24 路同步錄波裝置的構(gòu)成原理框圖

2.4 智能測試分析軟件的關(guān)鍵技術(shù)與框架

智能測試分析軟件是分布式智能測試系統(tǒng)的核心，包含關(guān)鍵功能如數(shù)據(jù)庫管理、人機交互界面、權(quán)限管理和異常診斷等，重點在于根據(jù)所采集到的同步錄波參數(shù)，完成智能化的數(shù)據(jù)分析與處理，從而保障繼電保護裝置輸入信號通路的正確性[7]。

軟件運行分為三個主要階段：

1）“同步測試狀態(tài)前”階段，軟件需檢查系統(tǒng)各子系統(tǒng)/裝置狀態(tài)，確認(rèn)正常后方可配置試驗參數(shù)并向各子系統(tǒng)/裝置發(fā)布試驗命令。若狀態(tài)異常，則觸發(fā)告警并終止程序運行。

2）“同步測試狀態(tài)”階段，軟件處于等待模式，監(jiān)視測試過程，確保無異常發(fā)生。采用嵌入式系統(tǒng)的程序設(shè)計理念，通過同步脈沖計數(shù)和超時設(shè)置來提高程序運行的可靠性。

3）“同步測試狀態(tài)后”階段，軟件確保所有子系統(tǒng)和裝置的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從同步錄波裝置讀取波形數(shù)據(jù)后，對其進行處理，包括剔除前后冗雜記錄與數(shù)據(jù)，并采用直線插值的方式校準(zhǔn)三相電流的波形數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性：

式中，y1、y2為兩個變量代表已知點的y坐標(biāo)值；x為y值的點的x坐標(biāo)（x1、x2為y1、y2的x坐標(biāo)）；為比例因子（用于確定x位于x1和x2之間的相對位置）；（y1-y2）為兩個已知點y值之差。

隨后，軟件利用離散傅里葉變換（DFT）法計算交流信號的幅值和相位，從而判斷交流信號輸入通道接線的正確性。盡管對接線正確性判斷的技術(shù)較為成熟，但對于預(yù)測接線錯誤位置的技術(shù)仍在研究之中，本文不作詳細(xì)討論。

3 實施分布式智能測試系統(tǒng)的操作流程

實行分布式智能測試系統(tǒng)，其核心在于保障測試的精確性與高效性，涵蓋了準(zhǔn)備、執(zhí)行、分析等關(guān)鍵階段。準(zhǔn)備階段的重心為繼電保護裝置的系統(tǒng)化分類，旨在明確化測試任務(wù)，增強其針對性。執(zhí)行階段則需關(guān)注細(xì)節(jié)，如自動化繼電保護裝置的運行狀態(tài)，它對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，尤其在信息傳輸安全性方面。

關(guān)于測試指標(biāo)，涉及平均故障時間及其恢復(fù)時間，以及效果程度，這些反映了繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中的作用和影響。測試過程采用定數(shù)截斷法評估故障時間，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，配置方案中引入的WBH-801T2-DA-G 測試設(shè)備，以其高靈敏度和故障識別系統(tǒng)為特色，保證了電子互感器采集回路的穩(wěn)定性。

提升電力系統(tǒng)繼電保護及自動化裝置的可靠性，不僅需要技術(shù)上的創(chuàng)新，還包括操作規(guī)范的提升和電磁干擾的有效控制。這些措施共同構(gòu)建了一個安全、高效的電力系統(tǒng)。

最終階段則專注于對測試數(shù)據(jù)的深入分析，形成全面、精確的測試報告，強調(diào)測試系統(tǒng)的操作性和精準(zhǔn)度的提升。通過這種多維度的方法論，分布式智能測試系統(tǒng)在繼電保護裝置的應(yīng)用中顯示了其先進性和實用性。

4 結(jié)束語

本研究成功地設(shè)計并實施了一種分布式智能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)專門針對繼電保護裝置的接線檢驗。系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于融合了無線同步信息技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)，有效地提升了測試的準(zhǔn)確性和效率，同時降低了操作的復(fù)雜性和風(fēng)險。通過實驗驗證，該系統(tǒng)顯示出優(yōu)異的性能，特別是在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行方面顯示出其顯著優(yōu)勢。此外，系統(tǒng)的適用性廣泛，不僅適用于智能變電站，也適用于傳統(tǒng)變電站，這在提升電網(wǎng)維護的靈活性和可靠性方面具有重要意義。