故障錄波裝置可記錄電力系統(tǒng)運(yùn)行中由于短路故障等原因造成的各種電氣量變化，是判斷繼電保護(hù)裝置動(dòng)作行為及分析運(yùn)行設(shè)備故障性質(zhì)和原因的重要參考依據(jù)，其性能的優(yōu)良對(duì)保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起著重要作用，因此無(wú)論是研究開(kāi)發(fā)還是工程測(cè)試，都需要對(duì)其進(jìn)行大量測(cè)試，以確保其功能的可靠性。

不同于繼電保護(hù)裝置以動(dòng)作出口為目的，錄波裝置最重要的任務(wù)是錄波，常規(guī)的繼電保護(hù)測(cè)試方法不適用，同時(shí)具有較多的輸入通道、較多的定值，依靠人工逐一校驗(yàn)的方式繁瑣，非常消耗時(shí)間；另外，大電流測(cè)試、故障測(cè)距測(cè)試等更是難以通過(guò)一般的繼電保護(hù)儀靜模輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此有必要建立一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)涵蓋靜模測(cè)試與動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試，方便測(cè)試工作的進(jìn)行，以減輕測(cè)試人員的工作壓力，提高測(cè)試效率。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試儀HELP9000、功率放大器、上位機(jī)控制系統(tǒng)、被測(cè)故障錄波裝置四部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要職責(zé)為與測(cè)試儀及被測(cè)裝置通信、測(cè)試過(guò)程管理、形成測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試結(jié)果判斷及測(cè)試報(bào)告生成。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖

測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試儀接收來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試命令及測(cè)試數(shù)據(jù)，向被測(cè)裝置輸出一定的模擬量及開(kāi)關(guān)量信號(hào)。測(cè)試儀采用的是南瑞繼保自主開(kāi)發(fā)的HELP9000裝置，該裝置硬件配置靈活，I/O接口可擴(kuò)展，可支持常規(guī)小信號(hào)、數(shù)字化IEC 61850—9—2/IEC 60044—8模擬量輸出，可發(fā)送及接收常規(guī)開(kāi)入接點(diǎn)及面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）開(kāi)關(guān)量，涵蓋了多種使用場(chǎng)景，同時(shí)可以輸出B碼信號(hào)，可以向被測(cè)裝置進(jìn)行對(duì)時(shí)，能夠滿(mǎn)足測(cè)試中的多種需求。

HELP9000可以選擇性配置小信號(hào)輸出板、數(shù)字化通信板。對(duì)于常規(guī)錄波裝置，若不需要校驗(yàn)交流插件的精度，可以輸出小信號(hào)直接到裝置采樣板，這種方式在僅校驗(yàn)裝置功能時(shí)很方便，可以不受測(cè)試儀輸出通道的限制，也可以方便地測(cè)試大電流的錄波情況；對(duì)于需要實(shí)際模擬量的測(cè)試，可通過(guò)增加功放模塊，將信號(hào)通過(guò)功放轉(zhuǎn)為實(shí)際交流量；對(duì)于數(shù)字化裝置需要導(dǎo)入GOOSE文件建立通道映射關(guān)系，向裝置發(fā)送采樣測(cè)量值（sampled measured value, SMV）及GOOSE報(bào)文。

1.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

錄波裝置不同于一般繼電保護(hù)裝置，沒(méi)有較多的保護(hù)邏輯及保護(hù)出口，所以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的的方案也與保護(hù)裝置有所不同。有研究文獻(xiàn)介紹了數(shù)字化錄波裝置的試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目，包含性能測(cè)試、動(dòng)態(tài)模擬、數(shù)字化報(bào)文功能等幾個(gè)方面，由于性能測(cè)試與動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試項(xiàng)目是大部分錄波裝置都應(yīng)具備的功能，而這些功能的驗(yàn)證在裝置程序開(kāi)發(fā)測(cè)試時(shí)需要花大量時(shí)間與精力，因此建立一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成上述內(nèi)容可減少研發(fā)人員的工作量，提升產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。

測(cè)試過(guò)程可分為編輯測(cè)試用例、控制測(cè)試儀輸出一定的模擬量及開(kāi)關(guān)量、校驗(yàn)裝置行為（采樣精度、錄波啟動(dòng)、故障測(cè)距等）。

測(cè)試用例通過(guò)上位機(jī)控制系統(tǒng)編輯設(shè)計(jì)，在控制系統(tǒng)的測(cè)試儀配置界面，創(chuàng)建測(cè)試儀的輸出通道與錄波裝置輸入通道的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如測(cè)試儀模擬量輸出1對(duì)應(yīng)裝置采樣通道1。

通過(guò)控制系統(tǒng)的測(cè)試編輯界面，輸入測(cè)試儀通道1的輸出值，測(cè)試開(kāi)始后，控制系統(tǒng)下發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試命令到測(cè)試儀，測(cè)試儀輸出相應(yīng)的模擬量及開(kāi)關(guān)量到故障錄波裝置。對(duì)于不同的測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)輸入不同的模擬量值，如電流通道1采樣值校驗(yàn)，可分別設(shè)計(jì)輸入0.1/0.5/ 1/1.2倍額定電流值；對(duì)于通道1模擬量突變啟動(dòng)錄波測(cè)試，可分別設(shè)計(jì)輸入0.95/1.05倍啟動(dòng)定值，待經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲后，查看裝置的行為反應(yīng)是否滿(mǎn)足測(cè)試要求作為判斷測(cè)試結(jié)果的依據(jù)，形成閉環(huán)測(cè)試。

根據(jù)測(cè)試內(nèi)容逐一建立相應(yīng)的測(cè)試用例，包含輸入模擬量、開(kāi)關(guān)量、修改的定值及判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)用例進(jìn)行保存，在測(cè)試時(shí)對(duì)選擇的測(cè)試用例逐一執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)測(cè)試。

2 測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)

錄波裝置的性能測(cè)試項(xiàng)目主要有零漂檢查、交流量的線(xiàn)性范圍檢查、交流量的相位一致性檢查、啟動(dòng)性能及啟動(dòng)值檢查，這些測(cè)試基本可歸結(jié)為對(duì)裝置采樣精度的檢查與啟動(dòng)定值的校驗(yàn)。

2.1 采樣精度測(cè)試

由于錄波裝置一般沒(méi)有遙測(cè)，所以無(wú)法向繼電保護(hù)那樣通過(guò)通信規(guī)約讀取裝置的實(shí)時(shí)采樣值來(lái)判斷采樣精度，另外，波形文件作為錄波裝置最重要的產(chǎn)物，有必要驗(yàn)證COMTRADE波形數(shù)據(jù)的正確性，因此，對(duì)于錄波裝置的測(cè)試需要通過(guò)分析COMTRADE波形數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證采樣。整個(gè)測(cè)試過(guò)程可分解為試驗(yàn)加量、裝置錄波、上裝波形文件、解析波形文件、測(cè)試結(jié)果比對(duì)。

COMTRADE錄波文件一般包含配置文件CFG文件、數(shù)據(jù)文件DAT文件、頭標(biāo)文件HDR文件和信息文件INF文件。在CFG文件里記錄了波形每個(gè)采樣通道的采樣值通道乘數(shù)a與偏移加數(shù)b，在DAT文件里記錄每個(gè)點(diǎn)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值x，采樣數(shù)據(jù)為離散的采樣點(diǎn)，模擬量的每個(gè)錄波點(diǎn)的實(shí)際值通過(guò)ax+b求得。

CFG文件中同時(shí)記錄了當(dāng)前錄波的模擬量頻率及采樣率，從而可以知道每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)為N=采樣率/模擬量頻率。由于輸入的實(shí)際模擬量為周期性信號(hào)，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)不含有直流分量的信號(hào)可描述為：

式（1）（2）（3）

由此可以求得波形的幅值與相位，通過(guò)與設(shè)定的輸出值進(jìn)行比較，計(jì)算采樣誤差，形成閉環(huán)測(cè)試。采樣測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 采樣測(cè)試流程

如進(jìn)行電流通道1的線(xiàn)性范圍檢查，測(cè)試用例界面輸入“1A，30°”，解析錄波裝置生成的COMTRADE文件，得到每周波采樣點(diǎn)數(shù)為80的一個(gè)周波的實(shí)際值，通過(guò)式（2）與式（3）得到計(jì)算幅值為0.9991，角度為29.99250°，幅值相對(duì)誤差為 0.09%，角度絕對(duì)誤差 0.007 5°。以此為基礎(chǔ)，就可以進(jìn)行各通道交流量的線(xiàn)性范圍、相位一致性、諧波含量等測(cè)試。

2.2 啟動(dòng)性能測(cè)試

繼電保護(hù)裝置通過(guò)事件順序記錄（sequence of event, SOE）或者遙信變位，記錄裝置的變位信息，而COMTRADE的頭標(biāo)文件HDR文件可以存儲(chǔ)補(bǔ)充性的敘述信息，如啟動(dòng)信息、故障動(dòng)作情況。因此，可以在測(cè)試儀施加量后通過(guò)分析HDR文件獲得裝置的啟動(dòng)情況，作為判斷依據(jù)對(duì)錄波裝置的啟動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試。

有研究文獻(xiàn)介紹了一種故障錄波裝置啟動(dòng)性能測(cè)試方法和系統(tǒng)，通過(guò)客戶(hù)端控制試驗(yàn)儀輸出模擬量，再通過(guò)仿真主站調(diào)取新生波形進(jìn)行比較，由于受到試驗(yàn)儀通道數(shù)量的限制，每次測(cè)試需要加載通道關(guān)聯(lián)文件。在本測(cè)試系統(tǒng)中，由于板卡具備可擴(kuò)展性，可以通過(guò)配置多塊模擬量輸出板卡來(lái)滿(mǎn)足錄波裝置多通道的需求；此外，上位機(jī)控制軟件集成了與錄波裝置通信的功能，可以在測(cè)試用例中直接修改定值或上召文件，不再需要仿真主站的配合，簡(jiǎn)化了測(cè)試環(huán)境，方便測(cè)試進(jìn)行。

錄波的啟動(dòng)主要有模擬量的上下限、突變與開(kāi)關(guān)量的啟動(dòng)，在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試用例執(zhí)行前，通過(guò)通信規(guī)約逐一修改定值，使每次測(cè)試的啟動(dòng)量只有一種因素，將每一個(gè)通道的啟動(dòng)做成獨(dú)立的測(cè)試用例，在加量結(jié)束后，查詢(xún)裝置是否生成新波形，并進(jìn)一步通過(guò)解析HDR文件，獲得當(dāng)前錄波的啟動(dòng)原因，與實(shí)際施加量的通道及變化類(lèi)別進(jìn)行比較。

如做電壓突變啟動(dòng)測(cè)試，施加1.05倍定值的模擬量后，上召、解析HDR文件，文件中包含“合智集成裝置_TV2C電壓采樣值_突變啟動(dòng)[|28.862V|大于2.887V][0.000V->28.862V]”字段，通過(guò)關(guān)鍵字段比對(duì)，進(jìn)行測(cè)試結(jié)果判斷。

3 動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試

動(dòng)態(tài)模擬項(xiàng)目包含大短路電流記錄能力、故障測(cè)距等。這類(lèi)測(cè)試項(xiàng)目由于需要輸入特定的故障量進(jìn)行模擬，一般的靜模穩(wěn)態(tài)測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)中往往通過(guò)搭建實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）測(cè)試系統(tǒng)建立測(cè)試環(huán)境，設(shè)置各類(lèi)故障項(xiàng)模擬故障，對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試。很顯然，這種方法比較繁瑣，既需要設(shè)備也需要專(zhuān)業(yè)的RTDS知識(shí)，同時(shí)對(duì)于批量的測(cè)試任務(wù)，比較耗時(shí)。有研究文獻(xiàn)介紹了基于錄波文件回放的繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試方法，這種方法也可用于故障錄波裝置的測(cè)試，使用波形回放的方式，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試項(xiàng)目的批量自動(dòng)測(cè)試。

在外部測(cè)試機(jī)構(gòu)測(cè)試或內(nèi)部測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)項(xiàng)目都會(huì)產(chǎn)生波形，保存此類(lèi)波形作為歷史數(shù)據(jù)，在測(cè)試時(shí)，通過(guò)波形回放的方式，使測(cè)試儀輸出故障波形的相應(yīng)數(shù)據(jù)，就可以方便地對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試。

上位機(jī)控制系統(tǒng)解析波形CFG及DAT文件，獲得完整的波形實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)于一次值錄波的數(shù)據(jù)，再根據(jù)變比轉(zhuǎn)換為二次值，這些數(shù)據(jù)就是測(cè)試儀應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)。上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)界面設(shè)置，將錄波裝置每個(gè)模擬量通道關(guān)聯(lián)波形的數(shù)據(jù)通道，再將數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議下發(fā)到HELP9000，HELP9000收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中，待收到所有數(shù)據(jù)后，即可將每個(gè)通道的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor, DSP）直接輸出，對(duì)于頻率不一致的數(shù)據(jù)，則需要通過(guò)插值填充數(shù)據(jù)。在一個(gè)測(cè)試用例里，可以批量測(cè)試較多的波形文件，如連續(xù)測(cè)試100個(gè)故障測(cè)距波形，批量測(cè)試流程如圖3所示。

圖3 批量測(cè)試流程

對(duì)于存在模擬量啟動(dòng)錄波的情況，在波形回放時(shí)會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)波形文件，影響結(jié)果的判斷，一方面可以通過(guò)修改定值將模擬量啟動(dòng)錄波功能退出，另一方面，通過(guò)上位機(jī)向HELP9000下發(fā)控制數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置故障前循環(huán)播放時(shí)間，選擇波形的前1～2個(gè)周波數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)輸出，輸出時(shí)間大于錄波的A時(shí)段時(shí)間，從而保證B段錄波完整。在實(shí)際測(cè)試中通過(guò)波形回放得到的新生波形與原始波形的比較及測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 原始波形與新生波形比較

圖5 故障波形批量回放測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)故障錄波裝置設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，測(cè)試用例可閉環(huán)反復(fù)執(zhí)行，同一測(cè)試用例可同時(shí)適用于常規(guī)及數(shù)字化裝置，便于測(cè)試用例的復(fù)用，解決了錄波裝置由于通道多、定值多造成的測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，并通過(guò)波形回放實(shí)現(xiàn)了故障測(cè)距、大電流錄波檢驗(yàn)的測(cè)試，有效提高了裝置性能測(cè)試的效率。

本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“故障錄波裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，作者為黃輝、李興建 等。