一种数字化变电站继电保护设备的测试方法及其专用装置

摘要

本发明涉及一种数字化变电站继电保护设备的测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)数字式继电保护测试仪生成多组采样报文传送至CPU模块中；(2)当采样报文的数量满足发送要求时，CPU模块将该批采样报文发送至多个网络模块；(3)每个网络模块均接收采样报文后，按照采样报文中预先设置的优先级、VLAN ID和多播目的地址组帧，组帧后的数据发送到网络交换模块；(4)网络交换模块收到数据后由输出端口输出，输出的数据经电光转换芯片转换后经过光纤传送至单间隔或多间隔继电保护设备；(5)重复步骤(1)～(4)，既实现了单间隔或者多间隔继电保护设备采样报文的接入，进而完成测试。本发明结构简单、便于使用，同时适用于单间隔继电保护设备和多间隔继电保护设备的测试。

说明书

技术领域

本发明属于电力设备领域，尤其是一种数字化变电站继电保护设备的测试方法及其专用装置。

背景技术

数字化变电站通常采用两种采样值报文传输模式。一种是采样值点对点传输模式，一种是采样值组网传输模式。在第一种点对点模式中，单间隔设备的采样值报文由合并单元(MU，Merging Unit)直接接入，对于多间隔设备，各间隔采样值报文由合并单元接入数据集中器，合并为一个数据帧后再接入装置。其优点为采样报文传输路径简明晰，同步简单，实现方便，缺点为采样数据不能共享，接线繁琐，涉及私有协议。在第二种采样值组网模式中，各间隔采样值报文由MU直接接入交换机，单间隔和多间隔设备自交换机上接受所需采样报文。其优点是实现了采样数据共享，接线简单，基于国际标准协议。随着数字化变电站网络优化设计和同步技术的进展，采样值组网模式逐渐成为主流，得到了广泛的应用。

继电保护设备为变电站二次系统中最为重要的设备，任何涉及保护设备的变动都要经过功能试验才能并网运行。对于变压器保护和母线差动保护等涉及多间隔的保护装置，一般有两种试验方式，第一种是传统继电保护测试仪经电光转换装置，将各相电量接入合并单元，再由合并单元经交换机接入保护装置；第二种是直接由数字化继电保护测试仪生成与合并单元帧结构相同的采样报文，经间隔层交换机接入保护装置。第一种方案需要一系列设备配合才能完成，一旦变电站正式投入运行，某台保护装置检修就需要把相关的合并单元和交换机也停运下来做试验，该方式会影响变电站的正常运行，影响了供电的连续性、持续性。第二种方案中，现有的数字式保护测试仪只能输出一路标准单间隔采样报文，对于多间隔保护，需要两台以上的测试仪经交换机接入保护装置，增加了成本支出，造成了不必要的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供结构简单、便于使用且既适合单间隔继电保护设备的测试工作，又能实现多间隔继电保护设备的同步测试的一种数字化变电站继电保护设备的测试方法。

该测试方法包括以下步骤：

(1)数字式继电保护测试仪生成多组采样报文传送至CPU模块中；

(2)当采样报文的数量满足发送要求时，CPU模块将该批采样报文发送至多个网络模块；

(3)每个网络模块均接收采样报文后，按照采样报文中预先设置的优先级、VLAN ID和多播目的地址组帧，组帧后的数据发送到网络交换模块；

(4)网络交换模块收到数据后由输出端口输出，输出的数据经电光转换芯片转换后经过光纤传送至单间隔或多间隔继电保护设备；

(5)重复步骤(1)～(4)，既实现了单间隔或者多间隔继电保护设备采样报文的接入，进而完成测试。

而且，所述步骤(1)中的采样报文存储时按照所属的间隔号的顺序进行存储，第n个采样报文所属的间隔号为：

其中，N为间隔数。

而且，所述步骤(2)中的采样报文的数量为1～N。

而且，所述步骤(2)中网络模块的数量大于等于N。

本发明的另一个目的是提供一种应用上述测试方法的专用装置。

该专用装置包括数字式继电保护测试仪，数字式继电保护测试仪的输出端连接一CPU模块的输入端，CPU模块的输出端连接至少一个网络模块的输入端，每个网络模块的输出端连接一网络交换模块的输入端，网络交换模块的输出端连接一电光转换模块的输入端，电光转换模块的输出端连接单间隔或多间隔继电保护设备。

而且，所述网络模块的数量大于等于间隔数。

而且，所述网络交换模块的输入端的数量等于网络模块的数量。

本发明的优点和积极效果是：

1.本方法中的CPU模块负责缓存数字式继电保护测试仪输出的采样报文并按照顺序写入网络模块中的缓存内，CPU模块接收的采样报文的数量的取值可以从1至待测试的间隔数，整个过程自动完成，实现了多个采样报文通过后续模块传送至不同间隔内继电保护设备的目的，解决了单纯一台数字式继电保护测试仪只能生成一个采样报文的问题。

2.本方法中的网络模块的数量大于等于待测试的间隔数，由CPU模块转发的多个采样报文被并列的网络模块接收并传送至网络交换模块中，由于CPU的写入速度很快，多个网络模块之间的同步等待时间要远远小于采样周期，保证了采样报文传递的准确性和实时性。

3.本方法中的网络交换模块具有与网络模块相同数量的输入端口，每个输入端口负责接收与其相连接的网络模块传送的采样报文，其接收速度快，网络交换模块只有一个输出端口，所有的采样报文按顺序由输出端口输出。该网络交换模块使用的是百兆交换芯片，由于其没有复杂的交换任务，各采样报文发送延时要远远小于采样周期，满足了继电保护设备的同组采样报文时延要求。

4.本方法中的各个芯片只负责采样报文的定向发送，与各种采样报文帧格式均可以很好地配合，不论是国际标准协议还是私有协议，其适用范围广、适用方便、节省了投资。

5.本发明通过将数字式继电保护测试仪、CPU模块、网络模块和网络交换模块相结合，以采样值组网传输模式为基础，实现了单间隔继电保护设备和多间隔继电保护设备的同步测试，避免了传统测试方法必须停机测试的缺陷，是一种既能满足变压器保护“高、中、低”或“高、中、低、低”要求、也能满足母线差动保护最大间隔数为偶数要求的继电保护设备的测试装置。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

一种数字化变电站继电保护设备的测试方法包括以下步骤：

1.数字式继电保护测试仪生成多组采样报文传送至CPU模块(芯片为Motorola MPC 8313)中并按照所属间隔号的顺序写入缓存。每个采样报文的所属间隔号的定义如下：

第n个采样报文所属的间隔号为：

其中，N为间隔数。

当CPU模块的缓存中按间隔号顺序存储完N个采样报文后，CPU模块继续接收下一组的N个采样报文并按照间隔号的顺序存储。

2.当CPU模块缓存中采样报文的数量等于间隔数N时，该N个采样报文按照采样周期成批的发送至网络模块的缓存中，已被发送的N个采样报文从CPU模块缓存中的报文队列里清除。

采样周期为：20ms/每周波的采样点数。

3.网络模块由M个Intel LXT 971芯片组成，各芯片之间为并列关系。考虑到涉及间隔最多的保护功能实验所需的间隔数N，应有M≥N。一旦芯片的缓存中被写入采样报文，各芯片即按照设置好的优先级、VLAN ID和多播目的地址组帧，同时将组帧后的数据发送到网络交换模块，各芯片发送结束后立即清空缓存。由于主CPU模块写入速度很快，各芯片同步等待时间要远远小于采样周期。

4.网络交换模块收到数据后由输出端口输出，输出的数据经电光转换芯片转换后经过光纤传送至单间隔或多间隔继电保护设备。

5.按采样周期重复步骤(1)～(4)，既实现了单间隔或者多间隔继电保护设备采样报文的接入，进而完成测试。

上述方法中使用了专用设备，该设备如图1中所示(虚线部分)，包括数字式继电保护测试仪，该数字式继电保护测试仪的输出端连接一CPU模块的输入端，CPU模块的输出端连接至少一个网络模块的输入端，每个网络模块的输出端连接一网络交换模块的输入端，网络交换模块的输出端连接一电光转换模块的输入端，电光转换模块的输出端连接单间隔或多间隔继电保护设备的采样值输入端口。

网络模块的数量大于等于间隔数。网络交换模块的输入端的数量等于网络模块的数量。CPU模块使用的芯片是Motorola MPC 8313。网络模块使用的芯片是Intel LXT 971。网络交换模块使用的芯片是Marvell 88E 6095。电光转换模块使用的芯片是Avago HFBR 5961。

应用实施例1

测试地点：某数字化变电站

需接入的采样间隔数：2

多间隔继电保护设备为：iPACS-5941D变压器保护

所用设备：数字式继电保护测试仪PWF-2、CPU模块Motorola MPC 8313、网络模块Intel LXT 971、网络交换模块Marvell 88E 6095、电光转换芯片Avago HFBR 5961。

高压侧间隔采样报文的多播地址为01-0C-CD-01-00-22，VLAN ID为3，优先级为6；

中压侧间隔采样报文的多播地址为01-0C-CD-01-00-11，VLAN ID为3，优先级为6；

测试过程的步骤包括：

1.将电光转换模块连接光纤，该光纤的另一端连接变压器保护采样接口。

2.数字式继电保护测试仪通电，数字式继电保护测试仪生成周期性2间隔采样报文传送至CPU模块缓存中，CPU按照采样周期(每周波100点，即周期为：20ms/100点＝0.2ms)控制发送，每周期读入2个采样报文，分别对应高压侧间隔和低压侧间隔，每个采样报文所属的间隔号如下：

第n个采样报文对应的间隔号为：

3.CPU将读取的2个采样报文写入与其间隔号相对应的网络芯片中，写入完成后将其从CPU模块缓存中的报文队列里清除。

4.网络模块由4个Intel LXT 971芯片组成，各芯片之间为并列关系。由于本测试所需采样间隔数为2，因此只有第1和第2号网络芯片启用。当芯片的缓存中被写入采样报文，各芯片即按照设置好的优先级、VLAN ID和多播目的地址组帧，在CPU的统一指令下同时将组帧后的采样报文发送到网络交换模块，各芯片发送结束后立即清空缓存。由于主CPU模块写入速度很快，各芯片同步等待时间要远远小于采样周期。

5.网络交换模块接收2个网络芯片发出的采样报文，按到达顺序暂存于缓存中，由唯一的输出端口交换输出，输出的数据经电光转换芯片转换后经过光纤传送至iPACS-5941D变压器保护设备。

6.按采样周期重复步骤(1)～(5)，既实现了变压器保护测试所需的2间隔采样报文接入。

经多次验证，由数字式继电保护测试仪产生的高压侧和中压侧采样报文均正常的发送至变压器保护设备，该采样报文被保护装置确认为有效采样数据并实现测试项目。由此可知，本发明采样报文输出插件能够独立实现多间隔采样数据的接入。

应用实施例2

测试地点：某数字化变电站

需接入的采样间隔数：3

多间隔继电保护设备为：CSC150E母线差动保护

所用设备：数字式继电保护测试仪PWF-2、CPU模块Motorola MPC 8313、网络模块Intel LXT 971、网络交换模块Marvell 88E 6095、电光转换芯片Avago HFBR 5961

1号线路间隔采样报文的多播地址为01-0C-CD-01-00-01，VLAN ID为2，优先级为6；

2号线路间隔采样报文的多播地址为01-0C-CD-01-00-02，VLAN ID为4，优先级为6；

3号线路间隔采样报文的多播地址为01-0C-CD-01-00-03，VLAN ID为9，优先级为6；

测试过程的步骤包括：

1.将电光转换模块连接光纤，该光纤的另一端连接母线差动保护采样接口。

2.数字式继电保护测试仪通电，数字式继电保护测试仪生成周期性3间隔采样报文传送至CPU模块缓存中，CPU按照采样周期(每周波96点，即周期为：20ms/96点＝0.208ms)控制发送，每周期读入3个采样报文，分别对应3个线路间隔，每个采样报文所属的间隔号如下：

第n个采样报文对应的间隔号为：

3.CPU将读取的3个采样报文写入与其间隔号相对应的网络芯片中，写入完成后将其从CPU模块缓存中的报文队列里清除。

4.网络模块由4个Intel LXT 971芯片组成，各芯片之间为并列关系。由于本测试所需采样间隔数为3，因此只有第1、第2号和第3号网络芯片启用。当芯片的缓存中被写入采样报文，各芯片即按照设置好的优先级、VLAN ID和多播目的地址组帧，在CPU的统一指令下同时将组帧后的采样报文发送到网络交换模块，各芯片发送结束后立即清空缓存。由于主CPU模块写入速度很快，各芯片同步等待时间要远远小于采样周期。

5.网络交换模块接收3个网络芯片发出的采样报文，按到达顺序暂存于缓存中，由唯一的输出端口交换输出，输出的数据经电光转换芯片转换后经过光纤传送至CSC150E母线差动保护设备。

6.按采样周期重复步骤(1)～(5)，既实现了母线差动保护测试所需的3间隔采样报文接入。

经多次验证，由数字式继电保护测试仪产生的3个线路间隔采样报文均正常的发送至母线差动保护设备，该采样报文被保护装置确认为有效采样数据并实现测试项目。由此可知，本发明采样报文输出插件能够独立实现多间隔采样数据的接入。