（电力系统及其自动化专业论文）继电保护自动化测试软件的开发与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 暑皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! 曼曼曼皇曼曼鼍! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼! i 一。i i i i i ! i a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e c o n d a r ye q u i p m e n t s ，t h ep r o t e c t i v er e l a ye n s u r e s t h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m s t r i c tc o m m i s s i o n i n gi sr e q u i r e dd u r i n g t h er e l a y sm a n u f a c t u r i n g d u r i n gc o m m i s s i o n i n go ft h ep r o t e c t i v er e l a y , l o t s o fw o r k sa r ec o m p l e t e d m 三五。二：兀r a ：k 。：j 。i j 。u ：o ：五。：。二：) ：口：。：。名：。，a 。3 。名：。：。m 。：i 。：五五i 5 s i o - i j j 占 s o f t w a r ei sn e e d e dt oi m p r o v et h ea u t o m a t i o nl e v e la n dp r o d u c t i v ee f f i c i e n c yb a s e d o nt h ep r e s e n to n e t h ec o m m i s s i o n i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s so ft h ep r o t e c t i v er e l a yc o m m i s s i o n i n g s y s t e ma r er e s e a r c h e d ，a n dt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ep r e s e n to n e i sa n a l y z e di nt h e p a p e lf e a s i b i l i t yo ft h ea u t o m a t i cc o m m i s s i o n i n gs o f t w a r ei ss t u d i e d ，a sw e l l a s s e v e r a ld i f f i c u l t i e sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n t a n dt h e s ed i f f i c u l t i e sa r eh o w t or e a l i z e t h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h ec o n f i g u r i n gp a r a m e t e r sa n dc o m m i s s i o n i n gp r o c e s s ， h o wt os i m u l a t es e v e r a lf i l e sb yg r o u p sd u r i n ga u t o m a t i cc o m m i s s i o n i n g ，a n dh o w t o t r a n s f e rs i m u l a t e dd a t ab yc o m m i s s i o n i n gd e v i c e t h ec o m m i s s i o n i n gs o f t w a r ei sp r o g r a m m e di nm a r l a b ，b a s e do nw h i c h ，t h e i n t e r f a c ep r o v i d e db yp ws o f t w a r ec o u l dr e a l i z et h ea u t o m a t i cc o m m i s s i o n i n g p r o c e s sf r o ms i m u l a t i o nt od a t ao u t p u t t h et r a n s i e n tw a v ei sa c c e s s e db yd r i v i n gm a t l a be n g i n et oi m p r o v et h e a b i l i t yo fo u t p u t t i n gt h et r a n s i e n tw a v e b ym a k i n gr e a s o n a b l ec o m m i s s i o n i n gs c r i p t ， s e v e r a lt e s t sc a nb ec o m p l e t e da tt h es a m et i m e ，a n dp r o t e c t i v er e l a ya u t o m a t i c c o m m i s s i o n i n gi sr e a l i z e d t h es o f t w a r ed e v e l o p sa n dr e a l i z e st h ec o m m i s s i o n i n gs y s t e mb a s e do nv c 6 0 t om e e td i f f e r e n tc u s t o m e rr e q u i r e m e n t s ，t h ea u t o m a t i cc o m m i s s i o n i n gi sr e a l i z e do n t h eb a s i so ft h ep wc o m m i s s i o n i n gs o f t w a r e k e yw o r d s ：p r o t e c t i v er e l a y ；a u t o m a t i cc o m m i s s i o n i n g ；i n t e r f a c e ；m a t l a be n g i n e ； v c 西南交通大学硕士学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 j ，明确的说明。本人羌全葸识剑本卢明的法律结果出奉人承亨旦。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过调用m a t l a b 引擎函数，将m a t l a b 与继电保护自动化测试软件完美 的结合在一起： 2 在原测试软件基础上添加了暂态仿真功能，实现了继电保护测试软件的自动 化测试及相关功能。 学位论文作者签名： 日期：矿f p 叼哟如 。j 1 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 m a t l a b 作为卓越的计算工具与优秀的仿真软件可以为工程类软件提 供强大的后台服务。通过调用m a t l a b 引擎函数，将m a t l a b 与应用 程序完美的结合在一起，有效的降低了软件开发的难度与提高了软件运 行的效率。 2 对自动化测试软件的接口进行了系统分析，指出了自动化测试软件的实 现依赖于三个接1 2 1 ，即p w 测试软件提供的测试接1 2 1 、m a t l a b 引擎接 口、p c 机与保护装置之间的通讯接口。 3 通过用例图对自动化测试软件进行系统分析，将系统用户、各个功能模 块以及他们之间的关系清楚的表示了出来。 4 分析系统相关参数并设定了范围。 5 在开发工具上，易于采用目前开发系统软件比较流行的v c 6 0 工具软件。 利用v c 6 0 开发测试软件的外形及测试模块。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 闻、啦办 j 日期：聊p 皇。三1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第一章绪论 继电保护装置是电力系统最重要的二次设备之一，在我国的应用己有8 0 多 年的历史，其可靠动作对电力系统的安全稳定运行起着重要的作用川。继电保护 但就其试验和测试来说，长期采用经典的电气测量方法和常规电工仪表。 近年来，随着我国电力工业的迅速发展，新型继电保护装置特别是微机型继 电保护装置得到广泛推广使用，对测试技术提出了更高的要求，在逐渐形成有别 于一般电气测量的专门技术领域，即被称为继电保护测试技术【2 j 。 国内外的科研单位、电力系统及其相关产品的生产厂家纷纷投入大批的科研 力量，相继研制出多种新型的继电保护测试装置。采用计算机实现故障再现、实 时仿真、自动测试等先进技术的数字式继电保护试验装置己经成为电力系统的生 产、调试、运行以及科研等部门不可缺少的专用设备。 随着计算机、数字仿真及微电子技术的发展，数字式暂态试验系统发展迅速， 它的发展方向大致可以分为以下两类： 1 ) 朝着功能强大、实时仿真的方向发展； 2 ) 朝着轻巧便携、专用系统的方向发展。 新型继电保护装置特别是数字式保护和安全自动装置已经得到广泛的推广 和应用【2 1 。在对这些设备检验的过程中，已经逐步摒弃传统试验方法而引进新的 试验手段，涉及计算机自动测试、数字仿真、微电子、大功率器件等先进技术的 微机型继电保护试验装置己成为继电保护测试领域必不可少的专用设备。 随着计算机芯片和电子器件技术的高速发展，高性能运放i g b t 、m o s f e t 等高速、全控型器件的广泛应用以及逆变电源技术的飞速发展，使一些新的测试 技术以及数字仿真技术的实现成为可能【2 】。 在继电保护装置的实际生产过程中，在出厂前需要对其进行严格的质量监控 与性能测试。以继电保护生产厂家为例，w b h 8 9 2 z 主变主保护装置、w b h 8 9 2 h 主变后备保护装置、w b h 一8 9 2 c 主变测控装置等多套保护装置在出厂前都会通过 p w 测试系统进行严格的生产测试与性能调试，以保证产品的性能和质量。 具体而言，实际测试过程分为保护程序调试、故障仿真、手动加量、测试仪 输出仿真数据、继电器动作、获取测试报告等多个测试环节。但是，目前的继电 保护测试过程中的大量工作需要手动完成，自动化程度不高，这就迫切需要在原 测试软件原有的基础上进行合理的二次开发，研制一套有效的自动测试软件，用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 h i i i i i i ii ii ii io i 曼曼! ! 曼曼曼曼! 曼! 蔓! ! ! ! 皇 以提高继电保护装置的测试自动化程度以及实际生产效率。继电保护装置的自动 化测试不仅具有很高的理论研究价值而且符合实际的经济需要。 有鉴于此，提出了本研究课题。 本论文在原p w 2 0 系列测试软件的基础上，利用v c 6 0 作为软件的开发平 台，依靠m a t l a b 仿真引擎作软件后台，设计并实现了可以连续仿真并输出仿 真数据的继电保护自动化测试软件。该软件实现了对m a t l a b 仿真接口的调用、 p w 软件测试接口的调用、整定值读写功能及测试报告的输出。 1 2 继电保护测试系统简介 1 2 1继电保护测试仪简介 p w 系列测试仪采用最新一代d s p 数字信号处理技术以及1 6 位的数模转换 和3 2 位的数值计算精度。d s p 具有高速的运算能力，采用先进的d s p 技术，使 p w 系列测试仪每周波输出的数据点提高到6 0 0 点，大大提高和改善了测试仪的 暂态响应速度和幅频特性，而且使测试装置具有十分强大的实时闭环功能。利用 d s p + f p g a 构成的数字信号处理系统，使测试仪在小信号输出精度和输出波形 方面有了极大的提高和改掣引。 p w 测试仪采用并行通讯口( 或u s b 口、网口) 与电脑相连，保证电脑的 串行口空闲，这样该串行口就可与所测试的保护装置相连。在一台计算机上同时 操作测试仪和被测保护装置，这在测试过程中特别是保护装置生产企业非常方 便。同时，并口( 或u s b 口、网口) 有较高的传输速率，可提高测试装置的响应 速度，实现测试仪的实时控制和快速测谢3 1 。 作为闭环监视的一部分，测试仪以较高的采样速率对七路模拟量输出通道和 八路开关量输入通道进行采样。采样值不断存储在测试仪的数据存储区中，为以 后波形分析的需要进行录波。同时，采样值经高速数据接口传回给计算机，并在 计算机屏幕上实时显示出来为用户提供波形监视【3 j 。 继电保护测试仪的正面与背面外观如下图： 亘窒圣堡查耋堡圭墼垂兰耋堡堡圣篁：里 图i 1p w 月i 试主机正面外观图 口 i j l i i l 图i - 2p w 测试主机背面外观刚 22 继电保护测试软件简介 p w 系列测试软件具有实时多任务、多窗口的特点。在w i n d o w s 下运行的测 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 试程序充分利用了w i n d o w s 多线程的特点，大大增加了通信数据的吞吐量，提 高了程序运行的实时性。在对保护装置进行测试的同时，还可通过计算机串口与 所测的保护装置相连，与保护装置进行通讯1 4 j 。 软件的每一个测试模块提供测试、波形监视、历史状奄、矢量图和时间信号 图等多个视图，为用户提供可视化的测试进程和全方位的测试信息。这样用户就 可以从不同的侧面，全方位地了解和控制测试进程，并深入进行测试结果的分析 和研究，由于测试软件基于w i n d o w s 操作系统，测试过程中的人机交互性好， n ；# 朴批蜱伍的信自帚十有相i 千用自对n j 0 酣i 凿擗醅对排但麟罟t 柞雨砷酌淬 入分析和研究1 4 】。 p w 系列继电保护测试软件主要包括手动实验、递变、状态序列、线路保护 定值校验、差动保护等1 8 个实验模块，测试软件主界面如下图1 - 3 ： 下面分别列举手动试验与状态序列这两个试验来说明授4 试软件的部分功能。 ( 1 ) 手动试验： 如图1 3 所示，选择手动试验，在手动试验界面，用户可以设定三相电压 ，u c 及三相电流血，西，尼的幅值、相位、频率用于手动测试，用户还可以在 右下方选择框中输入需要改变的变量及其步长，进行连续测试。( 例如选择电压 血，幅值，变化步长设为00 1 a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 = i 1 。 碴! = = i ! ! ! ! 。i tj 二_ ：三蔓烈 i，：+ 。；嘉。j l r 一，一。二= 1 _ j ：二! 一：二。：!。， 图1 4 手动试验界面 ( 2 ) 状态序列 选择状态序列，在状态序列试验界面，用户可以设置四种状态，分别为故障 前状态、故障状态、跳闸后状态、重台状态。除了同手动试验一样可以设置三路 电压与电流的幅值、相位、频率外，还可以叠加衰减支流分量。在触发条件的选 择框中，可以对四个触发状态的触发条件( 如晟长状态时间、开关量翻转触发、 按键触发、g p s 触发、电压触发) 还可对开关量的输入与输出的相关参数进行设 置，以及对触发后延时、防开入抖动时间( m s ) 进行设置【4 】。 一_ _ r “月i j r 两r 郦目 一_ i 。“p i “ i i 爹“= ：窝 t * o t i + “。 i ”一j 一 ：= i 一 。一二夏! 群。二黧 _ 一一 日dm = = 裟! 一，。；。_ 日 图l ，5 状态序列试验界面 其它如距离保护、差动保护等测试实验由于篇幅有限，本文不作详细介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 _ _ i i ii i 。! 曼曼曼 1 2 3 继电保护测试过程中所存在的问题分析 继电保护测试过程中所存在的问题主要有： 1 ) 测试仪的暂态输出能力差，这表现在测试仪目前只能输出稳态波形，对 于复杂的暂态波形，输出能力有限。 通过测试仪的实际波形输出能力不难发现，对于常规的三相交流电压与电流 值及简单的衰减支流分量的叠加，测试仪都能依据用户在测试软件中设定的电压 l 一叶、，一上，1 ，百，+ 一r 押 t 丁：b ，、i 、i 扎- - 、rf = i ，士八t ，r tf 爿、n 17 一t l 柯h ，青ri ， 古+ i 1 r ， 叫u u i l 0 r 崮l e l 、川仪、姒午儿，执伏3 趴坐u 0 t l j u 山， 烂此垲u 必不u0 日，心v j * 以沙， 其暂态输出能力就不能满足实际的需要了。 例如变压器空载重合闸过程中产生的励磁涌流现象，我们可以通过 m t a l a b 的s i m u l i n k 模块建立变压器空载合闸时的仿真模型： 图1 - 6 变压器空载合闸时候励磁涌流的仿真模型 u a = u b = u c = 11 0 e 3 k v 】，矽口= 【0 0 】，矽6 = 【1 2 0 0 】，矽c = 【1 2 0 0 】，f = 5 0 h z ， t = 【0 ，t ，r 1 = r 2 = r 3 = 【o 1 2 5 0 0 h m 】，l 1 = l 2 = l 3 = 【0 0 0 6 3 h 】，原次：次边 = 11 0 e 3 ：2 7 5 e 3 】，铁芯剩磁= 纵 ，f o u r i e r n = 2 】，s w i t c h i n g t i m e s = 【0 ，0 1 ，其 他参数为默认，现设定两个参数的值分别为t = 2 0 0 m s ，。z c = 0 7 ，仿真得到的励 磁涌流血如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图l 一7 变压器空载合闸时候励磁涌流波形 如上图我们可以发现，对于像励磁涌流等复杂的暂态波形数据，测试仪在目 前的实际工作中是无法完成输出功能的。为了在测试仪原有测试功能的基础上完 善其暂态输出功能，在设计自动化测试软件的过程中需要利用m a t l a b 做软件 的仿真后台，将仿真出的暂态波形通过测试软件的测试接口传输给测试仪，在测 试仪识别后使之输出。 2 ) 测试仪的自动测试能力有限，即目前的测试仪还无法按用户设置的指令 一次完成多组测试任务。 继电保护测试仪目前还满足不了自动化测试的要求。以a t 故障测距的实验 为例，一组实验从仿真开始到数据得出再到手动加量直到整个测试完成往往需要 是2 3 天的时间。 在状态序列模块中，每做一组实验，就必须设定故障前后的状态参量，手动 依次输入两组电压值与电流值的幅值、角度、频率，其输入量可达3 6 个之多， 如果再加上触发条件，可以达到4 0 多个。测试的同时需要手动向需要测试的保 护装置写入一组新的整定值，每换一个参数，又必须重新按照上面的步骤重新写 入整定值。有时为了提高测试的测试效率，往往需要2 3 人来完成此次测试。 通过以上分析我们不难发现，要实现自动化测试，就必须要解决整定值的 读写问题，如何在每次测试开始前将整定值写入保护装置是实现自动化测试的关 键问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 自动化测试过程中整定值的读写逻辑将在第四章作详细介绍。 1 3 继电保护测试技术的现状及新技术的应用 1 3 1继电保护测试技术的现状及发展动力 一、继电保护测试技术的现状。 r 右喾千：f 喾持静i 南；干i 石子牛 序毒悼南，吼士白泪f i ；平丰f f f ，、，赆s h ；羽沛睁甬! 纠啦由，币士白：* i l r l ：干 川叫- i 、 、川p 、h 一，、， - - 7 、 技术将所有装备功能高度集成于一身。可以灵活地改变各相电流、电压的幅值、 相位、频率，系统可能发生的任何故障它都能准确地模拟出来。如需进行现场测 试，只需要带上一台测试仪即可。 近年来北京博电新力公司生产的p w 系列、广东昂立公司生产的o n l l y - a 系列继电保护测试仪在激烈的市场竞争中脱颖而出，逐渐占据了主导地位。 p w 系列和o n l l y - a 系列各有各的特点，在硬件方面： 1 ) p w 系列测试仪一直坚持采用线性电源+ 线性放大器的功放理念。这样可 以保证较大的输出功率和较好的小信号精度。但昂立公司却认为开关电源+ 线性 放大器的组合也能保证电压电流的精度和波形平滑，并且提高了效率、减轻了重 量。 2 ) 虽然北京博电新力公司也有像p w 系列这样的一体机( 电脑内嵌在测试 仪内部) ，但着重推广的主打产品仍是主机和电脑分离的p w a 系列测试仪。而 昂立公司显然更热衷于将工控机和测试仪主机装在一起。前者可以保障测试仪的 可靠性、稳定性，低返修率。后者则更方便用户携带。 在软件方面： 北京博电新力公司优于广东昂立公司率先推出的p o w e r t e s t 软件。p o w e r t e s t 采用软插件技术。为各种不同的保护分别制定专用的测试模板，这个模板中已制 作好了该保护中的所有测试项。并且将试验中需要的参数与定值通过变量的形式 关联起来。用户只需要在p o w e r t e s t 主程序里打开相应的模板并输入定值即可。 1 3 2 新技术在继电保护测试中的应用 随着计算机、微电子、大功率器件等各方面新技术的发展，继电保护测试技 术及继电保护测试装置得到了快速的发展和完善【2 1 。 1 数字仿真技术。 新的实时数字仿真技术用于继电保护装置完整、全面、真正闭环的测试，是 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼! ! 曼! ! ! 鼍! 曼! 曼曼! 曼蔓曼曼曼曼o； 一_ i i 一 = 一 i ! 曼! 曼! 曼 继电保护测试技术的必然发展趋势。实时数字仿真技术在测试装置内部建立比较 精确的数学模型，由装置内的d p s ( 或高速c p u ) 实时解算模型，产生数据，产生 相应波形，来完成继电保护装置测试。 2 高速c p u 的应用。 a 提高每周波输出数据的点数，极大的提高了波形的分辨率。 b 提高输出信号的精度和频带宽度，精确的模拟高频故障信号，进行故障回 放析故障起因。 r 后台零而基于w n n w r 使界而更加节好，输一涮试捐告格书山田白自 定义。 d 装置内部强大的c p u 处理能力为实现更复杂的功能提供了基础。如新的 数学模型可对发电机、变压器保护进行测试。 3 d s p 技术的应用。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 具有高度的灵活性、强大的指令集合、快速的 数字处理能力及全新的内部结构。使实时仿真用于保护测试装置成为可能。 4 高精度、快速d a 转换。 高精度的d a 转换可以有效提高输出波形的分辨率( i s a 公司的d r t s 3 微 机继电保护测试仪采用2 4 位d a ) 。转换速度的提高，可以提高动态响应，使测 量更加准确。 5 采用新型功率放大器器件。 新型的功放器件降低静态损耗，提高装置动态响应。还使输出信号具有更高 的带宽，更加能准确的输出故障时各种频率分量的故障信号。 6 输出大电流情况下的稳定性技术。 实现一些特殊的测试项目。 7 利用离线e m t p 仿真数据，采用“数据回放”的方式，实现暂态仿真。 e m p t 仿真模型精确，可以模拟线路、变压器内部各种故障，精确模拟故障 的暂态过程：完成动模试验的测试项目，测试的真实性高。预先准备多种故障暂 态过程，把内存中的故障数据送出，根据保护的实际动作情况，切换预先准备好 的数据，输出反映保护动作后的故障波形，实现闭环测试。 8 g p s 技术的应用。 对于双端或多端保护的暂态试验，通过精度达微秒级定时时钟，使双端( 多 端) 的测试同步，真实的模拟系统故障，达到测试保护的目的。 9 新的编程技术的应用。 应用面向对象技术，采用分层结构，在用户和底层硬件之间包括应用程序模 块、驱动程序模块和接口层。采用图形化界面技术，开发基于w i n d o w s 操作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 l l mm im i 曼曼! 曼曼曼! 曼! ! 曼! 曼! 蔓 系统的应用程序。 1 0 坝0 试自动化技术的应用。 按照预设的测试程序自动进行测试；根据保护反馈信号自动调整测试参数和 保护定值。对不同装置采用程序化测试方案，测试中间无需人工干涉。 1 1 c p u 并行计算技术的应用。 采用多c p u 处理方式，p c 机只进行后台控制和管理。将每个电流源、电压 源以及计时单元都构成独立的智能化的模块，并将这些智能化的模块组合在一套 继电悍护榭机刑 书聆攀詈中多q p tt 强的计算能- h 能镌建寺转为准确的季缝 模型，使仿真更加真实可信。 1 2 通信及现场总线技术的应用。 为使试验装置的容量更大，使用更为灵活，采用单相独立机箱由试验人员自 行组合的模式。其典型代表是美国d o b l e 公司f 2 0 0 0 系列。为使多个c p u 同 步工作，各单元都设置i e e e 8 8 和一个同步通讯接口，以便试验人员根据需要自 行组合成多相试验电压电流源，每个单相的电流电压源都可分别切换为两个电 压源或是两个电流源，或是一个电压、电流源的方式【2 】。在进行自动测试时，采 用r s 串行接口接受来自p c 机的数据，或在模拟手动测试时，接受来自小型控 制器( 该小型控制器也使用单片机进行处理) 的数据。通常p c 机只进行后台控制 和管理。由于采用i e e e 8 8 接口能获得较高的通讯速率( 1 m b s ) ，因此可大幅度 提高试验装置的性能，可灵活扩充和连接多台试验设备【2 】。 1 。4 论文的主要工作 本论文根据继电保护自动化测试的要求，开发并实现基于目前测试条件下的 自动化测试软件。本论文的主要工作如下： 1 ) 介绍了现有的p w 系列测试系统( 包括p w 测试软件与测试仪) 的相关情况 和资料，研究并分析了近年来国内和国外科研领域继电保护测试技术的现状 及新技术的应用； 2 ) 分析了测试仪测试软件的不足及需要完善的测试功能，在此基础上开发继电 保护自动化测试软件的可行性与研究价值； 3 ) 分析了实现自动化测试过程中需要面临的重点及难点问题，并提出了可行性 方案以及系统的整体需求分析( 包括调用m a t l a b 仿真引擎作系统后台， 通过北京博电新力公司提供的测试接口实现暂态波形数据的传输，在原p w 软件基础上实现自动化测试的测试流程及测试思路等) ； 4 ) 分析了m a t l a b 仿真接口的可行性，p w 测试接口的可行性，串口通讯建立 的情况下按自动化测试的要求依据1 0 3 报文格式实现继电保护装置对整定值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的读写。 5 ) 利用v c 6 0 开发工具对继电保护自动化测试软件进行开发，并实现由脚本仿 真到自动测试的测试过程； 6 ) 详细分析并实现了继电保护自动化测试功能。 本论文主要包括以下几部分： 第一部分绪论，介绍了测试系统的相关情况和目前测试有哪些缺陷，以及 国内外继保测试技术的现状及新技术的应用； 第一部分研窀并分析继电悍护自动化涮试季缠的涮请睁硼黟拂 问题 第三部分对继电保护自动化测试软件进行需求分析，其中包括自动化测试 的可行性分析及自动化测试软件的需求分析等； 第四部分对继电保护自动化测试系统建模利用v c 6 0 设计并制作继电保 护自动化测试软件，并实现相关测试功能； 第五部分继电保护自动化测试系统的实现及效果图 第六部分结论与展望 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第二章继电保护自动化测试系统的测试原理及重难 点问题分析 2 1 继电保护自动化测试软件的测试原理与流程 1 ) 继电保护自动化测试软件的测试原理 继电保护自动化测试系统分为硬件和软件两部分。硬件部分由p w 测试主机、 待测保护装置、p c 机三部分组成。软件部分由p w 软件与自动化测试软件两部分 组成。按照实际测试的需要，自动化测试软件一方面调用p w 软件提供的软件接 口，实现对p w 软件底层的操作。另一方面与m a t l a b 仿真引擎相连接，实现读取 仿真脚本文件，对经由m a t l a b 建模生成的多个仿真模型按脚本进行连续仿真， 并将测试所需的暂态波形能够通过p w 软件提供的软件接口输出。 继电保护自动化测试系统的硬件和软件部分如下图： 图2 - 1自动化测试的原理图 如上图所示，通过自动化测试软件将m a t l a b 引擎和测试软件提供的软件 接口联系在一起。自动化测试软件封装了软件的测试底层，在原有的p w 软件的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 鼍! 皇! 曼! 曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼! 曼曼i 二i ；i 二i i ! ! ! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! ! ! 曼曼! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 曼! 曼鼍! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! ! 曼曼 一系列测试功能的基础上，研发并实现原测试软件所欠缺的自动化测试功能。 2 ) 继电保护自动化测试的测试流程： 在p c 机上运行继电保护自动化测试软件，在实现p c 机与m r t 以及保护装 置的通讯之后，从脚本文件所在的文件央目录下读取为测试所设置的脚本文件， 其中参数在测试前由测试人员自行制订。选择自动化测试，软件自动识别仿真脚 本文件，点击自动化测试模块选择要测试的测试模块类型，开始自动化测试直至 继电器动作，系统记录继电器的动作时间，动作时的电压电流大小等相关数据系 统柃洲洲试是万已宅书毒宅书缫缔下卵洲试声卒宅澎丘斤有测试仟务目体洲 试流程如下图： 图2 - 2 继电保护自动化测试流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 继电保护自动化测试软件的研究价值与实际意义分析 采用自动化测试技术的研究价值及实际意义主要有以下几点： 1 ) 提高工作效率； 先进的测试技术和测试手段的应用，不断的使测试工作变得方便快捷，从而 大大的提高了测试工作的效率1 5 】。 具体而言即将原来的手动加量环节变为自动，一次制定测试方案与测试脚本 r 一t 币而，痒，i、7 7 j 、二幸1 ，一 ； 叶，j - i 而丰 广f i j 曰， ：7 j 啊r f 、n 王ni n t u ，i 、m j ：多( i 力h u7 i 十斗k 足，( i 幺矿姒d 儿：刍( 土圭，j y ij + 二，j j “旦生，：- i w a 正j 优uk 1 - h u j ji h u ， 减少了测试人员的测试负担，测试过程也变的简单方便。 2 ) 对产品的整体性能更全面、深入的了解； 应用自动化测试技术，能够更加真实的模拟系统状况，检验继电保护在各种 复杂情况下的运行状况和动作特性。 具体而言即自动化测试软件可以仿真并输出原p w 测试软件无法输出的暂 态波形，模拟复杂的暂态过程使得我们的测试更为精准、可靠，这也正符合了继 电保护四性中可靠性的要求，而且将实际的故障仿真原理应用到了实际的测试当 中去，弥补了之前p w 软件的不足，从而实现对原p w 软件的整体性能更全面、 深入的分析与应用。 3 ) 避免在实际应用中的损失。 新技术的应用，使测试装置具有很强的综合分析和判断能力，几乎就是一个 智能专家系统【5 1 ，因此极大的提高了测试工作可靠性。避免在实际中由于人为的 疏忽，造成的损失。 具体而言在实际的测试过程中，由于长时间的测试，很可能造成测试人员的 精神疲劳，从而容易出现手动加量时输入了错误的数据或者写入了错误的整定值 并没有及时发现，这样不但浪费y t 贝1 试的时间，而且需要把更多的时间投入到复 查错误上来。严重的时候，可能对公司造成经济上的损失【5 j 。 2 3 自动化测试需要解决的问题及难点问题分析 2 3 1自动化测试需要解决的通讯问题分析 首先要解决的是通讯问题。继电保护测试过程其实就是一个数据与数据的交 换过程。详细分析如下： 1 p c 机数据与继电保护装置的通讯问题 测试仪采用并口与p c 机之间通讯，所以我们采用串口通讯来实现p c 机数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 与继电保护装置的通讯，这其中的通讯内容主要包括继电保护装置测试所需的整 定值的读写以及测试报告的生成等。 t a - 2 1 系列继电保护装置的硬件结构基本相同，我们以馈线微机保护测控装 置为试验对象。该装置由一个交流变换插件( j 1 ) 、一个保护c p u 插件( j 2 ) 、一个 信号插件( j 3 ) 、一个出口插件( j 4 ) 、一个接口插件( j 5 ) 和一个电源插件( j 6 ) 组成。 装置的硬件结构如图2 - 3 所示 5 】。 r 习l 信号插件h 出口插件i 图2 3 装置硬件结构 交流变换插件主要由电压、电流变换器构成，将p t ，c t 二次侧的交流信号 转换成一1 0 v i o v 的弱电信号供a d 转换器采样。 信号插件和出口插件都是由若干信号继电器组成，主要完成跳合闸功能、提 供各种信号触点功能等。 接口插件通过串口与保护插件通信，实现装置内部数据交换，通过l o n w o r k s 网络接口与监控机通信，实现保护装置的远方功能田3 。接口插件与保护c p u 通信 采用查询方式。接口插件通过串口与p c 机通信，实现当地人机界面功能。 稳压电源采用逆变开关电源，输入电压可选d c2 2 0 v 或l l o y ，输出为+ 5 v 、 5 a ，士1 5 v 、0 4 a 和2 4 v ，2 a ，1 2 v ，0 5 a ，具有输出失电告警功能。 保护插件是实现保护功能的核心，结构最复杂，是自动化测试的关键所在成 模拟数据采集、数据处理运算和控制、定值存储、开关量输入输出、通信等功 能口1 。本插件提供1 6 个模拟信号输入通道，经二级阻容式低通滤波器输出到高 速多通道的a d 转换器件。其原理框图如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 一“”岬苛r c 泣泼h j i 煳1 2 5 。：一f 郴h 存诒嚣 。_ _ _ _ _ - _ 一 l 凡辐h 存储謦k = = 爿a 豁s p 2 。e ；l 娃 c os r 删存结嚣 r 可编程逻辑器件k ! = 。 刊型塑! 建一 图2 4 保护插件原理框图 2 p c 机与测试仪的通讯问题 原p w 软件包含的系统a p i 函数已经建立了p c 机与测试仪之间的通讯，继电 保护自动化测试软件调用p w 测试软件提供的测试接口，在原有测试功能的基础上 实现d a 输出，以及m a t l a b 实时仿真波形数据输出。 2 3 2自动化测试难点问题分析 继电保护自动化测试的难点问题如下： 1 ) 对于多次测试用到的m a t l a b 仿真文件依次自动仿真，并由测试仪实时从 p c 机的r a m 中读取仿真波形数据； 传统的测试过程中，都是先对某一具体的测试模型设参，然后进行仿真，再 人工手动加量，具体流程如下图所示： 圆菖 圈 图2 - 5 传统测试中的手动部分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 在继电保护自动化测试过程中为了避免手动，就必须实现从仿真到测试波形 数据输出的一体化的测试过程。这就需要解决以下两个难点问题： i 如何有效的调用m a t l a b 仿真接口，以及继电保护自动化测试软件如何识 别并读取m a t l a b 格式的测试脚本： 2 如何有效的调用p w 测试接口，使m r t 按照测试要求连续输出仿真波形( 包 含暂态波形) 。 继电保护自动化测试过程如下图： l 盟 n u 酽囤2 i 忑云j 0 一 i 鱼鳖竺= _ 图2 缶继电保护自动化测试思路 2 ) 保护装置对测试过程中多组整定值的识别与读取； 有关整定值的读写问题，即p c 机与j 5 通讯板上单片机之间的通讯问题， 依照r s 2 3 2 c 标准，实现p c 机与单片机的串口通讯口】，可利用v c + 丁平台开发。 v 叶提供了强大的通讯控件m s c o m m e 9 1 ，通过m f c 来设计界面编制程序来 实现p c 机与单片机之问的通讯【l q 。 在已有的硬件基础上制作所需软件，用以实现测试过程中整定值的实时读 写，软件分为数据采集、发送数据两个部分。数据部分主要用于控制数据采集。 发送数据部分主要用于向上位机发送采集来的数据，软件将依据起始位、数据位 与校验位的顺序依次发送【l ”。从而实现测试过程中多组整定值的识别与读取。 2 4本章小节 根据继电保护自动化测试的要求，本章分析了继电保护测试过程中目前主要 存在的问题，即测试仪的实际波形输出能力的不足与测试仪自动化程度不高。 实现自动化测试将面临的难点问题有p c 机数据与继电保护装黄的通讯问 题、p c 机与测试仪的通讯问题以及保护装置对测试过程中整定值的识别与读取 等问题。在后续章节中，将对软件做可行性分析及系统的需求分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第三章继电保护自动化测试软件可行性及需求分析 本章主要介绍继电保护自动化测试软件的需求分析，其中包括自动化测试的 可行性分析及自动化测试软件的需求分析等。 3 1 继电保护自动化测试软件的可行性分析 随着计算机在近5 0 年内突飞猛进的发展，自动化在全社会的各个领域都得 到了充分的应用。以电力行业为例，电力行业自动化贯穿了从发，输，变，配， 送的每一个环节，尤其是自动控制与电力系统调度自动化领域 1 刁。自动化对于 继电保护测试是否可行以及如何实现已经成为时下人们议论与关注的焦点。 在接下来的3 1 1 与3 1 2 节中，将对仿真接口以及p w 软件接口的可行性进 行详细的分析。 3 1 1 仿真接口的可行性分析 为了增强m r t 的暂态波形的输出能力，首要的工作即是如何获取暂态波形 数据。只有在获取了故障时的暂态波形之后，才能利用p w 软件提供的软件接口 将其通过测试主机输出。 就目前的继电保护研究领域，最强大、最优越、最灵活的仿真工具，当首推 由m a t h w o r k s 公司推出的m a t l a b 6 x 与m a t l a b 7 x 系列软件【l2 1 。m a t l a b 以其 强大的仿真计算功能占领市场，而且为了方便实际需要，m a t l a b 为软件开发 提供了友好稳定的接口【1 3 】。继电保护自动化测试过程中暂态波形的输出能否成 功，就将归结于能否成功的调用m a t l a b 引擎的接口。 将故障仿真与保护测试这两个之前相对独立的过程结合起来进行自动化测 试，就必须在自动化测软中调用并驱动m a t l a b 引擎。m a t l a b 提供了分别对 应于c 和f o r t r a n 语言的有关引擎调用的函数库，通过调用其中的函数，可以在 c c + + 或者f o r t r a n 应用程序中实现对m a t l a b 计算引擎的控制和操作，包括引 擎的启动和关闭、数据传递以及执行m 代码的传递等【l 4 1 。 m a t l a b 计算引擎的一些典型应用【1 5 】： 1 在c c + + 或者f o r t r a n 中调用m a t l a b 的数学计算功能。比如计算 矩阵的特征值，或者进行快速的傅立叶变换等； 2 作为复杂系统的组成部分，提供强大的计算和数据图形化功能。比 西南交通丈学硕士研究生学位论文第1 9 页 如在分析暂态波形和谐被分析中，图形界面由c 语言开发，m a t l a b 计算引擎 提供强大的数据处理功能。 m a t l a b 计算引擎是m a t l a b 最早提供的钋部接门技术巾的一种0 6 1o 早在 m a t l a b 4x 版本就有了对m a t l a b 计算引擎的支持。在w i n d o w s 平台上， m a t l a b 4x 的计算引擎通过d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ( d d e ) 技术和应用程序通信， m a t l a b 5x 版本以后的计算引擎是通过c o m 技术和应用程序通讯。在u n i x l i n u x 平台e ，m a t l a b 计算引擎通过管道和应用程序之间通讯，m a t l a b 计算引擎 南一_ 惭 楚7 有吊的抽* “1 节而啊自。需要调用这些库函数就可以实现调用 m a t l a b 计算引擎的功能【l “。 通过以上分析可知，利用m a t l a b 引擎作为软件的底层不但可行，而且还 处处体现了m a t l a b 计算引擎的优点。仿真接口调用现实可行。 312 测试软件接口的可行性分析 p w 测试仪采用并行通讯口( 或u s b 口、网口) 与电脑相连，保证电脑的 串行口空闲，这样该串行口就可与所测试的保护装置相连l 。在一台计算机上同 时操作测试仪和被测保护装置，这在测试过程中特别是保护装最生产企业非常方 便。p c 机并口( 或u s b 口、网口) 有较高的传输速率，可提高测试装置的响应 速度，实现测试仪的实时控制和快速测试m 】。 p 系列继电保护测试仪通过并口与p c