繼電保護測試儀自動檢測系統設計

韓春雪,李艷萍,羅東岳,劉業春

(山東建筑大學信息與電氣工程學院,山東 濟南 250101)

0 引言

繼電保護裝置是在國家電網中大規模使用的、對電網進行嚴格保護的裝置[1]。國內外大量實例證明,涉及停電范圍較廣的大型系統事故,大多與繼電保護裝置的不正確動作有關系[2]。為了保證繼電保護裝置的安全、可靠運行,必須對繼電保護裝置的定值進行合理設定,并定期對其進行檢驗[3]。電力系統中,對繼電保護裝置進行調試和定期檢驗的主要儀器是繼電保護測試儀。目前,市場上的繼電保護測試儀種類繁多,產品質量參差不齊。繼電保護測試儀是標準值傳遞設備。隨著外界環境的變化和時間的推移,繼電保護測試儀的性能指標會降低。因此,對繼電保護測試儀的定期檢驗具有重要意義[4-7]。

根據繼電保護測試儀行業校準規范要求,繼電保護測試儀模擬量校準項目有十幾項,并且需要多臺標準器組合才能完成校準。目前,我國計量機構大多采用傳統檢測方法對繼電保護測試儀進行檢測。這種檢測方式精度高、穩定性強。但是,繼電保護測試儀模擬量校準項目較多,同時配置了三相或六相電壓/電流通道,另有8個開關量通道。因此,檢測1臺繼電保護測試儀所用的時間是常規儀器的3～5倍[8]。為了提高檢測效率,繼電保護測試儀自動檢測裝置應運而生[9]。但該裝置在精度、穩定性和測試范圍方面與國際主流標準器存在一定的差距[10]。

因此,本文結合繼電保護測試儀自動檢測裝置的設計思想,研制了基于虛擬儀器技術的繼電保護測試儀自動檢測系統。該系統不僅能夠提高檢測效率、減少人工操作造成的測量誤差,還可以對檢測數據和結果進行信息化處理。該系統采用國際主流標準器。其精度、穩定性和測量范圍滿足國內外繼電保護測試儀的檢測要求,可應用于國內外計量機構。

1 自動檢測系統功能

繼電保護測試儀自動檢測系統軟件采用模塊化設計[11]。該軟件分為3個模塊,分別為用戶管理模塊、檢測/校準模塊和數據分析模塊。用戶管理模塊包括用戶登錄和用戶界面這2個子模塊。檢測/校準模塊具有交流電壓校準、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、移相相位校準、時間校準等功能。數據分析模塊具有數據存儲、報告生成和數據分析功能。

繼電保護測試儀自動檢測系統可以根據預定的校準項目和校準點[12],自動調用繼電保護測試儀以輸出相應的電氣量。LabVIEW讀取各標準器的測量數據,對測量數據進行分析處理并將結果展示在用戶界面。

自動檢測系統能夠實現以下功能。

①檢測標準化。各項目的測試流程由系統開發人員進行制定,檢測執行人員不能修改,以防人工讀取數據誤差。

②全自動控制被測設備。通過制定的統一通信規約,系統能全自動調用多廠家、多型號的繼電保護測試儀。

③全自動或半自動完成檢測。在完成初始接線后,系統能夠實現檢測過程全自動化。對于需要單獨或重新檢測的項目,系統可強制選擇測點。

④一鍵式生成檢測報告。系統可自主設置檢測報告模式,并可調用和保存報告;在所有檢測項目完成后,可一鍵生成檢測報告。

2 自動檢測系統硬件設計

繼電保護測試儀自動檢測系統硬件由計算機、繼電保護測試儀、各通用標準器、輸出轉換裝置、接口轉換器這5個部分組成,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。該系統滿足高精度、通用性、自動化、模塊化和可擴展性要求。

自動檢測系統硬件組成如圖1所示。

圖1 自動檢測系統硬件組成

圖1中:虛線箭頭指主控計算機通過接口轉換器實現對測試儀器、輸出轉換裝置和測試儀的自動控制;實線箭頭指測試儀輸出的電壓、電流等電氣量通過輸出轉換裝置傳輸給測試儀器,由測試儀器進行測量。

①主控計算機。主控計算機負責檢測系統整體的控制與監視,儀器的自動控制,測量數據的采集、處理、顯示和存儲,以及檢測報告的生成與管理等。因為不同標準器的通信接口不同,所以主控計算機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)接口用于計算機與三相標準功率電能表COM3003之間的數據通信;RS-232轉USB線用于計算機與高精度萬用表DMM4020之間的數據通信;繼電保護測試儀與各通用標準器使用電纜連接。

②通用標準器。通用標準器由德國ZERA三相標準功率電能表COM3003以及泰克高精度萬用表DMM4020、示波器TDS2024組成。其中,COM3003是高精度測量設備,具有極高的準確度和穩定性,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、紋波系數等穩態參數的測量。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/電流的響應速度、合閘相位角等暫態參數。

③輸出轉換裝置。繼電保護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,測試時需要頻繁地拆接線,工作效率低下。因此,本文設計了18路繼電器控制板,以控制繼電保護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 自動檢測系統軟件設計

LabVIEW是美國NI公司開發的圖形編程平臺,具有圖形化的編程環境、豐富的函數集成庫、易于與測試儀器進行組網、開發成本低等優點,已逐漸成為虛擬儀器設計平臺的主流軟件。本文設計的繼電保護測試儀檢測系統校準項目較多,所以采用模塊化編程的方式生成多個虛擬儀器(virtual instrument,VI)程序,以便用戶界面統一調用。

3.1 基本設計思想

自動檢測系統借助LabVIEW軟件平臺開發。

繼電保護測試儀自動檢測系統流程如圖2所示。

圖2 繼電保護測試儀自動檢測系統流程圖

系統初始化完成之后,測試員進入用戶登錄界面,輸入正確的賬號和密碼之后進入用戶界面。點擊用戶界面上的“自動檢測”按鈕,可以進入自動檢測程序。程序將按照程序員設定的檢測順序對所有測試項目和測試點逐個運行。程序首先讀取測試項目和測試點,然后調用測試儀的接口程序控制測試儀輸出相應的電氣量。電氣量經輸出轉換裝置與標準器連接成試驗回路。經過一定時間的延時后,控制標準器進行自動測量并讀取測量數據。測量數據經數據處理后顯示在用戶界面。

完成所有測試項目后,測試員點擊“手動檢測”按鈕,可以強制選擇任意測試項目下的任意測試點進行單獨測試。檢測完成后,測試員點擊“保存報告”按鈕,可以將檢測結果保存到預先設定的報告模板中。不滿足校準規范要求的檢測點用陰影標注。

3.2 通信模塊

本文設計的繼電保護測試儀自動檢測系統集成了3臺通用標準器。各通用標準器的通信接口不同。三相標準功率電能表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。計算機要與具有不同通信接口的測試儀器進行通信。

3.2.1 LabVIEW與GPIB接口設備通信

GPIB是1種傳輸總線協議。它的主要功能是實現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,因而被廣泛應用于智能儀器控制中。GPIB接口是當前應用普遍、技術先進的程控儀器接口,是自動測試系統中不可缺少的部分。GPIB接口主要把系統中的智能儀器連接成為整體,以實現整個系統的正常數據通信。

LabVIEW中有GPIB驅動模塊,可以實現對GPIB儀器的自動控制。GPIB驅動主要使用平鋪式順序結構。不同于其他結構的數據流,當所有連線至幀的數據都可用時,平鋪式順序結構的幀按照從左至右的順序執行。每幀執行完畢后,數據被傳遞至下1幀。程序的平鋪式順序結構分為2幀:第一幀是將顯示控件初始化為空值;第二幀是對COM3003的測量數據進行采集。

3.2.2 LabVIEW與RS232接口設備通信

串口通信是常用的數據傳輸方法。目前,大多數下位機和儀器等使用的是串口通信。串口通信在應用上已經非常成熟。串口通信流程是:首先,初始化配置波特率、數據位、停止位等;然后,向寄存器或者某個封裝好的串口讀寫函數中讀取或寫入對應的數據。LabVIEW中有專門的虛擬儀器軟件架構(virtual instruments software architecture,VISA)節點驅動模塊。其中,使用較多的VISA函數包括VISA配置串口、VISA打開、VISA設備清零、VISA寫入、VISA讀取、VISA關閉等。其中,VISA配置串口右鍵新建輸入常量,可配置端口號、波特率、數據位、校驗方式等。

3.2.3 LabVIEW與USB接口設備通信

在LabVIEW中,儀器驅動程序是1組與儀器通信的VI程序。每個VI程序對應1個編程操作,如配置、讀取、寫入和觸發儀器等。示波器TDS2024驅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;然后調用“自動配置VI”,針對所需的測量動作進行儀器配置;最后使用 “配置連續獲取波形VI”來配置儀器的持續運行設置。儀器配置完成后,程序調用“獲取波形VI”讀取波形數據進行測量。測量完成后,程序將調用“關閉VI”,開始執行儀器錯誤查詢操作并終止軟件與儀器的連接。程序調用簡易錯誤處理器,以查看是否發生了錯誤。

4 自動檢測系統的性能指標

目前,繼電保護測試儀自動檢測系統已經開發完成,并進入功能測試階段。采用繼電保護測試儀輸出信號的有效值、頻率、相位的相對誤差,并以此作為評價指標,可以判斷繼電保護測試儀是否滿足校準規范。系統在測試時使用北京博電繼電保護測試儀PW366作為故障信號發生裝置,以對繼電保護測試儀自動檢測系統進行校驗。

根據《繼電保護測試儀校準規范》(DLT 1153—2012)規定的條件,本文設置繼電保護測試儀50 Hz頻率下的輸出交流電壓(交流電壓的輸出校準點可選擇為2 V、10 V、57.74 V、100 V、120 V)。其基本誤差不超過±0.2%。

交流電壓測量結果如表1所示。

表1 交流電壓測量結果

由表1可知,繼電保護測試儀輸出交流電壓相對誤差均小于0.2%,繼電保護測試儀滿足校準規范。

本文設置繼電保護測試儀50 Hz頻率下的輸出交流電流(交流電流的輸出校準點可選擇為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%。

交流電流測量結果如表2所示。

表2 交流電流測量結果

由表2可知,繼電保護測試儀輸出交流電流相對誤差均小于0.2%,繼電保護測試儀滿足校準規范。

本文測量繼電保護測試儀輸出相電壓和相電流相位,設定電壓為100 V、電流為5 A,并改變輸出相位,以三相標準功率電能表COM3003測量輸出相位。相位校準點可選取0°、30°、60°、90°、90°、180°、270°。基準工作條件下,允許偏差不大于±0.2°。

移相相位測量結果如表3所示。

表3 移相相位測量結果

由表3可知,繼電保護測試儀輸出相電壓與相電流的相位差小于允許偏差0.2°。該結果滿足校準規范。

5 結論

本文設計了繼電保護測試儀自動檢測系統。該系統通過準確、高效的自動化檢測,使用戶能夠及時發現繼電保護測試儀的性能缺陷,從而保障了繼電保護測試的準確性。試驗結果表明,系統檢定精度高、通用性強、工作方式靈活、人機界面友好。該系統模塊化程度高,通過修改、添加被檢定設備子程序,可應用于其他二次測量設備的檢測校準。該系統具有實際的推廣價值。