特高压交流输电工程系统调试分布式测试系统方案

特高压交流输电工程系统调试

分布式测试系统

The Distributed Testing System of UHV AC Power

Transmission Project

摘要

本论文面向电力系统特高压交流输电工程系统调试测试需求，创新的提出一种基于WLAN无线传输技术的分布式测试系统架构，并在此基础上研发一套满足工程实际，可以快速、灵活布置，具有高速数据采集和精度，大容量数据存储和并行处理能力，并满足测试的实时性和可靠性要求，以及远距离协同操作要求的分布式测试系统。

本文首先介绍了特高压交流输电工程系统调试工作的目的和意义，并详细介绍了系统调试工作和智能变电站系统调试工作特点，以及分布式测试系统的研究现状，指出创新的将分布式测试系统引入系统调试工作的目的意义；随后，通过调试测试需求与功能需求的分析，结合传统与智能变电站的调试工作特点，确定分布式测试系统的性能指标和预期成果，并对系统总体方案进行了概述；然后，分别对分布式测试系统网络架构、分布式测试单元硬件设计、分布式测试平台软件开发三个主要研究内容进行了详细论述；最后对研究成果进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展望。

研发的这套分布式测试系统不但可以提高系统调试工作的测试质量，满足日益增多的特高压交流输电工程系统调试工作，适应未来智能电网的需求，还可以改变以往“一人一机”，“多点多人”效率低下、测试数据同步性差的现状，具有广阔的应用前景和实用价值。

关键词：特高压输电工程；系统调试；无线传输；分布式测试

Abstract

Externally pressurized gas bearing has been widely used in the field of aviation, semiconductor, weave, and measurement apparatus because of its advantage of high accuracy, little friction, low heat distortion, long life-span, and no pollution. In this thesis, based on the domestic and overseas researching……

Keywords: UHV AC Power Transmission Project，System Commissioning，The distributed test system，Wireless transmisson

目录

目录

摘要..............................................................................................................?Abstract......................................................................................................??

第1章绪论 (1)

1.1 研究的目的和意义 (1)

1.2 系统调试工作现状 (2)

1.3 智能变电站系统调试特点 (2)

1.4 数据采集系统的发展过程 (4)

1.5 分布式测试系统研究现状 (6)

1.6 研究内容及安排 (7)

1.6.1 本文的主要研究内容 (7)

1.6.2 本文的章节安排 (7)

第2章需求分析与总体方案设计 (9)

2.1 系统调试测试需求分析 (9)

2.2 系统调试功能需求分析 (11)

2.3 总体方案设计 (11)

2.4 本章小结 (12)

第3章分布式测试系统网络架构 (13)

3.1 无线传输技术选择 (13)

3.2 WLAN概述 (14)

3.3 拓扑结构的选择 (15)

3.4 分布测试区域的扩展 (16)

3.5 系统网络传输组成 (17)

3.6 本章小结 (17)

第4章分布式测试单元的硬件设计 (18)

4.1 中央控制模块 (19)

4.1.1 FPGA的选择 (19)

4.1.2 FPGA开发流程 (21)

4.1.3 FPGA开发工具 (23)

4.1.4 FPGA仿真工具 (24)

4.2 数据采集模块 (24)

4.2.1 ADC的性能指标 (25)

4.2.2 ADC芯片的选择 (27)

4.2.3 信号调理模块 (28)

4.3 数据存储模块 (29)

4.4 网络传输模块 (29)

4.5 本章小结 (30)

第5章分布式测试平台的软件设计 (31)

5.1 开发语言L ABVIEW介绍 (32)

5.2 无线控制模块 (33)

5.3 参数设置模块 (34)

5.4 状态监控模块 (34)

5.5 数据存储模块 (35)

5.6 数据分析模块 (36)

5.7 本章小结 (37)

第6章应用成果与展望 (39)

6.1 应用成果 (39)

6.2 进一步的工作展望 (39)

参考文献 (41)

第1章绪论

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

中国电力需求持续快速增长，能源资源分布不均，电网发展相对滞后，对发展特高压输电提出了客观要求。对于远距离、大容量输电，与使用低电压等级的输电技术相比，特高压输电在提高输电容量、节约土地资源、减少输电损耗和节省投资等方面具有明显优势。此外，发展特高压输电，在提高中国科技自主创新能力、促进装备制造业的产业升级发展等方面都具有重要意义。2010年国家能源局就开始部署电力流规划方案，并要求国家电网公司、南方电网公司和内蒙古电力公司以此电力流规划方案为基础，开展电网规划主网架方案研究工作。发展特高压先后被纳入国家“十一五”、“十二五”和正在编制过程中的“十三五”规划纲要、大气污染防治行动计划、能源发展“十二五”规划等。

国家电网公司通过对中国特高压电网发展思路和目标网架的论证，提出以“三华”特高压同步电网为核心，与东北、西北、南方电网互联的电网发展路线图。仅“三华”特高压同步电网，在“十二五”期间就将形成“四纵六横”主网架。在此基础上，“十三五”期间还将建设“五纵六横”主网架，未来几年必将进入特高压建设和投运的高峰期。

在特高压工程投入正式商运前，需要对特高压工程系统开展的一系列系统调试工作，以掌握工程投运后系统在正常运行状态下和发生故障时的电压、频率和潮流的运行与控制特性，考察其是否符合工程前期潮流和稳定仿真计算结果；过电压、潜供电流和感应电压（电流）等技术参数是否符合设计预期，实现对变压器、高抗等相关设备、装置的测试、校核、调整；检验安稳和保护控制系统是否有效且动作可靠，为工程投运后提供必要的技术参数和运行策略，是保证电力系统安全可靠运行的必要手段。

本文通过对特高压交流输电工程系统调试工作的需求分析，面向未来特高压主干网朝着智能化的发展方向，创新的提出一种基于无线局域网的分布式测试系统。研制了满足特高压交流输电工程系统调试需求的，可以方便、灵活布置，多通道、高采样率和大容量实时存储的分布式测量单元（硬件）；开发了基于IEEE802.11协议，可根据实际工况灵活组建分布式测试网络，具有高数据传输率和数据时钟同步性，便捷的数据组织和分析能力的系统平台（软件）。不但可以提高调试测试质量，满足日益增多的特高压交流输电工程系统调试工作，适应未来智能电网的需求，还可以改变以往“一人一机”，“多点多人”效率低下、

测试数据同步性差的现状，具有广阔的应用前景和实用价值。

1.2系统调试工作现状

特高压交流输电工程系统调试是一项需要调度、科研、设计、运行、施工等多个专业协调，空间跨度大且分散的系统工程。特高压交流输电工程是否达到设计预期，投入正式运行后是否满足系统安全稳定运行要求，主要是通过对各种电气参数的测试反映的。同时在特高压交流输电工程投运前，也必然需要对各种电气设备、装置和保护控制系统进行相应的校核、调整，这些也都离不开在系统调试过程中进行大量的现场实际测试工作。然而交流特高压工程一般跨度长达几百甚至上千公里，特高压变电站也被分散在间隔几百公里的特高压线路上，测点众多且分散。如何保证同一调试项目各测点数据的同步性，以便分析被测参数的时域特征，也是摆在系统调试过程中的一个课题。

在目前的系统调试过程中，测试设备主要采用的是日本日置电机株式会社（HIOKI）生产的系列产品、中国电科院生产的WDSL系列产品以及奥地利DEWETRON公司系列产品等。在实际应用中存在单机造价高，不具备网络通讯功能，没有统一的数据格式，不具备统一的测试数据组织、汇集与同时轴分析平台等问题。正式由于这些现有测试手段的瓶颈，目前在特高压交流输电工程系统调试过程中，只能采用通过电话会议系统统一下达测试命令，由现场工作人员手动触发各测试设备进行数据采集，“一人一机”、“多人多点”的方式。不但需要的参试人员、设备众多，而且由于许多调试项目具有的“不可重复”性，为保证被测参数的完整性，调试指挥每次下达测试命令都需要同各测点间进行点名、确认等流程，工作效率十分低下。同时，由于采用人工手动触发各被测设备产生的人为时间误差，对于数据同步性要求高的测试很难满足时间精度要求。各测点不同设备的数据无法及时汇总、组织与分析，调试指挥也不能及时掌握和评估测试结果。

1.3智能变电站系统调试特点

智能电网是未来电网发展的新方向，国家电网公司提出了“以坚强智能电网

第1章绪论

为基础的全球能源互联网”规划。所谓的坚强智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，涵盖电源接入、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，集成现代通信信息技术、自动控制技术、决策支持技术与先进电力技术，具有信息化、自动化、互动化特征，适应各类电源和用电设施的灵活接入与退出，实现与用户友好互动，具有智能响应和系统自愈能力，能够显著提高电力系统安全可靠性和运行效率的新型现代化电网[1]。而智能变电站是建设智能电网的基础，目前已经在750kV超高压交流输电工程中被广泛的应用。随着国家电网公司提出在特高压工程建设中大力推广智能变电站建设规划的实施，未来将会有越来越多的智能变电站在特高压交流系统调试过程中出现。

智能变电站建设遵循IEC61850标准[2]，采用“三层两网”的构架，如图1-1所示。主要包括过程层（设备层）、间隔层和站控层三个功能逻辑层，之间通过站控层网络和间隔层网络进行通讯。

图1-1智能变电站网络结构

（1）过程层（设备层）包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合

并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。

（2）间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。

（3）站控层包含自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或一个以上一次设备的测量和控制的功能，完成数据采集和监视控制（SCADA）、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。

由此可见，智能变电站完全有悖于以往传统变电站的架构模式，反映一次设备各种运行状态参数的信号在过程层便进行了测量和模数转换，然后通过数字信号进行网络传输。不再是传统变电站的一次信号经互感器降压后，通过电缆汇至继保小室。这样以往在传统变电站调试过程中，通过在站内有限几个继保小室通过多通道测试设备集中测试的方式已经无法实现。如果要实现对一次设备的测试，只能在每个一次设备附近装设测试设备，这样不但需要在现场布更多的测点，而且在一次设备操作过程中，设备附近的测试人员存在很大的安全风险。同时，还要受天气影响，所以按照目前传统变电站的“一人一机”、“多点多机”的测试方式是根本无法实现的。在以往750kV智能变电站的系统调试过程中，只能采用手动触发二次系统故障录波设备的方法，但由于测试需求不同，这些故障录波设备往往采样率低、记录时间短，不能满足对操作过电压这样要求高采样率，和变压器励磁涌流这样要求长时间记录的测试需求。其次这些设备本身就是需要通过系统调试进行检验的设备，因此智能变电站的出现为系统调试工作提出了新的需求。

1.4数据采集系统的发展过程

数据采集系统的研究始于上世纪50年代，因其具有的高分辨率和高通用性,可以满足众多传统方法不能完成的信号采集和测试任务,从引起了广泛重视。到