摘要：在电力系统中，继电保护设备的性能对电力系统的稳定运行具有至关重要的作用。然而，传统的继电保护测试系统存在测试效率低下、测试结果不准确、系统维护困难等问题。基于此，提出了一种基于模块化设计的综合测试系统。从硬件和软件两个方面进行系统设计，硬件上，设计核心管理器和辅助管理器用于进一步的各种功能测试，软件方面，对继电保护装置采样精度进行校准，并进一步对继电保护工作频率系数指标进行计算，设计继电保护测试流程并基于模块化设计实现继电保护综合测试系统设计。为验证系统的性能，将其与传统的基于人工智能算法的继电保护装置设计和测试系统和基于虚拟现实技术的远程测试系统进行对比，测试结果表明，该系统的最大拟合和最小拟合值均在0.98以上，均高于其他两种系统的拟合度，该系统测试性能更优。
关键词：模块化,继电保护,综合测试,系统设计
0引言
电力系统是社会生产和日常生活的基础设施，其安全稳定运行对于社会经济和人民生活具有重要意义。继电保护装置是电力系统中的重要组成部分，用于保护电力设备和线路免受过载、短路等故障的损害[1]。然而，传统的继电保护测试系统存在着操作繁琐、测试效率低、测试精度不高等问题，影响了电力系统的安全稳定运行。因此，开发一种基于模块化设计的继电保护综合测试系统，具有重要的现实意义。
目前，国内外对于继电保护测试系统的研究主要集中在提高测试精度和效率方面。然而，由于电力系统的复杂性和不确定性，传统的继电保护测试系统难以实现对电力设备和线路的全面检测[2]。此外，现有的测试系统普遍存在操作繁琐、维护成本高、兼容性差等问题，难以满足现代电力系统对测试效率和测试精度的要求。
因此，开发一种基于模块化设计的继电保护综合测试系统，是解决现有测试系统存在问题的重要途径。
近年来，国内外学者针对继电保护测试系统的研究取得了一定的进展[3]。一些研究集中在开发新型的继电保护装置和测试方法，以提高测试精度和效率。例如，一些研究者提出了基于人工智能算法的继电保护装置设计和测试系统，通过机器学习等技术实现对电力设备和线路的智能检测和故障诊断[4-5]。此外，还有一些研究关注如何提高测试系统的操作便捷性和维护成本等问题[6-7]。例如，有研究者提出了基于虚拟现实技术的远程测试系统，以实现对电力设备和线路的远程监控和测试[8]。同时，还有一些研究者致力于开发模块化的测试系统，以提高系统的可维护性和可扩展性[9]。例如，一些研究者提出了基于模块化设计的继电保护测试系统架构，通过将不同的测试模块组合在一起实现对电力设备和线路的全面检测[10-11]。
本文旨在介绍一种基于模块化设计的继电保护综合测试系统。该系统通过将不同的测试模块组合在一起，实现对电力设备和线路的全面检测和故障诊断[12]。通过实验验证和实际应用，证明该系统对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要意义。
1系统硬件设计
在系统硬件方面，本文设计了一个核心管理器和一个辅助管理器。核心管理器可以负责处理核心的继电保护功能测试，包括电流、电压、功率等；而辅助管理器可以负责处理其他可能的测试，包括通信、控制等。为确保系统的稳定性和可扩展性，可以考虑采用模块化的设计方式，即每个功能模块都可以独立运行和管理。
1.1核心管理器模块
核心管理器的主驱动程序由ARM最小系统和外围电路组成。图1所示为核心管理器的硬件示意图。图中，核心处理器的CPU运行并驱动每个外围设备，以完成测试系统的每个任务。CPU芯片的内存不符合应用程序的要求，因此需要扩展外部容量。EMMC是一种存储外设，用于存储系统程序、管理信息、测试程序和其他文件。外部DDR是一个扩展存储器，系统程序很大。RTC是一种提供系统时间基准的外部时钟芯片。将由网络端口和PHY组成的网络通信外围设备应用于测试程序的检测和数据传输。CAN接口应用于在主驱动器和测试插件之间交换测试团队信息[13]。调试系列的端口用于打印错误信息和更改系统参数。通信串行端口负责与标准校准源、电子负载和其他与测试系统兼容的设备进行通信。LCD串口被用作核心管理器与LCD插件之间的通信渠道。负责将待显示的测试信息传递给LCD插件，并确保这些信息能够在液晶屏幕上正确显示。通过使用LCD串口，核心管理器能够与LCD插件进行高效且可靠的通信，从而实现测试信息的实时监控与展示。
1.2辅助管理器模块
图2所示为辅助管理器硬件的示意图。该插件由CPU、RTC、DDR、EMMC以及ADC、CAN、开放式RS-485、RS-232、ETH等外围设备组成的最低系统。用于与测试配合进行各种功能测试。
2系统软件设计
2.1继电保护装置采样精度校准
继电保护装置的核心功能之一是模拟量采样，这是其实现保护功能的基本前提。DSP插件作为一种高效的数字信号处理工具，被广泛运用于继电保护装置中，而其对模拟量采样的精度有着严格的要求[14]。工业标准的遥测要求为0.2%。在ADK电路中，考虑到滤波和其他调整方案对交流模拟信号的幅度、相位角和零降的影响，必须对继电保护装置进行采样精度校准。精准度校准原理框架如图3所示。图中，辅助管理器和待测插件的ADC采样通道的AGND和AIN并联输出，经过继电器K1接入标准源。模拟量输入AIN通道和AGND通道之间连接着继电器K2。两个插件通过硬件PPS相互连接，用于同步采样。CAN用于传输采样数据进行比对校准。
精度校准有3个主要指标：增益、角差和零漂。这些指标对于评估插件的性能和准确性至关重要。增益校准是指确定插件的放大或缩小程度，角差校准是确定相位差的准确性，而零漂校准则是确定零点的稳定性[15]。此外，利用辅助管理器可以对被测插件进行增益精度校准。即使外部源的精度不理想，但只要其稳定裕度足够，也不会影响该测试系统的精度校准水平。这意味着测试系统的精度可以受到辅助管理器的补偿和校准，从而确保测试结果的准确性和可靠性。通过这种方式，该测试系统能够应对不同精度和稳定性的外部源，并仍然保持其高精度的测试结果。
2.2计算继电保护装置工作频率系数指标
在上述采样精度校准的基础上进一步对继电保护工作频率系数指标进行计算。工作频率系数是指保护装置在50 Hz工频下，正常运行时的测量误差与额定误差之比，反映了保护装置在高频下的性能表现[16]。首先，需要采集保护装置的测量数据和额定数据。测量数据包括电流、电压等电气量的实时测量值，额定数据是指保护装置在额定条件下运行时的参数值。运用以下公式计算测量误差和额定误差：
式中：S为测量误差；C为测量值；A为实际值；E为额定误差；e为额定值。
将测量数据和额定数据代入式(1)和式(2),即可得到测量误差和额定误差的值。将测量误差和额定误差代入以下公式计算工作频率系数指标：
W=S/E(3)
通过式(3),可以得到工作频率系数指标的值。为了提高计算精度和稳定性，通常会采取一些滤波措施来处理测量数据。在这里，采用巴特沃斯滤波器对测量数据进行滤波处理[17],以消除其中的高频噪声。巴特沃斯滤波器的公式如下：
式中：w为角频率；w c为滤波器的转折角频率。
将测量数据通过巴特沃斯滤波器处理后，可以得到更加平滑的曲线，从而提高了计算结果的精度和稳定性。综上所述，通过运用公式详细模拟计算继电保护装置工作频率系数指标的过程，可以得到更加准确和可靠的评估结果。
2.3基于模块化设计实现继电保护测试
基于模块化设计的继电保护测试流程是一种高效、灵活的测试方法，通过将不同的测试模块组合在一起，实现对电力设备和线路的全面测试。在模块化设计中，每个测试模块都是独立的功能单元，具有特定的测试目的和测试功能。例如，电流模块可以测量电流，电压模块可以测量电压。每个模块都有标准的接口，以便与其他模块连接和通信[18]。测试终端必须具备保护测试功能，以便允许相关人员在较远的距离上进行进一步的继电保护装置测试。如果保护测试功能有效，现场测试终端可以由测试程序直接启动，现场测试的结果可以返回到保护测试模块。工作人员可以确保充分保护测试的结果是正常的。用于测试的功能模块测试和传输保护协议应为控制层的MMS协议，该协议应使用独立的通信来交换信息。协议发送保护测试控制数据、与保护相关的动作报告以及交换分支位置的信号。图4所示为模块的具体划分。
工作人员应该在远程测试操作员结束时，选择必要的设备，设定测试间隔和内容。当终端站接收到命令后，结束时发布远程测试指令给团队，并根据测试内容更改设备M OD。终端会生成测试序列，向合成单元发送模拟SMV消息，并向智能终端发送模拟GOOSE。集成单元将接收到的SMV转发到保护设备，而智能终端将接收到GOOSE转发到保护装置智能终端[19]。如果mod=test&plocked,则无法终止。根据定期检测的内容，依次测试保护功能并生成测试报告，并上传至远方主站，继电保护测试流程如图5所示。
报告模块的功能是在完成继电保护测试后，根据测试结果起草测试报告。如有必要，可打印测试报告。所需模块主要由应用程序文件管理。使用的控制模块应通过各种类型的错误进行存储和管理，用于先前构建的继电保护测试。在测试过程中，相关模块中会加载各种故障。用于编辑用途的模块可以根据不同的测试需求来编辑不同的测试用例。对于通信模块，应与其他继电保护装置进行交互并进行触点传输[20]。
对于不同的设备，测试保护功能因电压水平而异，但基本原理和过程相似。首先离开受保护的输出压板，然后根据上述测试案例进行功能继电器保护测试。对不同的输入量进行输出，直至对保护相关功能测试完毕，生成测试结果报告以便于继电保护测试人员的查看。
3系统测试与结果分析
为了验证基于模块化设计的继电保护综合测试系统的测试效果，搭建符合实验需求的实验平台，将其与传统的基于人工智能算法的继电保护装置设计和测试系统、基于虚拟现实技术的远程测试系统进行对比。
建立稳定实验环境，并将测试系统与外部的校准源连接。校准源设备是ZM700A的精度源，根据测试要求，稳定性极限为0.01%,精度为0.02%。为了验证测试系统校准结果的准确性，对模拟测试中的测量插件进行了验证。模拟接口中的测量插件通过ZM700A精度源连接到4V、50 Hz交流电源。分别使用本文方法、传统方法1、传统方法2进行继电保护测试。针对测试输出精度、相电流长时间允许工作值、相电流大输出功率结果分别采用拟合度对继电保护测试结果进行全面评估，计算多项式函数拟合结果，并将直接进行输出，测试结果如表1所示。由表可知，本文设计的基于模块化设计的继电保护综合测试系统测试结果与实际结果之间具有更高的拟合度。实验结果表明，本文系统测试结果最大拟合和最小拟合值均在0.98以上，均高于其他两种系统的拟合度。这表明使用本文系统的测试结果更接近真实结果，测试性能更好。
4结束语
通过模块化设计，继电保护综合测试系统不仅提高了测试的效率和准确性，还增强了系统的可扩展性和可维护性。随着电力行业的快速发展，对继电保护设备的要求也日益提高。因此，这种灵活的模块化设计将能够更好地适应未来电力系统的变革，满足日益严格的测试需求。基于模块化设计的继电保护综合测试系统，不仅代表了电力测试技术的最新发展，更是电力行业智能化、高效化转型的生动体现。这一系统的设计理念和实践，充分展现了模块化设计在复杂系统中的强大生命力和广阔应用前景。通过对保护设备进行精细化、高效化、智能化测试，它为电力系统的安全稳定奠定了坚实的基础，推动了整个电力行业的技术升级与变革。未来，这种模块化、智能化的综合测试系统将广泛应用于电力系统中，推动电力行业向更高效、更智能、更环保的方向发展，为构建清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系注入强大的动力。
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