南瑞继保电气公司技术团队提出故障录波装置的全自动测试系统
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员黄辉、李兴建、余乾，在2022年第8期《电气技术》上撰文，针对故障录波装置，建立一套全自动的测试系统，结合静模稳态输出与动态波形回放两种方式，校验故障录波装置的各种性能。测试系统既适用于常规录波装置，也可用于数字化故障录波装置，且测试环境易于搭建。通过该系统的应用，能够有效提高故障录波装置在开发测试中的测试效率。
故障录波装置可记录电力系统运行中由于短路故障等原因造成的各种电气量变化，是判断继电保护装置动作行为及分析运行设备故障性质和原因的重要参考依据，其性能的优良对保证电力系统安全运行起着重要作用，因此无论是研究开发还是工程测试，都需要对其进行大量测试，以确保其功能的可靠性。不同于继电保护装置以动作出口为目的，录波装置最重要的任务是录波，常规的继电保护测试方法不适用，同时具有较多的输入通道、较多的定值，依靠人工逐一校验的方式繁琐，非常消耗时间；另外，大电流测试、故障测距测试等更是难以通过一般的继电保护仪静模输出来实现，因此有必要建立一套自动测试系统，同时涵盖静模测试与动态模拟测试，方便测试工作的进行，以减轻测试人员的工作压力，提高测试效率。本文介绍的自动测试系统由测试仪HELP9000、功率放大器、上位机控制系统、被测故障录波装置四部分组成。控制系统主要职责为与测试仪及被测装置通信、测试过程管理、形成测试数据、测试结果判断及测试报告生成。自动测试系统硬件框图如图1所示。测试过程中，测试仪接收来自测试系统的测试命令及测试数据，向被测装置输出一定的模拟量及开关量信号。测试仪采用的是南瑞继保自主开发的HELP9000装置，该装置硬件配置灵活，I/O接口可扩展，可支持常规小信号、数字化IEC 61850—9—2/IEC 60044—8模拟量输出，可发送及接收常规开入接点及面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）开关量，涵盖了多种使用场景，同时可以输出B码信号，可以向被测装置进行对时，能够满足测试中的多种需求。HELP9000可以选择性配置小信号输出板、数字化通信板。对于常规录波装置，若不需要校验交流插件的精度，可以输出小信号直接到装置采样板，这种方式在仅校验装置功能时很方便，可以不受测试仪输出通道的限制，也可以方便地测试大电流的录波情况；对于需要实际模拟量的测试，可通过增加功放模块，将信号通过功放转为实际交流量；对于数字化装置需要导入GOOSE文件建立通道映射关系，向装置发送采样测量值（sampled measured value, SMV）及GOOSE报文。录波装置不同于一般继电保护装置，没有较多的保护逻辑及保护出口，所以对其进行自动测试的的方案也与保护装置有所不同。有研究文献介绍了数字化录波装置的试验测试项目，包含性能测试、动态模拟、数字化报文功能等几个方面，由于性能测试与动态模拟测试项目是大部分录波装置都应具备的功能，而这些功能的验证在装置程序开发测试时需要花大量时间与精力，因此建立一个自动测试系统来完成上述内容可减少研发人员的工作量，提升产品的开发效率。测试过程可分为编辑测试用例、控制测试仪输出一定的模拟量及开关量、校验装置行为（采样精度、录波启动、故障测距等）。测试用例通过上位机控制系统编辑设计，在控制系统的测试仪配置界面，创建测试仪的输出通道与录波装置输入通道的关联关系，如测试仪模拟量输出1对应装置采样通道1。通过控制系统的测试编辑界面，输入测试仪通道1的输出值，测试开始后，控制系统下发测试数据及测试命令到测试仪，测试仪输出相应的模拟量及开关量到故障录波装置。对于不同的测试项目设计输入不同的模拟量值，如电流通道1采样值校验，可分别设计输入0.1/0.5/ 1/1.2倍额定电流值；对于通道1模拟量突变启动录波测试，可分别设计输入0.95/1.05倍启动定值，待经过一定的时间延迟后，查看装置的行为反应是否满足测试要求作为判断测试结果的依据，形成闭环测试。根据测试内容逐一建立相应的测试用例，包含输入模拟量、开关量、修改的定值及判据标准，并对用例进行保存，在测试时对选择的测试用例逐一执行，实现自动闭环测试。录波装置的性能测试项目主要有零漂检查、交流量的线性范围检查、交流量的相位一致性检查、启动性能及启动值检查，这些测试基本可归结为对装置采样精度的检查与启动定值的校验。由于录波装置一般没有遥测，所以无法向继电保护那样通过通信规约读取装置的实时采样值来判断采样精度，另外，波形文件作为录波装置最重要的产物，有必要验证COMTRADE波形数据的正确性，因此，对于录波装置的测试需要通过分析COMTRADE波形数据来验证采样。整个测试过程可分解为试验加量、装置录波、上装波形文件、解析波形文件、测试结果比对。COMTRADE录波文件一般包含配置文件CFG文件、数据文件DAT文件、头标文件HDR文件和信息文件INF文件。在CFG文件里记录了波形每个采样通道的采样值通道乘数a与偏移加数b，在DAT文件里记录每个点的存储数据值x，采样数据为离散的采样点，模拟量的每个录波点的实际值通过ax+b求得。CFG文件中同时记录了当前录波的模拟量频率及采样率，从而可以知道每个周期采样点数为N=采样率/模拟量频率。由于输入的实际模拟量为周期性信号，这样就可以通过傅里叶级数来计算周期信号的幅值与相位。对于某一个不含有直流分量的信号可描述为：由此可以求得波形的幅值与相位，通过与设定的输出值进行比较，计算采样误差，形成闭环测试。采样测试流程如图2所示。如进行电流通道1的线性范围检查，测试用例界面输入“1A，30°”，解析录波装置生成的COMTRADE文件，得到每周波采样点数为80的一个周波的实际值，通过式（2）与式（3）得到计算幅值为0.9991，角度为29.99250°，幅值相对误差为 0.09%，角度绝对误差 0.007 5°。以此为基础，就可以进行各通道交流量的线性范围、相位一致性、谐波含量等测试。继电保护装置通过事件顺序记录（sequence of event, SOE）或者遥信变位，记录装置的变位信息，而COMTRADE的头标文件HDR文件可以存储补充性的叙述信息，如启动信息、故障动作情况。因此，可以在测试仪施加量后通过分析HDR文件获得装置的启动情况，作为判断依据对录波装置的启动性能进行测试。有研究文献介绍了一种故障录波装置启动性能测试方法和系统，通过客户端控制试验仪输出模拟量，再通过仿真主站调取新生波形进行比较，由于受到试验仪通道数量的限制，每次测试需要加载通道关联文件。在本测试系统中，由于板卡具备可扩展性，可以通过配置多块模拟量输出板卡来满足录波装置多通道的需求；此外，上位机控制软件集成了与录波装置通信的功能，可以在测试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，简化了测试环境，方便测试进行。录波的启动主要有模拟量的上下限、突变与开关量的启动，在测试过程中，测试用例执行前，通过通信规约逐一修改定值，使每次测试的启动量只有一种因素，将每一个通道的启动做成独立的测试用例，在加量结束后，查询装置是否生成新波形，并进一步通过解析HDR文件，获得当前录波的启动原因，与实际施加量的通道及变化类别进行比较。如做电压突变启动测试，施加1.05倍定值的模拟量后，上召、解析HDR文件，文件中包含“合智集成装置_TV2C电压采样值_突变启动[|28.862V|大于2.887V][0.000V->28.862V]”字段，通过关键字段比对，进行测试结果判断。动态模拟项目包含大短路电流记录能力、故障测距等。这类测试项目由于需要输入特定的故障量进行模拟，一般的静模稳态测试难以实现，现实中往往通过搭建实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）测试系统建立测试环境，设置各类故障项模拟故障，对装置进行测试。很显然，这种方法比较繁琐，既需要设备也需要专业的RTDS知识，同时对于批量的测试任务，比较耗时。有研究文献介绍了基于录波文件回放的继电保护自动测试方法，这种方法也可用于故障录波装置的测试，使用波形回放的方式，可以很容易地实现对动态模拟测试项目的批量自动测试。在外部测试机构测试或内部测试时，试验项目都会产生波形，保存此类波形作为历史数据，在测试时，通过波形回放的方式，使测试仪输出故障波形的相应数据，就可以方便地对装置进行测试。上位机控制系统解析波形CFG及DAT文件，获得完整的波形实时数据，对于一次值录波的数据，再根据变比转换为二次值，这些数据就是测试仪应输出的数据。上位机系统通过界面设置，将录波装置每个模拟量通道关联波形的数据通道，再将数据通过TCP协议下发到HELP9000，HELP9000收到数据后，将数据保存到内存中，待收到所有数据后，即可将每个通道的数据通过数字信号处理器（digital signal processor, DSP）直接输出，对于频率不一致的数据，则需要通过插值填充数据。在一个测试用例里，可以批量测试较多的波形文件，如连续测试100个故障测距波形，批量测试流程如图3所示。对于存在模拟量启动录波的情况，在波形回放时会产生扰动波形文件，影响结果的判断，一方面可以通过修改定值将模拟量启动录波功能退出，另一方面，通过上位机向HELP9000下发控制数据时，设置故障前循环播放时间，选择波形的前1～2个周波数据进行循环输出，输出时间大于录波的A时段时间，从而保证B段录波完整。在实际测试中通过波形回放得到的新生波形与原始波形的比较及测试结果如图4和图5所示。本文针对故障录波装置设计了一套自动测试系统，该测试系统测试环境简单易实现，测试用例可闭环反复执行，同一测试用例可同时适用于常规及数字化装置，便于测试用例的复用，解决了录波装置由于通道多、定值多造成的测试时间长的问题，并通过波形回放实现了故障测距、大电流录波检验的测试，有效提高了装置性能测试的效率。本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“故障录波装置自动测试系统设计与实现”，作者为黄辉、李兴建 等。
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