数字化变电站校验仪可行性分析报告V110上报版.docx
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数字化变电站校验仪可行性分析报告V110上报版
深圳市星龙科技有限公司
XL800系列数字化变电站校验仪
可行性分析报告
（第一版）
2009年3月
深圳市星龙科技有限公司
1项目实施的背景和意义
1.1项目对深圳市经济、社会和科技发展等有效需求。
变电站自动技术经过十几年的发展已经达到了一定的水平，大大提高了电网建设的自动化水平，增强了调度自动化水平以及减低了造价，但是技术的发展是永无止境的，国内的光电互感器，智能开关、以及数字继电保护、数字电能表已日趋成熟。
数字化变电站的成为主流只是时间问题，目前数字化变电站的研究已经如火如荼，其检测和校验工具的研究是保证这些自动化保护符合技术标准的重要手段，只有开发出有效的功能齐全的检验工具，才能够进一步能够推进自动化设备生产厂家不断完善自己的产品。
“数字化变电站设备校验装置”主要应用于检验数字变电站的二次设备以及一次的光电互感器的性能参数、精度、以及功能是否满足要求。
是保证数字变电站的二次设备以及一次的光电互感器的安全可靠性，功能齐全的重要技术手段，最终必将提高电网安全运行，保证用电的可靠性，具有重要的社会意义。
目前数字化的继电保护、数字电能表、交流采样装置、光电互感器一般采用厂家自己的测试工具、或者非权威的测试手段，厂家自己的测试工具一般功能简单、性能较低、无法实现更高一级的量值传递，从技术上来讲，需要有第三方的厂家联合电力工业研究院共同开发权威的校验工具，建立起规范的检验标准。
建议权威的经过认证的校验工具和技术检验规范有利于:
⏹协调各种厂家之间的技术认定，由于数字变电站自动化装置是由很多厂家共同提供产品，假如没有一个统一的校验工具，则无法联通时，难以界定哪方厂家的技术有问题。
⏹促进各自动化设备厂家完善自身产品，有了功能丰富的和权威的校验方法后，
自动化厂家容易找到自身产品缺陷，不断完善功能，提高产品质量和可靠性
⏹提高现场验收效率，有了此校验工具，可以大大提高现场验收的效率，
节约人工成本
⏹培养数字化变电站方面人才，本校验工具本身对于IEC-61850-9-1的协议
有标准的输出和测试功能，便于学习协议，同时对于电力工业研究所、高等院校可以把校验仪作为培养数字电能表、数字继电保护、光电互感器校验仪人才的重要试验平台。
⏹降低验收和检验人员的专业要求
假如没有本套测试工具，验收人员必须具备非常强的专业知识，一般要经过专家讨论验收方法，过程也相当复杂，对现场验收的要求很高，提高了人力成本。
同时开发数字化变电站校验,也具有重要的经济意义未年几年按照一年一个供电局4台采购量，参考销售价格20万一台。
全国市县大概每年有8亿左右的市场容量。
我司就算按市场占有率5%计算，一年销售额4千万，实现利税800万左右。
具有一定的经济意义
1.2项目的先进性、重要性、必要性、可行性。
1.2.1先进性
国际电工委员会TC57工作组动员了数百位专家历经十年提出了“一个世界、一种技术、一个标准”,过程全数字化。
今后全世界的变电站自动化设备的厂家协议将统一为IEC61850的协议框架。
毫无疑问再经过几年几十年，数字化变电站必将成为主流，目前基于IEC61850协议的数字化变电站校验仪装置国内外鲜有厂家投入力量研究。
我司提出了全套的校验方法，并作了大量的调研工作，部分功能已经可以到现场使用了。
整个项目的平台具有相当的先进性。
⏹产品先进性
基于IEC61850的硬件测试工具，目前国内外还没有成套的产品，
我司率先投入研发此类产品，时机合适。
⏹硬件平台先进性
使用ADI公司高性能的blackfinDSP平台，BF531具有两个400MPIS的双DSP功能、同时可以作为32bitMPU使用，配套1ppm的电阻分压网络、
0.005%准确度的零磁通互感器、使用OP1632D差分输入输出的运放作为信号调理和100KSPS24Bit的高性能ADS1278AD，配置两个光纤以太网口
和两个RJ45的电以太网口。
⏹软件平台先进性
使用Labview作为工控机软件平台
Labview具有非常丰富友好的界面和强大的数学工具。
使用LabView后会让我们的开发的产品更美观功能更强大，可以直接利用软件库，降低开发的工作量，同时利用现成的库，提高软件的运行可靠性
使用VDKRTOS作为嵌入式DSP开发的操作系统，VDKRTOS实时多任务操作系统是嵌入式DSP的操作系统，VDK为ADI公司嵌入式的高性能RTOS平台，任务调度实时性优于0.1mS，保证系统平台的实时性的要求。
⏹技术先进性
a）校验过程全自动，设置完毕后，点击启动命令，自动完成各种检验点和校验功能的检定并自动生成报表
b）检定先进
使用模拟源的动态数据作为检验数字来源，能够反映出数字二次设备的现场使用情况。
c）溯源先进性
建立了0.05%级的数字溯源技术，自主开发使用高精度的AD转换，通过AD转换，和已有的0.01级的模拟基准实现量传。
d）功能配置先进性
测试功能可以选择相关的国标和行业标准，也可以根据用户的自己的需求编辑测试点和测试要求。
1.2.2重要性
基于IEC61850协议的数字化变电站将成为未来变电站最重要的技术之一。
目前尽管国内外的电力设备厂家已经大力投入到数字化变电站的研究开发中去，但是还没有一个有效的测试工具，这必将阻碍数字化变电站设备产业的发展，同时也限制了数字化变电站的推广使用，目前数字化变电站的验收耗时耗力同时也无法做出权威的验收结论。
数字化变电站还发展还需要相关的测试规范，工程规范，按照规范，检验规范必须要跟着发展，而这些技术的发展制定，都离不开校验仪，所以数字化变电站校验仪对于推进数字化变电站建设，推进数字化变电站的技术发展具有非常重要的意义.
1.2.3必要性
IEC61850协议的制定为电力系统自动化厂家带来了广阔市场空间和无限发展潜力，谁抓得早、抓得准、抓得住，谁就赢得发展先机，赢得主动，最终赢得市场。
目前在数字化变电站校验技术滞后于数字化变电站的建设，目前国内电力工业研究院均面临着现场如何验收的问题，广东电力工业研究所主动找到我司合作数字电能表校验部分，其他光电互感器校验、数字交流采样校验、数字继电保护校验也将逐降和我司合作开展，所以目前基于IEC61850的数字化变电站校验仪的开发非常迫切，非常有必要。
1.2.4可行性
⏹市场可行性
项目主要应用于供电局、电厂、电力局、研究所、高校等供电局领域。
在今后的10年内每个市县供电局均应该配置全套的数字测试仪多套。
按照全国2000个市县计算，平均一年配置一套，则年需求2000×4×10万=8亿，电力研究所领域、高校也需要这样的产品，因此我们认为市场上是可行的。
⏹技术可行性
目前己解决了相关核心技术，并且己研制了部分核心产品，其中数字电能表的校验已经可以实现校验功能了，因此我们认为技术上是可行的。
⏹政策可行性
作为电网公司“十一五”科技发展规划中列出的提高电网自动化水平的五大重点技术课题之一，数字化变电站必然在“十一五”中后期在各电压等级变电站中推广应用，现在数字化变电站已经成为了各级电网、电力公司关注的焦点，因此我们认政策上是可行的。
风险很小。
1.3项目在行业发展中的地位和作用；
数字化变电站校验仪对于保证数字化变电站的设备符合功能和性能的要求有重要意义，由于数字化校验是一个新技术，国内外做此研究的不多，我司未来研发成功将是本行业在数字化变电站校验上的一个里程碑。
本系列校验装置的研发成功，将对数字化变电站的发展将产生深远的影响，主要表现在以下几方面：
⏹解决了目前变电站自动化设备的产品的验收和型式试验的难题。
⏹建立了数字计量的量传方法，实现了数字电能、数字交流采样的溯源
软件具备自动检定和生成报表功能，大大减低了检验人员的工作量
⏹提高检验结果的可信度为统一各个厂家的技术接口提供技术手段，实现电力设备的无缝链接.
综上所述，本平台的成功研发，将是数字化变电站发展道路中的一个里程碑。
1.4项目预期实现的经济和社会效益。
1.4.1社会经济意义
电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，国家出台了一系列内需投资政策，其中4万亿投资计划中，未来2～3年电网投资将达到1.2万亿的规模，作为国民经济的基础产业，电力工业行业能有效的拉动国民经济的增长。
而且市场空间是巨大的。
数字化变电站将成为电力投资的重头戏之一，数字化变电站设备校验装置也将成为其中的重要一环，把数字数字化变电站设备校验装置做好了，是保证数字变电站的二次设备以及一次的光电互感器、性能参数、精度、以及功能达标的重要手段。
对提高电网安全运行，保证用电的可靠性，具有重要的意义。
同时数字化变电站的发展也必然拉动内需。
促进经济的发展
1.4.2预计经济效益
项目主要应用于供电领域。
供电局、电厂、电力局、研究所、高校等供这是最大的潜在用户。
在今后的3-5年内每个市县供电局均应该配置全套的变电站数字化测试仪多套。
按照全国2000个市县计算，平均一年配置一套，则年需求:
2000×4×10万=8亿（最终价）
电力研究所领域：
31省每个省必须在近1-2年配置不少于1套的数字化变电站校验仪，大概近两年需求:
31×4×20万=2480万（现在市场价为30万）
高校的需求也有一定的数量。
综上所述，本项目产品未来3-5年的市场需求约为30亿元左右，市场前景广阔。
具有良好的经济效益
1.4.3预计社会效益
⏹降低人工检定的成本
数字变电站测试仪能够自动测试、自动生成报表.可以大大降低人工的降低成本，同时扩大检定点，防止个别死区测试出现。
一般来讲，一台电能表要是把全部的检定点和影响量全人工检定需要一周时间，而使用本测试设备只需要15分钟的设置时间，大约4-6个小时的自动检定时间就可以了，大大节约人工成本。
今后数字化变电站全面推广后，全国将有超过1万人在做自动化设备的安装、检定、校验、测试等。
大大节约人工成本
⏹有助于推动数字化变电站的发展
数字化变电站的发展除了一次和二次设备厂家的努力外也离不开检验设备厂家的作用，假如没有校验厂家的产品的完善，数字化变电站要大规模推广也无从谈起。
2数字化变电站校验仪技术发展趋势及国内外发展现状
2.1数字化变电站校验仪相关技术的发展趋势；
随着光电互感器技术的逐渐成熟，基于IEC61850的数字化变电站建设步伐必将加快，从事数字化变电站校验的设备生产厂家未来也会相应增加,同时电力科学研究院、各个省的电力工业研究所一定会投入大量的人力物力，制定相关的配套标准，为数字化设备厂家提供验收、测试标准规范，也会推动测试仪厂家不断完善自己产品。
未来也会有更多的测试仪厂家加入这个领域。
2.2国外发展现状
国外目前主要是对IEC61850协议本身来测试的研究比较多，目前瑞士实验室被授予全球IEC61850标准的测试认证机构，从事IEC61850协议测试的厂家不少比如STRI公司，OMICRON公司，ABB公司等，国外第一个对基于IEC61850变电站进行测试的InControlTech公司，这种测试一般是用来做型式试验的，实验室就是一个模拟的变电站，测试非常复杂，不利于作为现场的验收工具，也不利于对从事单一设备的厂家的测试，因为国内很多厂家并不能把整个数字化变电站做了下来，只能做其中的一个设备，比如光电互感器或者继电保护装置，这要求有适合于中小企业的测试和验收工具，目前国外暂无相关产品。
2.3国内发展现状
华中理工大学开发光电互感器校验仪已在在武汉高压研究所使用，这套装置成本高，体积大。
在现场使用非常麻烦。
装置由安捷伦的3458A万用表，工控机组成，软件使用Labview，基本没有属于自己的核心部件，技术含量低，应用不灵活。
北京浩霆科技也研发出HTETC-I型新型多功能互感器校验仪，具有自主知识产权，但是测量精度低，软件粗糙。
需要额外的一台电脑.
南京新宁光电研发XT765数字电能表校验仪，他们的使用捏合的数字源，无法做量传不能作为校验工具，数字交流采样校验仪暂时无相关产品，数字继电保护测试仪北京博电有相关报道，但未见产品.
2.4我司目前状况
我司从2008年8月开始对市场调研、项目可行性论证、对关键技术如高精度8个通道的严格同步的交流采样技术（0.02%），光纤以太网的刷新速度（10uS），电能和功率以及有效值的等时间间隔的算法验证、以及基于LabView8.0软件实现自动化校验装置的管理通信显示功能的技术可行性验证。
到目前硬件平台的初版，以及针对数字电能表的部分校验功能，已取得阶段性成果。
尚需完成数字电能表的全面功能，数字光电互感器的校验功能、数字继电保护的校验功能.
2.5深圳市相关行业技术与国内外先进水平的差距；
深圳第一座数字化变电站——110千伏五村数字化变电站于2008年中旬竣工。
这一变电站将数字化电网的概念首次应用于变电系统，是目前国内数字化改造最彻底、数字化程度最高的变电站，高压室内不见技术人员踪影，只有一台台小巧的智能化开关柜正在高速运转。
“以前的传统开关柜设备，好比体积臃肿的‘大哥大’（砖头机），如今的设备就像新式手机，不仅体积变小，而且功能更多”。
但是目前数字化变电站的主要厂家是国电南瑞、许继、南京新宁、广州伟钰等。
深圳目前主要是深南瑞从事这方面的研究，在数字化变电站校验仪的方面我司是国内研究比较早的厂家之一，也是国内起点最高的一个厂家了，目前有国内有从事数字化变电站校验研发的，一般只是考虑测试功能，没有考虑到量值传递，而测试仪器最重要的功能之一就是能实现溯源，无法量传的产品没有意义。
2.6相关技术在知识产权、市场需求方面的情况。
数字化变电站的验收、检验还需要新的配套标准，目前国内外在这方面尚属空白。
IEC61850协议国内引用过来时更名为DL/T860协议，但是这只是标准技术协议，要是实施数字化变电站还需要一些配套的标准，我司将联合广东电力工业研究所争取在未来2-3年制定出广东省内的数字电能表验收规范。
数字化变电站设备校验装置中的光电互感器校验、数字交流采样校验仪、数字继电保护检验仪等产品我司拥有独立的自主知识产权。
3项目主要研究内容
3.1项目涉及的技术领域，拟解决的关键技术问题；
本项目涉及到一个数字电测仪表的校验领域，属于一个全新的领域，但是很多技术原理和校验方法可以参照模拟电测仪表的方法，属于应该属于新型的测量和计量仪器。
拟解决的技术问题如下
⏹高精度的模拟量采集
我们产品的整体精度为0.05%,这要求我们的交流AD采集模块精度要到达0.02%级，目前国内只有深圳科陆、思达等厂家能够做到0.02%的交流采样，我司能够做到0.05%级没有问题，我们通过如下方法解决这个问题，使用1ppm的电子分压器，0.005%的零磁通互感器、以及OPA1632带差分输入输出的高性能运算放大器作为信号调理和高达100KSPS24Bit的8路高精度的AD采集芯片ADS1278，采用准同步算法，来到达这个指标
⏹光纤以太网远程快速DMA传输
光纤以太网的远程DMA传输速度要等到10uS才比较理想，以最高一个周波要送200点，假如远程DMA不做优化则大大浪费CPU的资源，因为采样算法，光纤输出是有一颗CPU通过RTOS来调度的，而一个IEC61850的标准帧里面共有111Byte数字，这就要求CPU100uS之内必须要把111Byte的协议帧通过远程DMA传送到以太网芯片上，这会大大提高CPU的负荷能力，在本项目中由于111Byte中需要变化就是6个通道的模拟量12Byte，以及采样计数2个字节共14Byte，在本项目在初始化时候就把111Byte协议中不变的数字先传送到远程DMA，而后只是更改14Byte的变化数据后，使能芯片内部当地DMA自动发送协议帧，这样CPU有原来要传送111Byte变为14Byte大大地减低了CPU的负荷。
⏹IEC61850-9-2协议的掌握。
IEC61850是一套非常复杂的协议，目前我们已经能够实现IEC61850-9-1协议，并和多个厂家联调过，但对于IEC61850-9-2协议目前尚未深入研究，IEC61850-9-2更复杂。
3.2拟采用的技术原理、技术方法、技术路线以工艺流程；
3.2.1技术原理及关键技术内容
3.2.1.1数字电能表检验系统构成
1）虚负荷检定原理
图3-1数字电能表校验仪虚负荷检定原理图
原理介绍
工控机（PC）控制XL803标准功率源输出3U3I的模拟量，数字电能表校验仪把模拟量通过AD转成符合IEC61850-9-1的数字量D[0,n-1]，并直接通过以太网转给被检的数字电能表，被检的数字电能表和和数字电能表校验仪同时根据D[0,n-1]计算电能并产生脉冲输出，对比M1和M2脉冲计算被检电能表的电能误差.
2、实负荷检定原理
以太网信号
图3-2数字电能表实负荷检定原理图
原理介绍
在现场光电互感器的合并单元（必需具备两个光纤接口），根据现场的实际测量值通过IEC61850-9-1协议同时发给数字电能表和数字电能表校验仪。
数字电能表根据其算法计算产生电能脉冲M1，数字电能表校验仪也根据协议和算法产生脉冲M2，对比M2和M1计算实际的电能误差。
3、虚拟检定原理
以太网信号
图3-3数字电能表虚拟检定原理图
原理介绍
不需要XL803标准源也不需要实负荷，通过数字模拟光盘事先产生的IEC61850-9-1协议的数字信号，把这个数字信号通过以太网送给网络电能表，网络电能表计算产生电能脉冲M1，网络电能表校验仪根据这个数字信号计算电能产生脉冲M2，对比M2和M1计算实际的电能误差。
3.2.1.2数字交流采样检验系统构成
图3-4数字交流采样电能表校验仪原理图
原理介绍
工控机（PC）控制XL803标准功率源输出3U3I的模拟量，数字交流采样校验仪把模拟量通过AD转成符合IEC61850-9-1的数字量D[0,n-1]，并直接通过以太网转给被检的网络交流采样校验仪，被检的数字交流采样和数字交流采样校验仪同时根据D[0,n-1]计算U、I、P、Q、COS，同时工控机通过交流采样终端协议，读取交流采样终端的U、I、P、Q、COS。
并和同数字交流采样校验仪算出来的U、I、P、Q、COS。
做比对得出误差值，最后形成报表
3.2.1.3数字继电保护检验系统构成
图3-5数字继电保护测试仪原理图
原理介绍
继电保护测试仪通过以太网发出数字模拟的电压电流信号给数字继电保护，测试仪通过IO口读取继电保护的跳闸信号，也可以通过以太网GOOSE信息读取跳闸信号，进而判断继电保护的动作是否正确。
3.2.1.4光电互感器检验系统构成
1）.电压校验原理图
图3-6光电互感器电压校验仪原理图
原理介绍
被检验光电PT，接受校验仪送过来的同步信号，并在同步信号的控制下，把光电转换后的数字量通过以太网传给校验仪，校验同时通过AD采集标准电压互感器的模拟信号，并转换为数字量和被检PT通过以太网传递过来的数字信号使用FFT计算出比差和角差
2）.电流校验原理图
图3-7光电互感器电流压校验仪原理图
原理介绍
电流校验和电压校验的原理是一样的，唯一不同的是标准信号取电流标准互感器的信号而已。
3.2.1.5软硬件
硬件：
使用一个统一的硬件平台。
软件：
1、数字电能表校验管理软件；
2、数字交流采样校验管理软件；
3、数字继电保护测试软件软件；
4、光电互感器校验软件软件；
5、其他软件；
3.2.2技术路线
1）为提高产品的测量长期稳定性，要使用稳定性更好的材料以及优良的制造工艺，为此，电压分压器采用1ppm的金属氧化膜电阻分压，同时使用PGA205放大器跟随，以减小分布电容造成的相移，电流使用零磁通互感器，相关的电容均使用温度性能更好的CBB电容，布线各个高压回路相互隔离并保证有足够的距离，降低串扰，PCB对于输入信号采用差分并行走线，减小共模干扰，以及通道串扰。
参考电压是2ppm的参考电压，测量AD使用24Bit100LKSPS8个通道AD,同时使用换档来降低噪音
2）为了提高设备在现场使用的可靠性采用如下措施
⏹对采集前端和电源前端采取多重抗干扰措施
采用功率电阻、压敏电阻、TVS以及电子保护器确保传导性干扰信号（脉冲群和浪涌）不会通过电源或者采集前端侵入敏感脆弱器件，保护CPU、AD、MEM、OP等敏感器件
⏹CPU采用总线在运行中不出总线，使用内部的RAM
CPU采用总线不出芯片方案，提高CPU自身抗干扰能力，由于总线在芯片内具有很强的抗干扰能力
⏹多重WatchDog技术
⏹IO保护
对于容易损坏的IO口全部用高集成化的贴片TVS统一保护，
3）为提高设备无故障工作时间，要研究元件老化的规律，对设备的密封方式，温度与湿度交互作用方式进行试验研究，并进行如下的高可靠性设计：
⏹元器件选择
对于IC、插座等器件尽可能使用工业芯片，插座使用菲尼克斯插座。
尽量使用焊接技术（因为我们电流小、振动小焊接反而比压接可靠）。
⏹软件
DEBUG技术用于故障诊断，远程下载用于程序更新。
⏹防尘防潮
PCB最后均要防尘防潮处理
⏹冗余设计
无论对于PCB布线还是间距，以及热设计，耐压设计，要留于充分的余量，对于一些关键地方使用双重硬件作为冗余
⏹数据可靠性
块数据存储全部使用CRC16校验。
采用大容量的NVRAM，对于经常需要更新的数据如电能脉冲用于NVRAM备份记录，累计一段时间暂存到Flash。
对于Flash数据的写入进行校验，并记录擦写时间，为Flash的健康状态做初步检测。
文件数据可靠性使用基于YAFFS日记式文件系统原理，同时用NVRAM备份FAT区。
4）算法验证
大部分的算法我们通过Matlab来验证后，再在blackfin平台上运行，可以节约反复调试的时间
5）测试验证
利用广东电力工业局研究院的设备，和技术支持用户技术的最终验证，以及通过他们的验收
3.2.3主要创新点
1）使用可编程时钟芯片和高性能的同步采样AD实现准同步算法
设信号
的周期为T0，最高谐波次数为M，则基波的角频率为
，把
展成复数项级数：
=
推导得到：
，即周期信号的频谱为δ函数。
使用p（t）采样后
=
当
，窗函数
与W（0）有偏差，同时由于选定频率处不是窗函数旁瓣的过零点，产生频谱邻近干扰。
减小频谱泄漏的方法是采用旁瓣弱的窗函数。
由于窗函数有过零点，在过零点处不会由于频谱泄漏产生干扰，在原信号频率格点处计算得到的幅值与相位才能与原信号的频谱对应，这种情况称为栅栏效应直接影响测量精度。
所以要提高测量准确度则必须是
也就是
由于我们测量的是50Hz左右的工频信号T0=50Hz，但是这个T0会在45~55Hz范围内波动，所以要满足T0=nTs,就必须是Ts在T0/n的90%~110%之内变化，
要实现这个变化我们使用可编程时钟芯片CY22393
其中Fpll可以在通过一个8bit分频器再分频。
我们通过这芯片可以实现2^（7+9+1+8）的精确时间控制，
配合DSP算法，可以实现高精度的采样。
2）数字量溯源功能
数字信号目前没有更高一级的基
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