線路縱差分布式自動測試技術研究與應用

摘要：針對光纖差動保護聯調試驗，雙端測試儀無法實現同步控制，不能進行兩側區外故障測試及比率制動特性自動測試等問題。采用PTP同步技術，建立線路縱差分布式測試系統以及同步控制通訊模型，研究雙端同步控制的分布式測試方法。相比于GPS對時存在接線麻煩、對時信號弱、無法形成統一測試報告等缺點。基于PTP同步的線路縱差分布式測試系統實現了雙端同步測試、實驗單端控制、結果綜合評估的功能，可進行兩側區外故障及制動特性曲線測試，提升了現場調試全面性。

關鍵詞：線路縱差保護;分布式;數據同步;自動測試

DOI：10.15938/j.jhust.2022.03.015

中圖分類號： TM726文獻標志碼： B文章編號： 1007-2683（2022）03-00111-08

Research and Application of Distributed Automatic

Test Technology for Line Longitudinal Difference

DING Jin-jin1，XU Chen2，SUN Hui1，WANG Xun-ting1，HAN Min-chou3

（1.Electric Power Research Institute of State Grid， Anhui Electric Power Co.， Ltd， Hefei 230000， China;

2.Anhui Xinli Electric Technology Consulting Co.， Ltd， Hefei 230000， China;

3.Wuhan Kemov Electric Co.， Ltd， Wuhan 430223， China）

Abstract：Aiming at the problems of the joint debugging test of optical fiber differential protection， the two terminal testers can not achieve synchronous control， and carry out the fault test of both sides and automatic test of ratio braking characteristics. By using PTP synchronization technology， the distributed test system of line longitudinal difference and the communication model of synchronous control are established， and the distributed test method of double-terminal synchronous control is studied. Compared with GPS， there are some disadvantages， such as wiring trouble， weak timing signal， unable to form a unified test report and so on. The distributed test system of line longitudinal difference based on PTP synchronization realizes the functions of two terminal synchronous tests， single terminal control and comprehensive evaluation of test results. It can test the fault and braking characteristic curve outside the two sides， and improves the comprehensiveness of on-site debugging.

Keywords：line longitudinal differential protection; distributeion; data synchronization; automatic testing

0引言

線路光纖差動是線路保護的主保護，由于其具有可以保護線路全長且靈敏、可靠等優點，在現實中的應用愈來愈廣泛。其中分相光纖差動及零差保護調試是線路保護裝置交接試驗的重要試驗項目。

然而目前的變電站建設和使用維護過程中，無論是常規的繼電保護測試儀或智能站數字繼電保護測試儀由于雙端測試儀無法實現數據同步控制和輸出，無法精確控制差流和制動電流，均不能實現線路光纖差動保護聯調[1-3]時兩側區外故障的測試工作以及比率制動特性的自動測試;致使光纖差動保護的檢驗試驗項目存在缺失，無法通過現場保護試驗來檢驗光差保護完整性能。一旦在送電時出現差流異常，將造成送電延誤，影響工程進度、影響電網安全穩定運行。

現行解決測試過程同步的方法主要是對雙端的測試儀進行GPS（global positioning system）對時[4-5]，整個實驗過程通過絕對時間控制。此方法對現有測試儀改動少，但存在GPS接線麻煩、對時信號弱、實驗過程需要兩端測試人員電話溝通測試配置、測試自動化程度低等問題。而且雙端測試儀相互獨立，數據不能互通無法形成統一的測試報告和結果判定，使用極為不便。

目前分布式測試系統[6-9]以及同步控制技術[10-11]研究較多，為解決線路縱差保護的測試提供了技術支撐。分布式測試系統從GPIB（general-purpose interface bus）[12]測試總線技術發展到VXI（VMEbus extensions for instrumentation）技術[13]，以及PXI（PCI extensions for instrumentation）總線技術[14]雖都對先前技術進了相關優化，但仍存在同步精度不高等問題。PTP（precision time protocol）[15-17]精確時鐘同步協議的出現為提高分布式系統時鐘同步精度提供了解決方案。

本文根據線路光差保護的原理和目前變電站內相關設備的性能及特點，提出變電站光纖縱差保護分布式測試方法，并研究基于PTP時間同步的自動測試技術，解決了線路光纖縱差保護聯調時兩側區外故障的測試和比率制動特性自動測試的難點，擺脫對GPS對時的依賴，實現雙端同步測試、雙端結果評估的功能，同時提高了現場調試效率，保證了電網安全穩定運行。

1分布式測試儀同步控制技術

本文參考PTP協議的“乒乓”機制實現分布式自動測試的時鐘同步，同時在測試裝置底層進行報文時間標注，用以提高時間同步的精度。通過此種模式可以擺脫對GPS對時的依賴，實現雙端同步測試。具體實現機制如圖1所示。

圖中所描述的 PTP 報文為以下幾種：

①sync 同步報文;

②Follow_up 跟隨報文;

③Delay_req 延遲請求報文;

④Delay_resp 延遲請求響應報文。

由圖1得知從時鐘處可得到t1，t2，t3，t4 4個精確報文收發時間，由這4個時間可以計算時鐘偏差offset和網絡延時delay，計算公式如下：

delay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2（1）

offset=[（t2-t1）-（t4-t3）]/2（2）

從時鐘得到 offset 和 delay 之后就可以通過修正本地時鐘進行時間同步。

兩套測試裝置通訊同步完成后，可實現線路兩側的測試裝置主從機的任一選擇，通過遠程調用測試界面，在主機側進行模擬量狀態的數據設定和試驗觸發，從機側人員僅進行配合工作，實現繼電保護測試儀的遠程同步控制。

在主機主控單元上通過人機操作模塊選擇故障計算模型，即區內、區外故障，如圖2故障模型示意圖。模型計算模塊根據選擇的故障模型，生成狀態序列參數。另外，通過試驗觸發模塊設置試驗開始時間。然后把狀態序列參數和試驗開始時間通過內部總線傳遞給本主機測試單元，同時通過主從機間的通訊通道傳給從機測試單元的數據建模模塊。其中狀態序列參數，包括每個狀態電壓電流相量值以及每個狀態的切換方式。測試過程中從機會實時把開入變位信號返回給主機，用于主機進行統一的結果判定。

通過主從機的模式，在主機端實現控制的統一處理，使得分布式自動測試的各測試裝置實現“一體化”控制。同時各分布式自動測試裝置之間的主機、從機可靈活定義，不固定于某一測試裝置，方便現場人員根據實際需求選擇。

2分布式自動測試裝置通訊與控制

本文研究的線路縱差分布式自動測試裝置，采用HDLC（high-level data link control）通信協議[18-20]。通信內容分為同步報文和普通數據，采用幀傳送方式進行通訊。其中同步報文幀以0x9900加地址碼為報文頭，普通報文幀以0x5500加地址碼為報文頭，并采用多種校驗方式進行冗余校驗。其中主機主要向從機下發狀態控制序列，此類幀為可變幀長報文，每一個狀態結構一致數據不同，并連續發5幀，當從機連續收到3幀后確認配置。狀態定義包括每個狀態的模擬量幅值角度，開出控制、開入監視、以及狀態切換方式和狀態開始時間等。報文結構定義如表1所示。

主機和從機之間互發時間同步報文，只要開機后發現物理鏈路建立，則周期性進行同步，時間可定為每秒一次。主機和從機之間的時間同步報文結構定義如表2所示，可用報文類型區分是請求報文還是響應報文。

主機下發狀態序列配置到從機，在雙端同步后，通過時間觸發主從機同時開始執行狀態序列，執行過程中從機同步發出DI的狀態變化用來支撐開入狀態切換。從機返回開入量狀態報文結構定義如表3所示。

對于用時間切換的狀態，主從機雙端可同時按預定的時間執行。對于開入量切換，可從機發開入變位給主機，主機收到變位后統一處理切換機制，并發切換控制命令給從機，約定在用主機當前時間加兩倍通道延時后的絕對時間雙端同時執行（通道延時時間采用最近一次計算的延時時間）。若未收到開入量，可延時一定時間后切換此測試項。狀態切換控制命令報文結構定義如表4所示。

測試完成后，主機可將測試結果及測試報告傳輸給從機。

3縱差保護分布式自動測試技術

本文基于雙端同步的分布式測試技術，兩端的測試儀可以精確控制輸出的幅值和角度，從而實現預設的差動電流和制動電流。再基于多狀態同步控制輸出一組測試序列，可以自動繪制比率制動特性曲線，并實現雙端加量的線路縱差保護的比率制動特性自動測試，如圖3所示，可依據保護的制動特性公式，依據拐點坐標和斜率k繪制出曲線和動作區。

可進行特性搜索、斜率測試、定點測試。按定值掃描，測試儀按保護定值掃描比率制動特性曲線，按制動電流Ir始值、末值和步長確定掃描線位置，按差動電流Id與定值得正偏移、負偏移確定掃描線長度。可包括如下3個模式：

指定范圍掃描：測試儀按設定的Ir始值、末值、步長確定掃描線位置，按差流Id始值、末值確定掃描線長度。

定點測試：定點測試縱差保護動作行為，在特性曲線中可雙擊鼠標添加測試點，選定測試點自動添加至測試點列表中，可修改、刪除測試點。

斜率測試：測試比率制動特性曲線，按定值自動設定斜率測試段，也可手動設置、修改斜率測段，斜率測試時差流Id始值、末值決定測試線長度。

其中搜索方式可選雙向搜索和單向搜索。雙向搜索時，按二分法[21]逐步縮短搜索線至滿足Id精度要求。單向搜索從Id始值開始，以精度為步長搜索至保護動作點。

本文主機和從機通過上位機自動測試軟件實現IEC61850 MMS（manufacturing message specification）客戶端功能與保護裝置進行通信，修改保護裝置定值、控制字和軟壓板，并獲取裝置動作報告、遙信變位、錄波等信息，實現測試過程的閉環自動控制。其閉環自動測試系統結構如圖4所示。

4分布式自動測試裝置架構與應用

4.1分布式自動測試裝置系統架構

本文研究的線路縱差分布式自動測試裝置，包括兩臺光纖縱差保護測試裝置，每臺裝置都可設置為主機或從機，分布在兩個變電站，測試時，一臺設為主機，一臺設為從機，如圖5所示。

其中，光纖縱差保護測試裝置包括主控單元和測試單元，主控單元和測試單元采用內部總線或者電以太網方式通信。主控單元上具備電以太網口;測試單元上具備多模光以太網口和單模光以太網口。測試單元的多模光以太網口通過光纖和保護裝置連接，用來收發SV（sampled value transmission）報文和GOOSE（generic object oriented substation event）報文;主機和從機的測試單元的單模光以太網口之間通過縱聯保護備用光纖連接，用來控制主從機同步實驗;主控單元上的電以太網口通過網線連接保護裝置，用來收發MMS報文。

線路縱差分布式自動測試裝置，包括兩臺光纖縱差保護測試裝置，每臺裝置都可設置為主機或從機，從硬件和軟件模塊來說主機和從機的構成都是一樣的，只是當確定了主從機的身份后，相關模塊的參數、功能以及數據流會有差異。如圖6所示。其中，線路縱差分布式自動測試裝置包括主控單元和測試單元，其中，主機的主控單元包括人機操作模塊、模型計算模塊，試驗觸發模塊和結果評估模塊;從機的主控單元只接收主機的控制，不做應用分析。主機的測試單元具備時標打印模塊，數據建模模塊，從機的測試單元具備時標打印模塊、數據建模模塊和時間修正模塊。

由于現場線路縱差保護的通道分為專用光纖通道和數字復接通道，現場一般采用2M速率與64k速率兩種速率。2M速率省去兩側PCM（Pulse Code Modulation）交換機設備，通信鏈路上減少了中間環節，減少了傳輸時延2M速率增加了傳輸帶寬，可以傳輸更多保護信息，但由于帶寬越寬，噪聲功率越大，2M速率接收靈敏度較低，因此傳輸距離較短。所以要綜合考慮傳輸帶寬和傳輸距離的影響關系。

4.2縱差保護同步測試原理

分布式測試儀基于PTP技術實現時間同步。雙端測試儀一側“主機方式”為1，另一側必須為0，且“主機方式”設置同系統方式無關。兩側測試儀輸出同步與外接電氣量無關，只要兩側測試儀通信正常，即能保證輸出同步。只有在測試儀上電或失步后，才需要測通道延時，測定延時后，測試儀不再需要傳輸時間信息。從機時刻調整采樣間隔，保證兩側測試儀輸出時刻在允許的誤差范圍內。測試儀實時監測采樣時刻誤差，若超出范圍，則停止輸出，重新進行同步過程。

光纖縱差保護裝置的通訊通道分為專用光纖通道和復用通道。專用光纖通道一般用于線路距離較短（幾十公里）時，如圖7所示。復用通道一般用于線路距離較長（上百公里）時，如圖8所示。

本文依據線路縱差保護的同步原理，并借鑒PTP協議的同步機制，實現分布式測試裝置之間的時間同步。線路縱差分布式自動測試裝置將采用變電站的備用光纖通道實現主機與從機之間的通訊。分布式自動測試主機和從機之間通道雙向延時相等是輸出同步的前提。一側為主機方式，另一側必須為從機。當傳輸延時delay測出后，主機下發輸出控制命令并指定延時Δt（Δt一般大于delay）后主從機同時輸出。則主機在發出控制命令的Δt后輸出，從機在收到控制命令Δt-delay后輸出。由此確保分布式自動測試主機和從機的輸出是同步的。

4.3比率制動曲線的自動生成

現以SV采樣，GOOSE跳閘的220kV智能變電站線路光纖縱差保護的制動特性自動測試過程舉例說明此分布式測試系統的現場應用，圖9為程序界面示意圖。

雙端聯調時，兩側變電站保護分別接入測試儀的SV光纖和GOOSE光纖，測試儀通過GOOSE開出模擬開關位置，通過監測保護的GOOSE跳閘實現狀態切換。當主機和從機的通訊光纖接好后，主機和從機自動開始通過“乒乓”機制實現時鐘同步。然后主機根據掃描策略，如二分法掃描，自動計算出所有理論測點，每個測點為一個狀態。主機通過可變幀長報文將計算好的狀態序列下發給從機，從機確認配置后等到狀態預制的開始時間則與主機同步開始測試過程。測試過程中主機和從機以每秒1000幀的頻率相互共享開入量狀態。當主機或從機任何一方收到GOOSE跳閘信號或時間超限仍未收到GOOSE跳閘信號，則延時一個時間偏差的長度切換到下一狀態，進行下一測點的測試，直到所有測點測試完成。測試過程中程序會自動將所有測點以及各測點的動作情況繪制在界面上，并與理論計算的制動曲線做比對，如果距離理論曲線最近的測點都不滿足誤差要求則會告警。界面效果圖上也能很方便清晰的看出各測點的分布情況。其差動測試錄波圖如圖10所示，為在雙端同步聯調時A相電流通道產生故障且差流滿足動作條件時的故障波形。

相比GPS同步技術，本文研究的PTP時間同步技術在實現線路縱差分布式自動測試時具有如下優勢，如表5所示。

本文研究的的線路縱差分布式自動測試裝置，通過如上報文定義和實驗邏輯，并基于PTP同步機制實現主機和從機之間的時間同步，數據交互，以及實驗控制。采用HDLC協議和2M通道，并用“乒乓”機制對時，可以滿足線路縱差保護的分布式測試需求，能夠實現雙端同步測試，可以實現縱差保護的制動特性的自動測試，同時由于可精確同步的控制輸出量，故可方便的輸出區外故障的故障量，從而完善光纖差動保護的檢驗試驗項目。

5結論

本文通過對線路縱差保護調試和相關通訊過程的研究，以及當前變電站線路縱差保護裝置調試過程中存在的問題和調試過程的特點，提出研制線路縱差分布式自動測試裝置，其中包括硬件平臺和通訊接口研制、時鐘同步技術研究、試驗同步控制技術研究、比率制動特性自動測試技術研究。通過這些方面的技術研究，以及現場功能的驗證，提升線路縱差保護調試效率，更好地保證電網的安全穩定運行。本文所提技術對現有測試儀改動較多，對傳輸可靠性要求較高，后續會研究將此同步測試功能和通訊功能模塊化，并使其與現有測試儀的接口標準化，從而減少對測試儀的改動以及提高通訊的可靠性。

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（編輯：溫澤宇）