基于自動測試系統的故障指示器設備波形比對算法研究

常焱杰，羅夢雨，周永榮，但富中，葛佳盛

（南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），江蘇 南京 211106）

0 引言

近些年，隨著我國經濟的迅速發展，電網用戶不斷增加，導致電力負荷快速增長，配電網絡的結構也日趨復雜［1-2］。為了更好地適應復雜配電網絡，新型故障指示器設備大量投入使用并得到推廣［3-4］，對故障指示器設備提出來更高的測試技術要求。故障指示器設備自動測試系統結合國家電網有限公司故障指示器設備檢測大綱要求［5-6］，對故障指示器設備的功能及性能進行自動化檢測，同時要求對其錄波性能指標進行檢測。傳統的波形測試模式是通過波形查看工具，人工目視檢查穩態、暫態數據、周波數量來判斷是否滿足檢測規范的性能要求［7-8］，但跟傳統三遙檢測相比，故障錄波的數據量大，時序要求精準，另外這種方式受限于個人素質以及人力資源本身的限制，并且傳統的測試方式重復性較大［9-12］。

本文提出了一種基于并行通訊技術的故障指示器多裝置自動測試系統［13-14］，其中采用逐點計算DELTA的電力波形比對算法開發波形比對方案［15-19］，實現了故障指示器設備檢測規范中錄波功能的自動化檢測。該波形比對方案接入故障指示器設備自動測試系統，將故障指示器波形比對檢測結果存儲于測試報告以及原始記錄中，最終實現了故障指示器設備整體功能和性能的檢測。為故障指示器全自動化檢測補全了技術缺口，科學、客觀、公正、高效地解決了故障指示器的到貨全檢驗證需求。

1 基于并行通訊技術的故障指示器多裝置自動測試系統

本系統的硬件接線如圖1 所示，故障指示器多裝置自動測試系統軟件安裝在PC 機上，PC 機通過網線連接到網絡交換機，網絡交換機通過網線分別連接到故障指示器測試儀、串口交換機、標準錄波器，串口服務器通過串口線連接到多套被測故障指示器的故指匯集單元，匯集單元以標準101 協議完成與虛擬主站的數據交互，故障指示器測試儀功放的工裝是以標準架空線尺寸為參考而設計的特質銅桿，銅桿本體作為電流功放回路，同時在銅桿和外周絕緣夾層中包裹銅箔層，作為10 kV 電壓功放回路，以實現最大程度還原故指現場實際運行狀態，銅桿伸展到故障指示器檢測柜中，如圖2 所示，所有故障指示器的三相采集單元通過卡扣固定銅桿上，同時銅桿上分別連接標準表和標準錄波器的電流通道以及電壓通道，保證了系統所有施加量在試驗全過程的精度。標準錄波器的采樣點作為波形比對算法的基準點。

圖1 測試系統硬件接線圖Fig.1 Hardware wiring diagram of test system

圖2 故障指示器檢測柜Fig.2 Fault indicator detection cabinet

本系統的主框架如圖3 所示，主要包括：故指檢測方案模塊、裝置測試流程控制模塊、多裝置測試流程管理模塊、故障指示器測試儀調用模塊、匯集單元并行通訊處理模塊、錄波單元通訊處理模塊、故障指示器測試儀、標準TA、錄波單元、故指匯集單元、故指采集單元。

圖3 測試系統主框架圖Fig.3 Frame diagram of test system

1.1 故指檢測方案模塊

1）設置故障指示器測試儀驅動模塊、匯集單元并行通訊處理模塊、錄波單元通訊處理模塊工作流程及執行先后順序；

2）設置故障指示器測試儀驅動模塊的測試儀輸出狀態數、每個狀態輸出電流值、每個狀態輸出時間等參數；

3）設置錄波單元通訊處理模塊獲取的最新錄波的時間長度、錄波TA變比等參數；

4）設置被測故障指示器的數量、波形比對判斷誤差標準等。

1.2 多裝置測試流程管理模塊

1）打開故指檢驗方案模塊生成的檢測方案，創建多個“裝置測試流程控制模塊”，依次執行各測試項目的測試。

2）測試儀輸出項目執行管理：控制故障指示器測試儀調用模塊輸出電壓、電流測試量。

3）故指匯集單元通訊項目執行管理：調用各裝置測試流程控制模塊對象分別執行通訊項目，監控各裝置測試流程控制模塊通訊，等待所有的裝置都完成了通訊，進入下一步。

4）執行結果比較

錄波比較項目執行管理：調用錄波單元通訊處理模塊獲取標準錄波文件，將標準錄波文件分別傳遞給各裝置測試流程控制模塊對象，與獲取的故障波形文件進行比對，根據檢測方式設置的誤差范圍評定檢測各裝置錄波文件記錄的錄波數據是否合格。

測量值、動作信息項目執行管理：將故障指示器測試儀輸出電壓、電流測試量參數數據，傳遞給各裝置測試流程控制模塊，與讀取的測量值、動作信息做比對，判斷測試結果是否合格。

5）測試完成，生成標準格式的多裝置檢測報告。

1.3 裝置測試流程控制模塊

1）1 個裝置測試流程控制模塊對象，對應1 臺故指匯集單元，實現與1臺匯集單元進行獨立通訊；

2）接受多裝置測試流程管理模塊的調用，與匯集單元并行通訊處理模塊通訊，實現從對應裝置讀取錄波文件；

3）接受多裝置測試流程管理模塊傳遞的標準錄波文件，與裝置故障錄波文件進行比對，評定裝置錄波文件記錄的錄波數據是否合格。

1.4 故障指示器測試儀調用模塊

驅動故障指示器測試儀按設定的狀態序列參數輸出電壓、電流測試量。

1.5 錄波單元通訊處理模塊

獲取錄波單元中指定時間段內波形數據，保存為原始錄波文件，并將錄波波形文件上送給多裝置測試流程管理模塊。

1.6 匯集單元并行通訊處理模塊

1）從故指匯集單元讀取測量值、動作信息、故障錄波文件等信息；

2）采用多裝置并行通訊技術，每臺裝置建立一個通訊鏈路，每條通訊鏈路都對應一個通訊線程。

1.7 測試系統構建方法

基于并行通訊技術的故障指示器多裝置自動測試系統構建方法步驟如下：

第1 步，通過故指檢測方案模塊開發生成對應檢測方案：

1）在檢測方案中設置故障指示器測試儀驅動模塊、匯集單元并行通訊處理模塊、錄波單元通訊處理模塊工作流程及執行先后順序；

2）在檢測方案中設置故障指示器測試儀驅動模塊的測試儀輸出狀態數、每個狀態輸出電流值、每個狀態輸出時間等參數；

3）在檢測方案中設置錄波單元通訊處理模塊獲取的最新錄波的時間長度、錄波TA變比等參數；

4）在檢測方案中設置被測故障指示器的數量、波形比對判斷誤差標準等；

5）設置生成故障指示器多裝置自動檢測方案。

第2 步，多裝置測試流程管理模塊打開故障檢測方案，按檢測方案中設置的流程順序執行，進行自動檢測：

1）多裝置測試流程管理模塊根據被測故指匯集單元數量創建多個裝置測試流程控制模塊對象；1 個裝置測試流程控制模塊對象，對應1臺故指匯集單元，實現與1臺匯集單元進行獨立通訊；

2）多裝置測試流程管理模塊調用故障指示器測試儀驅動模塊控制故障指示器測試儀輸出一次大電流，一次大電流經過電纜銅桿流入標準TA 一次側，電纜線圈一直延伸到故障指示器檢測柜中，將故指采集單元按對應相別懸掛在電纜線圈上；

3）電流從標準TA 二次側流出到錄波單元，錄波單元記錄存儲為錄波文件；

4）掛在電纜線圈上的故指采集單元采集到故障電流后，指示燈閃爍，并將故障錄波通過無線通訊傳遞給故指匯集單元；

5）多裝置測試流程管理模塊協調控制裝置測試流程控制模塊采用并行方式調用匯集單元并行通訊處理模塊，同時獲取多套故指匯集單元的錄波文件、測量值報文、動作信息報文；與每臺故指匯集單元建立一個通訊鏈路，每條通訊鏈路都對應一個通訊線程，讀取錄波文件時，依次啟動各裝置通訊線程的讀錄波文件，之后等待所有裝置讀取錄波文件結束，再結束通訊過程；

6）多裝置測試流程管理模塊調用錄波單元通訊處理模塊獲取標準錄波文件，將標準錄波文件分別傳遞給各裝置測試流程控制模塊對象，與獲取的故障波形文件進行比對，根據檢測方式設置的誤差范圍評定檢測各裝置錄波文件記錄的錄波數據是否合格；

7）多裝置測試流程管理模塊將故障指示器測試儀輸出電壓、電流測試量參數數據與讀取的測量值、動作信息做比對，判斷測試結果是否合格。

第3步，測試完成，生成故障指示器多裝置自動檢測的檢測報告。

2 波形自動比對模塊設計方案

本文采用基于逐點計算DELTA 的電力波形比對算法，用于處理故障指示器設備檢測過程中，標準錄波波形數據與故障指示器設備本身故障錄波數據自動比對的功能。該方案主要由波形數據管理模塊、波形數據計算模塊、波形有效值DELTA 計算模塊、波形對齊模塊、波形對比分析模塊組成，如圖4所示。該方案的輸入數據為標準錄波波形數據和故障錄波數據，方案的輸出結果為波形比對結果。

圖4 波形自動比對實施方案框架Fig.4 Frame of automatic waveform comparison scheme

標準錄波波形數據為與故障指示器設備所在線路電壓、電流存在固定變比關系的標準波形，其波形采樣率高，波形時間軸覆蓋范圍大。

故障錄波數據為故障指示器設備根據錄波啟動條件錄波的故障波形，其至少包含錄波啟動前4個周波、錄波啟動后8個周波的波形。

標準錄波波形數據的采樣率比故障錄波數據的采樣率高，波形具備電力系統單相接地短路、相間短路或相間接地短路的故障特征，波形除故障特征點外具備周期性的特征。

2.1 波形數據管理模塊

1）用于管理標準錄波波形數據、故障錄波數據中各通道的波形；

2）管理各通道波形的有效值、頻率、相位、波形有效值DELTA計算值、波形故障特征值等。

2.2 波形數據計算模塊

1）從波形數據管理模塊取得原始數據進行逐點計算，得出波形頻率，根據頻率，計算得到每周波的采樣點數；

2）根據計算得到的頻率，從第一個數據點開始，對波形數據進行逐點計算，計算有效值和相位，并記錄逐點計算得到的有效值；

3）將計算結果返回波形數據管理模塊，并將結果傳遞給波形有效值DELTA 計算模塊，用于進一步計算。

2.3 波形有效值DELTA計算模塊

1）從第1 個數據點開始，計算當前點和一個周波后的點的有效值DELTA值，并逐點記錄DELTA值；

2）將計算結果傳遞給波形對齊模塊。

2.4 波形對齊模塊

1）將波形中各點的有效值DELTA 計算值連成新的波形曲線，其中波峰或波谷對應故障特征點；

2）從第1個數據點開始，對DELTA值波形數據進行逐點計算，計算得到DELTA 值的波峰點和波谷點，并記錄DELTA 值的波峰點和波谷點的數值以及點所在的編號；

3）對比標準錄波波形數據和故障指示器設備錄波數據的DELTA值波峰點和波谷點，計算最相近的波峰點或者波谷點，作為故障對齊的點，波峰點或波谷點往后推一個周波的位置即為故障開始點；

4）將對齊成功的最優對齊點傳遞給波形數據管理模塊。

2.5 波形對比分析模塊

1）對已經對齊成功的標準錄波波形數據和故障錄波數據進行波形比對；

2）輸出波形比對結果，包括：兩個波形的故障特征點位置的誤差范圍、故障錄波波形在故障特征點前的波形周波數及故障特征點后的波形周波數等。

3 波形自動比對算法及實現結果分析

3.1 波形自動比對算法

對標準錄波波形數據及故障錄波數據進行波形自動比對算法計算，步驟如下：

1）將標準錄波波形數據、故障錄波數據傳遞給波形數據管理模塊，波形數據管理模塊以橫坐標為時間軸，縱坐標為采樣值大小，在坐標系中標注所有采樣點，并將采樣點連成線；

2）波形數據管理模塊將原始波形和故障錄波波形分別傳遞給波形數據計算模塊；

3）波形數據計算模塊從第1 個點開始，逐點計算波形頻率，再計算每個采樣點所在位置對應的基波有效值，將每個點的基波有效值連成線，將計算結果返回給波形數據管理模塊并傳遞給波形有效值DELTA 計算模塊；

4）波形有效值DELTA 計算模塊從第1 個點的基波有效值I1（或U1）開始，與1 個周波后點的基波有效值I2（或U2）做差值計算I2-I1（或U2-U1），計算結果為DELTA，將每個采樣點對應的DELTA 值進行連線，形成的波峰或波谷就是波形的故障特征，波峰點或波谷點往后推一個周波的位置即為故障開始點；

5）波形有效值DELTA 計算模塊將計算結果傳遞給波形對齊模塊，波形對齊模塊按故障特征對標準錄波波形數據、故障錄波數據進行波形對齊，并將對齊結果傳遞給波形數據管理模塊；

6）波形數據管理模塊將2個波形的數據傳遞給波形比對分析模塊，波形比對分析模塊對比標準錄波波形數據及故障錄波數據故障開始點前后的波形參數，包括2 個波形的故障特征點位置的誤差范圍、故障錄波波形在故障特征點前的波形周波數及故障特征點后的波形周波數等，輸出比對結果。

3.2 錄波檢測結果及驗證分析

為驗證有效性，搭建了如圖5 所示的系統平臺檢測系統，主要由PF 系列配電線路故障指示器檢測平臺、PF1000A 暫態電流輸出裝置、故障指示器檢測柜，PC 機等構成。現以錄制的一組三相暫態短路電流波形進行分析，波形如圖6所示。

圖5 檢測裝置及檢測環境Fig.5 Detection device and environment

圖6 樣例一采集數據波形圖Fig.6 Waveform plot of sample 1

采集的各相電壓電流波形特征點計算如圖7 所示，以其中一相波形Ic根據2.6節繪制故障特征點圖如圖8所示，故障特征點在T=0.06時發生，則故障起始點為特征點的一個周波后，即T=0.08。

圖7 樣例一故障特征點分析圖Fig.7 Fault feature point analysis of sample 1

圖8 樣例一單相故障特征點分析圖Fig.8 Single-phase fault feature point analysis of sample 1

對比標準錄波波形和故障指示器設備錄波各相電壓電流的故障特征點時刻，和該時刻兩組對比波形前后的周波數目，并以兩對比波形特征點位置誤差在2個周波內、兩對比波形特征點前后周波數目誤差分別小于2 個周波作為對設備錄波檢測的標準，符合以上兩個標準的即表示該檢測功能合格。

為驗證該方法的穩定性，對采集的不同數據波形進行了故障特征點的分析分別如圖9-圖11所示，對應分析的錄波波形及故障錄波比對結果如表1-表2 所示，根據上文給定的錄波檢測功能的合格標準，顯示該待測樣品合格。

圖9 樣例二單相故障特征點分析圖Fig.9 Fault feature point analysis of sample 2

圖10 樣例三單相故障特征點分析圖Fig.10 Fault feature point analysis of sample 3

圖11 樣例四單相故障特征點分析圖Fig.11 Fault feature point analysis of sample 4

表1 錄波波形結果Table 1 Recorded waveform results

表2 故障錄波結果Table 2 Fault recording results

4 結語

本文基于對測試需求的分析，參考ComTrade波形文件解析規范，通過逐點計算電力波形的DELTA，將標準波形與被比對波形進行數據比對。結合國家電網有限公司故障指示器設備檢測大綱要求，提出基于并行通訊技術的故障指示器多裝置自動測試系統，對故障指示器設備的性能以及功能進行自動化檢測，通過故障指示器設備自動測試系統調用波形自動比對程序，實現故障指示器錄波功能的檢測。這一功能的實現，提高了故障指示器檢測效率，優化了檢測方案，將過于依賴人工檢測的傳統模式提高到計算機計算的高度，這也是未來配電自動化終端設備檢測發展的重要趨勢。