融合数字孪生的继电保护智能测试系统及方法与流程

本发明涉及智能继电保护，尤其涉及一种融合数字孪生的继电保护智能测试系统及方法。

背景技术：

1、继电保护装置测试用于验证被测继电保护装置在电力系统故障场景下的动作特性。测试过程中，通常需要依据历史故障录波文件还原故障电压、电流暂态波形，并结合被测继电保护装置定值单中的保护动作电流阈值、动作延时整定参数和保护动作逻辑配置参数计算理论动作时间，再由继电保护测试仪通过数模转换及功率放大向被测继电保护装置输出测试波形，同时采集功放实际输出电流和接点变位时刻，以评价被测继电保护装置的动作性能。

2、现有继电保护测试技术主要包括以下方式：一是根据历史故障录波文件生成测试波形，并通过继电保护测试仪进行故障波形回放；二是根据保护定值计算理论动作时间，将理论动作时间与接点实际变位对应的真实跳闸动作时间进行比较；三是对功放输出回路的实际电流进行采样，通过预期电流与实际电流之间的偏差评价测试波形的输出情况。

3、但是，上述现有技术仍存在以下不足：

4、1、数字侧生成的理想暂态波形主要反映故障场景的电流幅值及变化过程，未能将预期电流变化率与功率放大硬件在当前负载阻抗条件下的最大电流爬升率极限进行协同分析。当预期波形变化过快并超出功放执行能力时，实际输出波形容易发生失真，而现有测试结果难以明确该失真是否由硬件能力边界造成。

5、2、仅依据预期波形与实际波形之间的偏差或者理论动作时间与真实跳闸动作时间之间的偏差进行判断，难以区分波形偏差来源于预期指令超出硬件能力、硬件自身故障、外部接线开路或接触不良，还是被测继电保护装置本身的性能问题，因而可能影响测试结论的准确性。

6、3、数字侧的数据计算与硬件侧的数据采集、指令执行和状态反馈之间缺少统一时间基准及相互对应的状态表达，预期电流、实际输出电流、接点变位时刻和硬件能力参数难以在同一时间轴上完成约束对齐，不利于对测试过程中的异常状态进行实时识别。

7、4、当检测到波形失真时，现有测试流程通常缺少根据异常原因分别进行波形修正、动作时间评估容忍度调整或者测试功率回路封锁的处理机制，难以在排除硬件失真干扰后继续完成可信的继电保护测试。

技术实现思路

1、发明目的：提出一种融合数字孪生的继电保护智能测试系统及方法，对数字孪生侧的暂态输出需求与硬件执行侧的实际状态及能力边界进行同步和协同分析，以解决背景技术提出的上述问题。

2、本发明提出的一种融合数字孪生的继电保护智能测试系统，包括：数字孪生调度模块、硬件执行模块、同步时钟模块与被测继电保护装置；

3、所述同步时钟模块用于向所述数字孪生调度模块与所述硬件执行模块同步输出时钟信号，以建立统一时间基准；

4、所述数字孪生调度模块用于根据历史故障录波文件与被测继电保护装置定值单生成孪生预期电流瞬时值和孪生预期动作延时，基于所述孪生预期电流瞬时值及其一阶导数构建数字孪生暂态需求向量，根据累计能力缺口积分值和累计波形追踪误差积分值构建孪生-硬件协同可信度状态空间点，基于所述孪生-硬件协同可信度状态空间点识别高保真、能力越限或硬件异常的冲突类型，并根据所述冲突类型生成双向修正策略；

5、所述硬件执行模块用于采集功放实际输出电流值与真实跳闸动作时间，调取功放最大电流爬升率极限，基于所述功放实际输出电流值与所述功放最大电流爬升率极限构建硬件执行状态向量，接收所述数字孪生暂态需求向量以执行数模转换与功率放大，并响应修正后的预期电流瞬时值或硬件封锁指令；

6、所述数字孪生调度模块与所述硬件执行模块通过高速实时通信总线交换并对齐所述数字孪生暂态需求向量与所述硬件执行状态向量，并将修正后的预期电流瞬时值重新下发至所述硬件执行模块，持续更新所述孪生-硬件协同可信度状态空间点直至其回落至高保真协同区。

7、作为一个优选方案，所述数字孪生调度模块包括运算单元与存储单元；所述运算单元用于解析所述历史故障录波文件与所述被测继电保护装置定值单，按照所述统一时间基准插值生成连续的理想暂态波形序列，计算理论动作时间、所述累计能力缺口积分值和所述累计波形追踪误差积分值，并执行阈值判定逻辑或深度神经网络推理；所述存储单元用于固化存储训练完成后的所述深度神经网络的权重矩阵与偏置向量。

8、作为一个优选方案，所述硬件执行模块包括本地控制单元、模数转换接口、开关量输入接口、数模转换单元与功率放大回路；所述模数转换接口用于对所述功率放大回路的电流信号进行同步采样，所述开关量输入接口用于采集所述被测继电保护装置的接点变位时刻信号，所述硬件执行模块从非易失性存储单元中调取硬件出厂标定的所述功放最大电流爬升率极限，所述本地控制单元用于构建所述硬件执行状态向量，所述数模转换单元用于根据所述数字孪生暂态需求向量生成模拟驱动信号并输入所述功率放大回路。

9、作为一个优选方案，所述数字孪生调度模块还用于：针对所述能力越限，启用自适应低通滤波器对所述孪生预期电流瞬时值进行处理，削减波形中的超高频分量并生成修正后的预期电流瞬时值，根据所述累计波形追踪误差积分值动态调整所述孪生预期动作延时的评估容忍度；针对所述硬件异常，生成硬件封锁指令并触发告警信号；持续采集所述硬件执行模块的新的实际输出数据，更新所述孪生-硬件协同可信度状态空间点，并基于排除硬件失真干扰后的测试数据生成标准化测试报告。

10、本发明进一步提出一种基于以上公开的融合数字孪生的继电保护智能测试系统所实现的继电保护智能测试方法，该测试方法包括如下步骤：

11、所述同步时钟模块向所述数字孪生调度模块与所述硬件执行模块同步输出时钟信号，建立统一时间基准，并以故障起始时刻作为积分起始时间；

12、所述数字孪生调度模块根据历史故障录波文件与被测继电保护装置定值单，生成孪生预期电流瞬时值和孪生预期动作延时；所述硬件执行模块采集功放实际输出电流值与真实跳闸动作时间，并调取功放最大电流爬升率极限；

13、基于所述孪生预期电流瞬时值及其一阶导数构建数字孪生暂态需求向量，基于所述功放实际输出电流值与所述功放最大电流爬升率极限构建硬件执行状态向量，通过高速实时通信总线交换并对齐所述数字孪生暂态需求向量与所述硬件执行状态向量；

14、根据对齐后的参数分别计算累计能力缺口积分值和累计波形追踪误差积分值，并组合得到孪生-硬件协同可信度状态空间点；

15、基于所述孪生-硬件协同可信度状态空间点识别高保真、能力越限或硬件异常的冲突类型；

16、根据所述冲突类型执行双向修正策略，其中，对能力越限类型的所述孪生预期电流瞬时值进行低通滤波，并根据所述累计波形追踪误差积分值调整所述孪生预期动作延时的评估容忍度；对硬件异常类型生成硬件封锁指令并触发告警信号；

17、将修正后的预期电流瞬时值重新下发至所述硬件执行模块，持续更新所述孪生-硬件协同可信度状态空间点直至其回落至高保真协同区，记录所述真实跳闸动作时间并生成标准化测试报告。

18、作为一个优选方案，所述数字孪生调度模块根据历史故障录波文件与被测继电保护装置定值单，生成孪生预期电流瞬时值和孪生预期动作延时；所述硬件执行模块采集功放实际输出电流值与真实跳闸动作时间，并调取功放最大电流爬升率极限，具体包括：

19、所述数字孪生调度模块对所述历史故障录波文件与所述被测继电保护装置定值单进行解析，按照所述统一时间基准插值生成连续的理想暂态波形序列，并结合保护定值计算得到理论动作时间；其中，所述历史故障录波文件包含电力系统实际故障场景下的电压、电流时序采样数据，所述被测继电保护装置定值单包含保护动作电流阈值、动作延时整定参数和保护动作逻辑配置参数；

20、所述硬件执行模块通过模数转换接口对功率放大回路的电流信号进行同步采样，通过开关量输入接口采集所述被测继电保护装置的接点变位时刻信号，并从测试仪的非易失性存储单元中调取硬件出厂标定的所述功放最大电流爬升率极限；

21、输出孪生预期电流瞬时值、功放实际输出电流值、功放最大电流爬升率极限、孪生预期动作延时和真实跳闸动作时间；其中，为从所述故障起始时刻到所述被测继电保护装置理论动作时刻的时间差，为所述接点变位时刻与所述故障起始时刻的时间差。

22、作为一个优选方案，所述功放最大电流爬升率极限由产品出厂时完成标定并存储于测试仪本地；测试前，根据实际配置的硬件型号与负载参数调取对应数值，所述功放最大电流爬升率极限的取值范围为至。

23、作为一个优选方案，所述数字孪生暂态需求向量与所述硬件执行状态向量分别为：

24、

25、

26、式中，所述数字孪生调度模块对所述孪生预期电流瞬时值沿所述统一时间基准进行一阶求导，得到需求变化率；所述数字孪生暂态需求向量的第一维度和第二维度分别对应电流幅值需求与电流变化率需求，所述硬件执行状态向量的第一维度和第二维度分别对应硬件当前的实际输出状态与硬件的固有能力上限。

27、作为一个优选方案，所述通过高速实时通信总线交换并对齐所述数字孪生暂态需求向量与所述硬件执行状态向量，具体包括：

28、所述数字孪生调度模块通过所述高速实时通信总线将所述数字孪生暂态需求向量下发至所述硬件执行模块，作为数模转换单元的数字给定值，用于生成模拟驱动信号并输入功率放大回路；

29、所述硬件执行模块通过所述高速实时通信总线将所述硬件执行状态向量实时反馈至所述数字孪生调度模块；

30、分别提取所述需求变化率与所述功放最大电流爬升率极限，完成量纲匹配与时间轴对齐，并分别提取所述孪生预期电流瞬时值与所述功放实际输出电流值，得到对齐后的跨模块参数集合。

31、作为一个优选方案，分别计算累计能力缺口积分值和累计波形追踪误差积分值，并组合得到孪生-硬件协同可信度状态空间点：

32、

33、

34、

35、式中，为所述积分起始时间，为积分变量，所述累计能力缺口积分值的单位为安培，所述累计波形追踪误差积分值的单位为安培秒。

36、作为一个优选方案，采用阈值判定逻辑识别所述冲突类型，允许的最大波形误差积分阈值根据测试精度等级要求进行设定，取值范围为额定电流与测试时长乘积的至；当趋近于零且时，判定为高保真；当且时，判定为能力越限；当趋近于零且时，判定为硬件异常。

37、作为一个优选方案，采用深度神经网络推理识别所述冲突类型，所述深度神经网络部署于所述数字孪生调度模块的运算单元内，每经过一个采样周期完成一次推理；所述深度神经网络采用由输入层、第一隐藏层、第二隐藏层和输出层构成的四层全连接结构，所述输入层的节点数为2，分别对应所述累计能力缺口积分值与所述累计波形追踪误差积分值，所述第一隐藏层的节点数为16，所述第二隐藏层的节点数为8，所述输出层的节点数为3，分别输出所述高保真、所述能力越限和所述硬件异常的概率；第层的输出向量为：

38、

39、其中，为第层的输出向量，为第层的权重矩阵，为第层的偏置向量，为激活函数，所述第一隐藏层和所述第二隐藏层采用relu激活函数，所述输出层采用softmax激活函数。

40、作为一个优选方案，所述根据所述冲突类型执行双向修正策略，具体包括：

41、针对所述高保真，不对测试波形进行干预，将所述孪生预期动作延时与所述真实跳闸动作时间进行比对，若二者的偏差超出预设的合格阈值，则判定所述被测继电保护装置性能不合格；

42、针对所述能力越限，启用自适应低通滤波器对所述孪生预期电流瞬时值进行处理，削减波形中的超高频分量并生成修正后的预期电流瞬时值，根据所述累计波形追踪误差积分值动态调整对所述孪生预期动作延时的评估容忍度，并输出修正后的预期动作时间容忍度参数；

43、针对所述硬件异常，生成所述硬件封锁指令，切断测试功率回路，并触发所述告警信号。

44、作为一个优选方案，所述记录所述真实跳闸动作时间并生成标准化测试报告，具体包括：

45、将所述修正后的预期电流瞬时值重新下发至所述硬件执行模块，由所述硬件执行模块执行数模转换与功率放大，所述数字孪生调度模块持续采集新的实际输出数据并更新所述孪生-硬件协同可信度状态空间点，直至所述孪生-硬件协同可信度状态空间点回落至所述高保真协同区；记录最终稳态的所述真实跳闸动作时间，并基于排除硬件失真干扰后的测试数据生成所述标准化测试报告，所述标准化测试报告包含测试波形比对结果、保护装置动作时间参数、状态空间点变化轨迹以及异常排查结论。

46、与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：

47、（1）本技术通过累计能力缺口积分值表征预期电流变化率持续超出功放最大电流爬升率极限的程度，并通过累计波形追踪误差积分值表征实际输出波形相对于预期波形的累计失真程度；将二者组合为孪生-硬件协同可信度状态空间点，能够同时反映指令对硬件能力的压榨程度和实际波形的失真程度，从而为异常原因识别提供相互关联的量化依据。

48、（2）本技术既可采用阈值判定逻辑进行冲突类型识别，也可采用以累计能力缺口积分值和累计波形追踪误差积分值为输入的深度神经网络进行识别。其中，阈值判定逻辑能够满足常规测试场景的判定需求，深度神经网络能够利用历史状态样本中的分布规律处理工况复杂、边界样本较多的测试场景，从而提高冲突类型识别方式对不同测试工况的适应性。

49、（3）针对能力越限状态，本技术利用自适应低通滤波器削减预期波形中的超高频分量，并根据累计波形追踪误差积分值动态调整预期动作延时的评估容忍度，使修正后的指令与功放执行能力相适应，同时减少因硬件能力限制对被测继电保护装置产生误判的可能。