便携式智能变电站继电保护报文测试仪的研制

黄 涛，王 亮，张丽玲

(1．国网江苏省镇江供电分公司，江苏 镇江 212000;2．武汉大学电气工程学院，武汉 430072)



便携式智能变电站继电保护报文测试仪的研制

黄 涛1，王 亮2，张丽玲2

(1．国网江苏省镇江供电分公司，江苏 镇江 212000;2．武汉大学电气工程学院，武汉 430072)

针对现在使用的继电保护测试仪体积大、运算速度慢且通用性较低的问题，介绍了新型报文测试仪，测试仪使用ARM芯片并采用紧凑化的电路设计，通过以太网技术进行通信，报文遵循IEC 61850规约，实现设备的高性能与小型化，从而大幅提高工作效率。

继电保护测试仪；以太网；SV报文；IEC 61850；ARM

与常规继电保护与控制设备相比，智能变电站的智能化继电保护和控制设备在信息传输上发生了较大的变化，传统的电缆已被光纤所代替。由于数字信息实现标准化，继电保护和控制等二次设备间的信息共享和互操作性也有很大的提高。另外，智能化继电保护和控制设备的部分原理和结构也发生明显变化。设备的实现方式和应用方式的改变，使得原有的检测和考核方法、项目和标准已经不能适用于智能化继电保护和控制设备，对该类设备的检测提出了新的要求。

文献[1-2]对国内市场上微机型继电保护测试仪的现状进行了研究，指出国内厂家生产的许多产品在质量、结构、续航等方面存在不足，进口测试仪的整机性能好，硬件可靠、精度高且使用寿命长，但是价格昂贵。文献[3-6]从不同的使用环境对测试仪提出了功能上应该满足的要求，共同点是支持以太网通信、遵守IEC 61850规约以及产品小型化。文献[7-10]对以太网的通信技术作了介绍。IEC 61850的作用、使用方法以及前景在文献[10-13]中有清晰的介绍。文献[14-15]介绍了光纤中色散对信号的影响以及补偿方案。

基于此，研制出便携式智能变电站继电保护测试仪，它具备性能稳定、结构紧凑、使用方便的特点，能够应用于智能变电站任一具有光纤接口的设备的报文检测中。

1 测试仪的功能要求

1.1 实现人机操作

测试仪装配有一块薄膜晶体显示屏(TFTLCD)，能直接在屏幕上进行参数调整和指令发送，具有界面友好、人机交互性强的特点。

1.2 以太网通信

测试仪通过光纤以太网口与设备相连通，构成数据交换通道，实现对智能化二次设备的准确、有效地功能检测和性能考核。

1.3 遵循ICE 61850规约

测试仪发送的SV报文遵循IE C61850这一全球通用标准，能够与任意的保护测控装置进行通讯，增大了测试仪的应用范围。

1.4 光补偿

测试仪通过光纤与被测装置相连，输出光信号。光信号在传输过程中会有衰弱，同时，测试仪使用年限较长以后，光纤端口的光信号也会减弱，这可能使得信号畸变，从而影响到测试仪的正常使用。故测试仪光纤以太网口需要进行光补偿，使得光信号能够顺利完整地传送给被测装置。

1.5 双操作模式

测试仪的操作采用2种方式：便捷的界面操作，使用者可以在触摸屏上面用手指或者别的物体点击功能按钮才操作测试仪；可靠的按键操作，使用者可以通过实体按键来进行操作，实体按键以其机械性能给人以直接的反馈，使用者能够十分明确自己是否进行了操作。2种操作模式既给了不同使用习惯的用户以不同的选择，也是一种保障，当一种操作模式无法进行的时候，另外一种能够起到后备的作用，顺利完成使测试任务。

2 测试仪硬件设计

2.1 总体设计

便携式智能变电站继电保护报文测试仪主机产生遵循IEC 61850规约的SV报文，通过光纤经以太网口传送给被测装置，从而实现对智能化二次设备的报文检测工作。

2.2 硬件设计

测试仪主机硬件结构如图1所示，由主机芯片、以太网模块、开关量模块、显示模块以及TFTLCD模块构成。

图1 报文测试仪硬件原理

2.2.1 主机芯片

测试仪主机采用32位ARM微控制器的STM32F1系列芯片，由ST公司出品，其内核是Cortex-M3。该芯片体积小、功耗低、高性能，支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件，大量使用寄存器，指令执行速度快。

2.2.2 以太网模块

以太网模块为ENC28J60，测试仪全面支持IEC 61850规约，具有光纤以太网端口，能够输出基于IEC 61850 9-1或IEC 61850 9-2的报文。测试仪的光纤以太网接口可以接受和发送SV报文，测试时，将测试仪与被测装置或者光交换机连接，能够实现和被测装置之间的信息交换。

2.2.3 开关量模块

开关量模块为按键，按键动作时，通过将输入电平转换成数字信号、光电隔离等过程，按键动作这一指令传至ARM芯片进行处理。

2.2.4 显示模块

显示模块为LED指示灯模块，显示测试仪的开关状态以及与被测装置的连接状态。当测试仪启动时，开关指示灯会亮，当测试仪与被测装置连接上并且IP匹配成功、能够进行通信时，通信指示灯将被点亮。

2.2.5 TFTLCD模块

TFTLCD模块显示部分功能指令，包括参量值的调整以及发送报文的指令。当这些参量的值调整改变或者别的指令被操作时，这些信息将会传送给ARM芯片进行处理。TFTLCD模块结构如图2所示。

图2 TFTLCD模块

结合上述各功能模块的结构特点，依据紧凑化原则，设计出如图3所示的电路元件分布图。

图3 电路元件分布

3 测试仪软件设计

测试仪软件流程如图4所示。测试仪采用C语言编程，根据功能划分主要分为3个部分：通信、人机交互和IEC 61850规约。

图4 报文测试仪软件流程

3.1 通信

小型开源TCP/IP协议栈Light Weight IP(即LWIP)有无操作系统的支持都可以运行，在保持TCP协议主要功能的基础上能减少对RAM的占用。

3.2 人机交互

测试仪采用TFTLCD触摸屏，图形用户界面(GUI)能够实现人机互动。

3.3 IEC 61850

IEC 61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。测试仪输出的报文遵守这一规约能够大大提高它的适用范围。

4 装置测试

测试仪完成之后，需要对它的功能进行测试，检测是否达到预定要求。

4.1 装置样机

测试仪结构如图5所示，尺寸为100 mm×80 mm×25 mm。

图5 测试仪结构

4.2 使用测试

将测试仪与被测装置连接，立即能够得到连接成功的提示。通过在操作界面上选择不同的幅值和频率，测试仪向装置发送不同的SV报文，从而实现对设备性能和功能的检测。测试仪发送的报文形式如图6所示。

图6 报文形式

4.3 创新点

继电保护报文测试仪首次采用ARM芯片作处理器，确保强大计算能力的同时，降低了功率损耗，从而实现测试仪整体设计的简化以及轻量化、小型化目标。同时，操作界面的功能简化使得工作人员能够容易熟悉使用方法。

5 结束语

便携式智能变电站继电保护报文测试仪按照IEC 61850规约格式，通过光纤输出SV报文，对智能化二次设备进行准确、有效地功能检测和性能考核，能够大幅度提高继电保护保护检修调试人员的工作效率。此外，测试仪采用高性能ARM处理器，运算速度快，计算能力强，人机界面友好，并且还十分轻便，有助于完成作业任务，便于作业人员携带。便携式智能变电站继电保护报文测试仪的操作简单，降低了误操作的可能性。电源电压为5 V直流电压，可以直接使用USB接口或者干电池供电，提高了测试仪的使用性。

[1] 李兆龙,王立文,曾 强.浅谈继电保护测试装置的现状及发展[J].机电信息,2014(9):35-37.

[2] 邬捷龙.继电保护测试技术的现状与展望[J].陕西电力,2016,44(3):77-80.

[3] 李文强,李 悠,杨 梅，等.微机型继电保护测试仪技术指标和检定方法的研究[J].电测与仪表,2016,53(7):51-56.

[4] 王 磊,陈 琼,王博楠，等.基于DSP的继电保护测试仪信号采集装置硬件设计[J].现代电子技术,2010(1):93-96.

[5] 倪兆瑞,王延安.智能变电站合并单元延时特性现场测试仪的设计[J].电力系统保护与控制,2014,42(10):119-124.

[6] 黄 曙,陈炯聪,李晓朋，等.数字化变电站二次系统综合测试仪的研制[J].电力系统保护与控制,2010,38(24):195-198.

[7] 王广维,张浩然.基于ARM和WW5100的嵌入式以太网通信接口设计[J].微型机与应用，2011,30(5):50-53.

[8] 魏亚鹏,韩卫光.实时工业以太网技术的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013,(7):49-53.

[9] 于春雪.基于STM32F107的高速以太网接口设计与应用[J].网络与多媒体,2011,35(9):63-67.

[10] 高吉星,赵 强,佟为明.基于ENC61850的TMS320F2812以太网通信接口设计[J].计算机测量与控制,2013,3(41):709-711.

[11] 杨 涛,梁海东,张钟平.IEC 61850数字式继电保护测试仪的检测及技术分析[J].浙江电力,2012(1):10-13.

[12] 韩国政,徐丙垠,索南加乐，等.基于IEC61850的配网自动化通信技术研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(2):62-66.

[13] 任雁鸣,操丰梅,张 军.IEC 61850 Ed2.0技术分析[J].电力系统自动化,2013,37(3):1-5.

[14] 张校逸,陈琦玮,邵钟浩.相敏光放大器大对光纤偏振模色散进行补偿的探讨[J]. 光子学报,2007(5):862-864.

[15] 李乐村.相敏光放大器对光纤偏振膜色散补偿作用的仿真分析[J].信息通信技术,2010(5):75-80.

本文责任编辑：靳书海

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

黄 涛(1977-)，男，高级工程师，主要从事电力系统数字保护工作。

TM774

B

1001-9898(2017)03-0010-04