基于无线同步信息的继电保护分布式智能测试系统

于晓军，刘志远，吴建云，陈前臣

基于无线同步信息的继电保护分布式智能测试系统

于晓军1，刘志远1，吴建云1，陈前臣2

(1.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001；2.豪迈电力自动化技术有限责任公司，湖北 武汉 430074)

用传统方法对新建或改造后变电站的继电保护接线正确性进行检验，需要一次系统带电并使相应的线路电流达到最小负荷电流。这不仅存在误操作风险，而且有时难以完成检验任务。为解决上述问题，提出了一种基于无线同步信息的继电保护分布式智能测试系统，包括四个关键部分：无线同步信息产生与传输子系统，其以母线电压互感器的二次侧A相电压作为参考相量，产生的同步信息通过433 MHz无线局域网络发布；短时输出交流电流高达1000 A的同步大电流发生器；用于同步记录继电保护装置输入端口的电压、电流波形数据的同步录波装置；对波形数据进行分析判断并自动给出测试结果的智能测试分析软件。阐明了所提分布式智能测试系统的结构、工作原理、实现方法以及在现场检验测试的应用流程。所提方法已经在实际运行中使用，具有较强的实用性。

继电保护现场测试；分布式智能测试系统；无线同步信息；同步大电流发生器；同步录波装置

0 引言

交流信号输入通道和断路器跳合闸回路接线的正确性是交流电力系统继电保护装置可靠运行的前提条件。在变电站新建、检修或改造工程竣工时，拟投运的继电保护装置都必须经过严格的接线正确性检验。其中，交流信号输入通道接线的正确性检验内容包括：交流信号相序和相别一一对应关系检验；交流信号每相极性正确性检验；互感器变比以及星形/三角形接线正确性检验。而断路器跳合闸回路接线的正确性检验内容涉及：继电保护装置出口与断路器对应关系的正确性检验；保护二次回路逻辑关系(如闭锁关系)的正确性检验。前者相对比较复杂，后者相对简单。本文将重点讨论前者。

交流信号输入通道接线正确性检验的传统方法是六角图法[1]。由于这种检验方法是在一次系统带电并使相应的线路电流达到最小负荷电流的条件下进行的，需要复杂和频繁的倒闸操作配合，工作量大且存在误操作风险，甚至有时难以完成。此外，交流信号的零序回路的隐患同样会引起非常严重的后果[2]，而用六角图法可能难以发现。多年来，国内外电力领域的专家、学者，针对继电保护的现场整组测试问题，提出一些实用的解决方案。比如，文献[3]设计了一种全站同步时钟扩展装置，并提出了一种基于该装置的智能变电站同步整组试验方法。所提方法较详细地考虑了智能变电站数据采集系统的同步测试需要，但不适用于常规变电站，对电压、电流互感器接线的正确性检验也涉及较少。文献[4]开发了一种模拟带负荷的测试系统，利用电力电子装置给母线施加三相交流高电压和给电流互感器原方施加三相交流大电流，可以用于替换传统测试方法中的带最小负荷电流环节，但文献[4]未提出整个测试系统方案。文献[5]提出了一种基于电力无线虚拟专网的继电保护智能移动运维系统方案，但未涉及一次电压、电流的施加问题。文献[6]则主要涉及到分相跳合闸装置的运维问题，而未涉及整组试验。文献[7]提出了一种基于信息融合的智能变电站继电保护设备自动测试系统，主要针对智能变电站的继电保护测试，不适用于常规变电站的接线正确性检验。

实际上，继电保护交流信号输入通道接线的正确性检验需要满足三个要素：(1) 在互感器原方施加容量满足测试要求的三相工频交流信号的方法或装置；(2) 交流信号相位关系正确性的判断方法；(3) 同步采样或同步记录交流信号的手段。对于传统检验方法，采用母线加电、线路带负荷以满足要素(1)；采用六角图法满足要素(2)；采用相位表、示波器等仪器仪表满足要素(3)。为了满足上述要素1，且避免调整负荷电流的繁琐倒闸操作，目前已经提出了用电力电子装置产生一次模拟交流信号的新思路[4]。同时，先进的电子技术、信号处理技术、无线通信技术、计算机技术和智能化技术在继电保护运行状态监视与评估、运行维护、故障识别以及整组测试等方面的应用已经得到广泛研究[6-17]。从而为继电保护装置交流信号通道接线正确性检验，开发同步采样或记录系统以及自动分析相位关系的软件系统将是明智选择。

需要强调的是，在传统的检验方法中，由于采用母线加电、线路带负荷的方法，一次侧的电压、电流为稳态交流信号，并且自然能够确保多个交流信号之间的同步(即频率相同、相位关系确定)。而对于采用电力电子装置产生一次模拟交流信号的测试方法，必须设计一种同步机制，以确保所有一次模拟/非模拟交流信号以及同步采样系统的同步。目前，用于变电站继电保护或站内系统测试的同步方法主要有三种：(1) 利用交流信号本身的特征进行同步[18-19]；(2) 利用全站同步时钟进行同步[3]；(3) 采用无线信道传输同步信息进行同步[11]。由于继电保护交流信号通道接线正确性检验具有临时性，且测试系统的设备需要频繁移动，因而采用上述第(3)种同步方法最合适。

此外，根据继电保护的运行情况分析[20-21]、面临新的挑战[22]以及技术的应用趋势[23-30]，用于变电站继电保护的现场整组测试(包括交流信号输入通道接线正确性检验测试)应该是多功能、智能化、易升级和易扩展的测试系统。

基于上述背景，本文提出一种基于无线同步信息的继电保护分布式智能测试系统(后文简称分布式智能测试系统)，并重点针对变电站继电保护装置的交流信号输入通道接线正确性检验阐述所提分布式智能测试系统的结构、工作原理、实现方法和在现场测试的应用流程。

1 分布式智能测试系统的结构和工作原理

1.1 系统结构

所提分布式智能测试系统的结构如图1所示，由四个部分组成：(1) 无线同步信息的产生与传输子系统；(2) 同步大电流发生器；(3) 同步录波装置；(4) 智能测试分析软件。其中：无线同步信息的产生与传输子系统以母线电压互感器的二次侧A相电压作为参考相量产生同步信息，同步信息通过433 MHz无线局域网络发布；同步大电流发生器由3个单相装置(单相主电路包括1组电力电子变流器和1个升流器)组成，配置同步信息收发机，受无线同步信息同步，短时输出最大单相电流高达1 000 A；同步录波装置由单台或多台24路录波装置组成，也受无线同步信息同步，用于同步记录继电保护装置输入端口的电压波形、电流波形等；智能测试分析软件(图1未示出，安装在测试计算机中)，其功能是根据同步录波装置记录的波形数据进行智能分析判断，自动给出被测继电保护装置交流信号输入通道接线正确性的检验结果。此外，同步大电流发生器是由三个单相装置组成的三相系统(各相电流之间相位相差120º)，为了简明起见，图1中仅画出了一相装置。

图1 分布式智能测试系统的结构

1.2 系统工作原理

图1所示的分布式智能测试系统的工作过程受测试计算控制。当测试系统接线完成并准备开始测试时，测试计算机在测试人员的操控下通过无线局域网络进行轮询，以获取各个子系统/装置的状态。在确认均处于正常状态后，发布本次测试的试验参数(包括试验开始时刻和终止时刻、同步大电流发生器输出的电流幅值等)和试验命令。

各子系统/装置通过同步信息收发机收到上述信息后，先后进入试验就绪状态。显然，需要经过一定延时以等待最后进入试验就绪状态的子系统/装置。然后，从整个测试系统进入试验就绪状态开始到试验终止时刻的时间内，试验过程由同步脉冲控制。而同步脉冲由连接在电压互感器二次侧的同步信息收发机发出。在同步脉冲控制下，整个测试处于同步测试状态。其中：

(1) 连接在电压互感器二次侧的同步信息收发机，根据收到的试验参数和试验命令进行自动设置并等待试验开始时刻的到来。试验开始时刻到来后延时m1开启同步脉冲发射模式。在同步脉冲发射模式下，该同步信息收发机在电压互感器二次侧A相电压每个从负到正过零点时刻发射脉宽为1.667 ms的正相同步脉冲(脉冲宽度对应于50 Hz电压信号的30º相角)，直至试验终止时刻为止。这里我们将同步脉冲发射模式开启时刻至第一个同步脉冲上升沿时刻的时间间隔记为Dm1。因为Dm1不可能大于工频电压信号的1个周期，比m1小得多，所以试验参数设置时可以被忽略。此外，从第一个同步脉冲上升沿至试验终止时刻的时间区间称为同步测试时间，记为SM。

(2) 同步录波装置，根据收到的试验参数和试验命令进行自动设置，然后进入试验就绪状态等待，直至收到第一个同步脉冲上升沿。在接收到每一个同步脉冲的上升沿时，开始进行一个工频周期的同步采样录波。记同步采样周期为S，对于继电保护交流信号输入通道接线正确性检验来说，取S= 1 ms (对应于50 Hz交流信号每周20点采样)即可满足要求。

(3) 同步大电流发生器，根据收到的试验参数和试验命令进行自动设置，进而给直流母线充电至设定值。不言而喻，由于直流母线充电需要较长时间，同步大电流发生器最晚进入试验就绪状态。因此，参数m1的大小取决于同步大电流发生器直流母线充电速率。同样，在试验就绪状态下，同步大电流发生器也在等待第一个同步脉冲上升沿的到来。在同步测试状态下，同步大电流发生器的A相装置在每个同步脉冲的上升沿时刻开始输出一个频率为50 Hz的完整正弦波电流，直至试验终止时刻；而其B、C相装置则分别在滞后每个同步脉冲的上升沿120º、240º时刻开始输出一个频率为50 Hz的完整正弦波电流，直至试验终止时刻到来后将最后一个正弦波电流完整输出为止。

(4) 测试计算机，在发布试验参数和试验命令后，开始处于等待状态直至试验终止时刻。试验终止时刻到来后，测试计算机再等待一个较短(比如100 ms)的延时m2，以等待各个子系统/装置从同步试验状态退出而进入试验数据待读状态。接着，测试计算机自动轮询读取各子系统/装置的状态信息(包括试验过程的出错信息)。当确认各个子系统/装置在试验过程中均正常时，测试计算机读取同步录波装置中的波形数据并存储在试验数据库中；测试计算机启动智能分析和判断软件模块对本次试验波形数据进行处理，最终得出测试结果并生成测试报告。

将分布式智能测试系统的上述工作过程画成时序图，如图2所示。由图2可知，由于同步大电流发生器输出的A、B、C三相电流相间相位差为120º，同步录波装置提供的波形数据从同步测试状态第二个周期开始才是有效的。同时，同步测试状态的最后1个周期的波形数据也是无效的。为此，我们约定去掉最前面和最后面各2个周期的波形数据。那么，图2中的参数就是测试试验所要求的有效波形数据长度对应工频交流信号周期的个数。显然，是分布式智能测试系统的一个重要参数。但是，在满足检验测试要求的条件下，取较小的值可以降低同步大电流发生器的容量，一般而言，取10～50个周期比较合适。图2标出的另一个较长的时间参数是，表示测试计算机从轮询子系统/装置状态开始到试验命令下达完毕所需要的时间对应工频交流信号周期的个数。易知，参数与各子系统/装置状态报文长度和无线局域网的通信速率有关，可以取较大值，比如取= 2 000对应的时间为4 s (对50 Hz交流信号而言)。

图2 分布式智能测试系统的工作时序图

此外，记等待同步大电流发生器就绪时间m1对应且取整的交流信号周期数为，则与同步大电流发生器的设计方案有关，一般m1取5～8 s。所以，可取250～400之间的整数。又将在试验终止时刻之后等待各子系统/装置从同步测试状态退出进入试验数据待读状态的等待时间m2对应且取整的交流信号周期数记为，一般m2取0.5～1 s即可，所以可取25～50之间的某个整数。

本小节前文从系统工作时序和系统时间参数两个方面介绍了分布式智能测试系统的工作原理。实际上，在测试计算机中运行的智能测试分析软件需要根据某种方法判断被测对象接线是否正确。易知，根据同步录波装置提供的波形数据，采用离散傅里叶算法(DFT)可求取继电保护装置交流信号输入端口的三相电压、三相电流的幅值和相位，进而可根据幅值大小和各种相位关系对各交流信号的相别、相序以及极性的正确性作出判断。在此，对这方面的相关技术细节不再赘述。需要指出的是，在同步测试状态下，同步脉冲发射频率等于母线电压频率(p≤50±0.2 Hz)，而同步大电流发生器输出的交流电流的频率恒为50 Hz，且同步录波装置的采样周期S= 1 ms，严格地讲，用波形数据进行DFT计算得出的交流信号的幅值和相位会有一定误差。但是，由于本文采用了每周期跟踪同步的方法，仅需要对同步大电流发生器产生的交流电流信号的B、C相波形数据进行简单预处理(参见2.3和2.4小节)，计算精度完全能够满足继电保护交流输入通道接线正确性检验的要求。

2 分布式智能测试系统的实现方法

2.1 无线同步信息收发机原理设计

无线同步信息产生与传输子系统中的关键装置是同步信息收发机。在本文提出的分布式智能测试系统中，同步信息收发机是一种带有同步脉冲传输功能的幅移键控(ASK)的433 MHz无线电收发机，其原理框图如图3所示。

图3 同步信息收发机的原理框图

由图3可以看出，本文设计的同步信息收发机与常规的用于无线通信收发器的不同之处在于增加了同步脉冲传输功能。下面简要介绍同步信息收发机的工作原理和设计要点。

图3的设计方案采用433 MHz无线通信模块，其关键连线为：(1) 无线通信模块的数据输出DATA out接入CPU的串行通信接口RX2引脚。(2) 无线通信模块的数据输入信号DATA in在CPU引脚I/O-1为高电平、I/O-2为低电平的条件下选择CPU的串行通信接口TX2发出的信号；在CPU引脚I/O-1为低电平、I/O-2为高电平的条件下选择同步脉冲信号。(3) 同步脉冲为母线电压互感器A相电压经变压器隔离和降压后，再经过滤波电路、整形电路和单稳态电路而获得的与A相电压信号反相的、脉宽为1.667 ms的5～0 V的反相脉冲信号，采用反相脉冲的目的是与通信接口TX2的信号形式一致。(4) 根据整个系统设计衔接情况，同步信息收发机从无线信道接收到的同步脉冲转换为正相电脉冲信号输出，所以设置了信号变换环节。(5) 同步信息收发机也是一种半双工的无线通信装置，所以，433 MHz无线通信模块与CPU采用通用异步串行通信。同时，CPU又需要通过另一个通用异步通信接口与其他单元建立通信，以便转发无线通信信息。

此外，为了构建同步信息产生和传输子系统，各个同步信息收发机需要设置唯一地址。为了使用方便，可以通过在其面板上设置地址拨码开关，以避免通过计算通信设置地址码带来的麻烦。考虑到同一个大型变电站可能有2个或以上小组同时开展继电保护交流信号输入通道接线的正确性检验工作，在这种情况下，可以选择采用不同的无线信道频率，并采用不同的同步信息收发机的地址码段。

2.2 同步大电流发生器原理设计

同步大电流发生器由三个结构和功能均完全相同的单相装置组成。所以，下面重点介绍单相同步大电流发生器。

图4为本文设计的单相同步大电流发生器的原理框图。采用整流变压器、二极管6相整流桥以及后面的滤波电容构成输出电压纹波较小的整流器电路；采用非隔离的简单DC/DC变换器改变后续DC/AC变换器的直流输入电压的大小，以便DC/AC实现输出交流电流幅值的宽范围调节能力；采用SPWM控制的单相DC/AC产生同步的50 Hz交流电流，并采用升流器将较小的DC/AC输出电流升到大电流输出。

图4技术方案的控制器配置了同步信息收发机。从而，控制器可以与测试计算机进行信息交换，同时可以将产生的大电流与母线A相电压信号同步。当用作A相同步大电流发生器时，在每周同步脉冲上升沿即开始输出交流电流；当用作B、C相同步大电流发生器时，分别在每周同步脉冲上升沿后延时120º和240º开始输出交流电流。

图4 单相同步大电流发生器原理框图

2.3 同步录波装置原理设计

同步录波装置的功能是同步记录被测继电保护装置交流信号输入端口的各路交流电压、交流电流的波形数据，以供测试计算机的智能测试分析软件使用。因此，采用一般的具有同步录波功能的录波装置是可行的。但是，正如前文所述的那样，由于采用了每周跟踪同步的方式，同步录波装置在每个同步脉冲的上升沿开始采集第一点波形数据。如选择采样周期为1 ms，则对于50 Hz交流信号每个周波采样20点数据，这对数据存储容量要求是极低的。如此，同步录波装置可以设计成功能专一、体积小、重量轻的灵巧装置，以方便现场使用。鉴于上述理由，本文给出一种同步录波装置的技术方案，其原理框图如图5所示。

图5 所提24路同步录波装置原理框图

图5所示的24路同步录波装置总共有5块板卡。其中，工作电源板卡给其他板卡提供工作电源。同步控制和通信接口共用1块板卡，并将接入的同步脉冲再次引出以供2台及以上24路同步录波装置级联而构成48路、72路、96路等更多通道的同步录波系统；通信接口可选用RS485以便于级联(注：由于波形数据量很小，RS485通信速率完全满足要求)。8路同步录波板卡共3块，每块仅用1片8通道A/D转换器即可，A/D转换器分辨率选用16位完全能够满足测试要求。此外，图5所示技术方案与非同步录波装置相比仅增加了同步总线SB。由上述可知，实现图5所示的24路同步录波装置，成本很低。

2.4 智能测试分析软件框架设计

智能测试分析软件作为分布式智能测试系统的主要软件包，必须具备诸如数据库、人机界面、权限管理以及异常诊断等功能。但是，本文的目的不是作为产品开发指导书，而是立足于阐明实现分布式智能测试系统的关键技术。因此，本小节后文，我们将针对智能测试分析软件的核心功能(即根据同步录波装置记录的波形数据自动分析、自动判断被测继电保护装置交流输入信号通道接线的正确性)介绍相应的软件框架设计。图6是实现核心功能的智能测试分析软件的原理框架。

图6 智能测试分析软件原理框架

图6软件原理框架的设计依据是智能测试分析软件运行的如下三个阶段。

第一阶段称为“同步测试状态前”阶段。在该阶段智能测试分析软件需要完成的任务包括两个内容：(1) 检查分布式智能测试系统各个子系统/装置的状态，只有所有子系统/装置的状态均正常时，才可以进行下一步，否则进行测试系统状态异常告警并结束程序运行；(2) 在测试系统状态正常的条件下，配置试验参数，进而向各子系统/装置发布本次试验的试验参数和试验命令。

第二阶段称为“同步测试状态”阶段。该阶段测试系统在同步脉冲的控制下工作，智能测试分析软件处于等待状态。但是，智能测试分析软件需要知道“同步测试状态”阶段是否结束，同时还要监视测试系统是否出现异常。因此，本文采用嵌入式系统的程序设计理念，通过对同步脉冲计数作为判断条件，并通过超时设置测试系统异常退出条件，以解决程序运行的可靠性问题。

第三阶段称为“同步测试状态后”阶段。在该阶段，智能测试分析软件首先通过延时等待所有子系统/装置从同步测试状态退出。然后，从同步录波装置读取波形数据。进而，对读取的波形数据进行两步预处理：(1) 剔除最前面和最后面各2个周波的波形数据；(2) 采用线性插值方法以修正A、B、C三相电流的两个周波衔接处的采样数据，以提高幅值计算和相位计算的精度。之所以要进行第(2)步预处理，是因为同步大电流发生器输出交流电流为50 Hz，而同步脉冲的频率是母线电压频率，虽然两者相差很小(以系统频率偏移0.2 Hz考虑，两者周期最大偏差约90ms，周期相对误差约为0.4%)，但A、B、C三相电流波形都在其两个周波的衔接处有微小畸变。在上述基础上，智能测试分析软件将采用DFT法计算交流信号的幅值和相位。接着，根据计算得到交流信号的幅值和相位，作出被测继电保护装置交流信号输入通道接线的正确性判断。实际上，根据幅值和相位关系作出接线正确性判断并不难，而难在接线不正确的情况下预测何处接线存在错误。关于这个问题的解决方案，尚处于研究之中，本文不展开讨论。

3 分布式智能测试系统的应用流程

前文对分布式智能测试系统的结构、工作原理和各子系统/装置的技术方案作了较详细的介绍。为了阐明其在实际应用中的方式，本小节给出简要的应用流程。具体步骤如下：

(1) 根据现场测试任务要求，梳理需要检验测试的继电保护装置的种类，并分割成若干个现场测试子任务。

(2) 针对各个测试子任务，制订相应的测试系统构建方案，进而确定各个测试子任务需要的测试系统设备配置清单。

(3) 针对各个测试子任务，确定相应的电压互感器、电流互感器的变比及接线形式(星型或三角形接线)，以便确定施加同步大电流的幅值大小和相位。

(4) 针对各个测试子任务进行试验参数确定，并形成参数配置清单。

(5) 针对各个测试子任务，制订测试试验详细步骤。

(6) 按照制订的测试试验步骤进行测试接线，特别注意需要严格按照安全规范要求进行作业。

(7) 检查测试系统接线和通信的情况，确定一切准备就绪无误后，才能进行下一步的正式测试试验。

(8) 按照图6的流程进行正式测试试验。

(9) 对测试试验结果进行分析整理，并形成测试试验报告。

显然，上述应用步骤还是比较粗线条的。实际应用时，可以对上述大的步骤进一步细化，以增强可操作性。

4 结论

本文从实用的角度出发，提出了一种基于无线同步信息的分布式智能测试系统。通过系统结构和工作时序阐明了所提分布式智能测试系统的工作原理；对各个子系统/装置的技术方案进行了设计和介绍，并给出了应用流程。实际上，所提分布式智能测试系统，可以根据需要构成比较庞大的分布式测试系统，虽然文中未重点强调，但易于理解。另外，本文在论述所提分布式智能测试系统的应用过程时，应用场景针对运行频率偏离额定频率很小的大型变电站。但是，所提方法和分布式智能测试系统，对于运行频率偏离额定值较大的小型电力系统的继电保护测试也是适用的。在这种情况下，需要在发射同步脉冲之前发布实测系统频率值，以便同步大电流发生器和同步录波装置参照使用。

需要在此提及的是，本文采用了电力电子装置产生大电流替代线路负荷电流的技术方案。但考虑到用电力电子装置产生三相高压交流电压以替代母线电压的技术方案，势必大幅度增加测试系统的成本、设备的体积与重量，因而未采用。

此外，本文所提方法已经在实际运行中使用，使用效果表明，所提分布式智能测试系统具有较强的实用性。

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A distributed intelligent testing system of relay protection based on wireless synchronization information

YU Xiaojun1, LIU Zhiyuan1, WU Jianyun1, CHEN Qianchen2

(1. State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd., Yinchuan 750001, China;2. Haomai Electric Power Automation Co., Ltd., Wuhan 430074, China)

Using the traditional inspection method to check the wiring correctness of relay protection devices of newly built or reformed substations, there exists not only the risk of maloperation, but also sometimes it is difficult to complete the inspection task.The primary system needs to be charged and the corresponding line current made to reach the minimum load current. To solve the above problems, a distributed intelligent testing system for relay protection based on wireless synchronization information is proposed. It includes four key parts: the wireless synchronization information generation and transmission subsystem, using the A-phase voltage of secondary side of bus voltage transformer as the reference phasor, and releasing the produced synchronization information through the 433 MHz wireless local network; the synchronized high current generator of short-time output AC current up to 1000 A; the synchronized waveform recorder used to synchronously record the waveform data of voltages and currents on the input port of the relay protection device; the intelligent testing and analysis software used to give automatically the test results by analyzing and judging the waveform data. The structure, working principle, implementation method and the field testing procedure of the proposed distributed intelligent testing system are clarified. The proposed method has been used in actual operation and has strong practicability.

relay protection field test; distributed intelligent testing system; wireless synchronization information; synchronized high current generator; synchronized waveform recorder

10.19783/j.cnki.pspc.211787

国家重点研发计划项目资助(2017YFB0902800)

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0902800).

2021-12-31；

2022-03-21

于晓军(1984—)，男，通信作者，硕士，高级工程师，从事电力系统继电保护和运行控制等方面工作。E-mail: 15549315@qq.com

(编辑 张爱琴)