基于LabVIEW 的繼電保護測試儀自動檢測系統設計

王 宏，王永波，韓春雪，黃 強

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東建筑大學，山東 濟南 250101）

0 引言

繼電保護測試儀是繼電保護裝置調試和檢測的重要儀器，其精度直接影響繼電保護裝置能否按預定定值動作［1］。因此，繼電保護測試儀須定期檢測、校準或檢定［2-3］，如有超差，須調整精度，滿足要求后，才能投入使用。

繼電保護測試儀檢測分為數字量的檢測和模擬量的檢測/校準。數字量檢測一般使用網絡分析儀，或者光數字繼電保護測試儀檢測系統［4-6］。與常規模擬儀器不同，根據繼電保護測試儀行業標準［7-8］的要求，繼電保護測試儀模擬量的檢測/校準項目有十幾項甚至更多，需要使用多個標準器組合完成檢測/校準。繼電保護測試儀一般配置三相或六相電壓/電流通道，另有8個開關量通道。

為提高檢測效率，已有部分計量機構使用一體式繼電保護測試儀自動檢測裝置，大大縮短測試時間。文獻［9］以數字信號處理器（digital signal processor，DSP）為核心進行繼電保護測試儀檢定系統的硬件設計，并采用加窗插值快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）算法對采樣數值進行分析計算，在循環多次后達到同步采樣，設計測試系統對繼電保護測試儀的主要性能進行分析測試。文獻［10］采用電流互感器、電壓互感器對繼電保護測試儀的輸出信號進行采樣隔離，通過外設部件互連標準（peripheral component interconnect，PCI）采集卡與計算機連接，并采用LabVIEW 作為數據處理和控制平臺，實現對繼電保護測試儀電壓、電流、相位等參數的自動測試。文獻［11］將DSP 和嵌入式工控機架構設計結合，開發繼電保護測試儀檢定系統，并對繼電保護測試儀的主要參數進行測試。一體式繼電保護測試儀自動檢測裝置采用多個傳感器、集成A/D轉換器和微處理器，選用特定數據處理算法，對繼電保護測試儀進行自動測試，但其精度、穩定性和測試范圍與國際主流標準器相比還有一定差距。

文獻［12］采用儀器TFG5010T、TDS2024 測試繼電保護測試儀，并采用模擬鍵盤控制和仿真打印機解決測試儀器與計算機的通信問題，實現自動控制測試儀器對繼電保護測試儀進行測試，但其解決方案已不適用于目前的國際主流測試儀器。

基于國內外計量機構常用的國際主流標準器，設計繼電保護測試儀自動檢測系統，按照預定測試流程自動完成繼電保護測試儀各通道各項目的測試，自動生成測試報告等。不僅節省繼電保護測試儀的大量檢測/校準時間，無須另外購置一體式自動測試儀器，而且精度、穩定性和測試范圍與所采用的國際主流標準器一致，滿足國內外各種繼電保護測試儀的檢測/校準要求，可應用于國內外各計量機構。

1 繼電保護測試儀自動檢測系統功能

根據校準標準［8］要求，繼電保護測試儀自動檢測系統主要檢測/校準功能包括：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、相位校準、時間校準等。交流電壓校準、交流電流校準的項目又包含幅值、幅頻特性、響應速度和諧波畸變率。

該系統能夠根據預定的測試項目和測試點，自動控制繼電保護測試儀輸出規定的電氣量，采集對應標準器的測試值，在人機界面顯示測試值并自動生成測試報告，報告模板、項目、測點均支持用戶自定義。數據分析功能可根據標準要求對數據進行超差評估等。實現整個測試過程全程自動化，節省大量測試和報告編寫時間。

2 自動檢測系統設計

2.1 自動檢測系統硬件

繼電保護測試儀自動檢測系統的硬件由計算機、國內外通用標準器、輸出轉換裝置、接口轉換器和繼電保護測試儀組成。各通用標準器的接口可為RS232 接口、IEEE-488 接口、以太網口或USB 接口。標準器與繼電保護測試儀的電氣量采用電纜連接。標準器選用萬分之一等級三相比較儀、高精度萬用表、示波器和時間間隔發生器。

繼電保護測試儀的輸出電壓/電流為三相或六相，而萬用表、示波器等標準器僅支持單相測試，因此設計輸出轉換裝置，根據測試順序依次把繼電保護測試儀電壓/電流各相通道與萬用表、示波器等標準器的單通道相連。輸出轉換裝置應選用接觸電阻小、通流大的繼電器，滿足電流和電壓計量測試的要求。硬件系統連接如圖1所示。

圖1 繼電保護測試儀自動檢測系統硬件Fig.1 Hardware diagram of automatic testing system for relay protection tester

2.2 自動檢測系統軟件

2.2.1 虛擬儀器LabVIEW

LabVIEW 是測試控制領域常用的程序開發環境［13-15］，其函數庫包括數據采集、通用接口總線（general purpose interface bus，GPIB）、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。大多數主流測試儀器都有LabVIEW 的驅動程序，而LabVIEW 也包含各種適用于測試測量領域的工具包。

繼電保護測試儀自動檢測系統涉及多種通用標準器的采集控制，多種數據接口，且測量項目和測量數據相對較多，因此選用LabVIEW 作為開發環境，能夠快速搭建自動檢測系統軟件。且LabVIEW 作為自動檢測系統的開發環境，可廣泛應用于國內外計量機構的通用測試儀器［16］。

2.2.2 自動檢測系統軟件設計

自動檢測系統軟件采用模塊化設計，該軟件分為三大模塊：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、用戶界面兩個子模塊。檢測/校準模塊包括交流電壓校準、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、相位校準、時間校準等。數據分析模塊包括數據存儲、報告生成和數據分析。軟件設計如圖2所示。

程序運行，系統首先完成初始化，而后測試員進入用戶登錄界面，不同人員設置相應的操作權限，如測試、核驗、批準等。用戶界面如圖3所示。

圖3 用戶界面Fig.3 User interface

根據繼電保護測試儀實際電壓電流通道選擇測試通道。點擊“自動測試”按鈕，程序將按照左側進度欄的測試項目，逐個項目、逐個測點進行自動測試，流程如圖4 所示。在測試模板中開始第一個測試項目，讀取測試點，控制繼電保護測試儀輸出被測參數，延時后，采集測試該項目標準器的測試數據，并在用戶界面顯示，同時把數據插入報告模板中。一個項目的所有測點測試完成后，進入下一個測試項目，并采集對應項目標準器的測試數據，直到所有測試項目自動測試完畢。

圖4 自動檢測校準流程Fig.4 Automatic testing and calibration process

在手動測試時，可以強制選擇任一測試點，點擊“手動測試”即可單獨測試該測點。在不同的測試項目下可以觀察到相應的數據和波形信號。測試項目和測試點的設計參考電力行業標準［8］推薦的測試項目和測點，也可以根據用戶的需要設置所需測點。

如果中途需要中斷測試，單擊“停止測試”按鈕。點擊“保存數據”，在下一次測試前點擊“恢復數據”，即可繼續測試。點擊“保存報告”，會按照預先設定的報告模板自動生成測試校準報告。

2.3 儀器通信

2.3.1 LabVIEW 與RS232串口通信

繼電保護測試儀自動檢測系統集成多種測試儀器，各測試儀器的通信接口不同，因此需要實現計算機與各種接口的通信。

串行通信是工業中常用的一種數據傳輸方式，目前大多數儀器儀表都是使用串口通信。該測量系統中通過RS232串口實現LabVIEW 與高精度萬用表等儀器的通信。

LabVIEW 中的虛擬儀器軟件架構（virtual instruments software architecture，VISA）節點用于串口通信。VISA 的I/O 控制功能適用于各種儀器類型，包括串口儀器、GPIB 儀器等各類儀器的控制操作，對VISA 使用者來說，不同類型儀器的使用在形式和方法上相同。常用的VISA 函數包括VISA 打開、VISA 配置串口、VISA 設備清零、VISA 寫入、VISA讀取、VISA 關閉。LabVIEW 與萬用表通過VISA 節點進行串口通信，如圖5和圖6所示。

圖5 LabVIEW 與RS232通信程序Fig.5 Communication program of LabVIEW and RS232

圖6 LabVIEW 與RS232通信前面板Fig.6 Communication front panel of LabVIEW and RS232

2.3.2 LabVIEW 與GPIB接口通信

GPIB 接口是一種傳輸總線協議，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數據通信，本文選擇GPIB 轉接卡作為控制計算機與標準儀器的通信工具。工作原理為：計算機通過GPIB-USB接口連接三相比較儀，利用計算機來控制三相比較儀的運行，并讀取和存儲其測量數據。

LabVIEW 中有專門用于控制GPIB 設備的驅動模塊，可以實現對GPIB 儀器的自動控制，常用的GPIB 函數包括GPIB 讀取、GPIB 寫入，可以基本實現儀器的自動控制，如對儀器進行設置、數據的讀寫等。GPIB 模塊驅動直流電壓和交流電流測量程序如圖7 所示。若要實現其他電力參數的測量，只需要將“命令代碼”部分改為所要求的可編程儀器標準命令（standard commands for programmable instruments，SCPI）。

圖7 COM3003 GPIB模塊驅動程序Fig.7 Module driver of COM3003 GPIB

2.3.3 LabVIEW 與繼電保護測試儀的通信接口

繼電保護測試儀廠家較多，國內國外產品均在送檢范圍內。因此自動檢測系統對多廠家多型號的繼電保護測試儀實現自動調用是實現自動檢測繼電保護測試儀的關鍵。

繼電保護測試儀廠家提供的接口方式有傳輸控制協議/網際協議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）、動態鏈接庫（dynamic-link library，DLL）等。

TCP/IP 作為網絡通信的標準，是當今使用最多的協議。TCP/IP 網絡模式包括瀏覽器/服務器（browser/server,B/S）結構和客戶機/服務器（client/server，C/S）結構，該系統采用的是C/S 結構，該結構的優點是響應速度快、可靠性高，是應用軟件中常用的結構模式。在LabVIEW 中，TCP通信的過程為：

1）服務器端通過主機名或IP地址與端口號建立偵聽，等待客戶端連接。

2）客戶端根據主機的IP地址和端口號發送連接請求，待服務器與客戶端建立連接后，通過讀寫函數就可以進行TCP數據通信。

LabVIEW 中為網絡通信提供基于傳輸控制協議/用戶數據報協議（transmission control protocol/user data protocol，TCP/UDP）的通信函數供用戶調用［17］。在客戶端，通過打開TCP 連接函數打開TCP 連接，端口必須與服務器端指定的端口相匹配。讀取指定連接的數據，第一個讀取TCP 數據函數采集數據的大小，如數據大小（由服務器指定）大于0，則第二個讀取TCP 數據函數讀取數據。使用寫入TCP 數據發送單個字符至服務器，表明客戶端已停止。用戶單擊停止或發生錯誤時，TCP連接將關閉。如服務器端關閉連接，可能發生某些錯誤代碼。該情況下，忽略可能發生的錯誤并彈出顯示服務器關閉連接的對話框。

在服務器端，客戶端在指定端口連接時，TCP 偵聽虛擬儀器（virtual instrument，VI）生成連接引用，客戶端有30 s 時間進行連接，之后服務器將超時。第一個寫入TCP 數據指定發送數據的大小，第二個寫入TCP 數據函數發送數據。讀取TCP 數據函數檢查客戶端是否寫入數據，如寫入數據，則客戶端通知服務器停止執行。用戶單擊停止或發生錯誤時，關閉TCP連接。

為實現不同廠家、不同接口方式的繼電保護測試儀均可與LabVIEW 通信，設計繼電保護測試儀自動檢測接口程序。該程序可實現測試儀型號選擇、設備連接、設置測試儀輸出參數、啟動輸出、斷開設備連接等功能。

2.4 誤差分析

基于LabVIEW 的自動檢測系統對繼電保護測試儀測試數據進行管理及分析［18-20］。數據庫可存儲同一臺繼電保護測試儀的多次檢測校準數據，通過對校準數據進行比較分析，可對繼電保護測試儀的運行情況進行評估和預測。

以交流電壓偏差為例，設校準標準的顯示數據為UN，繼電保護測試儀交流電壓輸出值為UX。

交流電壓輸出值的絕對誤差為

交流電壓輸出值的相對誤差為

基準工作條件下，輸出電壓的幅值為0～120 V、頻率為50 Hz 時，輸出交流電壓UX的基本誤差應滿足［8］：UX≤2 V 時，絕對誤差不超過±4 mV；2 V＜UX≤120 V時，相對誤差不超過±0.2%。

在數據分析模塊中，萬用表采集的電壓數據根據式（1）和式（2）得到電壓誤差值，將其與標準要求的電壓幅值誤差進行比較。若實際電壓誤差超出標準規定的電壓誤差，過限警告燈會亮起，此數據在報告中會標注。

原始記錄和報告中的數據來自檢測/校準模塊，不可人為改動。如果人為改動，將在原始記錄中標注修改人的賬號和修改時間，以滿足實驗室認可機構對原始記錄數據修改的要求。

3 自動檢測系統的性能指標

自動檢測系統整合多個國際通用標準器，實現對繼電保護測試儀的自動測試。系統的性能指標完全滿足行業標準要求。

以交流電壓校準為例，自動檢測系統在重復性條件下對微機型繼電保護測試儀進行10 次交流電壓的測試，交流電壓實測值是10 次測試值的平均值，計算擴展不確定度，如表1所示。

表1 交流電壓測量結果Table 1 Test results of AC voltage

由表1 可見，交流電壓不確定度小于0.023%。根據行業標準［8］對校準標準裝置的要求，校準標準裝置的擴展不確定度應為被校繼電保護測試儀各輸出功能和測量功能所運行誤差的1/3～1/5。被測繼電保護測試儀的交流電壓誤差為0.1%，自動檢測系統的擴展不確定度0.023%，完全滿足行業標準要求。

基于LabVIEW 的繼電保護測試儀自動檢測系統能夠根據行業標準要求對交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流、相位、時間、諧波等指標進行高精度校準，不確定度均滿足行業標準要求。根據測試項目和測試點的數量不同，自動測試比手動測試節約2/3以上測試時間。

4 結束語

基于LabVIEW 的繼電保護測試儀自動檢測系統，通過自動控制繼電保護測試儀輸出規定的電氣量，采集多種國際通用標準器的測試數據，根據校準規范要求，自動檢測校準繼電保護測試儀，并自動生成測試報告，進行數據分析。該系統節省大量用于檢測繼電保護測試儀和編寫測試報告的時間，采用國際通用標準器的精度、穩定性和測試范圍，可滿足國內外各種繼電保護測試儀的檢測/校準要求。

采用該系統自動校準繼電保護測試儀的電壓、頻率、相位等，試驗結果表明，自動校準的擴展不確定度完全符合繼電保護測試儀相關行業規范要求。該系統還可以擴展到其他二次測試設備的檢測校準，實現各項目的自動測試，提高測試效率，具有很大的推廣意義。