继电保护测试仪自动检测系统设计

韩春雪,李艳萍,罗东岳,刘业春

(山东建筑大学信息与电气工程学院,山东 济南 250101)

0 引言

继电保护装置是在国家电网中大规模使用的、对电网进行严格保护的装置[1]。国内外大量实例证明,涉及停电范围较广的大型系统事故,大多与继电保护装置的不正确动作有关系[2]。为了保证继电保护装置的安全、可靠运行,必须对继电保护装置的定值进行合理设定,并定期对其进行检验[3]。电力系统中,对继电保护装置进行调试和定期检验的主要仪器是继电保护测试仪。目前,市场上的继电保护测试仪种类繁多,产品质量参差不齐。继电保护测试仪是标准值传递设备。随着外界环境的变化和时间的推移,继电保护测试仪的性能指标会降低。因此,对继电保护测试仪的定期检验具有重要意义[4-7]。

根据继电保护测试仪行业校准规范要求,继电保护测试仪模拟量校准项目有十几项,并且需要多台标准器组合才能完成校准。目前,我国计量机构大多采用传统检测方法对继电保护测试仪进行检测。这种检测方式精度高、稳定性强。但是,继电保护测试仪模拟量校准项目较多,同时配置了三相或六相电压/电流通道,另有8个开关量通道。因此,检测1台继电保护测试仪所用的时间是常规仪器的3～5倍[8]。为了提高检测效率,继电保护测试仪自动检测装置应运而生[9]。但该装置在精度、稳定性和测试范围方面与国际主流标准器存在一定的差距[10]。

因此,本文结合继电保护测试仪自动检测装置的设计思想,研制了基于虚拟仪器技术的继电保护测试仪自动检测系统。该系统不仅能够提高检测效率、减少人工操作造成的测量误差,还可以对检测数据和结果进行信息化处理。该系统采用国际主流标准器。其精度、稳定性和测量范围满足国内外继电保护测试仪的检测要求,可应用于国内外计量机构。

1 自动检测系统功能

继电保护测试仪自动检测系统软件采用模块化设计[11]。该软件分为3个模块,分别为用户管理模块、检测/校准模块和数据分析模块。用户管理模块包括用户登录和用户界面这2个子模块。检测/校准模块具有交流电压校准、交流电流校准、直流电压校准、直流电流校准、三相电源对称性、移相相位校准、时间校准等功能。数据分析模块具有数据存储、报告生成和数据分析功能。

继电保护测试仪自动检测系统可以根据预定的校准项目和校准点[12],自动调用继电保护测试仪以输出相应的电气量。LabVIEW读取各标准器的测量数据,对测量数据进行分析处理并将结果展示在用户界面。

自动检测系统能够实现以下功能。

①检测标准化。各项目的测试流程由系统开发人员进行制定,检测执行人员不能修改,以防人工读取数据误差。

②全自动控制被测设备。通过制定的统一通信规约,系统能全自动调用多厂家、多型号的继电保护测试仪。

③全自动或半自动完成检测。在完成初始接线后,系统能够实现检测过程全自动化。对于需要单独或重新检测的项目,系统可强制选择测点。

④一键式生成检测报告。系统可自主设置检测报告模式,并可调用和保存报告;在所有检测项目完成后,可一键生成检测报告。

2 自动检测系统硬件设计

继电保护测试仪自动检测系统硬件由计算机、继电保护测试仪、各通用标准器、输出转换装置、接口转换器这5个部分组成,是集控制、采集、处理、存储、分析、显示、保存为一体的综合检测系统。该系统满足高精度、通用性、自动化、模块化和可扩展性要求。

自动检测系统硬件组成如图1所示。

图1 自动检测系统硬件组成

图1中:虚线箭头指主控计算机通过接口转换器实现对测试仪器、输出转换装置和测试仪的自动控制;实线箭头指测试仪输出的电压、电流等电气量通过输出转换装置传输给测试仪器,由测试仪器进行测量。

①主控计算机。主控计算机负责检测系统整体的控制与监视,仪器的自动控制,测量数据的采集、处理、显示和存储,以及检测报告的生成与管理等。因为不同标准器的通信接口不同,所以主控计算机与仪器之间的通信需要不同的通信工具。其中:通用接口总线(general purpose interface bus,GPIB)-通用串行总线(universal serial bus,USB)接口用于计算机与三相标准功率电能表COM3003之间的数据通信;RS-232转USB线用于计算机与高精度万用表DMM4020之间的数据通信;继电保护测试仪与各通用标准器使用电缆连接。

②通用标准器。通用标准器由德国ZERA三相标准功率电能表COM3003以及泰克高精度万用表DMM4020、示波器TDS2024组成。其中,COM3003是高精度测量设备,具有极高的准确度和稳定性,主要用于三相电压和电流的幅值、频率、直流分量、相位、总谐波畸变率、纹波系数等稳态参数的测量。DMM4020提供了5.5位分辨率,可以以0.015%的精度测量电压、电阻和电流。TDS2024带宽为200 MHz,最高采样率为2×109B/s,主要用于测量电压/电流的响应速度、合闸相位角等暂态参数。

③输出转换装置。继电保护测试仪的输出是三相或六相。万用表和示波器仅支持单相测试,测试时需要频繁地拆接线,工作效率低下。因此,本文设计了18路继电器控制板,以控制继电保护测试仪的电气量按照检测顺序依次输出至万用表和示波器的单相通道。

3 自动检测系统软件设计

LabVIEW是美国NI公司开发的图形编程平台,具有图形化的编程环境、丰富的函数集成库、易于与测试仪器进行组网、开发成本低等优点,已逐渐成为虚拟仪器设计平台的主流软件。本文设计的继电保护测试仪检测系统校准项目较多,所以采用模块化编程的方式生成多个虚拟仪器(virtual instrument,VI)程序,以便用户界面统一调用。

3.1 基本设计思想

自动检测系统借助LabVIEW软件平台开发。

继电保护测试仪自动检测系统流程如图2所示。

图2 继电保护测试仪自动检测系统流程图

系统初始化完成之后,测试员进入用户登录界面,输入正确的账号和密码之后进入用户界面。点击用户界面上的“自动检测”按钮,可以进入自动检测程序。程序将按照程序员设定的检测顺序对所有测试项目和测试点逐个运行。程序首先读取测试项目和测试点,然后调用测试仪的接口程序控制测试仪输出相应的电气量。电气量经输出转换装置与标准器连接成试验回路。经过一定时间的延时后,控制标准器进行自动测量并读取测量数据。测量数据经数据处理后显示在用户界面。

完成所有测试项目后,测试员点击“手动检测”按钮,可以强制选择任意测试项目下的任意测试点进行单独测试。检测完成后,测试员点击“保存报告”按钮,可以将检测结果保存到预先设定的报告模板中。不满足校准规范要求的检测点用阴影标注。

3.2 通信模块

本文设计的继电保护测试仪自动检测系统集成了3台通用标准器。各通用标准器的通信接口不同。三相标准功率电能表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。泰克高精度万用表DMM4020的通信接口是RS-232。计算机要与具有不同通信接口的测试仪器进行通信。

3.2.1 LabVIEW与GPIB接口设备通信

GPIB是1种传输总线协议。它的主要功能是实现智能控制器与可编程系列仪器之间的通信。GPIB接口使用简单、传输速率高,因而被广泛应用于智能仪器控制中。GPIB接口是当前应用普遍、技术先进的程控仪器接口,是自动测试系统中不可缺少的部分。GPIB接口主要把系统中的智能仪器连接成为整体,以实现整个系统的正常数据通信。

LabVIEW中有GPIB驱动模块,可以实现对GPIB仪器的自动控制。GPIB驱动主要使用平铺式顺序结构。不同于其他结构的数据流,当所有连线至帧的数据都可用时,平铺式顺序结构的帧按照从左至右的顺序执行。每帧执行完毕后,数据被传递至下1帧。程序的平铺式顺序结构分为2帧:第一帧是将显示控件初始化为空值;第二帧是对COM3003的测量数据进行采集。

3.2.2 LabVIEW与RS232接口设备通信

串口通信是常用的数据传输方法。目前,大多数下位机和仪器等使用的是串口通信。串口通信在应用上已经非常成熟。串口通信流程是:首先,初始化配置波特率、数据位、停止位等;然后,向寄存器或者某个封装好的串口读写函数中读取或写入对应的数据。LabVIEW中有专门的虚拟仪器软件架构(virtual instruments software architecture,VISA)节点驱动模块。其中,使用较多的VISA函数包括VISA配置串口、VISA打开、VISA设备清零、VISA写入、VISA读取、VISA关闭等。其中,VISA配置串口右键新建输入常量,可配置端口号、波特率、数据位、校验方式等。

3.2.3 LabVIEW与USB接口设备通信

在LabVIEW中,仪器驱动程序是1组与仪器通信的VI程序。每个VI程序对应1个编程操作,如配置、读取、写入和触发仪器等。示波器TDS2024驱动程序首先使用前面板上指定的串行配置和VISA资源名称来初始化仪器;然后调用“自动配置VI”,针对所需的测量动作进行仪器配置;最后使用 “配置连续获取波形VI”来配置仪器的持续运行设置。仪器配置完成后,程序调用“获取波形VI”读取波形数据进行测量。测量完成后,程序将调用“关闭VI”,开始执行仪器错误查询操作并终止软件与仪器的连接。程序调用简易错误处理器,以查看是否发生了错误。

4 自动检测系统的性能指标

目前,继电保护测试仪自动检测系统已经开发完成,并进入功能测试阶段。采用继电保护测试仪输出信号的有效值、频率、相位的相对误差,并以此作为评价指标,可以判断继电保护测试仪是否满足校准规范。系统在测试时使用北京博电继电保护测试仪PW366作为故障信号发生装置,以对继电保护测试仪自动检测系统进行校验。

根据《继电保护测试仪校准规范》(DLT 1153—2012)规定的条件,本文设置继电保护测试仪50 Hz频率下的输出交流电压(交流电压的输出校准点可选择为2 V、10 V、57.74 V、100 V、120 V)。其基本误差不超过±0.2%。

交流电压测量结果如表1所示。

表1 交流电压测量结果

由表1可知,继电保护测试仪输出交流电压相对误差均小于0.2%,继电保护测试仪满足校准规范。

本文设置继电保护测试仪50 Hz频率下的输出交流电流(交流电流的输出校准点可选择为0.1 A、0.2 A、0.5 A、1.0 A、5.0 A、10.0 A、15.0 A)。其基本误差不超过±0.2%。

交流电流测量结果如表2所示。

表2 交流电流测量结果

由表2可知,继电保护测试仪输出交流电流相对误差均小于0.2%,继电保护测试仪满足校准规范。

本文测量继电保护测试仪输出相电压和相电流相位,设定电压为100 V、电流为5 A,并改变输出相位,以三相标准功率电能表COM3003测量输出相位。相位校准点可选取0°、30°、60°、90°、90°、180°、270°。基准工作条件下,允许偏差不大于±0.2°。

移相相位测量结果如表3所示。

表3 移相相位测量结果

由表3可知,继电保护测试仪输出相电压与相电流的相位差小于允许偏差0.2°。该结果满足校准规范。

5 结论

本文设计了继电保护测试仪自动检测系统。该系统通过准确、高效的自动化检测,使用户能够及时发现继电保护测试仪的性能缺陷,从而保障了继电保护测试的准确性。试验结果表明,系统检定精度高、通用性强、工作方式灵活、人机界面友好。该系统模块化程度高,通过修改、添加被检定设备子程序,可应用于其他二次测量设备的检测校准。该系统具有实际的推广价值。