便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀的研制

黃 濤，王 亮，張麗玲

(1．國網江蘇省鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000;2．武漢大學電氣工程學院，武漢 430072)

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便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀的研制

黃 濤1，王 亮2，張麗玲2

(1．國網江蘇省鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000;2．武漢大學電氣工程學院，武漢 430072)

針對現在使用的繼電保護測試儀體積大、運算速度慢且通用性較低的問題，介紹了新型報文測試儀，測試儀使用ARM芯片并采用緊湊化的電路設計，通過以太網技術進行通信，報文遵循IEC 61850規約，實現設備的高性能與小型化，從而大幅提高工作效率。

繼電保護測試儀；以太網；SV報文；IEC 61850；ARM

與常規繼電保護與控制設備相比，智能變電站的智能化繼電保護和控制設備在信息傳輸上發生了較大的變化，傳統的電纜已被光纖所代替。由于數字信息實現標準化，繼電保護和控制等二次設備間的信息共享和互操作性也有很大的提高。另外，智能化繼電保護和控制設備的部分原理和結構也發生明顯變化。設備的實現方式和應用方式的改變，使得原有的檢測和考核方法、項目和標準已經不能適用于智能化繼電保護和控制設備，對該類設備的檢測提出了新的要求。

文獻[1-2]對國內市場上微機型繼電保護測試儀的現狀進行了研究，指出國內廠家生產的許多產品在質量、結構、續航等方面存在不足，進口測試儀的整機性能好，硬件可靠、精度高且使用壽命長，但是價格昂貴。文獻[3-6]從不同的使用環境對測試儀提出了功能上應該滿足的要求，共同點是支持以太網通信、遵守IEC 61850規約以及產品小型化。文獻[7-10]對以太網的通信技術作了介紹。IEC 61850的作用、使用方法以及前景在文獻[10-13]中有清晰的介紹。文獻[14-15]介紹了光纖中色散對信號的影響以及補償方案。

基于此，研制出便攜式智能變電站繼電保護測試儀，它具備性能穩定、結構緊湊、使用方便的特點，能夠應用于智能變電站任一具有光纖接口的設備的報文檢測中。

1 測試儀的功能要求

1.1 實現人機操作

測試儀裝配有一塊薄膜晶體顯示屏(TFTLCD)，能直接在屏幕上進行參數調整和指令發送，具有界面友好、人機交互性強的特點。

1.2 以太網通信

測試儀通過光纖以太網口與設備相連通，構成數據交換通道，實現對智能化二次設備的準確、有效地功能檢測和性能考核。

1.3 遵循ICE 61850規約

測試儀發送的SV報文遵循IE C61850這一全球通用標準，能夠與任意的保護測控裝置進行通訊，增大了測試儀的應用范圍。

1.4 光補償

測試儀通過光纖與被測裝置相連，輸出光信號。光信號在傳輸過程中會有衰弱，同時，測試儀使用年限較長以后，光纖端口的光信號也會減弱，這可能使得信號畸變，從而影響到測試儀的正常使用。故測試儀光纖以太網口需要進行光補償，使得光信號能夠順利完整地傳送給被測裝置。

1.5 雙操作模式

測試儀的操作采用2種方式：便捷的界面操作，使用者可以在觸摸屏上面用手指或者別的物體點擊功能按鈕才操作測試儀；可靠的按鍵操作，使用者可以通過實體按鍵來進行操作，實體按鍵以其機械性能給人以直接的反饋，使用者能夠十分明確自己是否進行了操作。2種操作模式既給了不同使用習慣的用戶以不同的選擇，也是一種保障，當一種操作模式無法進行的時候，另外一種能夠起到后備的作用，順利完成使測試任務。

2 測試儀硬件設計

2.1 總體設計

便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀主機產生遵循IEC 61850規約的SV報文，通過光纖經以太網口傳送給被測裝置，從而實現對智能化二次設備的報文檢測工作。

2.2 硬件設計

測試儀主機硬件結構如圖1所示，由主機芯片、以太網模塊、開關量模塊、顯示模塊以及TFTLCD模塊構成。

圖1 報文測試儀硬件原理

2.2.1 主機芯片

測試儀主機采用32位ARM微控制器的STM32F1系列芯片，由ST公司出品，其內核是Cortex-M3。該芯片體積小、功耗低、高性能，支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令執行速度快。

2.2.2 以太網模塊

以太網模塊為ENC28J60，測試儀全面支持IEC 61850規約，具有光纖以太網端口，能夠輸出基于IEC 61850 9-1或IEC 61850 9-2的報文。測試儀的光纖以太網接口可以接受和發送SV報文，測試時，將測試儀與被測裝置或者光交換機連接，能夠實現和被測裝置之間的信息交換。

2.2.3 開關量模塊

開關量模塊為按鍵，按鍵動作時，通過將輸入電平轉換成數字信號、光電隔離等過程，按鍵動作這一指令傳至ARM芯片進行處理。

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊為LED指示燈模塊，顯示測試儀的開關狀態以及與被測裝置的連接狀態。當測試儀啟動時，開關指示燈會亮，當測試儀與被測裝置連接上并且IP匹配成功、能夠進行通信時，通信指示燈將被點亮。

2.2.5 TFTLCD模塊

TFTLCD模塊顯示部分功能指令，包括參量值的調整以及發送報文的指令。當這些參量的值調整改變或者別的指令被操作時，這些信息將會傳送給ARM芯片進行處理。TFTLCD模塊結構如圖2所示。

圖2 TFTLCD模塊

結合上述各功能模塊的結構特點，依據緊湊化原則，設計出如圖3所示的電路元件分布圖。

圖3 電路元件分布

3 測試儀軟件設計

測試儀軟件流程如圖4所示。測試儀采用C語言編程，根據功能劃分主要分為3個部分：通信、人機交互和IEC 61850規約。

圖4 報文測試儀軟件流程

3.1 通信

小型開源TCP/IP協議棧Light Weight IP(即LWIP)有無操作系統的支持都可以運行，在保持TCP協議主要功能的基礎上能減少對RAM的占用。

3.2 人機交互

測試儀采用TFTLCD觸摸屏，圖形用戶界面(GUI)能夠實現人機互動。

3.3 IEC 61850

IEC 61850標準是電力系統自動化領域唯一的全球通用標準。測試儀輸出的報文遵守這一規約能夠大大提高它的適用范圍。

4 裝置測試

測試儀完成之后，需要對它的功能進行測試，檢測是否達到預定要求。

4.1 裝置樣機

測試儀結構如圖5所示，尺寸為100 mm×80 mm×25 mm。

圖5 測試儀結構

4.2 使用測試

將測試儀與被測裝置連接，立即能夠得到連接成功的提示。通過在操作界面上選擇不同的幅值和頻率，測試儀向裝置發送不同的SV報文，從而實現對設備性能和功能的檢測。測試儀發送的報文形式如圖6所示。

圖6 報文形式

4.3 創新點

繼電保護報文測試儀首次采用ARM芯片作處理器，確保強大計算能力的同時，降低了功率損耗，從而實現測試儀整體設計的簡化以及輕量化、小型化目標。同時，操作界面的功能簡化使得工作人員能夠容易熟悉使用方法。

5 結束語

便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀按照IEC 61850規約格式，通過光纖輸出SV報文，對智能化二次設備進行準確、有效地功能檢測和性能考核，能夠大幅度提高繼電保護保護檢修調試人員的工作效率。此外，測試儀采用高性能ARM處理器，運算速度快，計算能力強，人機界面友好，并且還十分輕便，有助于完成作業任務，便于作業人員攜帶。便攜式智能變電站繼電保護報文測試儀的操作簡單，降低了誤操作的可能性。電源電壓為5 V直流電壓，可以直接使用USB接口或者干電池供電，提高了測試儀的使用性。

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本文責任編輯：靳書海

Development of Portable SV Tester for Power System Protection in Smart Substation

Huang Tao1，Wang Liang2， Zhang Liling2

(1. State Grid Zhenjiang Power Supply Company,Zhenjiang 212000,China;2. School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Nowadays,majority of Power System Protection testers uses remain some problems,such as bulky,low computing capability and poor universality.This paper introduces something about the new measure instrument.Test meter uses ARM and adopt compact design.Communication through Ethernet and SV message follow IEC 61850.Based on these,testers will be high-performance and miniaturization, and improve work efficiency substantially.

power system protection tester;ethernet;SV message;IEC 61850;ARM

2017-02-07

黃 濤(1977-)，男，高級工程師，主要從事電力系統數字保護工作。

TM774

B

1001-9898(2017)03-0010-04