基于容器的故障錄波仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余 乾 魯振威 王 亮 侯學(xué)勇 張 杰

基于容器的故障錄波仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余 乾 魯振威 王 亮 侯學(xué)勇 張 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

本文針對(duì)故障錄波裝置測(cè)試環(huán)境復(fù)雜、測(cè)試效率低、自動(dòng)化測(cè)試難度大的問(wèn)題，提出基于容器的故障錄波仿真測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)各模塊共享硬件，依托同一操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過(guò)守護(hù)進(jìn)程將各個(gè)模塊的應(yīng)用程序和必要環(huán)境進(jìn)行封裝隔離，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源、多層次的故障錄波仿真測(cè)試。應(yīng)用實(shí)例表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障錄波裝置閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試，提高測(cè)試效率。

故障錄波；自動(dòng)測(cè)試；多數(shù)據(jù)源；多層次；波形回放

0 引言

隨著電網(wǎng)日趨復(fù)雜化和智能化，故障錄波器在電力系統(tǒng)故障分析中扮演著越來(lái)越重要的角色，其通過(guò)記錄電力系統(tǒng)大擾動(dòng)發(fā)生前后系統(tǒng)電參量的變化過(guò)程及繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為，為繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作行為、設(shè)備故障分析提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的故障錄波測(cè)試系統(tǒng)一般需借助外部的數(shù)字信號(hào)測(cè)試儀、被測(cè)故障錄波裝置、模擬主站系統(tǒng)、同步時(shí)鐘等，通過(guò)較復(fù)雜的組網(wǎng)形成，具有組網(wǎng)復(fù)雜、測(cè)試效率低、測(cè)試周期長(zhǎng)、復(fù)用性差、復(fù)雜故障模擬難度大、錄波文件信息無(wú)法提取等缺點(diǎn)，不利于故障錄波的可靠完善測(cè)試。

文獻(xiàn)[1-4]對(duì)故障錄波裝置的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]分析采用故障錄波文件回放的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)較常規(guī)動(dòng)/靜模檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[6-7]研究了波形重現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種故障模擬再現(xiàn)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]提出統(tǒng)一考慮波形縮放的波形顯示曲線(xiàn)縱坐標(biāo)計(jì)算方法。文獻(xiàn)[9]將實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）結(jié)果、動(dòng)模試驗(yàn)波形和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的故障波形以COMTRADE（common format for transient data exchange）的數(shù)據(jù)格式通過(guò)測(cè)試儀回放成模擬波形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繼電保護(hù)裝置的測(cè)試。文獻(xiàn)[10-11]提出基于RTDS的故障錄波測(cè)試方法及數(shù)字化錄波測(cè)試方法。以上測(cè)試方法及系統(tǒng)均需借助外部設(shè)備，未利用故障錄波裝置自身的硬件條件，因此本文設(shè)計(jì)一種組網(wǎng)簡(jiǎn)單、操作便捷、復(fù)用性高的故障錄波仿真測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基于X86板卡，采用X86+片上系統(tǒng)（system on chip, SOC）插件模式，通過(guò)PCIe（peripheral component interconnect express）總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。操作系統(tǒng)運(yùn)行于X86板卡內(nèi)，各應(yīng)用模塊以容器方式共享硬件，并依托同一操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過(guò)守護(hù)進(jìn)程進(jìn)行隔離，最終實(shí)現(xiàn)各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)故障錄波裝置的自動(dòng)測(cè)試。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)硬件主要包括電源、CPU、主板、內(nèi)存、硬盤(pán)、外部接口等。外部接口包括對(duì)時(shí)接口（接收外部時(shí)鐘信號(hào)）、視頻圖形陣列（video graphics array, VGA）接口（外置顯示）、通用串行總線(xiàn)（universal serial bus, USB）接口（鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、U盤(pán)）、采樣值（sampled value, SV）/面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）報(bào)文發(fā)送接口、SV/GOOSE報(bào)文接收接口及制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）通信接口（與反饋判別模塊及上位機(jī)通信）、開(kāi)出接口等。系統(tǒng)硬件示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件示意圖

與傳統(tǒng)故障錄波測(cè)試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)無(wú)需借助外部測(cè)試儀、模擬主站系統(tǒng)、同步時(shí)鐘等，通過(guò)裝置內(nèi)不同的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn)故障錄波自動(dòng)測(cè)試需求。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用容器技術(shù)，系統(tǒng)中的各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，封裝成標(biāo)準(zhǔn)化組件，擺脫與系統(tǒng)之間的緊耦合關(guān)系，能在多種主流系統(tǒng)中運(yùn)用，可移植性強(qiáng)。本文的仿真測(cè)試系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、故障錄波模塊和輸出信號(hào)采集校驗(yàn)?zāi)K，各模塊以容器方式共享硬件，并依托同一操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過(guò)共享緩存或虛擬IP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互模塊確定仿真數(shù)據(jù)來(lái)源，并將與仿真數(shù)據(jù)來(lái)源對(duì)應(yīng)的配置信息下發(fā)至信號(hào)發(fā)生模塊和故障錄波模塊；信號(hào)發(fā)生模塊對(duì)接收到的配置信息進(jìn)行解析，通過(guò)軟件模擬及同步控制產(chǎn)生數(shù)字報(bào)文，并發(fā)送至故障錄波模塊；故障錄波模塊對(duì)接收到的配置信息進(jìn)行解析，接收數(shù)字報(bào)文，生成過(guò)程特性分析軟件包（packet capture, PCAP）報(bào)文文件并存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)配置信息對(duì)挑選的錄波模擬量通道和開(kāi)關(guān)量通道數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和計(jì)算啟動(dòng)分析，生成COMTRADE波形文件并存儲(chǔ)，輸出啟動(dòng)報(bào)文及節(jié)點(diǎn)信息至輸出信號(hào)采集校驗(yàn)?zāi)K；輸出信號(hào)采集校驗(yàn)?zāi)K在接收到啟動(dòng)報(bào)文后，讀取錄波文件，同時(shí)接入故障錄波模塊的開(kāi)出信號(hào)，進(jìn)行報(bào)文比對(duì)、錄波文件分析、啟動(dòng)信息提取、故障信息提取，形成測(cè)試報(bào)告后發(fā)送至人機(jī)交互模塊。

人機(jī)交互模塊的功能模式有3種：母版文件模式、COMTRADE再現(xiàn)模式和PCAP再現(xiàn)模式。母版文件模式是指通過(guò)部署在人機(jī)交互模塊里的配置工具導(dǎo)入解析智能站統(tǒng)一配置模型文件，挑選需要仿真的SV數(shù)據(jù)塊、GOOSE數(shù)據(jù)塊，并依次挑選SV數(shù)據(jù)塊下的模擬量通道、GOOSE控制塊下的開(kāi)關(guān)量通道，同時(shí)將通道映射到信號(hào)發(fā)生模塊的通道里面（可以多個(gè)通道映射到信號(hào)發(fā)生模塊的同一通道），保存生成母版文件和通道映射配置文件。在人機(jī)交互模塊的控制界面依次建立設(shè)定多個(gè)狀態(tài)的輸出值及時(shí)間，生成控制序列文本。最后將母版文件、通道映射配置文件、控制序列文本發(fā)送到信號(hào)發(fā)生模塊，再將通道映射配置文件發(fā)送到故障錄波模塊。COMTRADE再現(xiàn)模式是指提取錄波CFG文件里的模擬量通道系數(shù)、一二次系數(shù)、原始采樣點(diǎn)碼值、一二次值標(biāo)識(shí)、通道標(biāo)志，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成二次值或者一次值。對(duì)于數(shù)字站利用標(biāo)準(zhǔn)9-2碼值轉(zhuǎn)換關(guān)系（9-2報(bào)文的一個(gè)碼值對(duì)應(yīng)10mV或者1mA）即可把所有采樣點(diǎn)值轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)SV報(bào)文輸出；對(duì)于常規(guī)采樣裝置，可通過(guò)額定測(cè)量量與額定數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)量通道變位發(fā)生時(shí)間可由原始波形文件中的相對(duì)時(shí)間獲得，通過(guò)解析原始波形文件獲得不同的延時(shí)，保證輸出的開(kāi)關(guān)量變位時(shí)刻與原始波形一致。PCAP再現(xiàn)模式是指通過(guò)導(dǎo)入報(bào)文并解析，將解析的結(jié)果存放于文件中，運(yùn)用軟件模擬控制實(shí)現(xiàn)數(shù)字報(bào)文重現(xiàn)，并通過(guò)報(bào)文接口輸出，供其他模塊或系統(tǒng)使用。

通過(guò)上述流程，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)故障錄波的閉環(huán)測(cè)試。軟件執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 軟件執(zhí)行流程

2 應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合波形，對(duì)COMTRADE再現(xiàn)模式進(jìn)行應(yīng)用過(guò)程展示。為便于對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速修改和仿造，應(yīng)用過(guò)程中所用的波形均為ASCII格式。通過(guò)波形分析工具從原始的COMTRADE波形中選取需要再現(xiàn)的模擬量通道和開(kāi)關(guān)量通道，選擇另存為ASCII格式，本文以PCS996RF_RCD_32_20160701_ 173242_708_F波形為例，依次選擇6個(gè)模擬量通道和7個(gè)開(kāi)關(guān)量通道進(jìn)行波形轉(zhuǎn)存，轉(zhuǎn)存后可以看到各采樣序號(hào)的模擬量值及開(kāi)關(guān)量值。模擬量通道原始采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，開(kāi)關(guān)量通道采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

指定需要回放的目標(biāo)通道，建立待回放通道與目標(biāo)通道的映射關(guān)系，通道映射如圖4所示。將另存波形的模擬量通道1～6依次映射到被測(cè)裝置的模擬量通道1、3、5、7、9、11，開(kāi)關(guān)量通道1～7依次映射到被測(cè)裝置的開(kāi)關(guān)量通道2、4、6、8、10、12、14。

表1 模擬量通道原始采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)

表2 開(kāi)關(guān)量通道采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖4 通道映射

至此，單個(gè)波形前期處理及映射完畢，其他波形依次處理。在波形轉(zhuǎn)換的過(guò)程中提供波形的批量轉(zhuǎn)換SelectChan.js腳本，可以快速實(shí)現(xiàn)波形的批量另存（默認(rèn)以故障序號(hào)作為另存波形的文件名），提高自動(dòng)測(cè)試配置效率。

腳本在NodeJS環(huán)境下運(yùn)行，執(zhí)行步驟如下：

1）在腳本中配置源波形文件夾和目標(biāo)波形文件夾、源通道序號(hào)和目標(biāo)通道序號(hào)。

2）執(zhí)行腳本 node SelectChan.js。

3）腳本依次解析源波形CFG和DAT文件，按照設(shè)定參數(shù)提取指定通道的配置和數(shù)據(jù)生成新的CFG和DAT文件，并保存到設(shè)定的目標(biāo)文件夾。

將批量處理的波形文件的CFG文件、DAT文件、HDR文件存放于裝置的波形數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)批量回放做準(zhǔn)備。波形庫(kù)文件列表見(jiàn)表3。

表3 波形庫(kù)文件列表

其中，轉(zhuǎn)存后波形文件名序號(hào)范圍為1～32 767，可不連續(xù)，不帶前導(dǎo)0。

回放過(guò)程中保持回放新波形各采樣點(diǎn)二次值與原始波形各采樣點(diǎn)二次值一致，便于查看對(duì)比分析，各個(gè)通道的回放系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：為原始通道系數(shù)，來(lái)源于轉(zhuǎn)存后波形CFG文件；為額定測(cè)量量對(duì)應(yīng)的碼值，來(lái)源于被測(cè)裝置的配置文件；為額定測(cè)量量，來(lái)源于被測(cè)裝置的配置文件；為原始通道的量綱，如V、kV等，來(lái)源于轉(zhuǎn)存后波形CFG文件，使用時(shí)V用數(shù)字1代替，kV用數(shù)字1 000代替；為一二次轉(zhuǎn)換系數(shù)，若轉(zhuǎn)存后波形CFG文件中“一二次數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)”為“S”或“s”，則為1，若轉(zhuǎn)存后波形CFG文件中“一二次數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)”為“P”或“p”，則=/，其中為額定二次值，為額定一次值，均來(lái)源于轉(zhuǎn)存后波形CFG文件。

回放開(kāi)始前，設(shè)置回放控制參數(shù)，選擇不同的回放模式，具體的回放控制參數(shù)含義見(jiàn)表4。

當(dāng)選擇批量回放模式時(shí)，set_simu_fid開(kāi)始置-1，回放開(kāi)始后實(shí)時(shí)顯示正在回放的波形編號(hào)，回放結(jié)束后置0。

表4 回放控制參數(shù)含義

假定原始波形的A段錄波時(shí)間為T(mén)ime_A、B段錄波時(shí)間為T(mén)ime_B，被測(cè)錄波裝置的A段錄波時(shí)間為Simu_A，B段錄波時(shí)間為Simu_B，控制參數(shù)設(shè)置示例如圖5所示。

圖5 控制參數(shù)設(shè)置示例

為保證回放產(chǎn)生的新波形完全包含原始波形數(shù)據(jù)，set_simu_pre、set_simu_pos的設(shè)置建議遵行以下原則（以50Hz為例）。

回放過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)視回放過(guò)程，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，輸出錯(cuò)誤代碼，以便快速排查解決問(wèn)題，提高效率。錯(cuò)誤代碼釋義見(jiàn)表5。

至此，原始COMTRADE波形解析結(jié)束，通過(guò)設(shè)置控制參數(shù)進(jìn)行單次回放或批量回放。故障錄波裝置的采樣模塊接收回放的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、幅值計(jì)算、錄波啟動(dòng)、故障分析，重新生成COMTRADE波形文件并存儲(chǔ)，輸出啟動(dòng)報(bào)文及節(jié)點(diǎn)信息至輸出信號(hào)采集校驗(yàn)?zāi)K，然后對(duì)報(bào)文信息、COMTRADE文件進(jìn)行計(jì)算、提取、比對(duì)等，形成最終的測(cè)試報(bào)告。

通過(guò)COMTRADE文件的HDR文件[12-13]可以啟動(dòng)錄波信息、故障測(cè)距信息等，下面對(duì)波形RM2201B_RCD1_03835_20221216_140752_197_F進(jìn)行錄波啟動(dòng)信息及測(cè)距信息提取展示。錄波啟動(dòng)信息見(jiàn)表6，故障信息見(jiàn)表7。

表5 錯(cuò)誤代碼釋義

表6 錄波啟動(dòng)信息

通過(guò)讀取錄波CFG文件記錄的每個(gè)采樣通道的通道乘數(shù)與偏移加數(shù)，結(jié)合DAT文件里記錄每個(gè)點(diǎn)的原始采樣值，可通過(guò)+計(jì)算出模擬量的每個(gè)錄波點(diǎn)的實(shí)際值。通過(guò)CFG文件中模擬量頻率及采樣率，可計(jì)算每周期采樣點(diǎn)數(shù)=采樣率/模擬量頻率，這樣就可以通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)計(jì)算周期信號(hào)的幅值與相位。對(duì)于某一個(gè)不含直流分量的信號(hào)可描述為[2]

結(jié)合一個(gè)周期的所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)后，a、b的值可通過(guò)式（5）、式（6）計(jì)算。

式中：x為錄波文件記錄的每個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際值；為每周期采樣點(diǎn)數(shù)。

進(jìn)而可得到單個(gè)頻率波形的表達(dá)式為

依次對(duì)原始波形和回放波形的模擬量幅值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行幅值比對(duì)。幅值比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表8。整個(gè)波形回放測(cè)試流程如圖6所示。

針對(duì)故障錄波的大短路電流、故障測(cè)距等測(cè)試對(duì)注入的故障量有一定要求，通過(guò)常規(guī)的試驗(yàn)儀加量無(wú)法滿(mǎn)足，需要搭建RTDS系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬。此類(lèi)測(cè)試的測(cè)試環(huán)境復(fù)雜且需要專(zhuān)業(yè)的RTDS設(shè)備及技術(shù)人員，為簡(jiǎn)化測(cè)試環(huán)境及測(cè)試門(mén)檻，可以采用文中波形批量回放的方法完成相關(guān)試驗(yàn)并形成自動(dòng)測(cè)試報(bào)告。

表8 幅值比對(duì)結(jié)果

圖6 波形回放測(cè)試流程

自動(dòng)測(cè)試報(bào)告主要包含4部分內(nèi)容：基本信息、測(cè)試結(jié)論、定值清單、測(cè)試項(xiàng)目。其中，基本信息主要包含裝置型號(hào)、軟件版本等，測(cè)試報(bào)告基本信息如圖7所示。

圖7 測(cè)試報(bào)告基本信息

測(cè)試結(jié)論給出本次自動(dòng)測(cè)試是否通過(guò)的整體結(jié)論；定值清單列出裝置自動(dòng)測(cè)試用到的全部定值，定值清單如圖8所示（僅截圖部分定值）。

圖8 定值清單

測(cè)試項(xiàng)目是針對(duì)各個(gè)測(cè)試用例羅列的詳細(xì)信息，主要包括測(cè)試用例修改的定值、輸入、輸出及本測(cè)試用例測(cè)試結(jié)論。通過(guò)對(duì)收集的RTDS波形進(jìn)行批量回放，自動(dòng)進(jìn)行測(cè)距結(jié)果比對(duì)及誤差計(jì)算。測(cè)距結(jié)果比對(duì)見(jiàn)表9。

表9 測(cè)距結(jié)果比對(duì)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于容器的故障錄波仿真測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)需借助外部試驗(yàn)儀、主站系統(tǒng)、同步時(shí)鐘等，無(wú)需復(fù)雜組網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源、多層次的故障錄波仿真測(cè)試，解決了故障錄波裝置大短路電流及故障測(cè)距等復(fù)雜測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試難度大的問(wèn)題，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、操作便捷、復(fù)用性高的特點(diǎn)，大大提高了故障錄波裝置的自動(dòng)測(cè)試效率，降低了自動(dòng)測(cè)試難度，提高了裝置的開(kāi)發(fā)效率。

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Design and implementation of simulation test system for fault recorder based on container

YU Qian LU Zhenwei WANG Liang HOU Xueyong ZHANG Jie

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211100)

Aiming at the problems of complex test environment, low test efficiency and difficult automatic test of fault recording device, this paper proposes a container-based fault recording simulation test system. In the system, all modules share hardware and rely on the same operating system kernel to package and isolate the application programs of each module and necessary environment through daemon process, achieving multi-data source, multi-level fault recording simulation test. The application example shows that the system can realize the closed-loop automatic test of the fault recording device and improve the test efficiency.

fault recorder; automatic test; multiple data sources; multiple levels; waveform playback

2023-06-30

2023-08-09

余 乾（1988—），男，湖北省黃岡市人，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研發(fā)工作。