直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺的測試系統(tǒng)研究

吳述超，周紹元，喬記陽，魏民權，張寶華

直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺的測試系統(tǒng)研究

吳述超，周紹元，喬記陽，魏民權，張寶華

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺的好壞直接影響到直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，硬件平臺的現(xiàn)場檢測是驗證其好壞最快速、有效的手段。結合各個板卡的功能特點和性能，提出了直流輸電控制系統(tǒng)MACH2硬件平臺的測試系統(tǒng)方案。該測試系統(tǒng)基于板卡替換原理，通過軟、硬件結合的方式對板卡的功能和性能進行檢測，實現(xiàn)對MACH2目標插件的檢測。實際應用效果表明該測試系統(tǒng)能正確完成MACH2硬件平臺板卡的功能和性能測試，測試操作簡單，測試結果可靠，提高了硬件平臺運行的可靠性和穩(wěn)定性。

高壓直流輸電；MACH2硬件平臺；測試系統(tǒng)；功能測試；板卡替換原理

0 引言

直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺測試系統(tǒng)是保證直流輸電控制保護系統(tǒng)安全可靠運行的一種重要的測試工具。隨著MACH2硬件平臺在直流輸電工程中的廣泛應用，更多的現(xiàn)場設備需要得到更及時的檢修、測試，設備維護的及時性等因素對直流輸電控制保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行的影響越來越大，所以對MACH2平臺測試系統(tǒng)的需求越來越迫切。本文介紹了直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺的測試系統(tǒng)的總體設計思想、詳細設計方案以及應用分析。

1 測試系統(tǒng)的總體設計

1.1 MACH2硬件平臺系統(tǒng)

直流輸電控制系統(tǒng)MACH2硬件平臺由主機系統(tǒng)和分布式I/O系統(tǒng)組成。主機系統(tǒng)構建于高性能工控機。分布式I/O系統(tǒng)主要負責模擬量的采集和數(shù)字量（開關狀態(tài)和開關命令）的傳輸，采集的模擬量和數(shù)字量分別通過TDM總線和CAN總線傳送到主機系統(tǒng)的DSP板卡。

1.2 測試方案

該測試系統(tǒng)采用的是離線測試方法，用于MACH2板卡的故障檢測，對板卡進行功能性檢查，確認板卡功能、精度是否滿足設計要求。

將MACH2硬件平臺中的各種板卡組成一套板卡相互聯(lián)系緊密的測試系統(tǒng)，并設計了人機交互界面，使測試系統(tǒng)操作性更好、測試結果顯示更直觀。

該測試系統(tǒng)原理如圖1所示，測試系統(tǒng)由主機系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)和HMI組成。主機系統(tǒng)配置有處理器板卡，用于數(shù)據(jù)處理以及與I/O系統(tǒng)、HMI的通信；I/O系統(tǒng)中包含模擬量板卡、數(shù)字量板卡、通信板卡和微處理器板卡；MACH2主機系統(tǒng)與HMI工作站通過網(wǎng)線連接，通過HMI監(jiān)視界面進行測試操作以及觀察測試結果；與I/O機箱的連接采用CAN總線和TDM總線，兩個I/O機箱均連接到CAN總線和TDM總線。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖

測試系統(tǒng)上各個組件按照一定的規(guī)則組成一個能夠獨立運行的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測試到每個組件（或板卡）的功能、精度等參數(shù)。

板卡進行測試時，用待測板卡替換指定位置板卡，裝載相應的測試代碼，然后根據(jù)測試步驟的提示操作完成測試。測試系統(tǒng)將測試信息上傳給后臺計算機HMI，通過HMI測試界面顯示測試信息。用戶可根據(jù)顯示的信息判斷板卡是否正常。

2 測試系統(tǒng)硬件設計

MACH2硬件平臺測試系統(tǒng)由一臺工控機、兩臺I/O機箱以及一臺HMI服務器組成。工控機為MACH2主機，主機與HMI服務器相連，完成測試命令的下發(fā)以及測試結果的上送。HMI服務器是一臺安裝了HMI程序的個人計算機。

MACH2主機和I/O機箱安裝在測試柜中。兩臺I/O機箱分別命名為RACK1和RACK2，RACK1和RACK2配置了相關I/O板卡，實現(xiàn)板卡的測試功能。除了MACH2主機和I/O機箱之外，測試柜中還包括供電系統(tǒng)、工控機輸入輸出設備、測試端子以及照明設備等部分。設計完成的測試柜整體布局簡化圖如圖2所示。其中F11、F12、F18為空氣開關。X111～X215為測試端子，模擬量板卡所需激勵量均從接線端子上輸入。

圖2 M2TEST-100測試系統(tǒng)布局圖

3 測試系統(tǒng)軟件設計

MACH2系統(tǒng)的程序開發(fā)環(huán)境是Hidraw。Hidraw是一種圖形化的編程工具。

3.1MACH2主機系統(tǒng)軟件設計

主機系統(tǒng)軟件結構包括MAINCPU程序設計和PCI板卡程序設計兩部分。

3.1.1 MAINCPU程序設計

MAINCPU程序設計包括主應用程序調(diào)度（MAIN）、應用程序通信接口（COMM）。該程序的流程圖如圖3所示。主應用程序調(diào)度主要實現(xiàn)應用程序的配置、PCI板卡配置以及符號表定義。

圖3 MAINCPU程序流程圖

應用程序通信接口（COMM）功能主要包括：模擬量數(shù)據(jù)接收、計算與上傳，數(shù)字量數(shù)據(jù)接收與上傳以及PCI板卡、I/O板卡通信狀態(tài)信息接收。

3.1.2 PCI板卡程序設計

PCI板卡不僅與TDM和CAN總線通信以及狀態(tài)監(jiān)視功能；還與雙端口RAM數(shù)據(jù)交換，完成模擬量的采集和處理。

PCI板卡程序與I/O板卡進行通信，通過CAN總線和TDM總線接口接收開關量和模擬量，并對數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理采用了巴特沃斯低通濾波和傅里葉級數(shù)計算，處理好的數(shù)據(jù)通過DPM上傳至MAINCPU；PCI板卡程序流程圖如圖4所示。

圖4 PCI程序流程圖

PCI主應用程序主要實現(xiàn)應用程序的配置、CAN通信接口配置、DSP的配置、板卡與總線狀態(tài)監(jiān)視與信息上傳以及CAN總線測試數(shù)據(jù)的接收和處理等。

DSP的配置是根據(jù)應用的需要完成PCI板卡6個DSP的加載及初始化。該測試系統(tǒng)配置了DSP1和DSP2，DSP1處理來自RACK1的模擬量數(shù)據(jù)，DSP2處理來自RACK2的模擬量數(shù)據(jù)。

板卡與總線狀態(tài)監(jiān)視與信息上傳。此功能完成DSP狀態(tài)、TDM總線狀態(tài)、CAN總線狀態(tài)以及總線上各個板卡狀態(tài)的監(jiān)視，并將狀態(tài)信息上送到HMI界面。

3.2 I/O板卡軟件設計

I/O板卡應用程序的功能是測試交、直流模擬量板卡和數(shù)字量板卡。

模擬量板卡程序功能是采集外部的交、直流模擬量，對采集到的模擬量進行A/D轉換，并通過通信總線將數(shù)據(jù)上送至主機系統(tǒng)的DSP板卡。該程序的流程圖如圖5所示。

圖5模擬量IO程序流程圖

數(shù)字量板卡程序功能是將數(shù)字量輸出板卡和輸入板卡組成一個環(huán)路進行測試，并將測試結果上送給主機系統(tǒng)。該程序的流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)字量IO程序流程圖

3.3 HMI應用程序設計

HMI應用程序是MACH2測試系統(tǒng)中用戶交互控制的主要界面。

顯示界面的內(nèi)容包括測試結果，顯示重要的測試系統(tǒng)狀態(tài)信息，如DSP運行狀態(tài)、CAN通信狀態(tài)和TDM通信狀態(tài)等；分界面要求有測試步驟的提示功能，方便測試人員操作。

根據(jù)I/O機箱的配置圖及需要顯示的信息，應用程序主界面如圖7所示。

HMI界面左上角的DSP1、DSP2為工控機上PCI板卡的工作狀態(tài)，TDM1、TDM2為測試系統(tǒng)中TDM通信情況。

HMI界面右上角是狀態(tài)指示說明，綠色表示正常，紅色表示故障，灰色表示無效狀態(tài)。

HMI界面上Rack1、Rack2分別代表I/O機箱1、2，Rack1、Rack2的第1行數(shù)字為板卡所在的機箱的槽號，第2行數(shù)字為該位置板卡在測試程序中的CAN節(jié)點號。

HMI界面中Rack1、Rack2上方的指示燈表示該板卡的CAN通信檢測結果，下方的指示燈表示該板卡功能測試結果。

數(shù)字量板卡的測試結果顯示到主界面上，主界面上有CAN總線狀態(tài)和測試結果指示燈。模擬量板卡的測試較復雜，設計了測試子項的顯示界面。

圖7應用程序主界面

4 實例分析

4.1通信總線和數(shù)字量板卡測試

給測試系統(tǒng)上電，大約5 min后，MACH2主機和I/O機箱正常運行，測試系統(tǒng)自動完成數(shù)字量板卡的測試，通信總線和數(shù)字量板卡的測試結果上傳至HMI。

觀察HMI界面，得到測試結果如圖8所示。DSP1、DSP2、TDM1、TDM2和各個CAN節(jié)點的狀態(tài)指示燈均為綠色，表示通信總線正常。RACK1的槽位12、13和RACK2的槽位10、11、12的“測試結果”指示燈均為綠色，表示數(shù)字量板卡測試功能正常。

圖8 測試結果

4.2 模擬量板卡測試

以XS862L板卡為例進行測試介紹以及測試結果分析。

單擊HMI界面中的機箱RACK2的XS862L，進入XS862L測試界面。單擊XS862L測試界面的“設置基準值”，在通道1~4基準值欄輸入該板卡的測試基準值。通道1~4的誤差值自動計算并顯示在誤差欄里。

使用信號源給XS862L的四個通道施加直流電流1.414 A，實際測量值和誤差如圖9所示。XS862L是直流信號測量板，根據(jù)板卡設計要求，通道的誤差應在±0.003之間，由圖9可知，該板卡四個通道的誤差均在±0.003之間，所以得出結論，測試功能滿足測試要求。

圖9 測試結果

5 結論

本文詳細介紹了一種用于MACH2硬件平臺功能故障檢測的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)目前已經(jīng)應用到向上特高壓直流輸電工程的備品備件板卡和故障板卡的檢測，不僅為故障板卡維修提供依據(jù)，提高了特高壓直流輸電工程運行的可靠性和穩(wěn)定性，也為直流輸電控制保護系統(tǒng)硬件平臺測試的發(fā)展提供一定的借鑒方法。

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Design of hardware platform test system of HVDC control system

WU Shu-chao, ZHOU Shao-yuan, QIAO Ji-yang, WEI Min-quan, ZHANG Bao-hua

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China)

The stand or fall of control system hardware platform directly affects the safe and stable operation of HVDC transmission system. Field testing is the most rapid and effective means of verifying that hardware platform.According to the features and performance of each board,the scheme of test system of HVDC control hardware platform of MACH2 system is put forward.The test system is based on the board replacement principle.The functionality and performance of the board are tested by means of a combination of software and hardware. The practical testing application shows that the test system can correctly perform the function and performance testing of the board of MACH2 hardware platform. The test system is easy to opearte and the result is reliable. At the same time, reliability and stability of the hardware platform operation will be improved.

high voltage direct current transmission; MACH2 hardware platform; test system; function testing; board replacement principle

TM721

A

1674-3415(2014)15-0123-05

2014-03-10

吳述超（1979-），男，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化的研究和開發(fā)工作；E-mail: wushuchao@ sina.com

周紹元(1973-)，男，本科，工程師，從事直流輸電控制保護相關產(chǎn)品的設計和測試；

喬記陽（1983-），男，碩士，工程師，主要從事高壓直流輸電研究和開發(fā)工作。