广东电网有限责任公司东莞供电局 郭志军 梁欢利
摘要：针对智能变电站运维中测试仪器种类多且体积较大、测试项目不全、需要现场交流电源等问题，本文提出了ARM、DSP、FPGA相结合的硬件解决方案，设计了可自动闭环测试的手持式继保单兵测试仪。该装置小巧且功能齐全，合适现场单兵作业。经合并单元自动闭环测试表明，该装置符合智能变电站运维单兵作业需求。
关键词：继电保护；闭环测试；单兵装备；电压电流输出
中图分类号：TM932
文献标志码：B
文章编号：1001-9898（2021）-0000-00
Design of ThePortable Relay Tester For Individual Soldier With Automatic Closed Loop Test
GUO ZHIJUN，LIANG HUANLI
Abstract:Inthe operation and maintenance of smart substations, there are many problems such as too many kinds of test instruments with large volumes, incomplete test items, and the need for on-site AC power supply.This paper has developed a hardware device combining ARM，DSP and FPGA，and designs a portable relay tester for individual soldier with automatic closed loop test.This deviceis small and functional, suitable for individual operation.Theautomatic closed-loop test of the merging unit shows that the device meet the requirements of the operation and maintenance in smart substations for individual soldier.
Key words:relay protection tester;individual soldier equipment;the output of the voltage and current
智能变电站建立在IEC61850协议规范基础之上，由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，是实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站[1]。智能变电站较传统变电站增加了过程层设备，同时原间隔层与过程层设备也全部数字化。所以在增加专用测试设备的基础上，现场人员不仅要检测原有传统电气特性，还要检测各种通讯状况[2]。伴随着这些需求的出现，各种专用测试仪器也随之出现。如：电子式互感器由互感器测试仪检测、合并单元由合并单元测试仪检测、保护装置由继电保护测试仪检测等[3]。但在现场变电站运维也存在以下问题：目前继保测试仪电流最大可输出50A，输入输出各10对，但对于现在继保定检、验收等工作一般用不到这么多电流接口，且平时用到CT额定电流仅为1A，所以容量闲置率高；由于内置大功率的功放系统（50A电流输出），从而导致继保仪存在重量大、体积大等问题，不易携带和移动；传统的测试仪现场使用需要外接220V交流电源，需要携带笨重的长电缆线辘，进一步移动受限；测试过程依赖运维人员逐一进行测试，缺少装置逻辑的自动闭环检测，耗费大量的人力。
针对上述问题，本文设计了一款电力运维人员手持式单兵继保测试仪，其可以兼具数模一体化继电保护测试仪和合并单元测试仪的测试功能，完成各种规约通讯的测试，内置锂电池无需外接交流电源，装置小巧且功能齐全，合适现场单兵作业，并且可以自动进行逻辑功能的闭环测试，自动生成装置的测试报告，减少班组装置校验的工作，提高工作效率。
1自动闭环测试设计
为实现自动闭环测试功能，需要根据智能变电站继电保护测试内容，设计相应的软硬件，并形成一套规范的自动闭环测试流程，同时可自动生成装置的测试报告和判定测试结论等。
如下图1所示，本装置将基于IEC61850的互操作性，解析被测设备模型配置文件ICD，使用光B码给被测设备提供同步时钟，并通过MMS网在线获取被测设备的额定参数、保护定值等，自动实例化测试项目和测试方案，用户可根据现场测试内容选择全部测试或部分测试。然后装置将顺序执行测试项目，根据具体测试内容输出相应电压电流模拟量或SMV数字量，回采SMV、GOOSE数字量或跳闸信号，进行装置功能闭环校验。测试项目之间可间隔一定的时间，每一条测试项目，逐一执行各类操作，每一类操作具有各自的执行判断。每一条测试项目结束后，自动记录相关结果信息。测试结束后自动将检验记录按照模板格式生成检验报告，从而实现一键测试，提供工作效率。
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图1 自动闭环测试功能设计
2硬件方案
相对于常规的继保测试仪电流最大可输出50A，输入输出各10对，本文根据手持式继保单兵测试仪的现场测试要求，硬件方案上设计输出3路电压信号(最大150V)、3路电流信号（最大10A）和4路开入开出信号，可以进行传统模拟量继电保护测试，同时设计3路LC光网口、1路接收ST光口、1路发送ST光口、1路MMS网电网口、1路电B码和1路RS232接口，可以进行基于IEC 61850的数字量继电保护测试，并且内置GPS和WIFI，可以进行变电站时钟测试和与现场运维数据后台通讯。考虑到运维单兵作业的方便，本装置尺寸设计为320mm（宽度）×250mm（高度）×90mm（厚度），整机重量（含电池）不大于3.5kg。
如图2所示，整个装置分为数字部分和模拟部分。数字部分包括ARM、DSP、FPGA和相关的按键及LVDS液晶屏。模拟部分包括电压功放直流电源、电压功放、电流功放直流电源、电流功放、DA模块、AD模块和电池管理模块。数字部分可以进行数字量继保功能测试，同时配合模拟部分完成传统模拟量继电保护测试。
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图2装置硬件方案
4界面软件方案
本装置界面程序运行在ARM中，故使用常用的嵌入式Linux GUI开发工具Qt。Qt是专门为嵌入式系统设计的图形用户界面，完全遵守GPL(通用公共许可证)条款，并提供了跨平台的C++程序工具包，其使得开发变得更加高效[7]。如图3所示，根据手持式继保单兵测试仪的现场测试要求，结合电力行业标准IEC61850通信规约，设计了数字继保测试、模拟继保测试、合并单元测试、综合测试和MMS数据源等5大测试功能模块，其中每个测试功能模块中包含具体的测试项目，如数字继保测试功能模块中就有数字电压电流、状态序列、SMV接收、GOOSE接收、智能终端、GOOSE排查、串接侦听、六角图测量、SOE测试、时钟模拟和录波分析等多个测试项目。
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图3装置的主要功能界面
3散热方案
由于本装置需要输出大功率的电流（单相最大10A，3相同时输出5A），故设计时需同时考虑其便携性和散热性。装置长期运行时的热功耗主要包括电压功放系统热功耗、电流功放系统热功耗、主控系统功耗和其他功能电路等，基于硬件设计的功放系统参数，将功耗数据整理成表1。
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本装置尺寸设计为320mm（宽度）×250mm（高度）×90mm（厚度），可以计算出整机的热体积功率密度为0.0167W/cm3。参考《GJB/Z 27-1992 电子设备可靠性热设计手册》中的体积功率密度与散热方式的选择对照图（图4）可知，整机可选“金属传导”的散热方式，考虑到大量使用金属制作的外壳作为散热会增加额外的重量，故使用塑料外壳和散热器中嵌入风扇方式进行散热，方案如图5所示，两个风扇分别进风和出风，利用散热器的鳍片形成风道，这样可以达到更好的散热效果。
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图4体积功率密度与散热方式的选择对照图
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图5装置散热设计
5实验室测试验证
5.1 电压电流输出精度测试
如图6所示，在实验室内使用本装置输出3相电压和3相电流，使用日本横河电机（Yokogawa）的WT1803E高精度功率分析仪进行精度和波形校验，结果如图7所示，由表2看出本装置的电压电流精度在0.2%以内，同时波形平滑无失真。
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图6使用WT1803E高精度功率分析仪进行精度校验
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图7装置输出3相57.735 V电压和3相5A电流的数据和波形
表2电压电流功放输出精度
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5.2 合并单元自动闭环功能测试
如图8所示，在实验室内使用本装置对北京四方的CSN-15B数字采集装置（合并单元）进行自动闭环测试。本装置首先获取CSN-15B数字采集装置配置信息，根据其额定参数和精度等级自动输出相应的3相电流，CSN-15B数字采集装置对其进行采样测量，测量结果通过LC光口(IEC61850-9-1/2 SMV报文)回传给本装置，然后本装置根据相关标准规范(GB/T 20840.8-2007 互感器第8部分:电子式电流互感器)自动判定测试结果，如图9所示，完成合并单元的自动闭环测试。经测试表明，本装置整体功能工作正常，测试过程无需人工干预，自动化程度高。
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图8装置对CSN-15B数字采集装置进行测试
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图9装置自动判定测试结果
6 结束语
随着智能化变电站的建设，对相应的测试技术提出了更新、更高的要求。本测试装置采用异构多核心架构（ARM、DSP、FPGA），支持丰富的多种类规约测试接口同时具备高精度的多路电压、电流输出能力，能自动完成多种类的自动闭环测试功能，同时采用高密度大容量电池续航，以满足单兵作业的轻便、交互、续航等需求，提升了变电站运维单兵作业的自动化程度及便捷性。
参考文献：
[1]吴征程. IEC61850智能变电站综合自动化系统分析与应用[J]. 科技创业家，2013，(08): 144,183.
[2]王涛，方健安. 浅析智能变电站与传统变电站二次设备调试的区别[J]. 电气时代，2015，(03): 68-69,73.
[3]黄华. 智能变电站继电保护检测及其调试[J]. 低碳世界，2016，(35): 81-82.
[4]龚哲兮，施彦媛. 基于RK3288国产化平台下嵌入式人脸识别系统的开发[J]. 通讯技术，2020，53(03): 781-785.
[5]徐辽，范青武，刘旭东，张恒，张跃飞. 基于PA85A的高精度动态压电陶瓷驱动电源设计[J]. 压电与声光，2018，40(4): 564-567.
[6]吉慧芳，王菊叶，王浩，李磊. 基于OPA549的多路电流恒流源设计[J]. 测控技术，2011，30(9): 4-7.
[7]李晖，陈平. 基于ARM9嵌入式Linux系统的Qt实现[J]. 洛阳师范学院学报，2016，35(5): 42-45.
作者简介：
郭志军（1987），男，广东梅州。高级工程师，硕士，主要从事变电站继保自动化专业方向。
梁欢利（1989），女，广东东莞。工程师，硕士，主要从事变电站继保自动化专业方向。
基金项目：中国南方电网公司职创项目“可自动闭环测试的手持式继保单兵测试仪的研制”（项目编号：031900KK52200093）