基于LabVIEW的继电保护测试仪自动检测系统设计.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期DOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.09.008基于LabVIEW的继电保护测试仪自动检测系统设计王宏1，王永波1，韩春雪2，黄强1（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003；2.山东建筑大学，山东济南250101）摘要：继电保护测试仪作为继电保护装置调试检修的重要仪器，其精度须定期检测或校准。然而，检测校准的项目和测点通道较多，涉及电磁、时间、无线电等多种标准器，手动检测校准时间长。为满足计量机构快速检测校准的需求，提出一种基于LabVIEW和国际通用标准器的继电保护测试仪自动检测系统，可应用于国内外计量机构的继电保护测试仪自动检测。该系统根据预定的测试项目和测试点，自动控制继电保护测试仪输出规定的电气量，采集对应标准器的测试值，在人机界面显示测试值并自动生成测试报告，数据分析功能可根据标准要求自动对数据进行超差评估。对继电保护测试仪自动检测系统的功能、软硬件设计、仪器通信、数据分析进行说明，实现整个测试过程全程自动化，节省大量测试和报告编写时间。对继电保护测试仪的电压、电流、相位、时间等进行自动检测校准，结果表明，相比手动测试节省大量时间，扩展不确定度符合继电保护测试仪相关规范要求。关键词：自动检测；继电保护测试仪；校准；LabVIEW中图分类号：TP217文献标识码：B文章编号：1007-9904（2023）09-0058-07Design of Automatic Testing System for Relay Test SetsBased on LabVIEWWANG Hong1，WANG Yongbo1，HAN Chunxue2，HUANG Qiang1（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）Abstract：While commissioning and maintenance，as an important instrument to test relay protection devices，the accuracy of therelay test sets needs to be regularly tested or calibrated.However，there are many items and channels that need to be tested andcalibrated，involving multiple standard instruments including electromagnetic，time，and radio fields.Therefore，manual testingand calibration are time-consuming.In order to meet the rapid detection and calibration requirements of metrology institutions，anautomatic relay protection tester based on LabVIEW and international general standards is proposed，which can be applied to theautomatic testing of relay protection tester at domestic and foreign measurement instituions.The system automatically controls therelay test sets to output the electrical quantities according to the predetermined test items and test points，collects the test valuesof the corresponding standard apparatus，displays the test values in the human machine interface and automatically generates thetest reports.The data analysis function can perform error calculation，uncertainty analysis.The function，software and hardwaredesign，communication，and data analysis of the automatic testing system of the relay protection tester are introduced，so as torealize the automation of the whole test process and save a lot of test and report time.The voltage，current，phase，time of the relaytest sets were automatically calibrated.Compared with manual calibration，the proposed calibration method can save a significantamount of time，and meet the expanded uncertainty requirement of the relevant industry standards of the relay protection tester.Keywords：automatic testing；relay protection tester；calibration；LabVIEW0引言继电保护测试仪是继电保护装置调试和检测的重要仪器，其精度直接影响继电保护装置能否按预定定值动作1。因此，继电保护测试仪须定期检测、校准或检定2-3，如有超差，须调整精度，满足要求后，才能投入使用。继电保护测试仪检测分为数字量的检测和模拟量的检测/校准。数字量检测一般使用网络分析仪，或者光数字继电保护测试仪检测系统4-6。与常规基金项目：国网山东省电力公司电力科学研究院自主研发项目“继电保护测试仪自动检测平台的研究”（520626220060）。Independent Research and Development Project of State GridShandongElectricPowerResearchInstitute“ResearchonAutomatic Testing Platform for Relay Test Sets”（520626220060）.58模拟仪器不同，根据继电保护测试仪行业标准7-8的要求，继电保护测试仪模拟量的检测/校准项目有十几项甚至更多，需要使用多个标准器组合完成检测/校准。继电保护测试仪一般配置三相或六相电压/电流通道，另有8个开关量通道。为提高检测效率，已有部分计量机构使用一体式继电保护测试仪自动检测装置，大大缩短测试时间。文 献9以 数 字 信 号 处 理 器（digital signalprocessor，DSP）为核心进行继电保护测试仪检定系统的硬件设计，并采用加窗插值快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）算法对采样数值进行分析计算，在循环多次后达到同步采样，设计测试系统对继电保护测试仪的主要性能进行分析测试。文献10 采用电流互感器、电压互感器对继电保护测试仪的输出信号进行采样隔离，通过外设部件互连标准（peripheral component interconnect，PCI）采集卡与计算机连接，并采用LabVIEW作为数据处理和控制平台，实现对继电保护测试仪电压、电流、相位等参数的自动测试。文献 11 将DSP和嵌入式工控机架构设计结合，开发继电保护测试仪检定系统，并对继电保护测试仪的主要参数进行测试。一体式继电保护测试仪自动检测装置采用多个传感器、集成A/D转换器和微处理器，选用特定数据处理算法，对继电保护测试仪进行自动测试，但其精度、稳定性和测试范围与国际主流标准器相比还有一定差距。文献 12 采用仪器TFG5010T、TDS2024测试继电保护测试仪，并采用模拟键盘控制和仿真打印机解决测试仪器与计算机的通信问题，实现自动控制测试仪器对继电保护测试仪进行测试，但其解决方案已不适用于目前的国际主流测试仪器。基于国内外计量机构常用的国际主流标准器，设计继电保护测试仪自动检测系统，按照预定测试流程自动完成继电保护测试仪各通道各项目的测试，自动生成测试报告等。不仅节省继电保护测试仪的大量检测/校准时间，无须另外购置一体式自动测试仪器，而且精度、稳定性和测试范围与所采用的国际主流标准器一致，满足国内外各种继电保护测试仪的检测/校准要求，可应用于国内外各计量机构。1继电保护测试仪自动检测系统功能根据校准标准8要求，继电保护测试仪自动检测系统主要检测/校准功能包括：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、相位校准、时间校准等。交流电压校准、交流电流校准的项目又包含幅值、幅频特性、响应速度和谐波畸变率。该系统能够根据预定的测试项目和测试点，自动控制继电保护测试仪输出规定的电气量，采集对应标准器的测试值，在人机界面显示测试值并自动生成测试报告，报告模板、项目、测点均支持用户自定义。数据分析功能可根据标准要求对数据进行超差评估等。实现整个测试过程全程自动化，节省大量测试和报告编写时间。2自动检测系统设计2.1自动检测系统硬件继电保护测试仪自动检测系统的硬件由计算机、国内外通用标准器、输出转换装置、接口转换器和继电保护测试仪组成。各通用标准器的接口可为RS232接口、IEEE-488接口、以太网口或USB接口。标准器与继电保护测试仪的电气量采用电缆连接。标准器选用万分之一等级三相比较仪、高精度万用表、示波器和时间间隔发生器。继电保护测试仪的输出电压/电流为三相或六相，而万用表、示波器等标准器仅支持单相测试，因此设计输出转换装置，根据测试顺序依次把继电保护测试仪电压/电流各相通道与万用表、示波器等标准器的单通道相连。输出转换装置应选用接触电阻小、通流大的继电器，满足电流和电压计量测试的要求。硬件系统连接如图1所示。图1继电保护测试仪自动检测系统硬件Fig.1 Hardware diagram of automatic testing systemfor relay protection tester王宏，等：基于LabVIEW的继电保护测试仪自动检测系统设计59山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期2.2自动检测系统软件2.2.1虚拟仪器LabVIEWLabVIEW 是测试控制领域常用的程序开发环境13-15，其函数库包括数据采集、通用接口总线（general purpose interface bus，GPIB）、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。大多数主流测试仪器都有LabVIEW的驱动程序，而LabVIEW也包含各种适用于测试测量领域的工具包。继电保护测试仪自动检测系统涉及多种通用标准器的采集控制，多种数据接口，且测量项目和测量数据相对较多，因此选用 LabVIEW 作为开发环境，能够快速搭建自动检测系统软件。且 LabVIEW 作为自动检测系统的开发环境，可广泛应用于国内外计量机构的通用测试仪器16。2.2.2自动检测系统软件设计自动检测系统软件采用模块化设计，该软件分为三大模块：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、用户界面两个子模块。检测/校准模块包括交流电压校准、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、相位校准、时间校准等。数据分析模块包括数据存储、报告生成和数据分析。软件设计如图2所示。程序运行，系统首先完成初始化，而后测试员进入用户登录界面，不同人员设置相应的操作权限，如测试、核验、批准等。用户界面如图3所示。图2继电保护测试仪自动检测系统软件设计Fig.2 Software diagram of automatic testing system forrelay protection tester根据继电保护测试仪实际电压电流通道选择测试通道。点击“自动测试”按钮，程序将按照左侧进度栏的测试项目，逐个项目、逐个测点进行自动测试，流程如图4所示。在测试模板中开始第一个测试项目，读取测试点，控制继电保护测试仪输出被测参数，延时后，采集测试该项目标准器的测试数据，并在用户界面显示，同时把数据插入报告模板中。一个项目的所有测点测试完成后，进入下一个测试项目，并采集对应项目标准器的测试数据，直到所有图3用户界面Fig.3 User interface60测试项目自动测试完毕。图4自动检测校准流程Fig.4 Automatic testing and calibration process在手动测试时，可以强制选择任一测试点，点击“手动测试”即可单独测试该测点。在不同的测试项目下可以观察到相应的数据和波形信号。测试项目和测试点的设计参考电力行业标准8推荐的测试项目和测点，也可以根据用户的需要设置所需测点。如果中途需要中断测试，单击“停止测试”按钮。点击“保存数据”，在下一次测试前点击“恢复数据”，即可继续测试。点击“保存报告”，会按照预先设定的报告模板自动生成测试校准报告。2.3仪器通信2.3.1LabVIEW与RS232串口通信继电保护测试仪自动检测系统集成多种测试仪器，各测试仪器的通信接口不同，因此需要实现计算机与各种接口的通信。串行通信是工业中常用的一种数据传输方式，目前大多数仪器仪表都是使用串口通信。该测量系统中通过RS232串口实现LabVIEW与高精度万用表等仪器的通信。LabVIEW 中 的 虚 拟 仪 器 软 件 架 构（virtualinstruments software architecture，VISA）节点用于串口通信。VISA 的 I/O 控制功能适用于各种仪器类型，包括串口仪器、GPIB仪器等各类仪器的控制操作，对VISA使用者来说，不同类型仪器的使用在形式和方法上相同。常用的 VISA 函数包括 VISA 打开、VISA配置串口、VISA设备清零、VISA写入、VISA读取、VISA 关闭。LabVIEW 与万用表通过 VISA 节点进行串口通信，如图5和图6所示。2.3.2LabVIEW与GPIB接口通信GPIB接口是一种传输总线协议，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数据通信，本文选择GPIB转接卡作为控制计算机与标准仪器的通信工具。工作原理为：计算机通过GPIB-USB接口连接三相比较仪，利用计算机来控制三相比较仪的运行，并读取和存储其测量数据。图5LabVIEW与RS232通信程序Fig.5 Communication program of LabVIEW and RS232王宏，等：基于LabVIEW的继电保护测试仪自动检测系统设计61山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期图6LabVIEW与RS232通信前面板Fig.6 Communication front panel of LabVIEW and RS232LabVIEW中有专门用于控制GPIB设备的驱动模块，可以实现对 GPIB 仪器的自动控制，常用的GPIB 函数包括 GPIB 读取、GPIB 写入，可以基本实现仪器的自动控制，如对仪器进行设置、数据的读写等。GPIB模块驱动直流电压和交流电流测量程序如图7所示。若要实现其他电力参数的测量，只需要将“命令代码”部分改为所要求的可编程仪器标 准 命 令（standard commands for programmableinstruments，SCPI）。2.3.3LabVIEW与继电保护测试仪的通信接口继电保护测试仪厂家较多，国内国外产品均在送检范围内。因此自动检测系统对多厂家多型号的继电保护测试仪实现自动调用是实现自动检测继电保护测试仪的关键。继电保护测试仪厂家提供的接口方式有传输控制 协 议/网 际 协 议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）、动态链接库（dynamic-linklibrary，DLL）等。TCP/IP作为网络通信的标准，是当今使用最多的协议。TCP/IP 网络模式包括浏览器/服务器（browser/server,B/S）结构和客户机/服务器（client/server，C/S）结构，该系统采用的是C/S结构，该结构的优点是响应速度快、可靠性高，是应用软件中常用的结构模式。在LabVIEW中，TCP通信的过程为：1）服务器端通过主机名或IP地址与端口号建立侦听，等待客户端连接。2）客户端根据主机的IP地址和端口号发送连接请求，待服务器与客户端建立连接后，通过读写函数就可以进行TCP数据通信。LabVIEW 中为网络通信提供基于传输控制协议/用户数据报协议（transmission control protocol/user data protocol，TCP/UDP）的通信函数供用户调用17。在客户端，通过打开 TCP 连接函数打开TCP 连接，端口必须与服务器端指定的端口相匹配。读取指定连接的数据，第一个读取 TCP 数据函数采集数据的大小，如数据大小（由服务器指定）大于 0，则第二个读取 TCP数据函数读取数据。使用写入 TCP 数据发送单个字符至服务器，表明客户端已停止。用户单击停止或发生错误时，TCP连接将关闭。如服务器端关闭连接，可能发生某些错误代码。该情况下，忽略可能发生的错误并弹出显示服务器关闭连接的对话框。在服务器端，客户端在指定端口连接时，TCP侦听虚拟仪器（virtual instrument，VI）生成连接引用，客户端有30 s时间进行连接，之后服务器将超时。第一个写入TCP数据指定发送数据的大小，第二个写入TCP数据函数发送数据。读取TCP数据函数检查图7COM3003 GPIB模块驱动程序Fig.7 Module driver of COM3003 GPIB62客户端是否写入数据，如写入数据，则客户端通知服务器停止执行。用户单击停止或发生错误时，关闭TCP连接。为实现不同厂家、不同接口方式的继电保护测试仪均可与LabVIEW通信，设计继电保护测试仪自动检测接口程序。该程序可实现测试仪型号选择、设备连接、设置测试仪输出参数、启动输出、断开设备连接等功能。2.4误差分析基于 LabVIEW 的自动检测系统对继电保护测试仪测试数据进行管理及分析18-20。数据库可存储同一台继电保护测试仪的多次检测校准数据，通过对校准数据进行比较分析，可对继电保护测试仪的运行情况进行评估和预测。以交流电压偏差为例，设校准标准的显示数据为UN，继电保护测试仪交流电压输出值为UX。交流电压输出值的绝对误差为=UX-UN（1）交流电压输出值的相对误差为=UX-UNUX（2）基准工作条件下，输出电压的幅值为0120 V、频率为50 Hz时，输出交流电压UX的基本误差应满足8：UX2 V时，绝对误差不超过4 mV；2 VUX120V时，相对误差不超过0.2%。在数据分析模块中，万用表采集的电压数据根据式（1）和式（2）得到电压误差值，将其与标准要求的电压幅值误差进行比较。若实际电压误差超出标准规定的电压误差，过限警告灯会亮起，此数据在报告中会标注。原始记录和报告中的数据来自检测/校准模块，不可人为改动。如果人为改动，将在原始记录中标注修改人的账号和修改时间，以满足实验室认可机构对原始记录数据修改的要求。3自动检测系统的性能指标自动检测系统整合多个国际通用标准器，实现对继电保护测试仪的自动测试。系统的性能指标完全满足行业标准要求。以交流电压校准为例，自动检测系统在重复性条件下对微机型继电保护测试仪进行10次交流电压的测试，交流电压实测值是 10 次测试值的平均值，计算扩展不确定度，如表1所示。表交流电压测量结果Table 1 Test results of AC voltage设定值/V10.0057.74100.00120.00实测值/V9.97057.58899.750119.700扩展不确定度/%0.022 70.013 80.012 20.011 5由表 1 可见，交流电压不确定度小于 0.023%。根据行业标准8对校准标准装置的要求，校准标准装置的扩展不确定度应为被校继电保护测试仪各输出功能和测量功能所运行误差的1/31/5。被测继电保护测试仪的交流电压误差为0.1%，自动检测系统的扩展不确定度 0.023%，完全满足行业标准要求。基于 LabVIEW 的继电保护测试仪自动检测系统能够根据行业标准要求对交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、相位、时间、谐波等指标进行高精度校准，不确定度均满足行业标准要求。根据测试项目和测试点的数量不同，自动测试比手动测试节约2/3以上测试时间。4结束语基于 LabVIEW 的继电保护测试仪自动检测系统，通过自动控制继电保护测试仪输出规定的电气量，采集多种国际通用标准器的测试数据，根据校准规范要求，自动检测校准继电保护测试仪，并自动生成测试报告，进行数据分析。该系统节省大量用于检测继电保护测试仪和编写测试报告的时间，采用国际通用标准器的精度、稳定性和测试范围，可满足国内外各种继电保护测试仪的检测/校准要求。采用该系统自动校准继电保护测试仪的电压、频率、相位等，试验结果表明，自动校准的扩展不确定度完全符合继电保护测试仪相关行业规范要求。该系统还可以扩展到其他二次测试设备的检测校准，实现各项目的自动测试，提高测试效率，具有很大的推广意义。王宏，等：基于LabVIEW的继电保护测试仪自动检测系统设计63山东电力技术第50卷（总第310期）2023年第9期参考文献1IEEE Power&Energy Society.IEEE guide for power systemprotection testing：IEEE C37.233 S.2009.2王洁卿，程云斌.微机继电保护测试仪校准方法 J.上海计量测试，2012，39（2）：38-39.WANG Jieqing，CHENG Yunbin.Calibration method of microcom-puter relay protection testerJ.Shanghai Measurement andTesting，2012，39（2）：38-39.3李文强.微机型继电保护测试仪技术指标和检定方法的研究J.电测与仪器，2016，53（7）：51-56.LI Wenqiang.Research on technical index and verification methodofmicrocomputerrelayprotectiontester J.ElectricalMeasurement and Instrumentation，2016，53（7）：51-56.4YANG Y Y.Automatic calculation and simulation of time-varyingfailure rate of digital relay protection deviceJ.MathematicalProblems in Engineering，2022.5卜强生，宋亮亮，吴恒福，等.光数字继电保护测试仪自动检测系统设计 J.电气应用，2015，34（11）：32-35.BU Qiangsheng，SONG Liangliang，WU Hengfu，et al.Design ofautomatic detection system for optical digital relay protection testerJ.Electrotechnical Application，2015，34（11）：32-35.6张冉，陈光华，陈皓帆，等.继电保护测试仪时间测量精度检测校准装置研制及性能分析 J.电力系统保护与控制，2022，50（13）：163-170.ZHANG Ran，CHEN Guanghua，CHEN Haofan，et al.Developmentand performance analysis of calibration device for time measuringaccuracy of relay protection tester J.Power System Protection andControl，2022，50（13）：163-170.7电力行业继电保护标准化技术委员会.继电保护微机型试验装置技术条件：DL/T 6242010 S.北京：中国电力出版社，2011.8全国高电压试验技术标准化分技术委员会.继电保护测试仪校准规范：DL/T 11532012 S.北京：中国电力出版社，2012.9谈代林.微机型继电保护测试仪检定系统的设计与实现 D.南昌：南昌大学，2014.10 李建海，赵彦敏，王晓兰，等.虚拟仪器技术在继电保护测试仪检验分析装置中的应用研究 J.工业仪表与自动化装置，2012（1）：48-50.LI Jianhai，ZHAO Yanmin，WANG Xiaolan，et al.Application ofvirtual instrument technology in the inspection and analysis deviceofrelayprotectiontester J.IndustrialInstrumentation&Automation，2012（1）：48-50.11 周勤，胡海梅，陈克绪.继电保护测试仪检测装置的研发 J.华北电力技术，2007（6）：30-33.ZHOU Qin，HU Haimei，CHEN Kexu.Research and developmentof relay protection tester J.North China Electric Power，2007（6）：30-33.12 吕永乐，袁瑞铭，丁恒春.基于GPIB的微机型继电保护测试仪自动检定系统 J.仪表技术与传感器，2008（1）：24-27.LYUYongle，YUANRuiming，DINGHengchun.Automaticverification system of microcomputer relay protection tester basedon GPIB J.Instrument Technique and Sensor，2008（1）：24-27.13 杨高科.LabVIEW虚拟仪器项目开发与实践 M.北京：清华大学出版社，2022.14 GUO J W，GUO L Y.Research on SOxonline detection system ofmarine diesel engine based on LabVIEWJ.Journal of MarineScience and Technology，2022，27（3）:1 179-1 191.15 THIPPA R G.On-line continuous automatic monitoring system ofwater environment quality in ship navigation area based onLabVIEWJ.Computer Informatization and Mechanical System，2021，4（4）:9-11.16 闫玲.基于LabVIEW的多功能数据采集与信号处理系统 J.江苏科技大学学报，2006，20（3）：50-54.YAN Ling.Multifunctional data acquisition and signal processingsystem based on LabVIEWJ.Journal of Jiangsu University ofScience and Technology，2006，20（3）：50-54.17 尹寿林.继电保护测试仪检验分析装置数据管理系统的开发D.兰州：兰州理工大学，2011.18 武剑.基于虚拟仪器技术的谐波分析系统 J.电子设计工程，2022，30（22）：10-13.WU Jian.Harmonic analysis system based on virtual instrumenttechnologyJ.Electronic Design Engineering，2022，30（22）：10-13.19 王华玲，李年莲，王玲.基于LabVIEW的形状误差测量系统设计 J.计量与测试技术，2022，49（9）：57-59.WANG Hualing，LI Nianlian，WANG Ling.Design of a shape errormeasurement system based on LabVIEW J.Metrology andTesting Technology，2022，49（9）：57-5920 熊嘉靖，郑林.基于LabVIEW的电流信号采集系统的设计和实现 J.光学与光电技术，2022，20（3）：55-61.XIONG Jiajing，ZHENG Lin.Design and implementation of acurrent signal acquisition system based on LabVIEWJ.Opticsand Optoelectronics Technology，2022，20（3）：55-61.收稿日期：2022-11-14修回日期：2023-06-05作者简介：王宏（1981），女，硕士，高级工程师，研究方向为继电保护测试仪校准、二次设备评价；王永波（1986），男，硕士，高级工程师，研究方向为电网一道防线风险辨识与主动防御体系建设；韩春雪（1999），女，硕士在读，研究方向为智能控制与机器人系统；黄强（1990），男，博士，工程师，研究方向为电力系统继电保护。（责任编辑郑天茹）64