基于LabVIEW 的繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

王 宏，王永波，韓春雪，黃 強

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250101）

0 引言

繼電保護測試儀是繼電保護裝置調(diào)試和檢測的重要儀器，其精度直接影響繼電保護裝置能否按預(yù)定定值動作［1］。因此，繼電保護測試儀須定期檢測、校準或檢定［2-3］，如有超差，須調(diào)整精度，滿足要求后，才能投入使用。

繼電保護測試儀檢測分為數(shù)字量的檢測和模擬量的檢測/校準。數(shù)字量檢測一般使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，或者光數(shù)字繼電保護測試儀檢測系統(tǒng)［4-6］。與常規(guī)模擬儀器不同，根據(jù)繼電保護測試儀行業(yè)標準［7-8］的要求，繼電保護測試儀模擬量的檢測/校準項目有十幾項甚至更多，需要使用多個標準器組合完成檢測/校準。繼電保護測試儀一般配置三相或六相電壓/電流通道，另有8個開關(guān)量通道。

為提高檢測效率，已有部分計量機構(gòu)使用一體式繼電保護測試儀自動檢測裝置，大大縮短測試時間。文獻［9］以數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）為核心進行繼電保護測試儀檢定系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并采用加窗插值快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）算法對采樣數(shù)值進行分析計算，在循環(huán)多次后達到同步采樣，設(shè)計測試系統(tǒng)對繼電保護測試儀的主要性能進行分析測試。文獻［10］采用電流互感器、電壓互感器對繼電保護測試儀的輸出信號進行采樣隔離，通過外設(shè)部件互連標準（peripheral component interconnect，PCI）采集卡與計算機連接，并采用LabVIEW 作為數(shù)據(jù)處理和控制平臺，實現(xiàn)對繼電保護測試儀電壓、電流、相位等參數(shù)的自動測試。文獻［11］將DSP 和嵌入式工控機架構(gòu)設(shè)計結(jié)合，開發(fā)繼電保護測試儀檢定系統(tǒng)，并對繼電保護測試儀的主要參數(shù)進行測試。一體式繼電保護測試儀自動檢測裝置采用多個傳感器、集成A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器，選用特定數(shù)據(jù)處理算法，對繼電保護測試儀進行自動測試，但其精度、穩(wěn)定性和測試范圍與國際主流標準器相比還有一定差距。

文獻［12］采用儀器TFG5010T、TDS2024 測試繼電保護測試儀，并采用模擬鍵盤控制和仿真打印機解決測試儀器與計算機的通信問題，實現(xiàn)自動控制測試儀器對繼電保護測試儀進行測試，但其解決方案已不適用于目前的國際主流測試儀器。

基于國內(nèi)外計量機構(gòu)常用的國際主流標準器，設(shè)計繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)，按照預(yù)定測試流程自動完成繼電保護測試儀各通道各項目的測試，自動生成測試報告等。不僅節(jié)省繼電保護測試儀的大量檢測/校準時間，無須另外購置一體式自動測試儀器，而且精度、穩(wěn)定性和測試范圍與所采用的國際主流標準器一致，滿足國內(nèi)外各種繼電保護測試儀的檢測/校準要求，可應(yīng)用于國內(nèi)外各計量機構(gòu)。

1 繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)功能

根據(jù)校準標準［8］要求，繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)主要檢測/校準功能包括：交流電壓校準、交流電流校準、直流電壓校準、直流電流校準、三相電源對稱性、相位校準、時間校準等。交流電壓校準、交流電流校準的項目又包含幅值、幅頻特性、響應(yīng)速度和諧波畸變率。

該系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)定的測試項目和測試點，自動控制繼電保護測試儀輸出規(guī)定的電氣量，采集對應(yīng)標準器的測試值，在人機界面顯示測試值并自動生成測試報告，報告模板、項目、測點均支持用戶自定義。數(shù)據(jù)分析功能可根據(jù)標準要求對數(shù)據(jù)進行超差評估等。實現(xiàn)整個測試過程全程自動化，節(jié)省大量測試和報告編寫時間。

2 自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動檢測系統(tǒng)硬件

繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)的硬件由計算機、國內(nèi)外通用標準器、輸出轉(zhuǎn)換裝置、接口轉(zhuǎn)換器和繼電保護測試儀組成。各通用標準器的接口可為RS232 接口、IEEE-488 接口、以太網(wǎng)口或USB 接口。標準器與繼電保護測試儀的電氣量采用電纜連接。標準器選用萬分之一等級三相比較儀、高精度萬用表、示波器和時間間隔發(fā)生器。

繼電保護測試儀的輸出電壓/電流為三相或六相，而萬用表、示波器等標準器僅支持單相測試，因此設(shè)計輸出轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)測試順序依次把繼電保護測試儀電壓/電流各相通道與萬用表、示波器等標準器的單通道相連。輸出轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)選用接觸電阻小、通流大的繼電器，滿足電流和電壓計量測試的要求。硬件系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1 繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)硬件Fig.1 Hardware diagram of automatic testing system for relay protection tester

2.2 自動檢測系統(tǒng)軟件

2.2.1 虛擬儀器LabVIEW

LabVIEW 是測試控制領(lǐng)域常用的程序開發(fā)環(huán)境［13-15］，其函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、通用接口總線（general purpose interface bus，GPIB）、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。大多數(shù)主流測試儀器都有LabVIEW 的驅(qū)動程序，而LabVIEW 也包含各種適用于測試測量領(lǐng)域的工具包。

繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)涉及多種通用標準器的采集控制，多種數(shù)據(jù)接口，且測量項目和測量數(shù)據(jù)相對較多，因此選用LabVIEW 作為開發(fā)環(huán)境，能夠快速搭建自動檢測系統(tǒng)軟件。且LabVIEW 作為自動檢測系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外計量機構(gòu)的通用測試儀器［16］。

2.2.2 自動檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

自動檢測系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，該軟件分為三大模塊：用戶管理模塊、檢測/校準模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。用戶管理模塊包括用戶登錄、用戶界面兩個子模塊。檢測/校準模塊包括交流電壓校準、交流電流校準、直流電壓校準、直流電流校準、三相電源對稱性、相位校準、時間校準等。數(shù)據(jù)分析模塊包括數(shù)據(jù)存儲、報告生成和數(shù)據(jù)分析。軟件設(shè)計如圖2所示。

程序運行，系統(tǒng)首先完成初始化，而后測試員進入用戶登錄界面，不同人員設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限，如測試、核驗、批準等。用戶界面如圖3所示。

圖3 用戶界面Fig.3 User interface

根據(jù)繼電保護測試儀實際電壓電流通道選擇測試通道。點擊“自動測試”按鈕，程序?qū)凑兆髠?cè)進度欄的測試項目，逐個項目、逐個測點進行自動測試，流程如圖4 所示。在測試模板中開始第一個測試項目，讀取測試點，控制繼電保護測試儀輸出被測參數(shù)，延時后，采集測試該項目標準器的測試數(shù)據(jù)，并在用戶界面顯示，同時把數(shù)據(jù)插入報告模板中。一個項目的所有測點測試完成后，進入下一個測試項目，并采集對應(yīng)項目標準器的測試數(shù)據(jù)，直到所有測試項目自動測試完畢。

圖4 自動檢測校準流程Fig.4 Automatic testing and calibration process

在手動測試時，可以強制選擇任一測試點，點擊“手動測試”即可單獨測試該測點。在不同的測試項目下可以觀察到相應(yīng)的數(shù)據(jù)和波形信號。測試項目和測試點的設(shè)計參考電力行業(yè)標準［8］推薦的測試項目和測點，也可以根據(jù)用戶的需要設(shè)置所需測點。

如果中途需要中斷測試，單擊“停止測試”按鈕。點擊“保存數(shù)據(jù)”，在下一次測試前點擊“恢復(fù)數(shù)據(jù)”，即可繼續(xù)測試。點擊“保存報告”，會按照預(yù)先設(shè)定的報告模板自動生成測試校準報告。

2.3 儀器通信

2.3.1 LabVIEW 與RS232串口通信

繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)集成多種測試儀器，各測試儀器的通信接口不同，因此需要實現(xiàn)計算機與各種接口的通信。

串行通信是工業(yè)中常用的一種數(shù)據(jù)傳輸方式，目前大多數(shù)儀器儀表都是使用串口通信。該測量系統(tǒng)中通過RS232串口實現(xiàn)LabVIEW 與高精度萬用表等儀器的通信。

LabVIEW 中的虛擬儀器軟件架構(gòu)（virtual instruments software architecture，VISA）節(jié)點用于串口通信。VISA 的I/O 控制功能適用于各種儀器類型，包括串口儀器、GPIB 儀器等各類儀器的控制操作，對VISA 使用者來說，不同類型儀器的使用在形式和方法上相同。常用的VISA 函數(shù)包括VISA 打開、VISA 配置串口、VISA 設(shè)備清零、VISA 寫入、VISA讀取、VISA 關(guān)閉。LabVIEW 與萬用表通過VISA 節(jié)點進行串口通信，如圖5和圖6所示。

圖5 LabVIEW 與RS232通信程序Fig.5 Communication program of LabVIEW and RS232

圖6 LabVIEW 與RS232通信前面板Fig.6 Communication front panel of LabVIEW and RS232

2.3.2 LabVIEW 與GPIB接口通信

GPIB 接口是一種傳輸總線協(xié)議，它的主要功能是實現(xiàn)智能控制器與可編程系列儀器之間的數(shù)據(jù)通信，本文選擇GPIB 轉(zhuǎn)接卡作為控制計算機與標準儀器的通信工具。工作原理為：計算機通過GPIB-USB接口連接三相比較儀，利用計算機來控制三相比較儀的運行，并讀取和存儲其測量數(shù)據(jù)。

LabVIEW 中有專門用于控制GPIB 設(shè)備的驅(qū)動模塊，可以實現(xiàn)對GPIB 儀器的自動控制，常用的GPIB 函數(shù)包括GPIB 讀取、GPIB 寫入，可以基本實現(xiàn)儀器的自動控制，如對儀器進行設(shè)置、數(shù)據(jù)的讀寫等。GPIB 模塊驅(qū)動直流電壓和交流電流測量程序如圖7 所示。若要實現(xiàn)其他電力參數(shù)的測量，只需要將“命令代碼”部分改為所要求的可編程儀器標準命令（standard commands for programmable instruments，SCPI）。

圖7 COM3003 GPIB模塊驅(qū)動程序Fig.7 Module driver of COM3003 GPIB

2.3.3 LabVIEW 與繼電保護測試儀的通信接口

繼電保護測試儀廠家較多，國內(nèi)國外產(chǎn)品均在送檢范圍內(nèi)。因此自動檢測系統(tǒng)對多廠家多型號的繼電保護測試儀實現(xiàn)自動調(diào)用是實現(xiàn)自動檢測繼電保護測試儀的關(guān)鍵。

繼電保護測試儀廠家提供的接口方式有傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）、動態(tài)鏈接庫（dynamic-link library，DLL）等。

TCP/IP 作為網(wǎng)絡(luò)通信的標準，是當今使用最多的協(xié)議。TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)模式包括瀏覽器/服務(wù)器（browser/server,B/S）結(jié)構(gòu)和客戶機/服務(wù)器（client/server，C/S）結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用的是C/S 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是響應(yīng)速度快、可靠性高，是應(yīng)用軟件中常用的結(jié)構(gòu)模式。在LabVIEW 中，TCP通信的過程為：

1）服務(wù)器端通過主機名或IP地址與端口號建立偵聽，等待客戶端連接。

2）客戶端根據(jù)主機的IP地址和端口號發(fā)送連接請求，待服務(wù)器與客戶端建立連接后，通過讀寫函數(shù)就可以進行TCP數(shù)據(jù)通信。

LabVIEW 中為網(wǎng)絡(luò)通信提供基于傳輸控制協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（transmission control protocol/user data protocol，TCP/UDP）的通信函數(shù)供用戶調(diào)用［17］。在客戶端，通過打開TCP 連接函數(shù)打開TCP 連接，端口必須與服務(wù)器端指定的端口相匹配。讀取指定連接的數(shù)據(jù)，第一個讀取TCP 數(shù)據(jù)函數(shù)采集數(shù)據(jù)的大小，如數(shù)據(jù)大?。ㄓ煞?wù)器指定）大于0，則第二個讀取TCP 數(shù)據(jù)函數(shù)讀取數(shù)據(jù)。使用寫入TCP 數(shù)據(jù)發(fā)送單個字符至服務(wù)器，表明客戶端已停止。用戶單擊停止或發(fā)生錯誤時，TCP連接將關(guān)閉。如服務(wù)器端關(guān)閉連接，可能發(fā)生某些錯誤代碼。該情況下，忽略可能發(fā)生的錯誤并彈出顯示服務(wù)器關(guān)閉連接的對話框。

在服務(wù)器端，客戶端在指定端口連接時，TCP 偵聽虛擬儀器（virtual instrument，VI）生成連接引用，客戶端有30 s 時間進行連接，之后服務(wù)器將超時。第一個寫入TCP 數(shù)據(jù)指定發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，第二個寫入TCP 數(shù)據(jù)函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。讀取TCP 數(shù)據(jù)函數(shù)檢查客戶端是否寫入數(shù)據(jù)，如寫入數(shù)據(jù)，則客戶端通知服務(wù)器停止執(zhí)行。用戶單擊停止或發(fā)生錯誤時，關(guān)閉TCP連接。

為實現(xiàn)不同廠家、不同接口方式的繼電保護測試儀均可與LabVIEW 通信，設(shè)計繼電保護測試儀自動檢測接口程序。該程序可實現(xiàn)測試儀型號選擇、設(shè)備連接、設(shè)置測試儀輸出參數(shù)、啟動輸出、斷開設(shè)備連接等功能。

2.4 誤差分析

基于LabVIEW 的自動檢測系統(tǒng)對繼電保護測試儀測試數(shù)據(jù)進行管理及分析［18-20］。數(shù)據(jù)庫可存儲同一臺繼電保護測試儀的多次檢測校準數(shù)據(jù)，通過對校準數(shù)據(jù)進行比較分析，可對繼電保護測試儀的運行情況進行評估和預(yù)測。

以交流電壓偏差為例，設(shè)校準標準的顯示數(shù)據(jù)為UN，繼電保護測試儀交流電壓輸出值為UX。

交流電壓輸出值的絕對誤差為

交流電壓輸出值的相對誤差為

基準工作條件下，輸出電壓的幅值為0～120 V、頻率為50 Hz 時，輸出交流電壓UX的基本誤差應(yīng)滿足［8］：UX≤2 V 時，絕對誤差不超過±4 mV；2 V＜UX≤120 V時，相對誤差不超過±0.2%。

在數(shù)據(jù)分析模塊中，萬用表采集的電壓數(shù)據(jù)根據(jù)式（1）和式（2）得到電壓誤差值，將其與標準要求的電壓幅值誤差進行比較。若實際電壓誤差超出標準規(guī)定的電壓誤差，過限警告燈會亮起，此數(shù)據(jù)在報告中會標注。

原始記錄和報告中的數(shù)據(jù)來自檢測/校準模塊，不可人為改動。如果人為改動，將在原始記錄中標注修改人的賬號和修改時間，以滿足實驗室認可機構(gòu)對原始記錄數(shù)據(jù)修改的要求。

3 自動檢測系統(tǒng)的性能指標

自動檢測系統(tǒng)整合多個國際通用標準器，實現(xiàn)對繼電保護測試儀的自動測試。系統(tǒng)的性能指標完全滿足行業(yè)標準要求。

以交流電壓校準為例，自動檢測系統(tǒng)在重復(fù)性條件下對微機型繼電保護測試儀進行10 次交流電壓的測試，交流電壓實測值是10 次測試值的平均值，計算擴展不確定度，如表1所示。

表1 交流電壓測量結(jié)果Table 1 Test results of AC voltage

由表1 可見，交流電壓不確定度小于0.023%。根據(jù)行業(yè)標準［8］對校準標準裝置的要求，校準標準裝置的擴展不確定度應(yīng)為被校繼電保護測試儀各輸出功能和測量功能所運行誤差的1/3～1/5。被測繼電保護測試儀的交流電壓誤差為0.1%，自動檢測系統(tǒng)的擴展不確定度0.023%，完全滿足行業(yè)標準要求。

基于LabVIEW 的繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)能夠根據(jù)行業(yè)標準要求對交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流、相位、時間、諧波等指標進行高精度校準，不確定度均滿足行業(yè)標準要求。根據(jù)測試項目和測試點的數(shù)量不同，自動測試比手動測試節(jié)約2/3以上測試時間。

4 結(jié)束語

基于LabVIEW 的繼電保護測試儀自動檢測系統(tǒng)，通過自動控制繼電保護測試儀輸出規(guī)定的電氣量，采集多種國際通用標準器的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)校準規(guī)范要求，自動檢測校準繼電保護測試儀，并自動生成測試報告，進行數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)節(jié)省大量用于檢測繼電保護測試儀和編寫測試報告的時間，采用國際通用標準器的精度、穩(wěn)定性和測試范圍，可滿足國內(nèi)外各種繼電保護測試儀的檢測/校準要求。

采用該系統(tǒng)自動校準繼電保護測試儀的電壓、頻率、相位等，試驗結(jié)果表明，自動校準的擴展不確定度完全符合繼電保護測試儀相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求。該系統(tǒng)還可以擴展到其他二次測試設(shè)備的檢測校準，實現(xiàn)各項目的自動測試，提高測試效率，具有很大的推廣意義。