繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓春雪,李艷萍,羅東岳,劉業(yè)春

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

繼電保護(hù)裝置是在國家電網(wǎng)中大規(guī)模使用的、對電網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)的裝置[1]。國內(nèi)外大量實(shí)例證明,涉及停電范圍較廣的大型系統(tǒng)事故,大多與繼電保護(hù)裝置的不正確動作有關(guān)系[2]。為了保證繼電保護(hù)裝置的安全、可靠運(yùn)行,必須對繼電保護(hù)裝置的定值進(jìn)行合理設(shè)定,并定期對其進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。電力系統(tǒng)中,對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行調(diào)試和定期檢驗(yàn)的主要儀器是繼電保護(hù)測試儀。目前,市場上的繼電保護(hù)測試儀種類繁多,產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。繼電保護(hù)測試儀是標(biāo)準(zhǔn)值傳遞設(shè)備。隨著外界環(huán)境的變化和時(shí)間的推移,繼電保護(hù)測試儀的性能指標(biāo)會降低。因此,對繼電保護(hù)測試儀的定期檢驗(yàn)具有重要意義[4-7]。

根據(jù)繼電保護(hù)測試儀行業(yè)校準(zhǔn)規(guī)范要求,繼電保護(hù)測試儀模擬量校準(zhǔn)項(xiàng)目有十幾項(xiàng),并且需要多臺標(biāo)準(zhǔn)器組合才能完成校準(zhǔn)。目前,我國計(jì)量機(jī)構(gòu)大多采用傳統(tǒng)檢測方法對繼電保護(hù)測試儀進(jìn)行檢測。這種檢測方式精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。但是,繼電保護(hù)測試儀模擬量校準(zhǔn)項(xiàng)目較多,同時(shí)配置了三相或六相電壓/電流通道,另有8個(gè)開關(guān)量通道。因此,檢測1臺繼電保護(hù)測試儀所用的時(shí)間是常規(guī)儀器的3～5倍[8]。為了提高檢測效率,繼電保護(hù)測試儀自動檢測裝置應(yīng)運(yùn)而生[9]。但該裝置在精度、穩(wěn)定性和測試范圍方面與國際主流標(biāo)準(zhǔn)器存在一定的差距[10]。

因此,本文結(jié)合繼電保護(hù)測試儀自動檢測裝置的設(shè)計(jì)思想,研制了基于虛擬儀器技術(shù)的繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠提高檢測效率、減少人工操作造成的測量誤差,還可以對檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行信息化處理。該系統(tǒng)采用國際主流標(biāo)準(zhǔn)器。其精度、穩(wěn)定性和測量范圍滿足國內(nèi)外繼電保護(hù)測試儀的檢測要求,可應(yīng)用于國內(nèi)外計(jì)量機(jī)構(gòu)。

1 自動檢測系統(tǒng)功能

繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[11]。該軟件分為3個(gè)模塊,分別為用戶管理模塊、檢測/校準(zhǔn)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。用戶管理模塊包括用戶登錄和用戶界面這2個(gè)子模塊。檢測/校準(zhǔn)模塊具有交流電壓校準(zhǔn)、交流電流校準(zhǔn)、直流電壓校準(zhǔn)、直流電流校準(zhǔn)、三相電源對稱性、移相相位校準(zhǔn)、時(shí)間校準(zhǔn)等功能。數(shù)據(jù)分析模塊具有數(shù)據(jù)存儲、報(bào)告生成和數(shù)據(jù)分析功能。

繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)定的校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)點(diǎn)[12],自動調(diào)用繼電保護(hù)測試儀以輸出相應(yīng)的電氣量。LabVIEW讀取各標(biāo)準(zhǔn)器的測量數(shù)據(jù),對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并將結(jié)果展示在用戶界面。

自動檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能。

①檢測標(biāo)準(zhǔn)化。各項(xiàng)目的測試流程由系統(tǒng)開發(fā)人員進(jìn)行制定,檢測執(zhí)行人員不能修改,以防人工讀取數(shù)據(jù)誤差。

②全自動控制被測設(shè)備。通過制定的統(tǒng)一通信規(guī)約,系統(tǒng)能全自動調(diào)用多廠家、多型號的繼電保護(hù)測試儀。

③全自動或半自動完成檢測。在完成初始接線后,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測過程全自動化。對于需要單獨(dú)或重新檢測的項(xiàng)目,系統(tǒng)可強(qiáng)制選擇測點(diǎn)。

④一鍵式生成檢測報(bào)告。系統(tǒng)可自主設(shè)置檢測報(bào)告模式,并可調(diào)用和保存報(bào)告;在所有檢測項(xiàng)目完成后,可一鍵生成檢測報(bào)告。

2 自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)、繼電保護(hù)測試儀、各通用標(biāo)準(zhǔn)器、輸出轉(zhuǎn)換裝置、接口轉(zhuǎn)換器這5個(gè)部分組成,是集控制、采集、處理、存儲、分析、顯示、保存為一體的綜合檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足高精度、通用性、自動化、模塊化和可擴(kuò)展性要求。

自動檢測系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 自動檢測系統(tǒng)硬件組成

圖1中:虛線箭頭指主控計(jì)算機(jī)通過接口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對測試儀器、輸出轉(zhuǎn)換裝置和測試儀的自動控制;實(shí)線箭頭指測試儀輸出的電壓、電流等電氣量通過輸出轉(zhuǎn)換裝置傳輸給測試儀器,由測試儀器進(jìn)行測量。

①主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)整體的控制與監(jiān)視,儀器的自動控制,測量數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和存儲,以及檢測報(bào)告的生成與管理等。因?yàn)椴煌瑯?biāo)準(zhǔn)器的通信接口不同,所以主控計(jì)算機(jī)與儀器之間的通信需要不同的通信工具。其中:通用接口總線(general purpose interface bus,GPIB)-通用串行總線(universal serial bus,USB)接口用于計(jì)算機(jī)與三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表COM3003之間的數(shù)據(jù)通信;RS-232轉(zhuǎn)USB線用于計(jì)算機(jī)與高精度萬用表DMM4020之間的數(shù)據(jù)通信;繼電保護(hù)測試儀與各通用標(biāo)準(zhǔn)器使用電纜連接。

②通用標(biāo)準(zhǔn)器。通用標(biāo)準(zhǔn)器由德國ZERA三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表COM3003以及泰克高精度萬用表DMM4020、示波器TDS2024組成。其中,COM3003是高精度測量設(shè)備,具有極高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,主要用于三相電壓和電流的幅值、頻率、直流分量、相位、總諧波畸變率、紋波系數(shù)等穩(wěn)態(tài)參數(shù)的測量。DMM4020提供了5.5位分辨率,可以以0.015%的精度測量電壓、電阻和電流。TDS2024帶寬為200 MHz,最高采樣率為2×109B/s,主要用于測量電壓/電流的響應(yīng)速度、合閘相位角等暫態(tài)參數(shù)。

③輸出轉(zhuǎn)換裝置。繼電保護(hù)測試儀的輸出是三相或六相。萬用表和示波器僅支持單相測試,測試時(shí)需要頻繁地拆接線,工作效率低下。因此,本文設(shè)計(jì)了18路繼電器控制板,以控制繼電保護(hù)測試儀的電氣量按照檢測順序依次輸出至萬用表和示波器的單相通道。

3 自動檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形編程平臺,具有圖形化的編程環(huán)境、豐富的函數(shù)集成庫、易于與測試儀器進(jìn)行組網(wǎng)、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn),已逐漸成為虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺的主流軟件。本文設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)測試儀檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)項(xiàng)目較多,所以采用模塊化編程的方式生成多個(gè)虛擬儀器(virtual instrument,VI)程序,以便用戶界面統(tǒng)一調(diào)用。

3.1 基本設(shè)計(jì)思想

自動檢測系統(tǒng)借助LabVIEW軟件平臺開發(fā)。

繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)初始化完成之后,測試員進(jìn)入用戶登錄界面,輸入正確的賬號和密碼之后進(jìn)入用戶界面。點(diǎn)擊用戶界面上的“自動檢測”按鈕,可以進(jìn)入自動檢測程序。程序?qū)凑粘绦騿T設(shè)定的檢測順序?qū)λ袦y試項(xiàng)目和測試點(diǎn)逐個(gè)運(yùn)行。程序首先讀取測試項(xiàng)目和測試點(diǎn),然后調(diào)用測試儀的接口程序控制測試儀輸出相應(yīng)的電氣量。電氣量經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換裝置與標(biāo)準(zhǔn)器連接成試驗(yàn)回路。經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)后,控制標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行自動測量并讀取測量數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示在用戶界面。

完成所有測試項(xiàng)目后,測試員點(diǎn)擊“手動檢測”按鈕,可以強(qiáng)制選擇任意測試項(xiàng)目下的任意測試點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)測試。檢測完成后,測試員點(diǎn)擊“保存報(bào)告”按鈕,可以將檢測結(jié)果保存到預(yù)先設(shè)定的報(bào)告模板中。不滿足校準(zhǔn)規(guī)范要求的檢測點(diǎn)用陰影標(biāo)注。

3.2 通信模塊

本文設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)集成了3臺通用標(biāo)準(zhǔn)器。各通用標(biāo)準(zhǔn)器的通信接口不同。三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表COM3003的通信接口是GPIB接口。泰克示波器TDS2024的通信接口是USB接口。泰克高精度萬用表DMM4020的通信接口是RS-232。計(jì)算機(jī)要與具有不同通信接口的測試儀器進(jìn)行通信。

3.2.1 LabVIEW與GPIB接口設(shè)備通信

GPIB是1種傳輸總線協(xié)議。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)智能控制器與可編程系列儀器之間的通信。GPIB接口使用簡單、傳輸速率高,因而被廣泛應(yīng)用于智能儀器控制中。GPIB接口是當(dāng)前應(yīng)用普遍、技術(shù)先進(jìn)的程控儀器接口,是自動測試系統(tǒng)中不可缺少的部分。GPIB接口主要把系統(tǒng)中的智能儀器連接成為整體,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)通信。

LabVIEW中有GPIB驅(qū)動模塊,可以實(shí)現(xiàn)對GPIB儀器的自動控制。GPIB驅(qū)動主要使用平鋪式順序結(jié)構(gòu)。不同于其他結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流,當(dāng)所有連線至幀的數(shù)據(jù)都可用時(shí),平鋪式順序結(jié)構(gòu)的幀按照從左至右的順序執(zhí)行。每幀執(zhí)行完畢后,數(shù)據(jù)被傳遞至下1幀。程序的平鋪式順序結(jié)構(gòu)分為2幀:第一幀是將顯示控件初始化為空值;第二幀是對COM3003的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3.2.2 LabVIEW與RS232接口設(shè)備通信

串口通信是常用的數(shù)據(jù)傳輸方法。目前,大多數(shù)下位機(jī)和儀器等使用的是串口通信。串口通信在應(yīng)用上已經(jīng)非常成熟。串口通信流程是:首先,初始化配置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等;然后,向寄存器或者某個(gè)封裝好的串口讀寫函數(shù)中讀取或?qū)懭雽?yīng)的數(shù)據(jù)。LabVIEW中有專門的虛擬儀器軟件架構(gòu)(virtual instruments software architecture,VISA)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動模塊。其中,使用較多的VISA函數(shù)包括VISA配置串口、VISA打開、VISA設(shè)備清零、VISA寫入、VISA讀取、VISA關(guān)閉等。其中,VISA配置串口右鍵新建輸入常量,可配置端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式等。

3.2.3 LabVIEW與USB接口設(shè)備通信

在LabVIEW中,儀器驅(qū)動程序是1組與儀器通信的VI程序。每個(gè)VI程序?qū)?yīng)1個(gè)編程操作,如配置、讀取、寫入和觸發(fā)儀器等。示波器TDS2024驅(qū)動程序首先使用前面板上指定的串行配置和VISA資源名稱來初始化儀器;然后調(diào)用“自動配置VI”,針對所需的測量動作進(jìn)行儀器配置;最后使用 “配置連續(xù)獲取波形VI”來配置儀器的持續(xù)運(yùn)行設(shè)置。儀器配置完成后,程序調(diào)用“獲取波形VI”讀取波形數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。測量完成后,程序?qū)⒄{(diào)用“關(guān)閉VI”,開始執(zhí)行儀器錯(cuò)誤查詢操作并終止軟件與儀器的連接。程序調(diào)用簡易錯(cuò)誤處理器,以查看是否發(fā)生了錯(cuò)誤。

4 自動檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo)

目前,繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成,并進(jìn)入功能測試階段。采用繼電保護(hù)測試儀輸出信號的有效值、頻率、相位的相對誤差,并以此作為評價(jià)指標(biāo),可以判斷繼電保護(hù)測試儀是否滿足校準(zhǔn)規(guī)范。系統(tǒng)在測試時(shí)使用北京博電繼電保護(hù)測試儀PW366作為故障信號發(fā)生裝置,以對繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)。

根據(jù)《繼電保護(hù)測試儀校準(zhǔn)規(guī)范》(DLT 1153—2012)規(guī)定的條件,本文設(shè)置繼電保護(hù)測試儀50 Hz頻率下的輸出交流電壓(交流電壓的輸出校準(zhǔn)點(diǎn)可選擇為2 V、10 V、57.74 V、100 V、120 V)。其基本誤差不超過±0.2%。

交流電壓測量結(jié)果如表1所示。

表1 交流電壓測量結(jié)果

由表1可知,繼電保護(hù)測試儀輸出交流電壓相對誤差均小于0.2%,繼電保護(hù)測試儀滿足校準(zhǔn)規(guī)范。

本文設(shè)置繼電保護(hù)測試儀50 Hz頻率下的輸出交流電流(交流電流的輸出校準(zhǔn)點(diǎn)可選擇為0.1 A、0.2 A、0.5 A、1.0 A、5.0 A、10.0 A、15.0 A)。其基本誤差不超過±0.2%。

交流電流測量結(jié)果如表2所示。

表2 交流電流測量結(jié)果

由表2可知,繼電保護(hù)測試儀輸出交流電流相對誤差均小于0.2%,繼電保護(hù)測試儀滿足校準(zhǔn)規(guī)范。

本文測量繼電保護(hù)測試儀輸出相電壓和相電流相位,設(shè)定電壓為100 V、電流為5 A,并改變輸出相位,以三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表COM3003測量輸出相位。相位校準(zhǔn)點(diǎn)可選取0°、30°、60°、90°、90°、180°、270°。基準(zhǔn)工作條件下,允許偏差不大于±0.2°。

移相相位測量結(jié)果如表3所示。

表3 移相相位測量結(jié)果

由表3可知,繼電保護(hù)測試儀輸出相電壓與相電流的相位差小于允許偏差0.2°。該結(jié)果滿足校準(zhǔn)規(guī)范。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了繼電保護(hù)測試儀自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過準(zhǔn)確、高效的自動化檢測,使用戶能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)測試儀的性能缺陷,從而保障了繼電保護(hù)測試的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)檢定精度高、通用性強(qiáng)、工作方式靈活、人機(jī)界面友好。該系統(tǒng)模塊化程度高,通過修改、添加被檢定設(shè)備子程序,可應(yīng)用于其他二次測量設(shè)備的檢測校準(zhǔn)。該系統(tǒng)具有實(shí)際的推廣價(jià)值。