無線同步信息應用于變電站繼電保護的分布式智能測試系統設計與實踐

談夢婷 馮哂瑋

（國網湖北省電力公司武漢供電公司）

0 引言

在現代電力系統中，繼電保護裝置的可靠性是維護電網安全運行的關鍵。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。傳統的檢驗方法，如六角圖法，雖然歷史悠久，但在操作復雜性、風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展，傳統方法在新型電力系統環境下的適應性問題日益凸顯。為了克服這些限制，業界專家和學者們提出了多種創新方案，例如利用電力電子裝置模擬負荷測試、無線虛擬專網的運維系統、信息融合的自動測試系統等，旨在提高檢驗工作的效率和安全性。

然而，這些方案多數集中在智能變電站的應用，對于常規變電站的適用性以及細節處理上仍存有不足。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，特別關注于交流信號輸入通道接線的正確性檢驗。該系統融合了先進的電子技術、信號處理、無線通信及計算機技術，不僅提高了測試的準確性和效率，還降低了操作的復雜性和風險[2]。值得注意的是，這一系統在設計上考慮了不同類型變電站的適應性，使其能夠廣泛應用于電力系統的繼電保護檢驗中。

本文闡述了該分布式智能測試系統的設計理念、結構特點、工作原理及實際應用流程。通過對這一新型系統的深入研究，旨在提供一種有效的技術解決方案，以應對當前變電站繼電保護檢驗領域面臨的挑戰，同時為未來電力系統的安全穩定運行提供有力支撐。

1 分布式智能測試系統構成及原理

1.1 主要構成

分布式智能測試系統的主要構成基于無線同步信息技術，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，無線同步信息的產生與傳輸子系統，這一部分利用433MHz 的無線局域網絡，以母線電壓互感器的二次側A 相電壓作為基準來傳播同步信息。其次，系統所采用的同步大電流發生器則起到電力的變流及升流作用，可在控制的相應時間內將電力提升至需求的范圍內，是控制系統穩定性的關鍵所在。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內的線路起到穩定電壓及電流波形的作用。最后則是系統的操作端軟件，是對于系統控制以及運行狀態、數據顯示的所在，軟件具有較高的智能化控制作用，可依據設定檢驗系統信號輸入通道接線的正確與否。本系統的設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、信號處理以及計算機技術，顯著提升了繼電保護測試的準確性和效率。該系統的細節如圖1 所示。

圖1 分布式智能測試系統結構示意圖

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工作狀態的程控輸入輸出，從而保障系統的正常運轉。在應用過程中，測試計算機會通過預先設定的參數發送命令。

1.2.2 同步操作的實現

系統內的各子系統和裝置在接收到命令后，進入試驗準備狀態并引入延時機制，以確保所有組件均達到預定就緒狀態；此外，試驗過程的主導力量為同步脈沖，由安裝于電壓互感器二次側的同步信息收發機發出，該機根據試驗參數和命令進行自動設置，從而實現同步脈沖發射的精確控制，保障了試驗的有效性和可靠性[4]。

1.2.3 各部分的協調工作

同步錄波裝置與同步大電流發生器通過同步脈沖上升沿的響應實現精準協調，確保了工頻周期內數據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，而同步大電流發生器則在試驗準備狀態下按設定值充電，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、準確的測試系統。

1.2.4 數據采集與分析

試驗終結后，測試計算機執行延時操作，隨后自動輪詢以收集各子系統和裝置的狀態信息，并確認試驗流程無異常發生；接著，從同步錄波裝置中讀取波形數據，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果和報告，這一過程體現了數據處理的高效性和智能分析的準確性。

1.2.5 時序圖與數據處理

在無線同步信息的應用，對于系統運行狀態可通過時序圖直觀地體現，在該系統中所采用的同步三相大電流發生器存在120°的電壓相位差，有效的波形數據需從同步測試狀態第二個周期開始計算。系統中的一個關鍵參數是有效波形數據長度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與無線局域網通信速率及子系統狀態報文長度相關[5]。此外，同步大電流發生器就緒時間與其設計方案緊密相關。

2 分布式智能測試系統的實現方法

2.1 無線同步信息收發機的創新設計與應用

在分布式智能測試系統中，無線同步信息收發機扮演著核心角色，其設計特點在于結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）無線電收發機。分布式智能測試系統同傳統設備相比，增加了同步脈沖傳輸功能，其主要結構見圖2。

圖2 無線同步信息收發機系統結構示意圖

無線通信模塊主要通過以下關鍵連線實現功能：首先，數據輸出端接入CPU 的串行通信接口，確保數據傳輸的高效性；其次，數據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，增加了系統的靈活性和適應性。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，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生和傳輸子系統中的應用，每個同步信息收發機被賦予了一個獨特的地址。為了避免操作上的復雜性和減少設置錯誤，同步信息收發機的地址通過面板上的地址撥碼開關進行設置，而不是通過計算通信。在多小組同時作業的情況下，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的靈活性和適應性。

2.2 同步大電流發生器的創新設計及工作機制

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

圖3 同步大電流發生器結構示意圖

在同步大電流發生器各個裝置、設備的作用下，能夠使系統達到理想狀態的輸出電壓紋波，并且在基于正弦波波寬調變技術的非隔離式DC/DC 變換器的作用下，可有效實現系統中直流電壓的輸入以及變頻器輸出的電流幅值的調整，從而有效地生成50Hz 同步交流電流。最終，通過升流器的應用，DC/AC 變換器的輸出電流被有效增強，達到預設的大電流輸出水平[7]。

在同步大電流發生器的控制體系中，依托于同步信息收發機的作用，能夠完成系統中信息的有效傳遞，這種特性可顯著提升電流與母線A 相電壓之間信號數據的傳輸，從而實現穩定的同步狀態。另外，針對電路的應用，同步大電流發生器可依據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度和可靠性。

2.3 同步錄波裝置的高效設計與實現

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據，為智能測試分析軟件提供關鍵輸入。裝置在每個同步脈沖上升沿開始采集波形數據，采樣周期定為1ms，使得每個50Hz 交流信號周期內能采集20 點數據。

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，優化了現場使用的便利性，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 接口與其他設備級聯，實現高效的數據傳輸和設備協調。每塊同步錄波板卡配備8通道A/D 轉換器，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，同時未損失設備的性能和精確度。這種專用板卡和RS485 通信接口的結合，以及高精度A/D 轉換器的應用，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能力，完全符合分布式智能測試系統的需求。

圖4 24 路同步錄波裝置的構成原理框圖

2.4 智能測試分析軟件的關鍵技術與框架

智能測試分析軟件是分布式智能測試系統的核心，包含關鍵功能如數據庫管理、人機交互界面、權限管理和異常診斷等，重點在于根據所采集到的同步錄波參數，完成智能化的數據分析與處理，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）“同步測試狀態前”階段，軟件需檢查系統各子系統/裝置狀態，確認正常后方可配置試驗參數并向各子系統/裝置發布試驗命令。若狀態異常，則觸發告警并終止程序運行。

2）“同步測試狀態”階段，軟件處于等待模式，監視測試過程，確保無異常發生。采用嵌入式系統的程序設計理念，通過同步脈沖計數和超時設置來提高程序運行的可靠性。

3）“同步測試狀態后”階段，軟件確保所有子系統和裝置的狀態轉換，從同步錄波裝置讀取波形數據后，對其進行處理，包括剔除前后冗雜記錄與數據，并采用直線插值的方式校準三相電流的波形數據，以確保數據的準確性和可用性：

式中，y1、y2為兩個變量代表已知點的y坐標值；x為y值的點的x坐標（x1、x2為y1、y2的x坐標）；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較為成熟，但對于預測接線錯誤位置的技術仍在研究之中，本文不作詳細討論。

3 實施分布式智能測試系統的操作流程

實行分布式智能測試系統，其核心在于保障測試的精確性與高效性，涵蓋了準備、執行、分析等關鍵階段。準備階段的重心為繼電保護裝置的系統化分類，旨在明確化測試任務，增強其針對性。執行階段則需關注細節，如自動化繼電保護裝置的運行狀態，它對電力系統的穩定運行至關重要，尤其在信息傳輸安全性方面。

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

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

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

4 結束語

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