基于LabVIEW的微机保护出口操作板智能校验装置上位机软件设计

2014-01-22倪良华潘晓明章心因仝琛石

机电工程 2014年10期

倪良华，潘晓明，章心因，仝琛石，李彬

（1.南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167； 2.苏州供电公司，江苏苏州210008）

0 引言

随着微机保护的快速发展，尤其是高度智能化数字式微机保护装置在电力系统的广泛应用，为保证其安全可靠运行，对继电保护试验技术提出了更高的要求。继电保护测试仪担负着测试微机保护测控装置性能的重要任务，能及时发现保护测控装置中隐藏的软/硬件错误、验证其性能、保证其正确可靠动作，避免误动拒动，对保障电力系统的安全稳定运行有着重要的意义［1］。目前，变电站35 kV 以下的线路保护一般会选用两个以上主流的保护设备厂家，针对江苏省电力公司标准化作业指导书中对新投设备验收要求，为了有效提高工作效率、试验数据准确性以及提高施工中的安全可靠性，防止由于试验方法问题引起插件或设备损坏，保证新投保护测控装置的投运可靠，笔者研究分析南瑞继保公司、国电南自公司和四方公司3家公司的保护测控装置内对操作回路各组成继电器要求，开发了微机保护跳闸出口操作板（以下简称微机保护操作板）智能校验装置，该装置不仅可作为继电保护生产厂家的试验设备，也可推广成为电力公司基建、检修单位进行现场检验的试验设备。

本研究重点论述该装置上位机软件的设计思路与实现方法。根据设计要求，上位机软件主要完成用户登录、被测操作板信息管理、通讯端口参数设置、校验参数配置、操作板自动测试监控以及测试报告的生成、分析与打印等任务。

LabVIEW 是由美国NI 公司研制开发的图形化编程语言，它能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、支持多种多样的分析等功能，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件［2-3］。本研究利用LabVIEW平台开发检验装置上位机管理程序，成功实现对该智能检验装置的控制以及对测试结果信息的快速处理。

1 校验装置工作原理

该校验装置组成如图1所示。该装置硬件由一台高性能PC 上位机、单片机监控装置以及测试对象微机保护操作板构成，操作板上包含有需校验的各种继电器TBJ、HBJ、TBJV、KKJ、TWJ、HWJ、SHJ、STJ。单片机监控装置与微机保护出口操作板之间通过设计的专用接口相连接，上位机与单片机之间经由USB转串口进行通讯。

图1 微机保护操作板智能校验装置组成图

图2 校验装置试验原理图

校验装置硬件组成结构如图2所示。其主要由单片机主控系统、两路可自动调节直流电流模块和一路可自动调节直流电压模块、功放模块、A/D 转换器电路、D/A 转换器电路、开入开出模块、通信组件以及过流和过压保护电路等构成。单片机主CPU 接收到上位机下达测试命令，对命令状态字进行解码分析，确定测试内容，再通过SPI 总线接口将驱动信号发给16位D/A转换器LTC1595B，产生高精度的直流电压和直流电流信号；对于电流放大，本研究采用4片CMOS场效应功率管IRF840并行处理，并通过串联负反馈电路实现恒流输出；对于电压放大，本研究采用12片PMOS场效应放大管IRF9640 并联驱动，且采用并联负反馈电路进行恒压输出。笔者将产生直流电压和电流信号经接口加至被测继电器上，检测其接点动作情况，一旦判定接点变化，立即回采电流电压值，回采值经运放放大后用16 位A/D 转换器AD7685 进行模数转换，主CPU 读取回采值并进行转换计算，最后经通信端口将测试结果数据上传至上位机。上位机软件负责管理控制整个装置和校验结果信息处理工作。

2 上位机软件设计

2.1 上位机软件总框架

图3 上位机管理软件框架图

基于LabVIEW 平台的上位机软件采用模块化编程，软件总框架图如图3所示。软件模块包括用户登录、用户信息维护、通讯端口参数设置、操作板选择与校验、测试结果报表生成与打印等模块。同时为方便处理各种信息，该软件设计了用户信息数据库、操作板基本信息数据库和测试结果数据库，供各功能模块实现信息共享。

上位机软件具有实时多任务、多窗口的特点［4］。在Windows下运行的测试程序充分利用Windows多线程的特点，大大增加通讯数据的吞吐量，提高了程序运行的实时性。在对保护装置出口操作板进行测试的同时，可以通过计算机USB口与单片机测控装置通讯，实时监视被测保护装置的测试情况。

2.2 数据库设计

应用软件中通过使用数据库既可以高效地管理数据、提取所需信息，又可以快速存储数据，同时使报表的生成更为方便。上位机软件中一共设计了用户信息、操作板基本信息和测试结果3个数据库以及1个测试结果临时数据库。用户信息数据库用来存储用户的基本信息，包括登录名、密码、使用权限和最近登录时间等信息；测试结果数据库用于存放被测操作板校验结果信息，并为最终生成打印报表提供技术数据；测试结果临时数据库主要用于用户实时浏览测试结果。

目前主流的数据库管理系统有DB2、Oracle、Mysql 和Access 等。其中Access 存储方式简单、面向对象且界面友好，受到用户欢迎，因此该软件选用Access设计数据库。

而应用LabVIEW 软件访问数据库通常有3 种方法［5］：

（1）利用附加工具包LabVIEW SQL Toolkit。

（2）编写动态连接库DLL程序。

（3）利用ActiveX调用ADO控件。

该软件采用第3种方法访问数据库。建立在OLE（Object Link and Embed）底层技术之上的ADO 控件是一种封装好的程序框图。通过ADO控件可以高效、可靠地执行数据库连接、读写等操作［6］。

连接用户信息数据库的程序代码如图4所示。其中“Driver”指定数据库驱动程序，Dbq指定要访问的数据库的路径。系统通过该程序即可连接到Access数据库。连接数据库之后，ADO封装元件可用于对数据库进行读写、查询工作。读取数据库内的信息并显示至表格的程序框图如图5所示。系统可将用户信息数据库直接读至表格显示控件，并对表格控件的表头进行命名。利用“格式化写入字符串”函数和数据库写入SQL语言进行连接，实现将数据信息写入所连接数据库。

2.3 通讯模块设计

图4 连接数据库的程序代码

图5 读取数据库至表格的程序

上位机通过USB 转串口与单片机测控装置进行通讯，接线简单方便，信息传输速率比较高，响应速度比较快，有利于系统实现快速测试。VISA 是Lab⁃VIEW 中驱动程序间相互通信的底层功能模块，可以连接不同标准的I/O 设备，易于实现串口通信设备与计算机设备之间通信［7-8］。通讯模块的通讯协议按照报文形式组织程序设计。

串口初始化设置波特率为9 600 bit/s、8 位数据位、1 位停止位、无奇偶校验、延时读取时间为20 ms。通讯端口参数设置界面及程序如图6所示。

图6 通讯端口参数设置界面及程序

实现上位机与单片机的通讯不仅要设置上位机的通讯参数，还需对单片机制定通讯规约。该设计使用异步串行通信，RS-232电平，波特率、起始位等与上位机参数相对应。通讯采用一主从轮询模式。子站收到主站发来的报文后，在100 ms内发送应答帧给主站，而对主站发来的广播报文不应答。报文间隔为至少20 ms 的空闲，同一帧的字节间隔不大于10 ms，报文格式如表1所示。

表1 通讯报文格式

2.4 用户登录及用户信息管理模块

针对本研究所开发的校验装置属继电保护专用的试验设备，为有效保护所设计装置的各种配置参数，同时为保证硬件设备安全，将非专业操作人员拒于系统之外，避免由于使用者误操作损坏系统，设置软件使用权限十分必要，为此笔者设计了用户登录模块［8］。该模块将用户权限分为管理员和普通用户两类，管理员拥有最高级别权限，可以管理和维护整个校验装置；普通用户拥有一般权限，经授权后可使用该系统。

用户登录模块程序如图7所示。系统首先通过ADO元件写入SQL查询语言读取数据库信息，然后利用搜索数组函数搜索与登录名相匹配的用户信息，比对密码正确无误后，用户即登录成功。

图7 用户登录模块程序

用户信息管理模块用于管理员维护不同用户信息，可添加、删除和修改用户基本信息。实现添加新用户功能的程序如图8所示。系统利用ADO 控件和INSERT INTO语句向数据库写入新用户信息。

2.5 操作板选择与校验模块

针对典型继电保护生产厂家出口操作板继电器的校验，该软件中设计了操作板选择与校验模块，用户可以方便地进入不同厂家操作板校验的界面。

图8 添加新用户信息程序

操作板选择与校验模块主要实现被测操作板基本信息管理、校验项目选择、测试命令下达、通讯、仪表化显示结果、测试过程监视、测试结果保存和浏览等功能。国电南自公司保护出口操作板校验模块界面如图9所示。

图9 操作板校验界面图

该模块运用逻辑语言判断函数以及事件结构实现测试对象的单选与全选功能［9］，测试过程中软件后台与下位机不停传输报文并以仪表化的方式监测测试进度，测试成功后通过数据库的读写操作可以将测试结果存储至ACCESS数据库并浏览测试结果。

在对所选继电器校验测试之前，需进行相关的参数设置，测试参数设置如图10所示。其作用是生成正确可行的报文，继而实现正常通讯。继电器的各参数每次被设置后被保存至文件以方便以后校验时直接读取，该模块设定唯有管理员权限可以自行更改参数，以防普通用户对参数的随意设定而损坏硬件。

图10 测试参数设置

2.6 报表生成与打印模块

为满足调阅或打印测试结果的需要，须将测试结果生成报表。LabVIEW 具有许多生成报表的方法，生成Word 报表的具体方法有3 种［10］：①利用MS Office Report.vi。②利用ActiveX 自动化引用。③利用Word Specific。通过MS Office Report.vi 生成报表书签数量最多只有17 个，这就很大程度地限制了报表中的数据写入量。ActiveX 自引用生成报表是通过设置对象属性和调用方法访问Word 对象，通过循环语句调整鼠标位置来输入信息，生成规则的模板比较方便。Word Specific 生成Word 文档，通过表格的行列属性插入数据，具有程序简单且易于修改的特点［11］。

该软件报表采用第3 种方法设计，在预先设计好的Word 模板中通过表格的行列属性添加信息，利用Word Specific 生成报表程序如图11所示。测试系统生成的测试结果报告样式如图12所示。其内容包括被测板件的基本信息、测试数据结果、测试人员及测试日期等。系统在生成报表的程序中预先设置逻辑判断语句，可以快速、准确地评估各继电器的各项测试结果是否满足指标。

图11 利用Word Specific生成报表程序

3 结束语

本研究针对微机保护出口操作板智能校验装置，设计了基于LabVIEW语言开发的上位机软件，详细论述了软件实现的基本功能和编程思想，其具有界面友好、功能多样、操作简便、性能优越等优点。该软件对操作板校验的便捷性、高效性有了很大程度地提升，其各个功能模块都展现出其在投入实践中的强大适应性。该机软件已投入使用，经过试验能出色地完成各项功能，满足操作板智能校验系统长期运行的需求。本研究阐述的设计思路和关键的技术环节对同类产品的研制具有一定的参考价值。