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智能配电设备自动化检测技术
开发与应用
项目技术总结报告
项目完成单位：广东电网公司电力科学研究院
2013年12月 第一章 智能配电设备自动化检测技术研究的背景及意义
1、发展现状
目前国内随着电力自动化的发展，实现配电网智能运行和控制是现代电力发展的方向，随着配网自动化建设的铺开，智能配电设备在电网逐渐广泛的使用，但由于智能配网设备涉及众多设备类型种类，生产厂家众多，技术力量参差不齐，各智能配网设备制造厂家在对通信规约的理解和开发及修改上也存在了很大的随意性，因此容易导致智能配网设备和配网自动化系统主站间的互联互通问题上矛盾层出不穷。从现场调研看：各配网自动化主站系统和智能配网设备的互联及扩容都极大的依赖于设备制造厂家，每一次智能配网设备的扩容或新建，都必须要求双方厂家技术人员现场服务，而且，双方的通信规约还存在随意修改的可能，如果配网自动化主站系统已建设多年并超过厂家义务服务时限，要扩容智能配网设备时，各局不得不承担主站厂家拒绝服务或索取高额服务费用的风险。
为很好的解决配网自动化主站系统和智能配网设备的互联互通问题，实现已通过测试的智能配网设备能方便、快速的接入到配网自动化主站系统中，而不需要双方技术人员现场联调测试，实现通过了规约测试的智能配网设备型号能实现无缝的链接，从而简化配网自动化主站系统和智能配网设备联调过程中通信规约的调试过程。
应用在不同环境下的智能配网设备一般都具有智能开关的功能，在线路上实现可控制的分合，如智能柱上开关应用在架空电网中，能快速切除故障自动隔离、减少变电站出线开关跳闸，保证无故障部分正常运行，缩小停电范围。
在配网自动化系统出现异常情况时，智能开关的拒动、误动、慢分和三相严重不同期等机械故障都可能造成恶性事故，甚至可能引起设备爆炸，给配网自动化系统的安全稳定带来不利，甚至造成严重的财产损失。大量统计数据表明，开关事故的80%左右是由机械事故造成的。因此保证一次开关稳 定准确的开、合动作，对保障配网自动化系统的安全稳定运行有着重大意义。对一次开关的机械试验进行测试，了解一次开关的各种参数是否正常，从而进行及时的维护和检修。
2、当前国内、外的研究情况
智能配网设备是近几年随着配网自动化系统的推进而快速发展起来的，主要应用在配网自动化系统中，实现如快速切除故障自动隔离、减少变电站出线开关跳闸，保证无故障部分正常运行，缩小停电范围等等功能。是一套综合了传统和现代的配网自动控制技术智能设备，智能配网设备自动化检测开发和应用将集在线检测、信息通讯和计算机技术于一体，形成集测量、保护、控制、通讯为一体的先进自动化检测仪器。
目前国内、外对智能配网设备专业性综合测试工具较为缺乏，多数测试工具主要只能针对智能配网设备的开关机械特性进行测试如高压开关机械特性测试仪，使用继保测试仪对智能配网设备的保护动作进行试验，对通信规约的检测手段仅限于现场安装调试，对一个智能配网设备的自动化检测需要多种测试工具配合测试，测试手段和方法较为落后，而现今配网自动化系统已经呈现典型的设备网络化、管理信息化、时间准确统一等特点，只有对配网自动化系统的智能配网设备进行包括通信规约互联互通、机械性能指标测试、测量采集精度等参数的准确测量，用定量测试代替常规的人为定性测试，才能有效提高配网自动化系统的可靠性。
检测工具的完善是细分行业产品走向成熟的重要环节，智能配网设备也有待于能测试各项重要性能指标的专业化检测工具，就如同继电保护测试仪实现对继电保护产品的检测一样，按照ISO9000标准进行智能柱上开关设备的验收维护将是配网自动化系统行业的发展趋势。
3、项目研究及应用的意义
本项目可应用于国内各省市地区电网公司的配网自动化系统运行维护人员，也可用于配网自动化设备生产厂家的研发辅助，各自动化设备安装调试人员以及电力科研机构等，适用于对智能配电设备生产厂家在地区电网的入网检测（自动化部分）、生产厂家出厂验收测试、现场安装调试测试、现场验收测试、现场维护测试等。改善国内智能配电设备配网自动化综合测试 工具缺乏的困局。
推进智能配电设备自动化系统运行可靠性的提高，有了一套好的检测手段和检测规范，能整体提升智能配电设备产品质量水平的提高，减少智能配电设备缺陷率；
提高智能配电设备的定检质量，及时排除事故隐患，从而提高智能配电设备自动化系统的运行维护水平，减少因智能配电设备故障带来的电网事故损失；
提高智能配电设备现场测试质量，利用准确的数据，有利于进行事故后分析，减少事故分析所需的人力、物理和事故分析周期。
降低智能配电设备维护人员的劳动强度，提高其维护水平。第二章 智能配电设备自动化检测技术
研究的主要内容
智能配电设备自动化监测技术的研究内容是针对智能配网设备的特点，实现智能配网设备的开关机械性能测试；IO性能指标测试、测量精度指标测试；控制器（FTU）传送到配网自动化监控后台的通信规约接入性测试。
1、智能配网设备开关机械性能测试
当电气设备或线路发生故障时，智能配网设备的开关能实现如快速切除故障自动隔离、减少变电站出线开关跳闸等功能，保证无故障部分正常运行，缩小停电范围。在配网自动化系统出现异常情况时，开关的拒动、误动、慢分和三相严重不同期等机械故障都可能造成恶性事故，甚至可能引起设备爆炸，给配网自动化系统的安全稳定带来不利，甚至造成严重的财产损失。大量统计数据表明，开关事故的80%左右是由机械事故造成的。因此保证一次开关稳定准确的开、合动作，对保障配网自动化系统的安全稳定运行有着重大意义。对一次开关的机械试验进行测试，了解一次开关的各种参数是否正常，从而进行及时的维护和检修。
智能开关的机械性能测试包括机械特性测试、机械操作测试、机械寿命测试。
A)、机械特性测试
一次开关机械特性主要测试开关的分、合闸速度与时间特性，速度和时间特性的测量是鉴定开关调整安装或质量检修的重要指标。
主要测试：分（合）闸时间、分、合闸同期性、分—合闸时间、合—分闸时间、分（合）闸平均速度等参数。
测试流程如图所示：
测试准备开关动作（分、合闸操作）信号采集数据处理及分析 图1 开关测试流程图
本项目研究产品向智能开关发送分（合）闸启动信号，同时开始计时
t1，并对开关电信号同步采集，当智能开关动作时，记录每项动作时的时间ta、tb、tc；
测试原理图如图所示：
图2 开关特性测试原理图
智能开关机械特性参数计算如下： 分、合闸时间：t
分（t合）= MAX（ta、tb、tc）—t1；
ttt
ttt分、合闸同期性：t
同 = MAX（a、b、c）—MIN（a、b、c）；
分、合闸平均速度：V分(V合)= S / AVG（ta、tb、tc）； 说明：
MAX（ta、tb、tc）：取三相动作时间的最大值 MIN（ta、tb、tc）：取三相动作时间的最小值 AVG（ta、tb、tc）：取三相动作时间的平均值
S：行程，开关技术条件书上给定参数或通过长度测量仪量测值 B)、机械操作测试
机械操作测试的目的是检测开关在规定操作条件下的操作性能及合闸、分闸和自动重合闸操作的可靠性。
分别在30%、65%、100%、120%额定操作电压下进行操作试验： 30%额定操作电压下，开关不得分、合闸；
65%、100%、120%额定操作电压下，开关应能可靠分、合闸。C)、机械寿命测试
机械寿命试验的目的是验证开关在规定的机械特性及不更换零部件的 条件下，能否承受规定的分、合闸空载操作次数的试验；同时，考核产品机械操作的稳定性。
设置分合时间及分合次数参数，在寿命测试功能下可自动完成所设置分、合闸次数的操作。测试过程中检测是否出现拒分、据合、误分、误合等现象来判断开关的寿命。
2、智能配网设备的IO性能指标测试、测量精度测试
智能配电设备具有IO数据采集、遥测数据采集的功能，这些数据采集的精准性将直接影响智能配电设备的质量和运行稳定，从而影响配电自动化系统的安全。本研究课题将实现对智能配电设备的IO性能指标（遥信防抖、SOE分辨率、遥信风暴、遥控输出等）进行检测和遥测（电压、电流）采集精度进行检测。A)、遥信防抖测试
输出一定的脉冲宽度，并比较通过系统产生的遥信变位事件，检测被测智能配网设备所能识别的遥信脉冲宽度临界值，即遥信防抖参数。
图3 遥信防抖测试示意图
B)、SOE分辨率测试
输出一定的时间间隔，并通过通讯规约接收待测系统反馈的带时标SOE事件，从而检测出待测装置所能分辨的最小遥信变位时间间隔，即SOE最小分辨率。
图4 SOE分辨率测试示意图
C)、遥测采集精度测试
输出高精度的三相电压、电流，检测待测系统反馈的电压、电流值并进行比较，计算出智能配电设备遥测采集的精度。
图5遥测采样精度测试示意图
D)、保护动作试验功能
智能配电设备一个很重要的功能就是具有保护功能，在不同故障情况下自动对开关进行分闸、合闸动作。
根据不同的开关类型和不同的应用，智能柱上开关的保护配置不同： 智能柱上断路器配置下面保护动作（或其中部分）： 带时限的过流保护 速断保护 零序保护 重合闸后加速保护 智能柱上负荷开关配置下面保护动作（或其中部分） 有压延时合闸动作 无压延时分闸动作
3、智能柱上开关通信规约接入性测试
智能配电设备通过控制器（FTU）可灵活配置多种通信模块、开关动作、IO数据采集后控制器（FTU）可采用无线、载波、光纤等多种通信方式将告警信号上传至配网自动化监控后台，缩短运行人员的故障查找时间。
为很好的解决各厂家的智能配电设备和配网自动化监控后台的互联互通问题，实现已通过测试的智能配电设备能方便、快速的接入到配网自动化监控后台系统中，而不需要双方技术人员现场联调测试，实现通过了规约测试的智能配电设备型号能实现无缝的链接，从而简化配网自动化监控后台系统和智能配电设备联调过程中通信规约的调试过程。
测试系统具有模拟仿真主站的功能，实现智能配电设备的控制器（FTU）传送到配网自动化监控后台的通信规约的接入性测试（通信规约可以根据要求进行定制开发和修改）。规约接入性测试过程可以根据配网自动化监控后台的规约规范按需进行测试命令的选择和配置，实现测试任务步进显示，规约命令异常及时报警处理。第三章 智能配电设备自动化检测技术研究
平台的原理
1、整机实现框图
智能配电设备智能配电设备自动检测装置一次开关高压开关特性测试系统总线遥信、遥测采集模块FTU通信模块遥信防抖、遥测精度及保护动作测试操作控制终端通信规约接入性测试 图6 智能配电检测装置实现框图
如图6所示，为智能配电检测装置的实现框图。智能配电设备主要由两大部分组成，即一次开关和自动化控制器FTU，而FTU又包括了遥信、遥测模块，智能配电检测装置主要完成对三大主要模块的检测。
智能配电检测装置的高压特性测试模块主要完成一次开关的分（合）闸时间、分、合闸同期性、分—合闸时间、合—分闸时间、分（合）闸平均速度等参数测试、低电压试验和开关寿命的测试等。
遥信防抖、遥信精度及保护动作测试模块主要完成对FTU的IO及采样精度测试，完成IO的防抖测试、SOE分辨率测试、遥测值精度测试及常见的保护动作测试。
通信规约接入性测试模块主要完成对FTU通信规约的测试，智能配电检测装置担当主站的功能，与被测FTU通信，发送各种报文，验证规约的正确性，并作出评价。
2、硬件结构框图
网口嵌入式控制板网口控制接口控制用笔记本规约接收外触发信号断口信号（6路）被测对象分合闸控制高压开关驱动输出4路电压输出3路电流输出被测对象遥信输出电压电流产生模块开关及IO测试模块
图7 智能配电检测装置硬件结构框图
如图7所示，为智能配电检测装置的硬件实现框图。装置高度集成，主要由嵌入式控制板、电压、电流产生模块、开关及IO测试模块组成，装置本身体积小，兼容了三大功能，通过外置笔记本经以太网口连接装置并控制输出。
电压、电流产生模块主要产生4路电压，3路电流，输出到FTU，完成遥测量的测试及保护动作测试。该模块选用了开关电源配合线性功放输出。
开关及IO测试模块，主要通过IO输出遥信信号，可用于测试遥信的防抖及SOE分辨率测试，采用了高性能的32位浮点处理器，保证了较小间隔的输出，实现毫秒以下的精度测试。该模块同时输出可调的大电流电压用于驱动一次开关分合闸，提供分合闸信号控制开关分合操作，提供6断口信号采集，支持外部分合闸同步信号的触发。
嵌入式控制板为底层控制的综合控制板，主要实现各种接口的电气连接、数据的上送及下传。对外提供规约接收接口及外置笔记本的控制接口。
装置设计为便携式，无显示屏，通过网口外接笔记本电脑，实现人机界面，在笔记本上运行操作控制界面，实现全部的测试。
3、软件总体结构框图
配电测试仪软件结构界面模块规约通讯模块101规约101通讯规约104通讯规约待测装置基本参数设置规约测试操作遥信遥测测试开关特性试验报告打印实现104规约控制模块功放控制UI开关控制配网测试仪后台CPU 图8 智能配电检测装置软件整体结构框图
图8所示为智能配电检测设备的整机软件结构框图。由图可知，软件主要由界面模块、规约分析模块及控制模块组成。
A)界面模块
界面模块主要提供客户的操作接口 具体包含了基本参数配置、规约测试操作、遥信遥测性能测试、开关特性测试及报告的查询和打印功能。 基本参数设置主要完成通讯接口、存储路径、权限等设置。
规约测试操作提供标准101及104通讯规约的检测，测试采用模拟主站的方法对设备进行规约要求的各项功能检测，并提供错误模拟功能查看设备容错性能。并具备报文记录，报文解析，及编辑发送功能； 遥信遥测性能测试主要包括遥信IO防抖，SOE分辨率测试，遥测精度及保护动作试验四部分构成； 开关特性测试主要实现一次开关的常规试验,重合闸试验，及低电压试验。每项测试均提供相应的参数设定功能；
报告打印实现主要提供各种测试数据结果的查询及打印。
B)规约通讯模块
规约通讯模块主要封装了101及104的通讯规约接口实现，包括链路连接,APDU APCI ASDU等封装，数据的发送，接收，解析，以及通讯异常时处理等功能,其中101通过后台机的USB转串口直接连接待测设备，104规约则直接连接连接到测试仪的控制板上间接和待测设备通讯。规约通讯模块将采用模拟主站的方式和待测设备相连并交互,用来配合需要和设备交互数据的所有测试项目的实现。C)控制模块
此模块主要通过和嵌入控制板进行交互,实现和底层开关测试模块及电压电流产生模块之间的通讯，来实现检测设备对外的所有模拟及开关量的输出控制功能。第四章 智能配电设备自动化检测技术研究
平台的实现
1、平台实现框图
规约测试模块继电保护模块AD输入（8路）温度传感器规约测试模块网口操作控制模块网口Switch网口网口功放保护信号输出电压、电流功率放大（4U+6I）低通滤波及隔离DA输出（8路）IOEMIFDSP+FPGADSP内外同步时产生开始计时脉冲）中断IO30v~267v DC 20A 开关操作电源功放开关分合闸输出控制（2路）IO测试输出4路开出4路信号继电器IO口AD输入6个断口状态采集(6路开关量)IO特性测试模块传感器信号采集12v 断口开关驱动电源开关特性测试模块
图9 智能配电检测装置硬件实现框图
如图9所示，为智能配电检测装置的实现框图。整机由四部分组成：开关特性测试模块、继电保护模块、IO特性测试模块和规约测试模块。
继电保护模块的CPU使用DSP搭配FPGA芯片作为控制处理器，控制线性功放输出电压、电流信号，同时提供了各种传感器信号及保护信号的反馈接入，防止设备操作不当引起设备损坏。继电保护模块通过以太网接收控制指令。
IO特性测试模块主要完成IO输出，由DSP处理器IO口控制信号继电实现，实现消抖及SOE分辨率测试。
开关特性测试模块主要完成智能配电设备的一次开关的各项测试，该模块使用高性能的32位浮点DSP，通过中断信号，接收同步信号，实现定时器的准确计时，使用光电隔离回路采集一次开关断口的状态，使用16 位精度AD芯片采集距离传感器和角度传感器的信号，实现开关位移和角度的测量。同时该模块提供开关分合闸的驱动电压。
规约测试模块主要包含了规约测试和操作控制两大模块，运行在外置笔记本电脑上，提供了对设备操作的人机界面，对装置的控制信息通过以太网口传输到设备。同时完成对被测对象FTU的通信规约测试。
2、继电保护模块的实现
DDS算法DA输出（8路）温度传感器低通滤波及隔离功率放大（4U+3I）输出电压、电流CPU功放保护信号功放开关AD输入（8路）以太网接口
图10 继电保护模块实现框图
如图10所示，为继电保护模块的试验框图。使用CPU作为核心，CPU采用DDS算法，模拟电压、电流波形，送到数模转换模块，生成需要的波形，经低通滤波及隔离后送入功率放大模块，进行功率放大，输出大功率的电压、电流。
CPU同时对输出的电压电流进行采集（可选），检测电压、电流的输出。由于功率放大模块发热量大，因此在功率放大模块上添加温度传感器，监测功放模块的温度，如果超过一个的范围，可以通过功放开关，关闭功放的输出，起到保护作用。同时也可以接入功放模块自身输出的一些保护信号，监测功放的状态，进行相应的保护。
CPU需要提供一个以太网控制接口，接收上位机的控制信息，并完成做相应操作。
3、开关特性测试模块的实现
同步检测模块（内外同步时产生开始计时脉冲）断口信号采集模块（6个断口对应6路开关量采集）中断DSP开出信号开入信号分合闸控制模块（检测当前开关状态，然后做出分合闸控制信号输出）电源模块2（12v 断口开关驱动电源）传感器模拟量采集电源模块1（30v~267v DC 20A 开关操作电源）
图11 开关特性测试实现框图
如图11所示，为开关机械特性测试模块的实现框图，以DSP处理器为核心，主要完成数据的采集、开入和开出功能。
当需要做开关特性测试时，DSP控制输出分闸或合闸信号，驱动一次开关的分合闸线圈，其分合闸电源可以由装置直流电源供给或者使用外部交流电源。
同步检测模块检测到分合闸触发信号后（与分合闸控制信号输出同时触发），产生脉冲，以中断的形式送给DSP，DSP收到中断信号后，开始采集断口的状态信号，根据断口开闭时间计算一次开关分合闸时间。
断口的状态作为开关量的形式输入，一次开关的断口相当于一对硬接点，整个开关量输入回路由装置提供12v直流电源驱动。
DSP使用AD芯片实现对传感器信号的采集。
第五章 项目总结样机完成情况
样机已组装完成，目前已对2套成套智能开关及4种控制器进行测试，基本实现了设计要求。
图12 测试仪前视图
图13 测试仪后视图
图14 测试仪面板图
2配套软件完成情况
目前智能配电设备综合测试仪的软件已经开发完毕，正在实际测试中不断完善功能，提高软件的易用性和稳定性。
智能配电设备综合测试仪软件依据功能不同，划分为三大部分，分别是开关机械特性测试、精度测量及IO性能测试和通讯规约测试，其测试内容分别如图
15、图16和图17所示。
图15 开关机械特性测试功能
开关机械特性测试包括了三个子功能，分别是开关机械寿命测试、常规测试-重合闸、电压试验。
图16 精度测量及IO性能测试项
精度测试及IO性能测试包括四个子功能，分别是遥测采集精度测试、保护动作测试、遥信防抖试验和SOE分辨率试验。
图17 通讯规约测试
通讯规约测试包括101通讯测试和104通讯测试。综合测试情况
目前样机及配套软件已完成了两次联调测试，在测试中坚持发现问题，完善提高的原则，力求提高软件的易用性和稳定性。
已对两套智能开关成套设备完成了测试，测试中发现的问题及时进行了修改 和完善；
已对4套控制器进行了测试，主要完善了对不同公司产品通讯101、104规约的接入的兼容性。
